微世界支持的小學生科學發現學習過程研究

【摘要】如何利用計算機模擬軟件來支持一些在實驗室無法完成的實驗是目前科學教學中迫切需要解決的問題之一。微世界作為支持發現學習的模擬軟件，尤其適合于發展科學學科的探索與發現學習活動。學習者利用它提供的操作方法與指令探索其中的領域知識，并觀察產生的現象、檢驗自己的假設，從而發現并習得微世界中蘊藏的領域知識。文章從理解微世界和科學發現學習的含義出發，分析了微世界支持的科學發現的活動過程和學習者存在的困難，從技術應用和支持學習者科學發現學習認知過程兩個維度提出了微世界支持的科學發現學習的策略框架，并通過開展教學實踐，探索微世界支持小學科學發現學習的教學策略的實施過程，以促進小學科學課堂教學的有效開展，提升小學生的科學素養。

【關鍵詞】微世界；科學發現學習；教學策略：行動研究

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009-8097（2013）09-0035—06 【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2013.09.007

一 研究問題

科學發現學習本質上是一種良好的問題解決活動。小學科學發現學習實際上是小學生通過探究科學實驗，從而發現并獲得科學知識、科學現象，培養科學探究的技能的活動過程。微世界（Mircroworld）是一個經過實證研究證明十分有效的認知學習環境與心智工具（mental tool），尤其適合于發展科學（技）學科的探索與發現學習活動。國外已經有許多微世界應用于科學發現學習的教學經驗和實踐案例。但在國內，特別是小學科學教學中，還很少有關于微世界的教學應用研究。如何運用微世界促進小學科學發現學習是值得我們深入研究的問題。為此，本研究提出如下三個具體問題：

（1）小學科學發現學習有什么特點，其活動過程是什么？

（2）微世界的功能特性是什么，它在小學科學發現學習中起什么作用？

（3）如何有效地運用微世界支持小學科學發現學習？

二 微世界支持的科學發現學習

1 科學發現學習的含義

科學發現學習（Scientific Discovery Learning）是指學習者通過構造科學實驗而進行的發現學習，即學習者像科學家一樣，針對某個科學問題，通過提出假設和設計實驗的方法，探究、發現并建構其中的基本規律和原理的學習活動。因此，科學發現學習是指在科學教學中，教師通過提供一定的支持和幫助，引導學習者針對某一個科學問題，通過提出假設、設計實驗、檢驗假設、得出結論等步驟探究科學實驗，發現并建構其中的基本概念、規律和原理，從而提高科學素養的學習活動。科學發現學習的目標、過程都十分強調學生自己的發現經歷，并希望能在這一過程中培養學生的科學探究思維、方法，建構起有關的概念、原理，發展有關的認知技能。

2 科學發現學習的活動過程

De Jong和Nioo曾把科學發現學習稱為“探索性學習”（Exploratory Learning），并對科學發現學習的過程做了具體分析，認為這一過程主要由兩類活動組成：轉化性過程和監控性過程。張建偉和陳琦對科學發現學習進行了結構化分析，認為在科學發現學習過程中，學習者需要完成問題表征與假設形成、實驗探索、自我監控與反思概括三種相互聯系的活動，這三種活動構成了科學發現學習中相互交織的三條線索。同時還強調，在整個科學發現學習過程中學習者原有的知識經驗：領域性知識（domain knowledge）和元知識（meta-knowledge）具有重要的作用。陳剛提出了計算機模擬支持的科學發現學習的活動結構，認為科學發現學習實際上就是學習者在實驗空間和假設空間中展開的雙重搜索，包括有三個子過程：搜索假設空間、搜索實驗空間和證據評估。

綜合上述所有觀點，筆者認為科學發現學習實際上是學習者通過開展科學實驗進行學習，它可歸納為三個基本活動過程：科學探究活動（提出問題、形成假設、設計實驗、探索實驗、分析實驗、得出結論）、自我監控活動（自我計劃、自我監控、自我評價）、反思概括活動。在這三種活動中，學習者原有的知識基礎（領域性知識、元知識）具有重要的作用。其中，科學探究活動是科學發現學習的基本探索活動。

3 微世界支持的科學發現學習中存在的困難

雖然科學發現學習受到了教育界的普遍歡迎，但是，許多實驗研究表明，科學發現學習的實際效果并不一定優于傳統的講授型學習。究其原因，是因為學習者在科學發現學習過程中遇到了各種新的問題與挑戰。而通過教學實踐發現，在微世界支持的科學發現學習中主要存在以下兩方面困難：

（1）學習者在使用微世界開展科學實驗探究時，容易將其等同于“游戲”，導致無法發揮微世界的學習功能；

（2）由于受到知識背景和認知發展水平的限制，學習者對科學實驗的相關知識和方法理解不夠，不知道如何開展科學實驗，具體表現在：①不知道怎樣從具體的任務情境中選擇自己的研究問題；②不能正確地完成實驗設計：⑨不知道應該記錄哪些實驗數據；④較難通過分析實驗現象和數據來得出結論：⑤對自己的實驗過程不能進行很好的監控和調節，經常是隨意地、沒有邏輯地開展實驗探索。

三 研究方法

為了最終形成一套能夠有效促進微世界支持小學科學發現學習的教學策略實施過程和方法，本研究采用行動研究的方法。

1 總體目標的確定

本行動研究的總目標是根據理論分析提出的微世界支持小學科學發現學習教學策略的總體思路，開展行動研究，通過不斷修正、完善，提出具體的微世界支持小學科學發現學習的教學策略實施過程與操作原則。根據實際情況，本行動研究將設計成三輪循環，每輪的目標分別為：

（1）第一輪行動目標：探索微世界的使用方法，細化各個并微世界支持小學科學發現學習的活動過程中各個環節的策略，即“知識解釋支持策略”、“實驗探索支持策略”和“反思支持策略”：（2）第二輪行動目標：修正、完善各個環節的策略；（3）第三輪行動目標：總結微世界支持小學科學發現學習的教學策略和方法，同時分析微世界支持小學科發現學習的教學策略的實施對提升小學生科學素養的作用。

2 實驗對象和內容的選擇

本研究的實驗對象是廣州市體育東路小學五（3）班的學生（共30人），確定如表1所示的部分教學專題作為實驗教學內容。

“種植外星植物”、“生態瓶”、“維護生態平衡”三個專題是小學科學的重要內容。“種植外星植物”內容側重于將引導學生根據問題情境提出研究的問題，并根據問題設計對比實驗，學會如何從收集的數據中，分析整理信息，從而得出正確的結論；“生態瓶”幫助學生探索在封閉條件下建立良性生態系統的方法，再用于實際生活的研究，從而培養學生的科學探究能力，幫助孩子們形成愛護動物、珍愛生命的意識；“維護生態平衡”引導學生認識自然界的生態系統是一個和諧的整體，需要很長時間才能形成，其中任何一個環節受到破壞，生態系統都可能會失去平衡。

3 微世界的設計與開發

本研究中所使用的微世界的設計理念是為小學生提供模擬真實世界現象的發現式與探索式的學習環境，通過操作微世界中的元件或命令進行模擬實驗活動，促進小學生主動探究進行科學發現學習，從而激發小學生主動參與解決問題的能力。

“種植外星植物”這一專題是根據小學五年級《科學》上冊（教科版）中“生物與環境一”單元中“設計種子發芽”、“種子發芽實驗”、“從實驗中獲得信息”三個專題內容所涉及的知識點進行設計的拓展內容，該軟件在課堂上為學生提供一個虛擬科學實驗研究環境，通過探索三種養料A、B、C中，哪種是外星植物“小菱花”生長需要的養料，并找出該養料的最佳分量范圍，從而幫助“小菱花”生長得最好，以打破宇宙高度，操作界面如圖1。

“制作生態瓶”微世界是針對小學科學五年級內容“生物與環境（二）”中有關生態瓶的內容，主要目的是讓學生在構建、觀察、改變“微型生態系統”的過程中，加深對生態系統及生物圈的理解，明確非生物、植物、動物之間的依賴關系，軟件操作界面如圖2。

在“維護生態平衡”微世界軟件中，呈現了一條由“草”、“兔子”、“狐貍”三種生物組成的食物鏈，學生可以通過操作軟件開展對比實驗，觀察這一生態系統50年里草原生物數量的變化，軟件操作界面如圖3。

4 總體行動方案

（1）將微世界應用于小學科學課堂，探索微世界的使用策略與方法，并制定第一輪行動計劃；（2）實施第一輪行動；（3）觀察并收集數據，分析效果；（4）反思第一輪行動結果并總結；（5）改進教學，細化策略與方法并制定第二輪行動計劃；（6）實施第二輪行動；（7）收集并分析數據，觀察結果；（8）反思第二輪行動結果，并改進：（9）以同樣的模式進行第三輪行動研究。

四 研究過程、結果與反思

1 第一輪行動方案、過程、結果與反思

本輪行動研究的主要目的是探索微世界的使用方法與策略。作為一種計算機模擬軟件，微世界為學生提供了一種模擬真實實驗的虛擬環境，因此需要讓教師和學生熟悉和適應利用微世界開展科學學習，克服因真實實驗和虛擬實驗之間的差異造成的困難。

在本輪行動研究中，教師根據教學的需要，在不同的教學環節為學生提供了較為有針對性的支持策略。首先，在開展科學實驗探究前，教師利用微世界的演示功能給學生創設了問題情境，并聯系舊知識，幫助學生提出研究的問題：接著，教師使用“任務驅動式教學”將微世界中的科學實驗分解為兩個任務，要求學生借助實驗方案和其它輔助工具來完成一定任務，在整個實驗探索過程中，教師還采用了搭建“腳手架”、同伴輔導、提供輔助工具（如Excel）、反思等策略。

筆者通過課堂觀察、課后對教師和學生的訪談發現，學生對微世界這一新的學習軟件充滿了好奇和興趣，并且大部分學生在明確了任務要求后，很快就能熟練操作微世界；學生能夠明確實驗研究方案的重要性，多數學生能夠認真閱讀并填寫實驗方案，但也有不少學生在實驗探索過程中不作記錄：部分學生利用了Excel進行數據處理，通過分析直觀化的圖形來得出自己的結論。圖4（a）、（b）是學生利用Excel處理的收集到的實驗數據所得到的“小菱花”生長曲線圖。

但是，通過調查和觀察，發現還有以下一些問題有待解決：（1）學生對微世界的“熱情”過高，導致他們忽視了對教學目標、教學問題等重要信息的理解，少數學生甚至將操作微世界當做玩游戲，直接影響了教學目標的達成。（2）教師對學生的指導還不夠到位。主要體現在兩個方面：一是未能把握學生進行科學發現學習的關鍵環節給予及時和恰當的指導；二是未能對所有學生進行指導，導致學生間學習效果差異較大。針對以上兩方面的問題，我們認為可以嘗試采取以下措施對微世界支持的小學科學發現學習教學策略加以改進：

（1）在開始實驗操作前，對學生的操作權限加以控制，不讓學生動手操作微世界，由教師引導學生明確了教學目標和探究任務、提出研究問題、形成了假設并制定了實驗計劃后，再給予學生操作的權限。

（2）教師加強對教學關鍵環節的把握，并針對關鍵的教學環節進行精心的設計，引導學生的概念轉變和思維發展。同時，采用同伴輔導和小組協作相結合的策略加強學生之間的互助和協作，最大限度地照顧到學生的水平差異。

2 第二輪行動方案、過程、結果與反思

本輪行動研究的主要目的是細化微世界支持的小學科學發現學習活動過程中各個環節的教學策略，即知識解釋支持策略、實驗探索支持策略和反思支持策略，并通過課堂觀察、課后反思、調查和訪談等方式收集信息，進一步總結三種教學策略的具體應用方法，并及時發現存在問題從而加以改進。

在本輪行動研究中，教師在教學的關鍵環節，設計了較有針對性的教學策略。在提出問題和形成假設的階段，教師提供的知識解釋支持策略主要包括了講授法、案例教學法、概念圖支架等，為了幫助學生能夠理解所要探究的科學問題，教師除了直接講授，還提供了相關的案例供學生觀摩學習，同時還讓學生學會利用概念圖工具對相關的科學知識進行分析和梳理，訓練學生的思維能力，從而建構有關的科學概念。在實驗探索階段，教師分別針對設計實驗、檢驗假設和分析實驗三個關鍵環節為學生提供了相應的實驗探索支持策略，包括：搭建“腳手架”、操作示范、提供輔助工具等。

本輪行動研究中，筆者發現：大部分學生已經適應了微世界支持的小學科學發現學習活動，開始將注意力轉移到“我要利用微世界來發現”，因此更加重視實驗研究方案的閱讀和填寫，部分學生能自己積極主動地尋找輔助工具進行數據記錄和分析。由于本輪行動研究中教學內容所涉及的知識較為復雜，學生在操作微世界和理解實驗研究方案的過程中還存在一定的困難。

通過訪談教師發現，在實際教學中，問題提出和假設形成階段在整個課堂中處于很關鍵的地位，需要充分引起學生探究的積極性，在明確問題基礎上開展實驗的探索。因此，除了在教學過程中要為學生提供知識解釋支持策略、實驗探索支持策略和反思支持策略外，還應考慮在最初的教學環節中，加入任務驅動策略，通過提出任務、分析任務、解決任務等步驟，使學生積極投入探究過程。

通過訪談學生發現，學生主要在兩方面還存在著較大的困難：一是不知道如何根據研究問題進行猜想和假設，較難根據分辨猜想和假設選擇相關信息：二是不知道應該如何對收集的證據進行推理和解釋，從而形成正確的結論。雖然教師在設計教學時，已經針對這兩方面的困難提供了相關的學習支持，但還有待于進一步深入分析和解決。

本輪行動研究對教學策略進行細化并改進了相應的實驗研究方案，較第一輪行動研究有了較大的改進。但也發現以下問題，針對這些問題，提出改進措施。

（1）發現問題

學生在形成假設和得出結論兩個環節還存在著較大困難，需要教師提供更有針對性的教學策略和方法的支持。

（2）改進措施

發揮小組協作探究的優勢，利用“同伴輔導”使學生之間互相幫助和促進。

3 第三輪行動方案、過程、結果與反思

本輪行動研究的主要目的是總結微世界支持小學科學發現學習的教學策略的操作過程及方法，分析微世界支持小學科學發現學習教學策略對學生的科學素養發展所起的作用。

在本階段的教學實驗中，主要針對前兩個循環中出現的問題進行觀察分析，重點關注所提出的教學策略在促進學生開展科學發現學習活動中的有效性。

通過執教教師的反思，可以發現：（1）各種策略的運用有助于學生開展科學發現學習活動，也促進了學生科學素養的發展；（2）教師認為微世界很適合于支持小學科學中部分難以在課堂中完成的科學實驗探索，大大提高了學生參與科學探究的積極性，增加了學生體驗科學探究過程的機會。

學生對微世界的使用表現出極大的興趣，訪談發現，學生在科學知識的掌握、科學探究能力、情感態度價值觀的發展方面取得了較大的進步。主要表現在：（1）能夠應用課堂上所學的知識去解釋生活中的科學現象或解決生活中的實際問題；（2）完整地體驗了科學探究的過程，增強了動手操作的能力；（3）極大提高了對科學探究的興趣，并愿意與他人合作和交流。

五 總結與評價

通過三輪行動研究，總結出微世界支持小學科學發現學習的教學策略的實施過程如圖5所示，并得出如下結論：

1 微世界支持小學科學發現學習的教學實施步驟包括“明確探究任務——建構問題空間——制定實驗計劃——開展微世界探索——形成結論——反思評價”六個環節

微世界支持的小學科學發現學習的實施步驟分為：明確探究任務、建構問題空間、制定實驗計劃、開展微世界探索、形成結論和反思評價。學生在實驗探究過程中必須是一名參與者和行動者，實驗方案和操作都應盡可能由學生來完成，讓學生真正成為知識的探索者。教師在開展教學時，首先要通過設計真實的任務情境幫助學生明確實驗探究任務。在科學發現學習活動過程中，教師要引導學生不斷地設計實驗、開展微世界探索、收集數據，并猜想背后的規律，直到實驗數據能夠支持所猜想的規律，最終進行總結和反思。教師可通過簡單的講解和示范讓學生迅速了解微世界的操作方法和注意事項，以減少學生在實驗探索過程中所遇到的困難。

2 微世界支持小學科學發現學習的教學策略包括任務驅動策略、知識解釋支持策略、實驗探索支持策略、反思支持策略和多元評價策略

通過對微世界支持的小學科學發現學習的教學試驗的歸納總結，得出微世界支持小學科學發現學習的教學策略包括了任務驅動策略、知識解釋支持策略、實驗探索支持策略、反思支持策略和模糊評價策略。在微世界支持的小學科學發現學習中，學生始終是進行探究和發現的主體和中心。在微世界操作中，但由于受到背景知識、思維水平等各面的限制，小學生在利用微世界進行科學發現學習時會遇到各種各樣的困難。為了更好地幫助學生激活有關背景知識、提出問題和假設，教師可利用情境、協作、會話等學習環境要素，充分發揮學生的主動性、積極性和創造性，指導學生自主完成實驗設計、微世界探索和實驗分析與總結，并能對整個學習過程進行有效的計劃、監控和調節。

3 微世界支持小學科學發現學習的教學策略的實施對小學生的科學素養發展有促進作用

通過研究發現，微世界支持小學科學發現學習的教學策略的實施對小學生掌握科學知識、提高科學探究能力、培養情感態度價值觀三個方面有促進作用。從學生的知識掌握情況來看，發現在《生物與環境》單元測試中學生的成績平均水平均較高，且相對集中，處于最佳狀態；通過對學生開展科學探究過程的評價，發現大部分學生在科學探究過程中表現較好，能夠順利有效地完成微世界支持的小學科學發現學習；通過對學生情感態度價值觀的評價，發現學生對使用微世界進行科學發現學習充滿了積極的興趣，愿意與他人合作和交流，尊重事實、知道要用數據說話，并逐漸意識到要養成觀察和記錄的習慣。

綜上所述，微世界支持的科學發現學習中，為了幫助學習者克服困難，促進科學思維的發展，不僅要從技術應用的維度考慮相應的教學策略，更加應該從支持學習者開展科學發現學習的認知過程的角度來考慮設計有效的教學策略。如何根據科學實驗課的具體需要恰到好處地選擇微世界并設計相應的教學策略是值得進一步深入研究的問題。