國際科學教學心理的研究進展與趨勢*

韓葵葵 胡衛平 王碧梅

(陜西師范大學現代教學技術教育部重點實驗室，西安710062)

2007年，我們系統總結了20世紀50年代以來國際科學教育的研究趨勢，提出了科學教育研究的未來展望，發表在《華東師范大學學報(教育科學版)》2007年第4 期。隨著科學技術的進步，學習理論、學習科學的進展，科學教育研究有了快速的發展。本研究系統分析了國際科學教育領域四種著名的期刊《科學教育》(美國)、《國際科學教育雜志》(英國)、《科學教育研究》(美國)和《科學教育研究雜志》(澳大利亞)2008-2013年發表的文章，結果表明:國際科學教學心理研究領域主要集中在概念學習、學習環境、探究教學、教師研究等方面，占到總論文的70%以上。下面就這些方面的研究進展作一綜述，并分析研究趨勢。

一、概念學習注重核心概念和學習進階

科學教育研究者普遍認為，概念學習是科學教育的主要目標，以往的研究主要集中在概念發展、概念轉變和概念圖三個方面，研究主題幾乎涉及到科學的各個領域。進入21世紀以來，隨著學習理論和學習科學研究的不斷深入，核心概念和學習進階的研究得到重視。

科學教育的目標不是去獲得一大堆由事實和理論堆砌的知識，而應是實現一個趨向于核心概念的進展過程。核心概念是某個知識領域的中心，是一種教師希望學生理解并能得以應用的概念性知識，這些知識必須清楚地呈現給學生，以便學生理解與他們生活相關的事件和現象。2011年7月，美國頒布了《K-12年級科學教育框架:實踐、跨領域概念和核心概念》(A Framework For K-12 Science Education-Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas，以下簡稱《框架》)。《框架》主要的特色之一就是強調K-12 的科學和工程教育應把重點放在跨學科的一些重要概念和各學科有限數量的核心概念。隨著科學教育研究的不斷深入，研究者也在不斷賦予核心概念新的內涵，并開展對各領域中核心概念的研究和分析，如物質結構和性質的核心概念(Cooper，Corley，＆ Underwood，2013)、納米科學的核心概念(Stevens，Sutherland，Schank，＆ Krajcik，2007;Stevens，Sutherland，＆ Krajcik，2009)、天文學的核心概念(Lelliott ＆ Rollnick，2010)以及核心概念的呈現方式(Brooks，2009)等。

科學教育領域第一次正式提出學習進階(Learning Progressions)是在2004年。美國國家研究委員會(National Research Council，2007)指出:“學習進階(Learning Progressions)是對學生連貫且逐漸深入的思維方式的描述。在較大時間跨度內(6-8年)，學生學習和研究某一概念或主題時，這些思維方式是依次進階的。”《框架》指出:科學學習是一種將科學解釋概念化(conceptualize)的過程，這一過程可以通過學習進階的形式表現出來。學習進階實質上就是對核心概念的理解的逐級深入和持續發展(Alonzo＆ Steedle，2009)。通過學習進階，發展學生對核心概念的理解，幫助學生形成良好的知識結構、深度理解科學概念、提高解決問題的能力，已經成為當代基礎教育科學課程改革的核心理念(Duncan ＆ Rivet，2013)。

自從學習進階提出之后，相關的研究主要有以下幾個方面:第一，基于核心概念構建和呈現學習進階。學習不僅僅是為了要知道一系列的科學事實，更重要的是要圍繞核心概念構建知識體系和模型，并廣泛運用科學概念解釋自然現象。構建學習進階的方法可以分為逐級進展法(escalated approach)和全景圖法(landscape approach)兩種類型。第二，考察學生理解核心概念的真實路徑。學習進階的起點(the lowest level)是“學生入學時的(前)概念和推理”，終點(the highestlevel)是“學習目標”，同時存在多個相互關聯的中間水平(intermediate levels)。學習進階描述學生對核心概念的認識是如何不斷發展的，這些水平反映了學生的思維發展過程(Neumann，Viering，Boone，＆ Fischer，2013)。Mohan(2009)構建了小學4年級至高中“生態系統中碳循環”的學習進階，給不同年級的學生呈現不同的學習主題，以幫助學生在原有理解的基礎上不斷深化對該知識的理解。Jin(2012;2013)又分別構建了小學4年級至高中“生態系統中能量傳遞”和“物質—能量”的學習進階框架。第三，開發學習進階的評價工具。學習進階通常含有一套從開發、驗證到使用的完整評估方法，研究者已經開發出各種評測工具，用以探查學生在一定時間跨度內的概念理解過程，并描繪出學生學習的多個成就水平。Neumann(2013)建構了“能量”的學習進階，并用能量概念評價工具(The Energy Concept Assessment)評價學生對能量的理解水平。教師基于學習進階的測評手段實現對于學生學習水平的充分了解，以此為依據選擇合適的教學方式和策略。

二、學習環境重視技術支撐和模型建構

隨著科學技術的進步，技術支持的學習環境得到了不斷更新和發展，越來越多的此類產品用于支持學生的科學學習以及相關能力的培養，一般而言，根據學習者使用技術的方式可以將學習環境分為三種，一是以多種信息(如文本、圖表、圖形、聲音、視頻等)方式呈現的多媒體學習環境;二是允許學習者直接操作和使用的多媒體學習環境;三是允許學習者對這些表征直接操作的計算機仿真學習環境。

近幾年來，各種技術支持的基于模型的教學環境(Technology-Enhanced Modeling-Based Instruction，TMBI)的開發和應用得到研究者的高度重視，通過模擬一系列科學現象(特別是那些肉眼無法觀察到的、抽象的、難以理解的、特別危險的科學現象)，幫助學生以合作學習的方式，達到對科學現象的感知和科學本質的理解(Shen，Lei，Chang，＆ Namdar，2014)。SMALLLab 可以幫助高中學生在模擬環境中學習地質演變(Birchfield ＆ Megowan-Romanowicz，2009);Mr．Vetro 模擬技術用于高中生學習人體生理學(Ioannidou et al．，2010);ToonTalk 視頻游戲工具能夠幫助學生學習動力學，學生們在一個小組中建構視頻游戲、編程和模擬運動過程(Simpson，Hoyles，＆ Noss，2006);WISE 科學探究環境體系幫助學生科學探究，促進同伴互助合作，建立交互作用模型，學習核心科學概念，達到知識深度融合(Shen ＆Linn，2010);大氣污染模型環境(Air Pollution Modeling Environment，APoME)是一個技術支持的科學學習環境，利用新手-專家分析方法討論在該環境下高中生建模活動的發展(Wu，2010);歐洲五所大學聯合設計開發了基于網絡的合作式學習環境Co-Lab (Collaborative Laboratories for Europe)。模擬實驗軟件的可控性用于考察和培養學生的分析、推理能力，聊天工具和過程監控工具的設計便利了為學生的合作探究和教師的評價以及指導，而建模工作區的設置又促進了學生的概念應用。它體現了通過多種要素設計，為學生合作、觀察、操作以及理解和應用科學探究所學知識提供更為全面的支持觀點。

大量研究顯示，基于模型的科學學習環境有效促進了教學質量的提高。

第一，深化概念理解。隨著學習科學和科學教育研究的不斷深入，人們越來越認識到，需要圍繞核心概念進行教學，加強對科學知識的深度理解。創設基于模型的科學學習環境，讓學生在計算機支持的環境中開展科學實踐活動，有利于學生學習科學概念，理解科學知識(Kang ＆ Lundeberg，2010)。Yen，Tuan，＆ Liao(2011)研究了學生在基于網絡和基于教室的學習環境中概念學習的成績，結果表明:基于網絡的雙重情景教學模式更利于學生的認知發展、動機激發和概念轉變。Sun ＆ Looi(2013)開發了基于網絡的科學學習環境，有效支持了學生基于建模的合作探究，為學生提供了知識建構的多種途徑，幫助學生建立了系統的科學概念結構，促進了學生批判性思維能力的發展。Plass et al．(2012)研究了化學學習中計算機模擬的有效性，結果表明:計算機模擬的方法可以有效地幫助學生了解科學現象和理解科學概念。

第二，促進科學探究。科學探究是科學家探索和了解自然、獲得科學知識的主要方法。科學教學倡導探究式學習，為學生提供充分的探究式學習機會，逐步培養學生收集和處理科學信息的能力、獲取新知識的能力、分析問題和解決問題的能力，以及交流與合作的能力等，形成尊重事實、善于質疑的科學態度，突出學習能力、創新精神、實踐能力，以及批判性思維和創造性思維能力的培養。基于模型的科學學習環境有利于促進學生進行科學探究，提高學生的探究能力。科羅拉多大學博爾德分校研制了交互式模擬軟件PhET，該軟件涉及數學、物理、化學、生物和地理等學科，幫助學生建立可視化的科學模型，促進學生的科學探究(Wieman，Adams，Loeblein，＆ Perkins，2010)。Chris Dede 和哈佛大學的同事們共同開展了一項為期十年的基于多用戶虛擬環境(Multi-User Virtual Environment，MUVE)的中學科學教育項目River City，該項目是一個17 個小時的基于團隊協作的探究性課程，學生在River City 中可以親身體驗科學家的探究過程，體驗科學家群體通過觀察、推理、協作及對問題進行識別的過程，體驗科學家形成和驗證假設的過程，以及基于證據導出結論的過程。研究表明:River City 項目與傳統的課堂講授式教學或其他類型的游戲化學習相比，學生在這種沉浸式的模擬情境中能深度參與，增強自信，提高發現和識別問題的能力，以及科學探究的能力(Dede，2009)。

第三，發展模型思維。理想模型是根據研究的問題和內容，在一定條件下對研究客體的抽象，是從多維的具體圖像中，抓住最具有本質特征的圖像，建立一個易于研究的、能從主要方面反映研究客體的新圖像。為了描述客觀事物的運動規律，科學家往往把研究對象抽象為理想模型，建模方法是科學研究的常用方法，模型思維是一種重要的科學思維，創設基于建模的科學學習環境，有利于學生建模思維的發展。Model-It 是一款用于小學科學教育的可視化建模和模擬仿真學習軟件，它可以幫助教師和學生整合科學課程內容，整理學生的思考過程。學生可以利用Model-It 對課堂上學習的科學現象建立模型，并通過模擬仿真來測試所建的模型。這個模型可以檢測學生對所學知識的理解，反映學生的思考過程和理解程度，提高學生的建模能力(Zhang，Liu，＆ Krajcik，2006)。Molecular Workbench (MW)是一款交互式科學模擬軟件，能為科學學習提供可視化的、交互式的分子和原子實驗模型，幫助學生形成分子和原子的動態圖景(Xie ＆ Tinker，2006)。多主體建模軟件NetLogo 可以創設一個虛擬的學習環境，每個學習者既能獨立思考，又能基于一定的法則實現多向互動，發展學生的模型思維(Levy ＆ Wilensky，2009)。

三、探究教學強調合作學習與科學論證

杜威認為科學知識是探究的產物，要支持學生通過探究去解決真實問題。美國芝加哥大學教授施瓦布于1961年在哈佛大學所作的報告《作為探究的科學教學》(Teaching of Science of Enquiry)中首次提出探究教學的概念，自此以后，它成為科學教學的主導模式。皮亞杰指出了社會互動對認知沖突出現的重要性，維果斯基強調學生學習中的合作與互動。基于這些思想，斯萊文在20世紀70年提出合作學習(cooperative learning)的概念，并在70年代中期至80年代中期取得實質性進展。由于它在改善課堂氛圍、提高學生的認知水平、激發學生的學習動機等方面實效顯著，很快引起了世界各國的關注。人們將探究教學和合作學習有機結合起來，形成了合作探究學習，這已成為最近幾年科學教學的研究熱點。合作探究學習是一個混合術語，它的意義來自科學教學實踐對探究的要求，是一個具有挑戰性的學習方式，可以激發學生學習科學的動機，并能學會類似于科學家的合作探究過程，理解科學的本質和科學內容。Rozenszayn ＆ Assaraf (2011)在生態學項目中，讓學生通過合作探究的方式進行學習，12年級的學生參加了戶外和教室中的合作探究學習，結果表明:在戶外學習中學生集中于討論測量和觀察的方法，以及知識的建構;當學生的學習能力相同或相似時知識建構會發生。為了使學習更有意義，教師的作用非常重要，他們必須排除錯誤概念，消除低能力和高能力學生的差距;在一個小組中開展合作探究學習，學生能夠交流和分享他們的觀點和方法，引起認知沖突，通過認知和社會過程更利于認知轉變。很多研究表明:合作探究學習有效促進了學生對科學概念的理解和轉變，提高了學生提出問題和解決問題的能力(Scherr ＆ Hammer，2009)。

有關科學教學中合作學習的研究，主要有三種觀點:第一種，采用社會認知學習理論的觀點，強調個體、行為和環境之間的相互作用。這種學習持一種去情景化的觀點，主要依靠元認知、信息加工深度，強調個體的學習和認知，不考慮法規、政治和文化等社會文化因素;第二，以社會文化理論為主要的理論框架，聚焦于合作學習過程中的社會加工，強調學習是任務、情境和文化的相互作用;第三，將社會認知和社會文化觀點結合起來，理解合作學習(包括認知和社會加工)中知識的增長。J?rvel?，S．，Volet，S．，＆ J?rvenoja，H．(2010)檢驗了動機對合作學習的重要性，討論了動機在概念化過程中社會因素發生作用的兩大特點，即社會影響和社會建構，概括了研究案例，超越了認識—情境的分離，將個體加工和社會加工結合起來研究動機，強調了動機在合作探究學習中的重要作用。

隨著科學教育研究的不斷深入和科學教學改革的不斷深化，科學論證得到科學界和教育界的高度重視，成為科學教育的研究熱點和有效教學策略。Kuhn(1992)提出論證是指利用一些證據來支持自己或反對他人意見、主張或結論的過程。Toulmin(1958)提出了著名的Toulmin 論證模型，這個模型描述了論證的基本組成部分，包括:主張(表示經由推論而得出的個人立場)、數據和資料(表示從外在現象中所搜集到的證據)、證據(作為推論時的依據)、支持理論(通過回答對證據的質疑而提供附加的支持)、反駁(是通過削弱論證效果的證據和理由阻止從理由得出主張的因素)和限定詞(有些情形則必須附加一定的條件或限制才能成立)。Osborne，Erduran，＆ Simon(2004)依據Toulmin 的論證模式將論證的品質區分為五個層次(level):第一層次，論證過程只包含簡短的主張;第二層次，論證過程由帶有數據、證據、或支持的主張所組成，但不包含任何反駁;第三層次，論證過程呈現一系列帶有數據、證據或支持的主張，有時也呈現較為薄弱的反證;第四層次，論證過程呈現一個主張及一個明確的反證，也可能同時具有一些主張或對立主張(但這并非是必要的);第五層次，論證過程呈現超過一個反駁的延伸性論證。

21世紀以來，科學論證已經逐漸成為科學探究最重要的特征。研究表明:科學論證可以幫助學生發展科學探究能力(Lawson，2003)、建構科學知識并促進科學概念的轉變與理解(Kuhn，2010)、提升科學認識論水平(Khishfe，2013)、提升推理能力、批判思維能力和交流能力(Nussbaum ＆ Edwards，2011)。

正如科學探究一般，科學論證既是一種學習方式，也是一個重要的科學能力。幫助學生提升科學論證能力是科學教育的重要目標。英國將“想法和證據”(ideas and evidence)設定為教育目標(The National Curriculum for England，2004);西班牙將“論證能力”(skill of argumentation)擬定為學生必須具備的基本能力;學生能力國際評價項目(Programme for International Student Assessment，PISA，2015)對科學能力的評價包括認識科學問題、運用知識科學地解釋現象、運用科學證據做決策并與他人交流。

科學論證也是教學策略，可以分為以下三種類型(Cavagnetto，2010);第一，浸入式教學策略。該教學策略將論證活動整合到學生科學實踐中促進學生學習和理解科學論證。如科學寫作啟發式方法(Science Writing Heuristic，SWH)提供給學生實驗模板，分別利用7 個問題來指導學生構建論證:我的問題是什么?我怎樣才能回答我的問題?我觀察到了什么?我的主張是什么?我的證據是什么?我的主張和別人的相比如何?我的主張是如何變化的?這些問題幫助學生對現象做出解釋并決定怎樣進行研究(Choi，Notebaert，Diaz，＆ Hand，2010)。論證探究模型(Argument-driven inquiry，ADI)將科學論證與探究過程結合，而且在教學過程中增加了撰寫研究報告和學生互評階段，讓學生參與到真實的實踐活動中，有效地促進學生學習和理解科學知識，培養學生科學思維能力，提高學生的科學論證能力(Sampson ＆ Walker，2012)。第二，結構式教學策略。該策略主要講授論證的結構并要求學生將論證應用于各種科學實踐活動。第三，社會科學式教學策略。該教學策略利用社會科學性的議題(socio-scientific issues)，讓學生理解社會和科學的相互作用來學習科學論證(Foong ＆ Daniel，2013)。在科學教學中把學生分成小組，合作討論能夠有效地提高學生的論證能力(Sampson ＆ Clark，2011)。傳統的科學論證教學是在課堂教學中進行的，教師主要關注高學業成就的學生而忽視低學業成就的學生。鑒于近年來網絡的發展，以計算機為媒介來輔助學生在網絡情境下參與論證活動，學生將會有更多的機會支持、評價和批評對方學生的觀點。Lin，Hong，＆ Lawrenz(2012)的研究發現:異步討論的學生的論證水平明顯高于參與紙筆測驗的學生的論證水平，此外，網絡同伴評價(online peer assessment)過程中學生的論證能力和概念理解有了很大提高。

四、教師心理側重發展模型、專業知識和專業信念

21世紀以來，科學教師心理的研究強調專業發展模型的建構，主要有兩種建構方式:一是理論模型的建構，包括基于文化分析的理論模型和基于課程分析的理論模型。文化理論研究者Johnson 認為，在建構教師專業發展模型時需要將文化要素考慮在內，通過文化分析建構教師的專業發展模型(Johnson，2011)。教師專業發展理論研究者Roth 等人建構了“基于課程分析”(Science Teachers Learning from Lesson Analysis，STeLLA)的項目模型(Roth，Ritchie，Hudson，＆ Mergard，2011)。二是實踐模型的建構。該模型主要是給教師建構一個專業發展“生態環境”——教師專業學習社區(Professional Learning Communities，PLC)，并在實踐中建構教師專業發展模型(Richmond ＆ Manokore，2011)。PLC 是教師專業發展的一種形式，便于教師之間的探究和互動，但在通過PLC 建構教師的專業發展實踐模型時，需要充分考慮教師的各方面因素，深入研究PLC 是如何影響教師的專業發展的。

自Shulman(1986)提出PCK 這一概念后，國外研究者便圍繞科學教師的知識進階以及各類知識之間的轉換進行研究。尤其是科學技術對教育領域的沖擊，科技技術知識(TK)與學科教學法知識(PCK)之間的轉換和整合，科學教師的知識便逐漸由PCK 發展為TPACK。信息技術的更新換代引起了教育領域的深刻變革，其中最突出的變革便是教師知識的變革。教師的知識已經不能僅僅局限于學科內容知識(CK)、一般教學法知識(PK)、學科教學法知識(PCK)，教師還應該擁有科技知識(TK)、科技學科知識(TCK)、科技教學法知識(TPK)和科技學科教學法知識(TPACK)(Saka，Southerland，＆ Brooks，2009)。TPACK 是教師的CK、PK、PCK、TK、TCK、TPK 等知識的集合，是科學技術和學科教學相結合的完美呈現，也是科技教學中教師知識的走向。

教師的專業信念影響教師的教學行為，指導教師的教學實踐，促進教師的專業發展。關于科學教師信念的研究主要集中在教師信念和實踐關系的研究，有兩種范式:一種是在簡單的線性模型的基礎上討論的信念和實踐的關系，主要是基于行為主義的框架，其前提假設是信念會直接引發相應的實踐;另一種是建立在復雜模型的基礎上，綜合考慮多種變量對實踐的影響，其前提假設是教師的實踐是受多種變量共同影響的，信念只是其中的一種變量。為了描述復雜情境中信念與實踐的多變量之間的關系，在社會心理學理論模型的支撐下，“扎根信念系統的社會文化模型”(Social cultural Model of Embedded Belief System)作為教師信念與實踐關系的另一研究范式應運而生。該模式為科學教師的信念的發展提供了分析的框架，將教師的信念根植于社會文化情境之中，認為文化和社會也會影響教師的信念(Saka，Southerland，Kittleson，＆ Hutner，2013)。

縱觀近幾年的科學教學心理的研究，研究思路的系統化、研究方法的綜合化和研究內容的整合化得到體現。考慮概念之間的相互關系，探討核心概念的進階和理解;突出教學環境的創設，強調個體、行為、環境和文化的相互作用;重視合作與探究的有機聯系，研究合作探究教學策略;注重定性與定量的結合，強調社會認知和社會文化的融合;整合學生研究和教師研究，加強基礎研究和應用研究。

五、未來研究趨勢

隨著腦科學、學習科學等學科研究的不斷深入和技術的不斷進步，未來的科學教學心理研究除系統化、綜合化和整合化的趨勢外，將會重視如下幾個方面的研究。

第一，科學學習和問題解決的認知神經機制將會得到重視。學習科學(Learning Science)是國際上近十幾年發展起來的研究學與教的跨學科領域，以認知神經科學、教育技術學、學習心理學等為基礎，以更深入地對學習做出科學的理解為目的，并策劃和推動學習的創新。學習科學的研究對象是有效學習(effective learning)及其機制與原理，并運用該學科的知識重建課堂及其他學習環境，使人的學習更為深入，更為有效。學習科學的研究成果及研究方法將推動科學教育的研究，形成新的研究領域，其中科學學習與問題解決的認知神經機制將成為重要的研究課題。

第二，聚合科技的思想將會得到體現。2000年，美國國家科學基金會(NSF)和美國商務部(DOC)共同資助70 多位美國一流科學家參與聚合科技(Converging Technologies，NBIC)研究，研究的結果是一份“聚合四大科技，提高人類能力”的研究報告，研究報告斷言，這四大科學技術的聚合，將會“加快技術進步速度，并可能會再一次改變我們的物種，其深遠的意義可以媲美數十萬代人以前人類首次學會口頭語言”。NBIC 為科學教育及科學教育研究在內容、過程、工具等方面提供了有力的支撐，將導致科學教育以及科學教育研究的重大變化。

第三，圍繞科學教育促進學生核心素養提高的研究將會得到加強。培養高素質的人才是學校教育的重要目標，圍繞學生應該達到的核心素養設置課程、制定課標、開發教材、改進教學、實施評價等是國際教育改革的趨勢，學會學習能力、問題解決能力、交流合作能力、批判性思維能力、創造性思維能力等是未來公民應有的重要素質，因此，圍繞科學教育培養學生核心素養的課程開發、教學研究、評價研究等將是未來科學教育研究的重要方向。

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