智能技術支持的智慧型探究教學模式構建研究

高琳琳 解月光 張琢

[摘? ?要] 創新人才培養背景下，構建智能技術支持的智慧型探究教學模式對于探究教學改革及創新人才培養具有重要意義。文章采用案例分析、文獻研究、理論演繹、訪談等方法，剖析了傳統探究教學模式的實然問題及背后成因;結合智慧型探究教學概念及思維發展相關理論，明確了智慧型探究教學模式的關鍵要素及其特征，包括思維化理論依據、表現性教學目標、繼承化操作程序、啟發性問題情境、動態化學習路徑、開放性學習成果、伴隨性教學評價及與智能技術相融合的資源工具等，基于此，在探究教學歷程視角下，建立了智慧型探究教學模式的理論框架;從關鍵要素設計與智能技術選用兩個維度提出了智慧型探究教學模式的實踐策略;以“常見堿的性質”為例展示了智慧型探究教學模式的具體應用，以期為一線教師改善探究教學現狀提供實踐參考。

[關鍵詞] 智能技術; 探究教學; 教學模式; 智慧型; 理論框架; 實踐策略

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

[作者簡介] 高琳琳（1991—），女，黑龍江伊春人。博士研究生，主要從事數字化學習環境與高階思維研究。E-mail：gaoll764@126.com。解月光為通訊作者，E-mail：xyg6367@126.com。

一、引? ?言

探究教學思想由來已久，如孔子的“啟發式教學”以及蘇格拉底的“產婆術”。1909年，杜威首次提倡在K-12科學課程中實施探究教學。20世紀60年代以后，受布魯納發現式教學理論、施瓦布開放式探究理念以及加涅探究教學思想的影響，美國科學教育領域才廣泛開展探究式教學，并產出了許多較為成熟的探究教學模式，如5E教學模式、薩奇曼探究教學模式等[1]。我國在20世紀70年代引入探究教學理念，并在基礎教育課程改革中倡導將“被動接受的講授式教學”轉變為“主動參與的探究式教學”。國內學者也從不同視角提出了數十種本土化的探究教學模式，直到現在仍未達成共識。但從國內教學實踐角度來看，廣泛應用的是美國國家研究理事會2000年提出的探究教學模式，其以建構主義與探究教學理論為指導，強調學生經歷“提出問題—作出假設—制定實驗方案—得出結論—交流總結”的操作程序，建構知識以及發展科學素養[2]，我們將其界定為傳統探究教學模式。

《中國教育現代化2035》提出“加強創新人才特別是拔尖創新人才培養”的戰略決策[3]。高階思維作為創新人才的必備品質，課堂情境下有效發展學生高階思維已經成為創新人才培養的重要突破口[4]。2020年修訂版的理科各科課程標準均將“探究教學”視為學生思維發展及科學素養培養的基本途徑。但傳統探究教學模式指導下的探究課堂往往陷入“被探究”“偽探究”的尷尬境地，學生高階思維與科學素養發展收效甚微。智能技術為探究教學現狀改善提供了新的機遇。《教育信息化2.0行動計劃》明確指出，“應運用智能技術積極探索新模式，推進新技術支持下的教學創新”[5]。為此，本文試圖以高階思維發展為關鍵價值取向，構建智能技術支持的智慧型探究教學模式，以期為探究教學改革及創新人才培養提供參考。

二、傳統探究教學模式的實然問題及成因分析

從高階思維發展視角出發，理性審視采用傳統探究教學模式的探究課堂所凸顯的實然問題及背后成因，可以為智慧型探究教學模式構建提供現實依據。綜合“第十八屆全國信息技術與教學融合展示活動”的案例（48節）分析發現，絕大多數教師對于模式理解與技術應用有了較大提升，但明顯存在不利于學生深度探究與思維發展的問題。下面以“常見堿的性質”一課為例（簡稱“課例1”），詳述常見的問題現象。

（一）囿于思維目標忽視，思維經驗積累欠缺

課程理論家H.塔巴提出，思維的發展需在劣構問題解決過程中，完成隱性的智力操作，積累思維經驗[6]。縱觀展示案例發現，思維目標的忽視極易導致學生思維經驗積累欠缺。譬如，在“課例1”中，教學目標強調“常見堿的性質”與“壓強變化檢驗法”的掌握，并未基于學科核心問題明確學生所需經歷的思維過程與生成的思維成果。如此目標導向的課堂教學中，學生普遍按照教師指令操作實驗，有關儀器抉擇、藥品比較、結論歸納等思維經驗積累過程嚴重缺失。

（二）困于活動組織單一，個體潛能發展受限

思維教學提倡尊重個體差異，發展個體優勢思維潛能[7]。然而，活動組織單一往往導致學生難以開展個性化探究，發展自身優勢的思維潛能。如同課例1一樣，實驗情境確實引出了“氫氧化鈉與二氧化碳發生反應嗎”的探究問題，但蘊含單一問題的情境難以引發學生多維思考，形成不同的觀點;另外，教師仿照操作程序設置了唯一且固定的壓強變化測定路徑，即“提出壓強變化問題—作出壓強變小假設—制定對比實驗方案—制作表格歸納結論—討論修正”，偏好數學推理的學生沒有選擇適合自己的定量法探究，以致數理邏輯潛能發展受限;此外，組織學生生成探究成果時，全體學生以制作表格的單一方式總結常見堿的性質，偏好美工創作的學生不能制作手抄報歸納對比，極大限制了發散思維與創意設計潛能的發展。

（三）限于技術支持失衡，自主探究比重偏少

思維結構與智力理論表明自主建構與主動參與有利于學生高階思維發展[7]。相比書本、黑板等傳統教學手段，融于信息技術的資源工具逐漸成為探究教學的重要實現條件。但由于“技術支持與探究需求”失衡，學生自主探究比重普遍偏少。在課例1中，該班教室全面覆蓋網絡，并配以智能交互電視。師生人手一臺Pad，每臺Pad配備微課資源庫、思維導圖、虛擬實驗室等豐富的資源工具。但當學生制定方案遇到困難時，并未獲得精品微課、科學史料等學習資源的適切支持，以致學生難以自主填補知識盲點——無明顯實驗現象的反應探究方法，只能依靠教師指示制定方案。

（四）受于評價反饋滯后，學習興趣較難保持

非智力與智力因素的相互作用共同推進思維活動的運作與效能[8]，濃厚持久的學習興趣更能促進深度探究及思維發展。時下，評價反饋的滯后不利于學生學習興趣的保持。課例1中，學生通過“瓶子變癟”初步確定氫氧化鈉與二氧化碳發生反應時，教師并未及時給予反饋與表揚，使得學生在后續歸納結論環節，學習勁頭明顯減弱且學習信心稍顯不足。

以上問題是由多方面原因造成的，但成因分析不追求面面俱到，而是尋找造成問題的關鍵原因。教師作為課堂直接“負責人”，自身有關思維教學的信念與能力成為制約探究教學成效的關鍵因素。通過訪談發現，無論是青年教師還是骨干教師一般都秉持著思維教學觀。然而，絕大多數教師的思維教學能力明顯不足，集中表現在“不知何為智能技術支持下有利于學生深度探究與思維發展的探究教學樣態，亦不知如何選用智能技術及在其支持下開展利于思維發展的探究教學活動”。而傳統探究教學模式較為關注如何劃分探究教學活動程序，促使學生像科學家一樣親歷科學探究過程，并未詳細闡釋智能技術支持下聚焦思維發展的探究教學樣態及其操作方法。由此可見，問題產生的關鍵是缺乏一種行之有效的探究教學模式為教師提供理論認識與方法指導。已有研究主要關注智能技術的探究教學應用價值[9]以及智慧環境下學生探究參與度情況分析[10]，尚未關注智能技術支持下傳統探究教學模式的發展與完善。為此，構建基于智能技術支持的智慧型探究教學模式一定程度上具有重要的理論價值與現實意義。

三、智慧型探究教學模式的理論框架

基于傳統探究教學模式局限，構建智慧型探究教學模式的理論框架，是提出智慧型探究教學模式實踐策略，優化探究教學實踐成效的認識論基礎。為此，下文首先基于智慧教育理念及相關研究，界定了智慧型探究教學的概念;基于此，結合實然問題及成因分析，明確了智慧型探究教學模式的關鍵要素，并根據思維發展相關理論進一步析出了關鍵要素特征;最后，在探究教學歷程視角下，建立上述要素的基本邏輯關系，勾勒智慧型探究教學模式的理論框架，進而表征智能技術支持下學生高階思維優化發展的智慧型探究教學實踐樣態。

（一）智慧型探究教學的概念界定

IBM“智慧地球”背景下，智慧教育理念應運而生。智慧教育理念倡導尊重教育教學規律，通過物聯網、云計算等智能技術與教育主流業務（管理、教學、教研等）的深度融合，促進教育利益相關者的智慧生成與可持續發展[11]。受智慧教育理念影響，“智慧”一詞在教育中得到推廣與應用。如，基于大數據、云計算等智能技術實現學生智慧生成的智慧課堂[12];借助虛擬仿真技術創設多種情境，引發學生創新能力發展的智慧型課程[13];以及基于云平臺對外界需求進行及時處理與精準決策的智慧管理等[14]。從內在本質來看，智慧課堂、智慧課程及智慧管理都傳遞著對于傳統課堂、傳統課程以及傳統管理的繼承與發展，重點關注的是如何融合智能技術使其利益相關者（教師、學生、管理者等）變得更加聰明與智慧。換言之，這些實踐探索均是在智慧教育理念下，融于智能技術元素發生“化學反應”的生成物，而非“物理反應”的形態變化。

綜合上述分析，基于探究教學本體內涵[1]，本研究認為智慧型探究教學是在智慧教育理念、建構主義、探究教學理論以及思維發展相關理論指導下，依托課程圖譜、數字孿生等新一代智能技術所打造的智能環境，促使學生以個體探究或合作探究方式，積極主動地經歷科學探究過程，自主建構科學知識、發展高階思維及科學素養的新型探究教學樣態。

（二）智慧型探究教學模式的關鍵要素及特征

智慧型探究教學模式旨在表征、刻畫智能技術支持下學生高階思維優化發展的智慧型探究教學樣態。教學論視角下，教學模式一般通過理論依據、教學目標、操作程序、實現條件及教學評價等五個要素及其關系來表征特定主題的教學樣態[15]。根據實然問題及成因分析可知：第一，實現條件包括情境、內容、資源、時間、工具等諸多因素，而問題情境、學習路徑、學習成果以及與信息技術相融合的資源工具顯著影響高階思維發展，所以針對實現條件這一要素，主要聚焦以上四個因素及其特征表征智慧型探究教學樣態;第二，理論依據既是一個獨立要素，又指導其他要素特征及相互關系的確立。因此，我們一方面獨立分析其特征，另一方面根據其在“思維發展”視角下的觀點，在理論層面析出其他要素的主要特征。

1. 理論依據： 關注思維培養的相關理論

智慧型探究教學除了以建構主義、探究教學理論、智慧教育理念為理論基礎，還重點關注了思維培養的相關理論或觀點，包括林崇德的思維結構與智力理論、布盧姆的思維技能培養觀點、加德納多元智能理論以及技術豐富環境下高階思維發展理論。

2. 教學目標： 聚焦思維發展的行為表現

高階思維是較高認知水平層次上的心智活動，批判性思維、元認知、創造性思維以及問題解決均是高階思維的代名詞[4]。根據布盧姆教育目標分類學說，學習行為可以表征內隱的思維操作。因此，教學目標關注科學知識建構的同時，更加強調學生發生與表現映射思維活動的學習行為，積累思維經驗，發展高階思維。

3. 問題情境： 強調引導與啟發深度思考

思維結構與智力理論表明，問題是啟迪學生思維的“鑰匙”。學生能否基于真實情境準確發現核心探究問題、提出不同觀點和策略，是后續個性化探究與思維潛能發展的關鍵。為此，問題情境應該適應學生的基本狀況，有針對性地驅動、啟發學生深度思考，主動發現核心探究問題并形成自己的見解。

4. 操作程序： 繼承傳統探究教學程序

根據探究教學理論可知，傳統探究教學模式的操作程序利于學生像科學家一樣親歷科學探究過程，掌握科學探究方法。因此，智慧型探究教學應加以繼承，在實踐層面，強調學生經歷“提出問題……交流總結”的程序過程積累思維經驗，發展高階思維與科學素養。

5. 學習路徑： 滿足個性發展的動態規劃

多元智能理論表明，為學生提供豐富多樣的選擇，才能充分發展個體優勢思維潛能。因此，智慧型探究教學應以操作程序為指導，在實踐層面設置動態化學習路徑。動態化學習路徑具有“可選擇性”與“可變更性”等兩個二級特征，前者是指學生可以自由選擇符合自己風格與思維潛能的學習路徑;后者是指學生可以根據實際探究情況，隨時變更路徑軌跡以達成探究目標。

6. 資源工具： 融于智能技術的供需平衡

技術豐富環境下高階思維發展理論指出，智能技術可以智能化有形的資源與工具，從而提高資源工具之于思維發展的支持作用。因此，智慧型探究教學強調資源工具融于智能技術的智能化功能，實現技術給養與學生需求的供需平衡，從而支持學生自主探究與思維發展。

7. 學習成果：凝結思維經驗的開放生成

智慧型探究教學不嚴格規定成果生成的形式與細節，給予學生足夠的思維空間，鼓勵學生開放性地生成各種學習成果，如學生可以按照自己的想法采用各種形式（如表格、手抄報等）生成結論報告。

8. 教學評價： 面向探究全程的伴隨評價

布盧姆研究表明，學習過程中不斷地進行反饋與矯正，是持續提高學生注意力及發展思維的關鍵[16]。因此，伴隨學生探究的整個生命歷程進行評價，并將評價結果及時反饋和作用于學生的探究學習，利于提供實時、精準的干預與指導。

（三）智慧型探究教學模式的基本框架

基于上文分析，本文從探究教學歷程視角，勾勒出智慧型探究教學模式的理論框架，如圖1所示。該框架表征了智能技術支持下學生高階思維優化發展的智慧型探究教學實踐過程：（1）理論依據是其他要素應然樣態及相互關系賴以成立的基礎，成為智慧型探究教學模式深層的內隱根基。（2）在探究教學歷程視角下，課前，隱含的教師診斷學情并設計目標、成果等相關要素;課上，教師基于表現性目標創設啟發性問題情境引發探究活動，隱含的學生自主選擇適合自己的動態化學習路徑，以個體探究或合作探究的方式經歷“提出問題、作出假設、制定實驗方案、得出結論、交流總結”的探究教學過程，解決問題、建構知識及積累思維經驗，并生成開放性探究成果;而隱含的教師伴隨學生探究全程給予精準評價與干預，促使學生深度探究與思維發展。（3）與智能技術相融合的資源工具保障“表現性目標”“啟發性問題情境”“動態化路徑”“伴隨性評價”以及“開放成果生成”的實現及關系運作，進而為學生高階思維的優化發展提供支持。

四、智慧型探究教學模式的實踐策略

精細設計關鍵要素與適切選用智能技術有助于落實智慧型探究教學實踐。

（一）關鍵要素的設計策略

根據理論框架可知，關鍵設計的要素主要包括表現性教學目標、啟發性問題情境、動態化學習路徑、開放性學習成果以及伴隨性教學評價。

1. 基于精準學情的目標融合設計

教師可以借助學習者畫像精準分析學情，然后圍繞學科核心探究問題設定三維目標的具體內容，并參照布盧姆等人的教育目標分類，用明確的思維性行為動詞描述所關涉的思維經驗積累過程，從而將映射思維活動的行為表現融入三維目標中。其中，學科核心探究問題的確定可以基于學科核心素養，綜合分析課標、教材以及試卷等，提煉本節知識內容所聯結的學科大概念，然后，將本節知識內容轉化為蘊含學科大概念的核心探究問題。

2. 基于問題鏈的情境具身創設

將知識細化為一串相互獨立又彼此關聯的“問題鏈”可以指明思考方向，啟發學生多維思考，提出不同的觀點與見解[17]。根據學科核心探究問題的特殊性，細化的問題鏈主要包括兩個層級，第一層級以并列式子問題為主，子問題間沒有主次之分，旨在讓學生認識與理解學科核心問題所聯結的學科大概念;第二層級以遞進式子問題為主，旨在讓學生基于學科大概念，循序漸進地深度思考并提出不同的觀點或想法。此外，應將問題鏈置于學生相對熟悉的生活素材或虛擬情境中，促使學生通過視、聽、嗅、觸等多感官的具身體驗與交互，有效建立新舊知識的意義聯結，保障科學合理的思考與猜想。

3. 遵循實驗方法的學習路網組織

實現動態路徑的首要前提是多條學習路徑的存在。教師可以根據本節核心探究問題常用的實驗方法，以傳統探究教學模式的操作程序為線索，將每種方法序列化組織為一條可實踐的學習路徑。隨后，以每一條學習路徑為單位，將其交叉化組織為學習路網，路網中的交點類似于馬路交通的交叉口，能夠滿足學生在交點處變更路徑軌跡，如圖2所示。

4. 圍繞成果生成的學習支架設計

開放性學習成果給予學生較大的自主空間，但并非所有學生都能通過深度探究順利產出成果。因此，教師可以預先設定各類學習支架，為學習成果的開放生成提供支持。學習支架主要包括范例、建議、圖表、向導與問題等多種形式[18]，范例是以優秀作品或典型案例引導學生舉一反三、學以致用，適合學習興趣濃厚且自主學習能力較強的學習者;建議式支架是問題支架的陳述表達，建議式支架更為直接，啟發性較弱，適合基礎薄弱的學習者。而問題式支架系統性較弱，更加關注細節和可操作性，適合容易錯漏細節的學習者;圖表式支架采取概念圖、流程圖等可視化方式描述信息，更有利于激活學生的內在動力，適合學習興趣較為低落的學習者;相比問題式支架，向導式支架側重提供成果生成的整體思路，適合系統邏輯思維較弱的學習者。因此，教師應基于學習者特征靈活選擇并設計不同形式的支架，以便為其提供有效支持。

5. 基于學習數據流的評價階段設計

伴隨性評價不追求時時刻刻評價，而應根據需求規劃評價的時間或階段。根據智慧型探究教學需求，教學評價主要包括課前精準診斷學情;課中評價并干預學生實驗探究過程;以及探究結束后，點評學生探究成果等三個階段。此外，生成并流動于探究過程中的學習數據流，為評價的“伴隨”發生奠定了基礎[19]。學習數據流的基本走向如下：學習風格、興趣及思維能力等多維數據集合，可以支撐教師精準學情分析，而學情分析生成的資源學習、測驗等數據不僅可以完善學情診斷，而且可與面部表情、討論等數據同時指導教師實時評價學生的實驗探究過程，學生實驗探究生成的行為參與、協作互動等數據又可為成果點評提供支持。因此，本研究以學情診斷、實驗探究及成果點評為評價節點，根據學習數據流的基本走向，詳述各階段的評價目的、評價內容、評價主體以及評價工具，見表1。

（二）智能技術的選用策略

關鍵要素落實所需的主要智能技術及其發揮的作用與價值，見表2。

五、“常見堿的性質”的智慧型探究教學案例

基于智慧型探究教學模式改進并展示課例1——“常見堿的性質”，意在示范一節完整的智慧型探究教學案例，為一線教師提供參考。

（一）智慧型探究教學的關鍵要素設計

1. 表現性教學目標

本節知識內容所聯結的學科大概念是“同類物質具有相似的性質”，隨后明確本節的核心探究問題為“氫氧化鈉是否像氫氧化鈣一樣與二氧化碳發生反應”。基于此，結合精準學情分析，將三維目標與思維目標融合設計，見表3。

2. 啟發性問題情境

細化本節核心探究問題的問題鏈如圖3所示，并將問題鏈置于“管道疏通液成分構成與用途”“雞爪腐蝕實驗”以及“氫氧化鈉、氫氧化鈣分別與二氧化碳反應”“水與二氧化碳反應”等生活或實驗素材中，促進學生具身體驗。

3. 動態化學習路徑

實驗方法包括壓強變化法、生成物檢驗法、定量法及PH檢驗法，組織后的學習路網如圖4所示。

4. 開放性學習成果

學習成果主要包括實驗方案、觀點闡釋、實驗報告及手抄報等。設計范例、建議、圖表、向導與問題等多種支架助力學生自主生成。如，展示實驗方案構想的優秀范例，引導學生自主制定方案。

5. 伴隨性教學評價

按照設計要求劃分評價節點、準備評價工具以及規劃評價內容。因評價設計涉及特定量表的開發與改編，限于篇幅此處不作具體設計與過多闡釋。

（二）智慧型探究教學的實踐流程設計

基于課前精準學情診斷及所設計的關鍵要素，課上探究教學流程如圖5所示。教師首先創設問題情境，引發學生發現“氫氧化鈉是否像氫氧化鈣一樣與二氧化碳發生反應”的核心探究問題;隨后，教師組織學生查看智能導引系統推薦的學習路徑。學生明確路徑要求后，自主進行個體探究或合作探究，而教師精準評價與實時干預四條路徑全體學生探究的各個階段，并及時處理突發情況;最后，教師組織學生分享交流學習成果，促使學生反思提升。

六、結? ?語

本文從智能技術與探究教學深度融合的視角出發，著眼于學生高階思維的優化發展，對超越傳統探究教學的智慧型探究教學模式進行了探索。未來將基于本研究的理論框架與實踐策略，開展理科各科探究教學的實證研究，在迭代應用的實踐中對其加以完善，并進一步探索智慧型探究教學模式的學科變式與實踐策略體系。

[參考文獻]

[1] 高琳琳.基于電子書包的初中化學實驗探究教學模式研究[D].長春：東北師范大學，2017.

[2] 徐學福.美國《國家科學教育標準》中的探究[J].外國教育研究，2003（3）：50-55.

[3] 中共中央國務院印發《中國教育現代化2035》[N].人民日報，2019-02-24（01）.

[4] 姜玉蓮.技術豐富課堂環境下高階思維發展模型建構研究[D].長春：東北師范大學，2017.

[5] 中華人民共和國教育部.教育部關于印發《教育信息化2.0行動計劃》的通知[EB/OL].（2018-04-13）[2021-01-10].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.

[6] 李呈林.基于問題設計的思維教學探究——以信息技術學科為例[J].電化教育研究，2014，35（3）：111-115.

[7] 林崇德，胡衛平.思維型課堂教學的理論與實踐[J].北京師范大學學報（社會科學版），2010（1）：29-36.

[8] 林崇德.智力活動中的非智力因素[J].華東師范大學學報（教育科學版），1992（4）：65-72.

[9] 張四方，江家發.科學教育視域下增強現實技術教學應用的研究與展望[J].電化教育研究，2018，39（7）：64-69，90.

[10] 張屹，董學敏，白清玉，熊曳，朱映暉.智慧教室環境下學生的探究參與度研究——以“食物在體內的旅行”為例[J].電化教育研究，2018，39（5）：86-92.

[11] 祝智庭，賀斌.智慧教育：教育信息化的新境界[J].電化教育研究，2012，33（12）：5-13.

[12] 李祎，王偉，鐘紹春，付玉卿，馮凡.智慧課堂中的智慧生成策略研究[J].電化教育研究，2017，38（1）：108-114.

[13] 王娟.智慧型課程：概念內涵、結構模型與設計流程[J].現代遠距離教育，2017（3）：25-33.

[14] 榮榮，楊現民，陳耀華，趙秋錦.教育管理信息化新發展：走向智慧管理[J].中國電化教育，2014（3）：30-37.

[15] 李如密.關于教學模式若干理論問題的探討[J].課程·教材·教法，1996（4）：25-29.

[16] B·S·布盧姆，等.教育評價[M].邱淵，王鋼，夏孝川，等譯.上海：華東師范大學出版社，1987：228-267.

[17] 陳峰.“問題串”在物理探究教學中的應用[J].課程·教材·教法，2006（11）：59-62.

[18] 閆寒冰.信息化教學的學習支架研究[J].中國電化教育，2003（11）：18-21.

[19] 王小根，單必英.基于動態學習數據流的“伴隨式評價”框架設計[J].電化教育研究，2020，41（2）：60-67.