MBI教學(xué)模式在科學(xué)探究活動(dòng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
——以“植物如何能向光生長”為例

張春雷（華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院 上海 200062）

提倡探究性學(xué)習(xí)的初衷是還原學(xué)生的主體地位，并讓學(xué)生學(xué)習(xí)和體驗(yàn)科學(xué)實(shí)踐的過程和方法。完整的科學(xué)教育不僅包括學(xué)習(xí)現(xiàn)有的科學(xué)知識，還應(yīng)包括對科學(xué)實(shí)踐過程及科學(xué)本質(zhì)特征的認(rèn)知。但由于教師對科學(xué)本身的認(rèn)識的局限，再加上僵硬的“科學(xué)方法”不能很好地反映科學(xué)實(shí)踐過程和科學(xué)的本質(zhì)特征，教學(xué)實(shí)踐中常出現(xiàn)形式化的“探究”活動(dòng)，這不僅容易讓學(xué)生對科學(xué)探究產(chǎn)生錯(cuò)誤的認(rèn)識，有時(shí)甚至影響其對核心概念的學(xué)習(xí)。因此，本文結(jié)合案例探討了一種更能反應(yīng)科學(xué)真實(shí)面貌的教學(xué)模式——基于模型的探究（modelbased inquiry，MBI），并討論了其在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用前景及可能面臨的困難。

1 倡導(dǎo)科學(xué)探究的初衷

科學(xué)探究一直是科學(xué)教育課程改革所倡導(dǎo)的重要內(nèi)容之一。最新版的初中和高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)都明確將“科學(xué)探究”作為重要的課程內(nèi)容和關(guān)注點(diǎn)［1-2］。其他學(xué)科例如化學(xué)、數(shù)學(xué)和物理學(xué)也特別鼓勵(lì)和提倡探究性學(xué)習(xí)。原因在于學(xué)生探究未知知識的過程與科學(xué)家探究未知世界的過程具有一定的相似性。在此過程中，學(xué)生不僅能學(xué)習(xí)科學(xué)知識，還能從中體驗(yàn)和學(xué)習(xí)科學(xué)實(shí)踐的真實(shí)過程和樹立正確的科學(xué)觀。大量的教育研究結(jié)果顯示，無論性別或?qū)W業(yè)成就高低，科學(xué)探究對學(xué)生都是有積極意義的。即便是以標(biāo)準(zhǔn)化考試做評測指標(biāo)，無論是初中還是高中，只要教師切實(shí)地將探究教學(xué)的理念和要點(diǎn)落在實(shí)處，教師引導(dǎo)下的探究（guided inquiry）教學(xué)效果都要優(yōu)于傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn) 教學(xué)［3］。

2 科學(xué)探究的內(nèi)涵

什么是科學(xué)探究？《全日制義務(wù)教育生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)稿）》（本文簡稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”）認(rèn)為，生物學(xué)課程中的科學(xué)探究是學(xué)生積極主動(dòng)地獲取生物科學(xué)知識，領(lǐng)悟科學(xué)研究方法而進(jìn)行的各種活動(dòng)?？茖W(xué)探究通常涉及：提出問題、做出假設(shè)、制定計(jì)劃、實(shí)施計(jì)劃、得出結(jié)論、表達(dá)和交流?！睹绹鴩铱茖W(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中對科學(xué)探究是這樣描述的：科學(xué)探究指的是科學(xué)家用于研究自然界，并基于此種研究獲得的證據(jù)提出種種解釋的多種不同途徑?？茖W(xué)探究也是指學(xué)生用以獲取知識，領(lǐng)悟科學(xué)的思想觀念，以及領(lǐng)悟科學(xué)家研究自然界所用的方法而進(jìn)行的各種活動(dòng)［4］?？茖W(xué)探究不僅是科學(xué)家探索世界的基本方法，而且是科學(xué)知識產(chǎn)生和發(fā)展的重要途徑。按照主體的不同，科學(xué)探究可分為科學(xué)家為探索未知世界而進(jìn)行的探究和學(xué)生為獲取現(xiàn)有的科學(xué)知識、體驗(yàn)科學(xué)實(shí)踐過程而進(jìn)行的探究。本文的科學(xué)探究主要指學(xué)生的科學(xué)探究活動(dòng)。

3 科學(xué)探究在實(shí)踐操作中存在的問題以及歸因

在新課程改革和外部教育環(huán)境的推動(dòng)下，教師更加注重和更多地實(shí)施探究性教學(xué)。盡管如此，一線教學(xué)中的科學(xué)探究性教學(xué)現(xiàn)狀仍然不容樂觀，高質(zhì)量的探究性教學(xué)仍然缺乏，而且很多探究性教學(xué)存在形式大于內(nèi)容的現(xiàn)象［5］。這一方面與教師的教學(xué)觀和教學(xué)知識有關(guān)，另一方面也與教師對科學(xué)探究及科學(xué)本質(zhì)特點(diǎn)的把握不準(zhǔn)有關(guān)。實(shí)際上，線性的、刻板的探究流程往往會(huì)導(dǎo)致探究活動(dòng)的形式化和表面化，無助于學(xué)生真正的科學(xué)探究能力的養(yǎng)成。雖然課程標(biāo)準(zhǔn)中為教師提供了科學(xué)探究的一般步驟，但是探究活動(dòng)可以說形式多樣，它并沒有固定的活動(dòng)形式。有的探究活動(dòng)的程序是結(jié)構(gòu)化的，學(xué)生很清楚每個(gè)程序的操作；有的是非結(jié)構(gòu)化的，它的程序根據(jù)探究的內(nèi)容和目標(biāo)而變化［6］。國外大量的研究也表明科學(xué)探究能力是一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高層次能力，對科學(xué)探究能力的培養(yǎng)不能簡單化和程式化［7］。再有，教師把握不好什么內(nèi)容值得探究、什么內(nèi)容不值得探究，甚至以犧牲知識為代價(jià)制造“活躍”的探究假象也是造成探究教學(xué)質(zhì)量不高的重要原因之一。如何幫助教師識別有探究價(jià)值的內(nèi)容，并且真正落實(shí)高質(zhì)量的科學(xué)探究？ 基于模型的探究作為一種學(xué)習(xí)和教學(xué)的模式就非常值得一線教師嘗試和參照。

4 MBI 教學(xué)模式興起的背景與其內(nèi)涵

科學(xué)教育除了讓學(xué)生理解和構(gòu)建系統(tǒng)的科學(xué)知識之外，還應(yīng)該讓學(xué)生理解科學(xué)知識的產(chǎn)生過程及科學(xué)的本質(zhì)特征。這也是新課程強(qiáng)調(diào)科學(xué)探究、STS（科學(xué)-技術(shù)-社會(huì)）和科學(xué)本質(zhì)觀的原因之一。然而，以往的教學(xué)實(shí)踐中人們經(jīng)常忽略科學(xué)實(shí)踐和科學(xué)本質(zhì)的價(jià)值，只呈現(xiàn)給學(xué)生冰冷的科學(xué)知識系統(tǒng)，而省略了科學(xué)知識背后科學(xué)家火熱的思考、曲折的研究歷程及該過程所彰顯的科學(xué)本質(zhì)特征，這呈現(xiàn)給學(xué)生的實(shí)際上是不完整的科學(xué)。正是在這一背景下，Windschitl 等［8］特別提倡基于模型的科學(xué)探究，并認(rèn)為它最有希望取代所謂“學(xué)科方法”成為新時(shí)代科學(xué)教師的教學(xué)范式。原因在于模型的構(gòu)建與修正實(shí)際上是科學(xué)研究者最為普遍而重要的一種實(shí)踐方式?？茖W(xué)模型主要涉及3 類模型：概念模型、物理模型和數(shù)學(xué)模型。而且一個(gè)重要模型往往對應(yīng)的是該領(lǐng)域中的核心概念或原理，構(gòu)建、驗(yàn)證和完善模型的過程能更貼切地展現(xiàn)科學(xué)知識發(fā)生、發(fā)展的過程?？茖W(xué)家基于模型的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)也正好能體現(xiàn)科學(xué)本身的諸多特征，例如科學(xué)知識的可檢測性、可修正性，科學(xué)是推測性的、具有解釋力、能產(chǎn)出新的推論或預(yù)期等。因此，MBI 更有希望向?qū)W生展現(xiàn)更真實(shí)、更完整的科學(xué)圖景，這也是為什么這種教學(xué)模式受到大量科學(xué)教師及科學(xué)教育研究者的青睞和關(guān)注的原因。

與一般的探究活動(dòng)不同，MBI 是圍繞著因果模型展開的，步驟包括建立模型、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⑿拚Ｐ?。MBI 更有利于反應(yīng)科學(xué)的全貌——科學(xué)知識、科學(xué)實(shí)踐過程、科學(xué)本質(zhì)。MBI 要求學(xué)生針對一個(gè)現(xiàn)象建立解釋性的因果模型，并要收集證據(jù)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪硞€(gè)預(yù)期，然后基于收集的證據(jù)對模型進(jìn)行完善甚至否定，并接受同行（或同伴）公開的質(zhì)疑和研討。在這個(gè)過程中，學(xué)生既可學(xué)到科學(xué)知識（模型本身的內(nèi)容），又可學(xué)習(xí)和體會(huì)科學(xué)知識是如何產(chǎn)生（構(gòu)建模型的過程）和發(fā)展（檢驗(yàn)和修正模型的過程）的，能對科學(xué)的本質(zhì)特征有更深刻的理解和認(rèn)識。

5 MBI 教學(xué)模式的操作流程和示例

MBI教學(xué)模式共包括4 個(gè)環(huán)節(jié)：1）選擇核心的科學(xué)概念原理及自然現(xiàn)象；2）揭示學(xué)生原有的概念和經(jīng)驗(yàn)；3）讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)活動(dòng)并理解活動(dòng)意義；4）督促學(xué)生基于證據(jù)進(jìn)行解釋和交流。本文以“植物如何能向光生長”為例，具體展示該教學(xué)模式的4 個(gè)環(huán)節(jié)，以及該教學(xué)模式是如何幫助學(xué)生學(xué)習(xí)核心概念、體驗(yàn)和認(rèn)識科學(xué)實(shí)踐過程和科學(xué)本質(zhì)的。

5.1 選擇核心的概念原理及相關(guān)現(xiàn)象 首先，教師需要選擇一個(gè)能充分展現(xiàn)某個(gè)核心概念或原理的自然現(xiàn)象作為學(xué)生探究的對象和教學(xué)活動(dòng)出發(fā)點(diǎn)。教師選擇的現(xiàn)象首先應(yīng)是真實(shí)的，且能激發(fā)學(xué)生探究的興趣，同時(shí)也要能充分反映學(xué)科中某個(gè)重要的概念或原理的應(yīng)用。

學(xué)生或許不曾留心觀察和思考，但是植物向光生長的特性隨處可見，且這一現(xiàn)象背后蘊(yùn)藏著植物激素調(diào)節(jié)的過程和原理。學(xué)生要建立植物向光生長的因果模型解釋這一現(xiàn)象，并最終形成“植物生命活動(dòng)受到植物激素的調(diào)節(jié)”這一重要概念。建立該因果模型，學(xué)生需要以下支撐性子概念：

·某種信號分子（生長素）在特定部位產(chǎn)生；

·植物可將這種信號分子（生長素）從產(chǎn)生部位運(yùn)輸?shù)阶饔貌课唬?/p>

·這種信號分子（生長素）可在作用部位影響植物體（細(xì)胞）的生長；

·外界刺激（如單側(cè)光）會(huì)影響這種信號分子的作用過程。

基于以上考慮，向光生長這一現(xiàn)象是符合要求的，教師完全可拋出這一現(xiàn)象作為探究的對象和教學(xué)活動(dòng)的起點(diǎn)。

5.2 揭示學(xué)生原有的概念和經(jīng)驗(yàn) 雖然學(xué)生對植物向光生長的現(xiàn)象非常熟悉，但絕大多數(shù)學(xué)生是熟視無睹的。部分學(xué)生可能有一些想法，至少他們很可能體驗(yàn)或了解類似的現(xiàn)象，例如，昆蟲具有趨光性、含羞草受到觸碰會(huì)垂下葉子，或者他們可能學(xué)過“動(dòng)物通過激素調(diào)節(jié)自身生命活動(dòng)”。建構(gòu)主義理論認(rèn)為學(xué)生的新概念總是要建立在已有概念或經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，因此揭示學(xué)生已有概念和經(jīng)驗(yàn)就顯得格外重要。最直接的方法就是詢問學(xué)生相關(guān)的想法、知識或舉出相關(guān)或類似的現(xiàn)象。這是教師開展教學(xué)的寶貴資源，也是學(xué)生認(rèn)知和構(gòu)建新知識的起點(diǎn)。

教師可鼓勵(lì)學(xué)生大膽想象“有哪些可能的機(jī)制存在就可使植物發(fā)生向光生長的現(xiàn)象”。例如，學(xué)生提出假設(shè)：所有植物細(xì)胞都有感光功能，光強(qiáng)則生長慢，光弱則生長快，這樣背光側(cè)生長快于向光側(cè)，就發(fā)生了向光彎曲。也有學(xué)生類比昆蟲的向光性，認(rèn)為植物也許具有類似的感光器，感光器把信號傳遞給植物，使得植物發(fā)生向光生長。教師可通過提問引導(dǎo)學(xué)生思維，例如，感光器可能在植物體的哪個(gè)部位？ 又使植物哪個(gè)部位的生長速度發(fā)生了改變？ 信號是如何傳遞的？ 針對這些問題，學(xué)生可有不同的假設(shè)，并建立他們最初的解釋模型。學(xué)生需要思考：基于他們的模型可做出哪些推測，收集什么樣的證據(jù)就能支持或否定他們的模型，如何設(shè)計(jì)這樣的實(shí)驗(yàn)等。

5.3 讓學(xué)生進(jìn)行課堂活動(dòng)并理解活動(dòng)意義 為了檢驗(yàn)自己的模型是否正確，學(xué)生需要基于自己的模型提出可檢驗(yàn)的模型推論。例如，假如所有植物細(xì)胞都能感光，且光照抑制生長，則植株在單側(cè)光刺激下，應(yīng)該發(fā)生均勻性彎曲，切除植株任何部位后向光生長依然能發(fā)生。教師可根據(jù)學(xué)生提出的因果模型相似度進(jìn)行分組，并向每個(gè)小組（3～5人）提供“向光生長模擬”軟件，利用計(jì)算機(jī)模擬軟件，學(xué)生可自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并記錄模擬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖1），然后依據(jù)結(jié)果對自己的因果模型進(jìn)行判斷和修正，必要時(shí)還可做新一輪的模擬實(shí)驗(yàn)，直至獲得滿意的模型為止。當(dāng)然，真實(shí)的生物學(xué)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)要優(yōu)于計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)，但由于教學(xué)時(shí)間的限制，本教學(xué)活動(dòng)采用了計(jì)算機(jī)模擬的方式幫助學(xué)生檢驗(yàn)自己的模型。

圖1 植物向光生長的計(jì)算機(jī)模擬程序界面

5.4 督促學(xué)生基于證據(jù)進(jìn)行解釋和交流 在此環(huán)節(jié)中，學(xué)生要構(gòu)建最終能解釋植物向光生長的因果模型，并以示意圖、概念圖或?qū)嵨锬Ｐ偷瓤梢暬姆绞奖磉_(dá)，而且這個(gè)模型的各個(gè)部分都要有相應(yīng)的證據(jù)支持。教學(xué)中，教師要注重追問學(xué)生的證據(jù)邏輯是否合理，他們模型的哪些部分得到了證據(jù)支持、哪些實(shí)際上沒有得到支持，同時(shí)也鼓勵(lì)學(xué)生相互質(zhì)疑和拷問、吸取其他小組模型中合理的要素、利用各種信息源構(gòu)建最終的因果模型。這些信息源包括學(xué)生日常生活觀察到的事實(shí)、學(xué)生已有的自然科學(xué)概念或理論、科學(xué)家曾經(jīng)做過的實(shí)驗(yàn)及結(jié)果和教材上的描述等。在各個(gè)小組公開的辯論和交流中，因果模型不斷得到檢驗(yàn)、修正和完善，學(xué)生不僅有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)關(guān)于“生長素作為植物激素如何調(diào)控植物幼苗向光生長”的科學(xué)知識，而且可體會(huì)更真實(shí)的科學(xué)實(shí)踐過程和科學(xué)的本質(zhì)特征，領(lǐng)略完整的科學(xué)圖景。

6 MBI 教學(xué)模式的應(yīng)用前景

MBI 教學(xué)模式有其優(yōu)勢也有其局限。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）能體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)特征和展示科學(xué)的全過程；2）利用視覺化的模型呈現(xiàn)輔助思維過程、便于學(xué)生表達(dá)交流；3）以學(xué)生已有知識和經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)構(gòu)建新知識，符合認(rèn)知規(guī)律；4）有利于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力、想象力和創(chuàng)造力；5）圍繞核心概念原理和相關(guān)現(xiàn)象展開便于一線教師教學(xué)實(shí)踐中探究的科學(xué)內(nèi)容和現(xiàn)象，避免無意義的虛假探究。一線教師不僅可參照該教學(xué)模式的4 個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，同時(shí)也可更好地組織和實(shí)施探究活動(dòng)，提高學(xué)習(xí)效果。

MBI 教學(xué)模式也有其局限性。在適用范圍上，MBI 更適用于課程的核心概念和原理，特別是需要學(xué)生構(gòu)建模型解釋現(xiàn)象的內(nèi)容。此外，MBI 對教師的專業(yè)要求更高，教師要對探究過程可能出現(xiàn)的問題和困難做更充分的準(zhǔn)備。MBI 的教學(xué)用時(shí)較長，且需要一定的教學(xué)條件或教學(xué)資源的支撐。

盡管如此，MBI 仍然是被教育研究者和一線教師寄予厚望的科學(xué)探究模式，是教師避免虛假探究、設(shè)計(jì)高質(zhì)量探究教學(xué)活動(dòng)的良好參照，同時(shí)也是學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)、構(gòu)建生命觀念、發(fā)展科學(xué)思維、體驗(yàn)科學(xué)實(shí)踐和認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)的重要途徑，值得科學(xué)教育研究者和一線教師借鑒、嘗試和研究。