科學發(fā)現(xiàn)學習的研究初探

摘要科學教育將目標指向培養(yǎng)公民的科學素養(yǎng)，科學發(fā)現(xiàn)學習這一學習方式能有效促成科學教育目標的實現(xiàn)。當前，國外對科學發(fā)現(xiàn)學習的研究已涉及認知機制、過程步驟、環(huán)境設(shè)計開發(fā)，國內(nèi)的研究也包括理論、實踐等方面。科學發(fā)現(xiàn)學習環(huán)境的使用總是差強人意，究其原因是設(shè)計開發(fā)時忽略了對環(huán)境的概念設(shè)計，應當運用學習者中心設(shè)計方法對科學發(fā)現(xiàn)學習環(huán)境進行概念設(shè)計。

關(guān)鍵詞科學發(fā)現(xiàn)學習 研究現(xiàn)狀 概念設(shè)計

中圖分類號：G442 文獻標識碼：A

Survery of Scientific Discovery Learning

WANG Lu， CAO Li

(School of Journalism and Communication， Yangzhou University， Yangzhou， Jiangsu 225002)

AbstractThe goal of science education is the training of scientific literacy， scientific discovery learning is the efficient way. The research of abord involes cognitive mechanism， procedure， the design and develop of environment， the research of china involes theory and practice. But the use of scientific discovery learning environment is barely satisfactory， the reseaon is the ignore of concept design， so it's wise to concept design the scientific discovery learning enviornment with the learner-centered design method.

Key wordsscientific discovery learning; the recent research; concept design

1 科學發(fā)現(xiàn)學習的提出

當前，科學知識的“爆炸”式增長，及其帶來的人類社會的深刻變革，使得提升國民的科學素養(yǎng)和創(chuàng)新能力彰顯出越來越重要和緊迫的現(xiàn)實意義。在此背景下，傳統(tǒng)的通過教師的直接講授方式讓學習者識記大量的科學概念、定律和理論的教學方法就顯得不合時宜了。20世紀以前，杜威指出，學生需要學習的不僅是科學知識體系，更重要的是科學探究過程和方法。20世紀中期，布魯納帶頭掀起世界性的課程改革運動。與此同時，受當時科學哲學的影響，芝加哥大學的施瓦布以“科學的結(jié)構(gòu)是不斷變化的”為前提，主張把科學的可變性滲透到課程中，并采用探究教學來教授“作為探究的科學”，探究學習一詞便是他于1964年首次提出的。“科學發(fā)現(xiàn)學習”(Scientific Discovery Learning)是指學習者像科學家一樣，針對某個科學問題，通過提出假設(shè)和設(shè)計實驗的方法，探究、發(fā)現(xiàn)并建構(gòu)其中的基本規(guī)律和原理的學習活動。①學習者通過模擬科學家進行科學研究的方式進行學習，從而掌握科學知識結(jié)構(gòu)，并體驗科學探究的過程與方法。

結(jié)合計算機模擬技術(shù)的發(fā)展，基于網(wǎng)絡的探究式學習環(huán)境成為實施科學發(fā)現(xiàn)學習的有效途徑。當前主流的科學探究學習環(huán)境包括WISE、Co-Lab、CoVis、Simquest、Interactive Physics等，這些學習環(huán)境采用了以學習者為中心的設(shè)計方法，為了支持學習者進行科學發(fā)現(xiàn)學習，提供了大量的支架，表現(xiàn)為一系列工具。

2 科學發(fā)現(xiàn)學習的研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

目前，國外對于“科學發(fā)現(xiàn)學習”的研究集中在認知機制、過程步驟、環(huán)境開發(fā)等方面。

從認知機制看，科學發(fā)現(xiàn)學習屬于特定領(lǐng)域內(nèi)定義良好的問題解決活動。在大多數(shù)的問題解決活動中，問題解決活動只在一個問題空間中展開。而在科學發(fā)現(xiàn)學習活動中，學習者需要不斷地設(shè)計實驗、收集數(shù)據(jù)，并猜想數(shù)據(jù)背后的規(guī)律，直到實驗數(shù)據(jù)能夠支持所猜想的規(guī)律。因此，這里學習者的問題空間包括兩個子空間：一是學習者設(shè)計的實驗在記憶中的映射，稱為實驗空間(experiment space)；二是由學習者猜想的所有可能存在的規(guī)律構(gòu)成的假設(shè)空間(hypothesis space)。Klahr 和Joolingen 等人提出了科學發(fā)現(xiàn)的雙重搜索理論(Scientific Discoveryas Dual Search，簡稱SDDS)。②③在SDDS的基礎(chǔ)上，ESDDS進一步將假設(shè)空間分為了變量空間和關(guān)系空間。

從過程步驟看，發(fā)現(xiàn)是同化概念和原理的心理過程，包括觀察、分類、測量、描述、推理等活動；探究是確定問題、建立假設(shè)、設(shè)計實驗、收集數(shù)據(jù)、作結(jié)論的過程，除了發(fā)現(xiàn)的各種活動外，它還包括預測、實驗、控制變量、實驗、解釋數(shù)據(jù)、及交流等活動。④對于科學發(fā)現(xiàn)學習的過程，不同的研究者在不同時期的觀點各有側(cè)重，如：Van Joolingen 和 de Jong 早年將它描述為一系列細節(jié)過程，如“歸納出一個變量”、“推翻假設(shè)”等；Quintana則提出應包含“產(chǎn)生假設(shè)”、“過程管理”以及“反饋、評價”。目前比較常用的是de Jong等提出的，將科學發(fā)現(xiàn)的過程定義為“分析問題”、“產(chǎn)生假設(shè)”、“實驗”（設(shè)計實驗、預測、數(shù)據(jù)闡釋）、“得出結(jié)論”和“評價”等五個階段，貫穿這些階段的還有用于計劃和引導學習過程的“學習管理或控制”工具。⑤

由于現(xiàn)實世界中的種種限制與計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究者正著眼于設(shè)計與開發(fā)基于仿真技術(shù)的科學發(fā)現(xiàn)學習環(huán)境。已知的科學發(fā)現(xiàn)學習環(huán)境包括：Simquest 、WISE 和Co-Lab等。因為科學發(fā)現(xiàn)學習是個復雜的過程，學習者會遇到各種困難與挑戰(zhàn)。因此，上述科學發(fā)現(xiàn)學習環(huán)境，大多從過程模塊和輔助工具兩方面對學習者提供指導與支持，如WISE的“支架式的知識整合理論框架”（SKIF）、⑥Co-lab的“過程導航”(Process Coordinator)和Simquest的“假設(shè)編輯器”(Hypothesis Scratchpad)等。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)并沒有明確提出“科學發(fā)現(xiàn)學習”的概念，而是用“發(fā)現(xiàn)學習”、“探究學習”體現(xiàn)科學發(fā)現(xiàn)學習的思想。在相關(guān)文獻中主要分為兩類：理論類和實踐類。

理論類，一是從學習方式的角度將發(fā)現(xiàn)學習、探究學習、研究性學習進行比較。二是強調(diào)學習方式的變更對教與學各方面的要求，要求老師以學習者為中心，在教學方法和策略上采用探究式、發(fā)現(xiàn)式、研究式教學；同時將科學探究與科學知識、情感態(tài)度價值觀等并列為主體的評價方面等。還有文章著重描述采用探究、發(fā)現(xiàn)思想在激發(fā)學生動機、培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維、提高科學素養(yǎng)方面具備作用，這種教育思想一定程度上也幫助了特殊教育的展開。

實踐類則是在日常教學中運用發(fā)現(xiàn)、探究的思想進行教學的案例，大多集中在數(shù)學、化學、物理、生物、自然領(lǐng)域，參與探究的學生多為幼兒、小學、初中階段。在具體的實施時，大致包括：發(fā)現(xiàn)問題、猜想與假設(shè)、制定計劃、進行實驗、收集證據(jù)、表達與交流、評價反思以及應用。

不難看出，國內(nèi)對于科學發(fā)現(xiàn)學習的研究還停留在理論淺層探討、實踐留于形式的層面。結(jié)合計算機模擬技術(shù)的發(fā)展，以科學發(fā)現(xiàn)為核心的學習環(huán)境逐步得到大家的重視，在國內(nèi)也涉及對此類學習環(huán)境的使用、設(shè)計和開發(fā)。使用上包括在現(xiàn)有學習環(huán)境中創(chuàng)設(shè)項目，如應用Jeroo微世界進行教學。設(shè)計層面上，有研究者設(shè)計了一個電磁學網(wǎng)上學習環(huán)境，作者通過對物理電磁學部分內(nèi)容的理解，開創(chuàng)了一個學習環(huán)境的設(shè)計層面的理解。對于已開發(fā)的科學發(fā)現(xiàn)學習環(huán)境，包括浮力探究環(huán)境、潛水艇原理等。

3 存在的問題及解決關(guān)鍵

3.1 當前對科學發(fā)現(xiàn)學習研究中存在的問題

國內(nèi)外對于科學發(fā)現(xiàn)學習的研究在理論上已日趨完善，在科學發(fā)現(xiàn)學習環(huán)境的設(shè)計開發(fā)上，已有的學習環(huán)境著重于支架性工具的運用。應當承認，這些設(shè)計尚處于零散的狀態(tài)，學習者在使用軟件學習后雖完成了問題的解決，卻無法體會科學發(fā)現(xiàn)的精神，無法掌握科學發(fā)現(xiàn)技能、形成科學發(fā)現(xiàn)態(tài)度。

Palh和Beitz的普適設(shè)計方法學中將產(chǎn)品設(shè)計過程分為明確任務階段、概念設(shè)計階段、具體化設(shè)計階段和詳細設(shè)計階段，每個階段有自己的策略、規(guī)則和原理。軟件系統(tǒng)作為特殊的產(chǎn)品，也應當經(jīng)歷任務分析、概念設(shè)計、具體設(shè)計等階段。其中，概念設(shè)計產(chǎn)品概念設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計中最重要的關(guān)鍵階段。這主要表現(xiàn)在以下幾個方面：首先，據(jù)資料顯示，概念設(shè)計階段投入的費用雖然只占產(chǎn)品開發(fā)總成本的5％，卻決定了產(chǎn)品總成本的70％以上；⑦其次，概念設(shè)計決定了產(chǎn)品的基本特征、性能和主要框架，在概念設(shè)計結(jié)束后，設(shè)計的主要方面就被決定下來了；更重要的是，概念設(shè)計階段自由度較大，所受的約束較少。但在概念設(shè)計的應用領(lǐng)域，目前仍主要停留在機械電子、建筑、藝術(shù)領(lǐng)域，在教育領(lǐng)域仍沒有明確的運用。科學發(fā)現(xiàn)學習系統(tǒng)的開發(fā)更是忽略了概念設(shè)計階段，直接導致了科學發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的理論與實際開發(fā)相脫節(jié)，支架的設(shè)計與開發(fā)相當零散。

3.2 科學發(fā)現(xiàn)學習環(huán)境的概念設(shè)計

對于“概念設(shè)計”的研究，可以追述到1984年，Palh和Beitz在《Engineering Design》中第一次提出概念設(shè)計名詞，并將它定義為“在確定任務之后，通過抽象化擬訂功能結(jié)構(gòu)，尋求適當?shù)淖饔迷砑捌浣M合，確定出基本求解途徑，得出求解方案，這一部分設(shè)計工作叫做概念設(shè)計。”⑧自此，許多學者開始用這一名詞定義設(shè)計方案的初始階段。Rao M則定義為：“概念設(shè)計是在全面考慮各種設(shè)計約束的條件下，以設(shè)計目標為輸入，以產(chǎn)品概念設(shè)計方案為輸出的系統(tǒng)所包含的工作流程，它是決定產(chǎn)品最終質(zhì)量、市場競爭力及企業(yè)獲利的關(guān)鍵因素。”⑨

對于科學發(fā)現(xiàn)學習環(huán)境的概念設(shè)計，Soloway等人提出了學習者中心的設(shè)計方法（LCD，learner-centered design）。該方法區(qū)分了學習者與用戶、學習活動與工作任務的差異，提出科學發(fā)現(xiàn)學習環(huán)境設(shè)計的核心在于為學習活動提供腳手架，以支持學習者的建構(gòu)式學習活動。⑩學習者中心設(shè)計的概念早在1994年就已提出，Quintana等人提出LCD過程應該包括：（1）描述和特征化目標學習者，他們所要進入的實踐以及他們的學習目標；（2）標識出學習者在進入特定實踐時可能需要支持的領(lǐng)域；（3）發(fā)展支架途徑，這些途徑都概念化并在軟件中執(zhí)行，支架用來支持早前定義的需求。因此，運用LCD對科學發(fā)現(xiàn)學習環(huán)境進行概念設(shè)計的過程應當包括：（1）特征化目標學習者；（2）描述科學發(fā)現(xiàn)學習的任務；（3）分析學習者在科學發(fā)現(xiàn)學習過程中所遇到的困難；（4）設(shè)計科學發(fā)現(xiàn)學習環(huán)境中的可消退性支架；（5）得出科學發(fā)現(xiàn)學習環(huán)境的概念模型。

注釋

①Jong， T.de Joolingen， W.R. van. Scientific discovery learning with computer simulations of conceptual domains[J]. Review of Educational Research. 1998(68).

②Klahr D， Dunbar K. Dual space search during scientific reasoning[J]. Cognitie Science. 1988: 12.

③Joolingen， Jong. An extended dual search space model of scientific discovery learning[J]. Instructional Science.1997:25.

④Leslie W.Trowbridge， Rodger W.Bybee， Janet Carlson Powell. Teaching Secondary School Science. Prentice-Hall Inc.，7thEdition， 1996:207.

⑤Jan Elen，Richard Edward Clark，Joost Lowyck，European AssociationHandling Complexity in Learning Environments:Theory and Research [M]. Elsevier. 11830 Westline Industrial Drive， St. Louis， MO 63146. 2006-07-11.

⑥黃都.促進知識整合的科學探究環(huán)境設(shè)計——基于對WISE網(wǎng)絡探究平臺的評介[J].全球教育展望，2004(7).

⑦Hyeon H J，Parsaei H R，Wong J P.Concurrent engineering：The Manufacturing Philosophy for the 90’s[J].Computer Industry Engineering.1991.21(1-4):34-39.

⑧Palh G，Beitz W. Engineering Design [M]. The design council， 1984.

⑨RAO M， et al. Integrated distributed intelligent systems in manufacturing [M]. London: Chapman Hall，1992.

⑩Robert Keith Sawyer.The Cambridge Handbook of the Learning Sciences[M].Cambridge University Press，2006.