WISE科學探究環(huán)境對我國科學教育的啟示

常瑾 武冰星

我國自2001年頒布小學科學課程標準以來，科學課程一度成為基礎教育改革的熱點，但和語文、數學、英語等核心課程比起來，科學課程始終處于邊緣和弱勢地位，其重要性在課程中沒有得到充分的體現(xiàn)。而提供合適的教學資源和教學環(huán)境，有助于激發(fā)學生學習科學的興趣，培養(yǎng)學生的科學探究能力和科學素養(yǎng)，同時也有助于教師的教學。計算機技術的迅猛發(fā)展、互聯(lián)網技術的出現(xiàn)為學習環(huán)境提供了有效支持。本文以美國中小學科學探究環(huán)境WISE為例，探討其理論基礎、系統(tǒng)結構及其項目案例，從而為我國的科學教育教學提供一些成功的經驗和啟示。

一、WISE科學探究環(huán)境

“基于網絡的探究科學環(huán)境”(簡稱WISE)是由美國國家科學基金會(NSF)資助，伯克利大學Marcia．C．Linn教授主持的“知識整合環(huán)境(簡稱KIE)”項目的主要研究成果之一。WISE是建立在Web基礎上以網絡技術為媒介的學習環(huán)境，是為學習者提供探究所需要的認知工具，并為教師在課堂中使用該環(huán)境提供了多種多樣的支持服務。

1.WISE的理論基礎。WISE以建構主義理論為指導，將知識的建構建立在學生自主發(fā)展的基礎上，通過營造友好的學習環(huán)境，鼓勵學習者自己建構所需。學習者可在與同伴討論過程中學到新知識，擴大或修正已有的認知結構，在表達個人已有概念知識的同時，進行自我反思與評價，不斷地加以重構。維果斯基支架式知識整合框架理論(簡稱SKIF)強調以學習者為中心，要求學生積極主動地去評論、分析與科學課程相關的網絡信息和其他證據，在這個過程中，該理論強調問題情境、工具軟件以及教師的支架作用，以幫助學生對問題的深層次理解。

SKIF框架描述了四個過程來說明知識整合，分別是探究觀點、增加觀點、辨別觀點、導出觀點。這些過程一起構成了知識整合模式。該模式可以用來設計、評價課程材料。它可以提供新的方向精煉一個活動。WISE希望用知識整合的原則和模式來設計課程，促進科學的理解和設計一致的評估來衡量學生能力來整合觀點。

2.WISE的系統(tǒng)結構。WISE已經開發(fā)了一個用戶和課程管理系統(tǒng)(WISE主頁)和一個虛擬學習環(huán)境。在WISE的主頁介紹了探究項目、特點、新聞(WISE版本的更新及其鏈接)、優(yōu)點、體驗、研究和技術團隊。提供了免費注冊用戶功能，注冊用戶包括兩類:一是教師賬號，研究者;二是學生用戶。不同用戶注冊的權限不同，對于教師、研究者用戶來說，提供了項目管理、教學管理等功能，使用這些功能可以使用課程和開發(fā)課程，而對于學生用戶來說，提供教師的課程號方可進入課程探究小組。WISE環(huán)境的功能特色在于網絡瀏覽器上鑲嵌了眾多JAVA技術的工具，這些工具提供了包括在線討論、數據搜集、繪圖等，有效支持了學生的探究活動。WISE環(huán)境整合了HTML，Javascript和CSS等技術。利用這些技術可以保存課程內容和學習者學習過程的數據，也為研究者和教師提供了工具來制作或修改項目。VLE提供的工具有實時助手、備注、主活動、探究步驟、短活動、相互在線討論、探究地圖、課程圖書館、課程編寫等。這些功能是由腳手架構成的，任何腳手架能被擁有不同行為與觀點的其他腳手架所取代。換句話說，如果研究者或者開發(fā)者需要使用他們自己已有腳手架中的一個，他們可以修改由WISE提供的默認的腳手架。各種各樣的原始參數能被傳遞到VLE，諸如會話數據、課程位置、可視化主題和系統(tǒng)環(huán)境的VLE接口，制作者還可以修改可視化布局和VLE環(huán)境。

3.WISE的項目研究。WISE環(huán)境得到了廣泛的師生參與。WISE探究環(huán)境主要支持三類學習項目:(1)理論比較(2)論據探查(3)設計。WISE是以科學探究過程為形式的學習環(huán)境，通過設計相應主題的探究模塊內容，結合一定的Web技術，增強了環(huán)境對所學主題的適應性。學習者通過點擊相應的步驟，獲取相關信息，并根據自己的探究填寫相應的內容，從而形成自己對某一主題的理解與觀點與他人交流。WISE的每個探究項目都設計了支持學生進行自主學習的探究地圖。下面以地球科學《調查行星運動與季節(jié)》為例來說明WISE的項目。

本案例面向6—12年級，共有8個步驟，類型屬于論據探查，目的是使學習者收集和評估季節(jié)的證據，使用不同的動態(tài)可視化和模型的解釋和理解。每個單元的支架式教學，幫助學生建構自己使用的證據來解釋季節(jié)變化。本項目中學習者首先假設自己是一個偵探，提出3個“神秘案件”，為學習者創(chuàng)設一個學習情境，利用這些驅動性問題來激發(fā)學生學習的動機和興趣;接著鼓勵學生提出自己的觀點，驗證和解釋自己的觀點，使學生主動地搜集季節(jié)變化特征及其原因，最后和同學們分享自己的解釋同時對同學們提出的解釋進行探討。

第一步首先介紹項目的目標，學習者假想自己為科學偵探，提出偵探的要求，鼓勵學生成功“破案”，需要判斷案例是否在生活中發(fā)生，是否可以用證據或是收集到的證詞進行解釋，一些零散的想法是否可以提取出線索，根據線索來解釋“案情”。接下來顯示三個問題(1)給出一幅太陽一天中的位置變化圖片，讓學生觀察有何異常。給出一些線索來提示學生思考。(2)由Keisha和Saul的冰塊融化的時間長短引出問題，引導學生解釋這種現(xiàn)象，同時也給出了一些線索。(3)給出一幅太陽位置變化是“8”字的圖片，要求解釋這種奇怪的現(xiàn)象。根據學習者通過調查和線索，寫出自己的想法，并解釋這些現(xiàn)象。在一步結束之前，提供給學習者一些支架型問題如產生季節(jié)的原因，要求學習者搜集支持自己論點的證據，同時與同學分享自己的觀點。

第二至六步，以相同的流程進行探究，通過提供以前同學的觀點(地球與太陽的距離引起四季變化?不同的溫度導致了四季的變化?光的強度引起四季的變化?地球傾斜的角度引起四季的變化?四季是由于我們面對太陽或是背對太陽引起的?)并展示了原因。提出了一個調查問卷，記錄下實驗數據，并以調查“地球和太陽的距離和地球軌道的形狀”、“世界的溫度變化”、“太陽光的強弱的變化”、“地球的傾斜角度和對應的溫度”為探究點，提供了四個不同地區(qū)的城市在四個不同的月份作為實驗數據，從各個角度為學生的觀點提供的證據，以同意或是不同意先前提供的證據為結點，并給出相應的解釋，總結自己的觀點。通過立體化的方式觀看地球轉動情況、溫度、光等影響因素，收集數據并分析數據，得出自己的結論。經過這五輪的探究，學生找到了支持自己的科學數據，并說明理由。在學生通過各種方式掌握了概念之后，給出一些鞏固所掌握知識的練習，方便學生的遷移和逆向思維。這幾步都是以問題情境開始，不斷地增加證據，使學習者加深理解，從而加深或是改變自己的論點，并提供一系列仿真的實驗，學生自己收集數據，有利于學習的形象思維的發(fā)展，讓學生先假設、驗證、尋找證據，層層遞進，既加深了概念的理解，又掌握了科學探究的過程與步驟，形成了自己的科學思維方法。在最后兩步，根據先前形象化的選擇題和記錄下的實驗數據，用自己的證據進行論證或推翻自己的觀點，將自己的證據進行整理、歸納?；貧w到第一步偵探探究的問題，看通過自己的搜集能否偵破“案件”，并可以與同伴進行開放性的討論交流。最后，將填寫一個反饋表供以后的學習者參考。

縱觀整個探究流程，讓學習者不斷地證明或證偽自己觀點，不斷的加強或推翻自己的解釋，為學習者的反思和證據歸類又做了很多提示和反思的環(huán)境，鼓勵學生大膽猜想，對一個問題的結果作多種假設和預測，有利于學生的通過自己的努力來得到答案。通過這些活動的教學，可以讓學生親身體驗一次科學發(fā)現(xiàn)、科學探究、科學創(chuàng)造的過程。

二、WISE科學探究環(huán)境對我國中小學科學教育的啟示

目前，我國小學科學教育已開設《科學》課程，中學科學教育分散在《物理》《化學》《生物》課程之中，課堂實驗或者“探究”教學存在內容膚淺、強調步驟和形式、流于死板和機械等缺點。當前我國中小學科學課程存在讓學生按步驟動手操作，卻沒有真正激發(fā)出學生的興趣和求知欲，更沒有鼓勵學生思考科學現(xiàn)象及問題。科學教育的最大特征是“綜合”，中國科學教育的最難問題也是缺乏綜合性的教材與師資。因此，借鑒WISE環(huán)境的特點，對我國的科學教育有以下幾點啟示。

1 WISE環(huán)境對我國科學課程資源建設的啟示。當前我國中小學科學課程的資源主要包括條件性資源及素材性資源。素材性資源分為外在物化載體和內在生命化載體。素材性資源建設能力嚴重不足，成為制約學校內涵發(fā)展的重要瓶頸。各地學校的網站提供的科學課程資源比較多，這些靜態(tài)資源，多是羅列了一些關于文字、視頻、圖片的優(yōu)質資源，在學習過程和學習成果發(fā)布、課堂互動方面卻稍遜一籌。學生的經驗、感受、見解、問題、困惑等是重要的課程資源，而且是更加寶貴的素材性課程資源，教師應該有權決定允許它合法地進入課程，特別是進入教學過程。而對于如何針對各個中小學科學課程的教學實際，充分利用網絡的優(yōu)勢設計支持探究學習的過程的學習資源，目前并不多。充分利用教學過程中的素材性資源來促進探究性教學，需要一個實時探究的支持環(huán)境，供教師和學生即時交流。

2.WISE環(huán)境對科學教與學方式的啟示。

第一，教師教的方式。創(chuàng)設有意義的情境。WISE所提供的項目都是基于一定的問題情境，如在《Hanging With Friends》項目中以情境“Shanice與朋友去玩，運用速度的知識來幫助他們見面”開始，在《Global Climate Change》項目中提出“過去的幾年全球氣候有怎樣的變化?未來的氣候又將會發(fā)生什么?對于保護氣候環(huán)境，你應該怎樣做?”三個問題帶領學生進入情境，以這些問題為驅動，激發(fā)學生的探究興趣，從而引導學生一步一步進入探究學習的過程。這就要求教師能創(chuàng)設貼近生活的問題情境，吸引學習者進入學習狀態(tài)。

記錄學生思維過程。傳統(tǒng)科學課堂中，教師通過觀察學生的言語與行為來判斷學生是否在思維，通過學生回答問題的準確性和流暢性來進行考查。這也只能關注到一小部分學生，而科學探究環(huán)境能及時記錄學生學習過程中的思維，將抽象的思維通過引導形成外化的語言，通過探討，糾正思維中的“偏差”，通過提供與同伴的交流環(huán)境，將更深入地理解科學中復雜的推理。學習對環(huán)境中的證據真?zhèn)芜M行辨別、分類，從而形成自己的科學思維。

第二，學生學的方式。技術為課堂搭建“腳手架”。探究教學是科學教學的重要組成部分，傳統(tǒng)課堂中的優(yōu)勢就是師生能夠面對面交流，提供的卻是完美的實驗過程和現(xiàn)成的結論，教師還要提醒實驗注意事項，而在當今網絡學習支持環(huán)境中，學生可以通過網絡中虛擬的實驗過程，在網絡環(huán)境下進行科學探究，上述項目為使學生了解太陽光在華盛頓四個月份的強弱，提供的探究性的實驗數據。學習可以自行學習，獲取自己感興趣的知識。

自主學習與協(xié)作學習的結合。自主學習要求學生能夠獨立思考問題，對于科學現(xiàn)象和問題有自己獨立的見解與解釋。協(xié)作學習要求學習者以小組形式參與到共同探究科學目標的過程當中。自主學習與協(xié)作學習相輔相成，相得益彰，共同促進學習者探究能力的提高。WISE中的協(xié)作工具包括資源圖書館、共享白板、在線討論和任務列表。更加注重對學習者的關注，強調對學習者進行學習者特征分析，通過小組合作的形式將集體和個人的學習成果最大化。倡導學習者以小組為單位進行探究活動，我們可以在一臺計算機上以小組方式同時登陸多個賬號，這有利于學生能面對面討論問題，搜尋證據。協(xié)作學習不同于合作學習，合作學習是每個人完成獨立的子任務，共同形成一個完整的任務，而協(xié)作學習中的成員是“一起”工作來完成任務，可以說是都在進行同樣的過程，結果可以共享與探討，從而構建更好的結果。學習環(huán)境要求每位探究者都進行學習過程，同時能與他人共享成果，相互進步，發(fā)揮1+1＞2的效果，為協(xié)作學習和個體學習提供支持，更好地提高自己的能力。

探究學習的過程。在科學教學中，以培養(yǎng)學生科學探究能力、提升科學素養(yǎng)為目的，在教師引導下，學習者通過模擬類似科學家的探究過程來理解科學概念的建構過程。WISE中的項目是在創(chuàng)設一系列活動中引導學習者去解決問題，提出自己的觀點，同時對于探究時遇到的困難提供了多種工具。

終身學習。我國中小學科學課程是依據教材進行教學，學習在考試之后，便不再進行回顧與反思，可以借鑒WISE的做法，依照各個專題或是項目，鼓勵教師和學生終身學習。即使當學生結束課程學習后，在以后的生活學習中遇到一些證據事實，還可以繼續(xù)添加。現(xiàn)階段我國義務教育階段中小學科學課程是必修課程，也就是說不僅要教會學生知識技能，更要培養(yǎng)其一種的科學的探究能力，正所謂“授之以魚，不如授之以漁”?？茖W探究環(huán)境可以為學習者終身的學習提供幫助，隨時記錄學習過程。

第三，教師與學生的互動方式。提供師生、生生實時交互。網絡探究環(huán)境可以為教師提供控制臺，查看學生作業(yè)完成情況，即時發(fā)布公告，對學生的反饋、解釋進行評價，對作業(yè)給予一定指導。學生可以查看自己的作業(yè)，還可以與伙伴討論，而且這些討論會得到教師及時的指導或成為同伴討論的主題。利用網絡技術為學生提供多樣化的觀點庫，學生隨時可以將自己的想法與解釋寫入庫中，還可管理自己的觀點、解釋，查看同伴的觀點和評價。探究環(huán)境為教師的教學評價和反饋提供支持，對教師編輯的試卷進行批改，評價學生的作業(yè)表現(xiàn)，還可以幫助學生記錄作業(yè)進程，有利于促進教師隨時隨地進行多元化評價，也有利于同伴間的探討。

3.WISE環(huán)境對構建探究性學習環(huán)境的啟示。探究性學習環(huán)境不只需要的是優(yōu)質教學資源，更要通過網絡技術來提供支持，更好地為學生的思維過程提供便捷條件，這就需要充分考慮學生的學習需求，教師評價和輔助學生的工具。探究性學習環(huán)境應為學生提供學習支持活動，如提出質疑、假設、制定研究計劃、搜集證據、交流協(xié)作等。為教師和研究者提供項目，便于教師根據實際情況修正，對學生的作業(yè)評價，思維過程監(jiān)測等功能。

三、借鑒與展望

實施網絡教育的基礎是進行網絡教育支撐環(huán)境的建設。教師要將科學課程的教學與現(xiàn)代教育技術相結合，利用各種信息技術促進學生學習，創(chuàng)設支持多重交互、自主探索、協(xié)作學習、優(yōu)質資源共享的學習環(huán)境。WISE至今已更新到WISE 4，其提供的技術支持可以使學習者更容易地使用，建構抽象的難以理解的科學概念，從而找到自己解決科學問題的方法，提高自己解決科學問題的能力。而對于教師來說，方便選擇不同的教學內容，同時，根據自己教學的需要進行編輯與修改，以適合本土環(huán)境的學習。在我國新課程改革之際，提高科學課程在中小學的地位，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，形成學生的終身學習習慣具有重大意義。目前，WISE已經在臺灣取得了成效，學生、教師和研究者通過改編原有材料創(chuàng)建了自己的學習材料，WISE將對我國的科學教育產生積極的促進作用。

［1］黃芳．美國《科學教育框架》的特點及啟示［J］．教育研究，2012，(8)．

［2］ 基于網絡的科學探究環(huán)境［EB/OL］．http://WISE．berkeley．edu/webapp/index．html．

［3］ 亞太科學教育論壇［EB/OL］．http://www．ied．edu．hk/apfslt/v11_issue2/foreword/index．htm．

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

［5］杜悅．科學教育亟需突破應試瓶頸——有關我國基礎教育科學教育的觀察與思考［N］．中國教育報．2012－10－25(7)．

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