腦科學(xué)與科學(xué)教育基于模型的探究

近30年來，學(xué)習(xí)科學(xué)研究揭示了人是如何學(xué)習(xí)的，腦科學(xué)的進展促使神經(jīng)教育學(xué)誕生，從科學(xué)教育實踐中也不斷提出了新的問題和挑戰(zhàn)。一方面運用探究式的學(xué)習(xí)方法，必然比直接由教師講授知識需要用更多的課時，另一方面，知識的增長速度越來越快，對學(xué)生綜合解決問題能力的培養(yǎng)變得越來越重要，選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，以提高科學(xué)教育有效性的問題更加突出了。在總結(jié)上世紀(jì)的科學(xué)教育實踐以后，一些科學(xué)教育研究者們認為，上世紀(jì)90年代提出的探究式科學(xué)教育方法，雖然已經(jīng)反思了70年代發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)的彎路，強調(diào)了有引導(dǎo)的探究；反思了只強調(diào)過程不結(jié)合科學(xué)概念的過程式探究方法，強調(diào)了過程和科學(xué)概念的結(jié)合，不僅要動手還要動腦，等等。然而，探究式教學(xué)的成效仍然不能令人滿意，一些探究課有活動，而無理解的過程；探究式科學(xué)教育只是針對零散的科學(xué)概念進行探究，沒有強調(diào)核心概念和模型(大概念，Big Idea)；有一些標(biāo)準(zhǔn)羅列了太多的概念，相互之間沒有聯(lián)系，沒有層次和有意義的序列，學(xué)生在年級之間的學(xué)習(xí)缺乏聯(lián)系。

在本世紀(jì)初，我們認為某些案例是比較典型的科學(xué)探究案例，從法國引入后，用于教師培訓(xùn)。例如經(jīng)常使用的“單擺的案例”，比較容易讓教師體驗探究的過程，很容易發(fā)動起大家參與探究的熱情，探究的5個步驟也比較典型。其探究的題目是“什么因素影響單擺的擺動頻率”。經(jīng)過假設(shè)、實驗，最后通過實際的觀察和單變量實驗，證明影響單擺頻率的因素是單擺的繩長。這個案例中探究的是一個科學(xué)內(nèi)容，也是一個過程很典型的科學(xué)探究活動。但是10年以后的今天回過來審視，這個案例用于起步階段的教師培訓(xùn)，以幫助教師進入探究式科學(xué)教育，是有益的，而作為學(xué)生的學(xué)習(xí)教案卻是不合適的。

首先，這個案例探究的是一個孤立的科學(xué)知識，和學(xué)生建立有關(guān)物體運動的核心概念沒有聯(lián)系。它沒有考慮學(xué)生已有的知識基礎(chǔ)和應(yīng)該進一步學(xué)習(xí)的內(nèi)容，并沒有反應(yīng)科學(xué)概念之間聯(lián)系的科學(xué)模型，不是圍繞一個核心的或是主要的概念在進行探究。物體的振動取決于許多參量，在這個案例里，只探究了一個參量，而不是去探究如何解釋物體振動運動的規(guī)律。這樣的探究，實質(zhì)上還是反映了把過程看得比內(nèi)容重要，選擇探究內(nèi)容時，著眼點不是科學(xué)概念本身的聯(lián)系和發(fā)展，而是如何能讓參與者容易理解“五步法”的過程。

其次，強調(diào)了從本節(jié)課上直接收集的數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果得出結(jié)論，且只和當(dāng)時獲得的數(shù)據(jù)有關(guān)，不涉及到對運動定律的思考。學(xué)習(xí)者不需要聯(lián)系任何已有的知識，也不會考慮進一步對振動這個現(xiàn)象的探究，建立模型，去解釋自然界的因果關(guān)系。實際上，科學(xué)探究不只是限于觀察變量之間的關(guān)系，而是要揭示自然現(xiàn)象的因果關(guān)系，即說明為什么是這樣。尋求解釋時經(jīng)常需要包含不能直接觀察到的現(xiàn)象，需要運用已經(jīng)具有的模型和概念，也就是說需要運用科學(xué)思維，分類、類比、推理、歸納等，這方面能力的培養(yǎng)，對中學(xué)的學(xué)生尤顯重要。

第三，容易讓學(xué)生得出這樣的結(jié)論：科學(xué)的概念是可以很快地、孤立地建立的。忽略了科學(xué)是一個有聯(lián)系的發(fā)展過程。科學(xué)研究是一條連綿不斷的長河，發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律，需要將當(dāng)前獲得的數(shù)據(jù)和觀察到的現(xiàn)象聯(lián)系到一些模型上去，并且這些模型需要逐步地深入和修正。孤立地對單個概念的學(xué)習(xí)，不利于學(xué)生了解科學(xué)的本質(zhì)。

因此，這個案例用于對教師的培訓(xùn)是可以的，用作學(xué)生學(xué)習(xí)的案例就不合適。

在重新審視上世紀(jì)的探究式科學(xué)教育以后，研究者提出一些改進的新思路，并重新制定了“國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)”。這些新的研究進展在探究式學(xué)習(xí)方法上主要表現(xiàn)在兩個方面：一是圍繞大概念來進行基于模型的探究式學(xué)習(xí)，另一方面是提出了學(xué)習(xí)進展序列的學(xué)習(xí)方法。學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)內(nèi)容是緊密相關(guān)的，因為圍繞了大概念進行學(xué)習(xí)，才可能采用基于模型的探究方法。圍繞大概念，從學(xué)生熟悉的環(huán)境和事物開始，有序列地逐步深入，才可能有學(xué)生學(xué)習(xí)的進展序列。如果標(biāo)準(zhǔn)中所給出的學(xué)習(xí)內(nèi)容就是零散的，沒有考慮學(xué)習(xí)階段之間的銜接，那么也就沒有可能進行基于模型的探究，也談不上學(xué)生的學(xué)習(xí)序列。所以，在新一輪的科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)中，學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法改進是一個相互聯(lián)系的整體。

表1中給出了目前通用的探究法和基于模型的探究法之間的比較，說明基于模型的探究法有利于學(xué)生有效地學(xué)習(xí)科學(xué)概念，同時學(xué)習(xí)過程中可以加深對科學(xué)本身概念的體驗。圖1中所表示的是基于模型的探究學(xué)習(xí)中的5個要素，它們可以表述為：

◇設(shè)置一個比較廣泛的學(xué)習(xí)背景：教師選擇關(guān)鍵的科學(xué)現(xiàn)象，這些現(xiàn)象跟學(xué)生已有的經(jīng)驗相聯(lián)系，是適合于對某個自然現(xiàn)象作出解釋的。

◇明確我們已經(jīng)知道什么和我們希望知道什么：學(xué)生根據(jù)給出的信息和已有的經(jīng)驗對現(xiàn)象進行表述；提供一個能夠解釋現(xiàn)象的模型結(jié)構(gòu)；提出一個具有模型內(nèi)涵的問題。

◇產(chǎn)生假設(shè)：假設(shè)中包含了模型中變量之間的關(guān)系，而不是簡單的預(yù)測，涉及不同的可以比較的假定和可以比較的模型。

◇尋求實證：用實踐來檢驗不同的假定。這些方法包括：可控的和非可控的實驗，進行相關(guān)的信息收集，分析已有的數(shù)據(jù)和信息，在討論中引用多種形式的觀察結(jié)果，從模型出發(fā)與數(shù)據(jù)進行比較，看是否一致。

◇建構(gòu)一個論點：對所研究現(xiàn)象作較深入的描述，根據(jù)實證獲得的數(shù)據(jù)，得出對所研究現(xiàn)象的解釋；認識到還可能有其他的解釋；說明如何根據(jù)實證需要，修正原來提出的模型。

同樣是5個要素，在內(nèi)涵上已經(jīng)不同了。對小學(xué)生來說，由于還處于學(xué)習(xí)科學(xué)的初始階段，這種差別在小學(xué)階段表現(xiàn)得不如中學(xué)科學(xué)教育那么明顯。小學(xué)階段主要以建立可以直接觀察到的概念為主。但是，教師應(yīng)該了解基于模型的探究，這樣才能在探究中不僅讓學(xué)生學(xué)到科學(xué)概念，還能體驗到有關(guān)科學(xué)本身的概念，即什么是科學(xué)。當(dāng)然，為了掌握某個主要的概念，運用什么具體的事例和現(xiàn)象是可以選擇的，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該體現(xiàn)一定的靈活性，應(yīng)該和學(xué)生熟悉的環(huán)境與問題相聯(lián)系，這樣有助于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，也有利于理解科學(xué)與社會的關(guān)系。