國(guó)際科學(xué)教學(xué)研究的主題領(lǐng)域與熱點(diǎn)演進(jìn)

葉劍強(qiáng)　　徐克

摘要： 近30年來(lái)，國(guó)際科學(xué)教學(xué)研究領(lǐng)域由于受到概念轉(zhuǎn)變理論、科學(xué)素養(yǎng)理念以及核心素養(yǎng)運(yùn)動(dòng)的影響，其研究?jī)?nèi)容逐漸呈現(xiàn)出了系統(tǒng)性、綜合性與整合性。國(guó)際科學(xué)教學(xué)的研究?jī)?nèi)容涉及以下四大領(lǐng)域： 科學(xué)概念學(xué)習(xí)研究、科學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究、科學(xué)學(xué)習(xí)心理品質(zhì)研究以及科學(xué)教師研究。圍繞上述核心領(lǐng)域，國(guó)際科學(xué)教學(xué)研究近30年來(lái)高被引突顯主題詞依次主要有迷思概念、心智模型、科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)素養(yǎng)、學(xué)習(xí)進(jìn)階、社會(huì)性科學(xué)議題等。

關(guān)鍵詞： 科學(xué)教學(xué); 主題領(lǐng)域與熱點(diǎn); 概念學(xué)習(xí); 科學(xué)素養(yǎng); 科學(xué)本質(zhì)

文章編號(hào)： 10056629（2020）08001207

中圖分類號(hào)： G633 8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

國(guó)際科學(xué)教與學(xué)研究領(lǐng)域自上世紀(jì)90年代以來(lái)取得了顯著發(fā)展，由于受到建構(gòu)主義、概念轉(zhuǎn)變理論、科學(xué)素養(yǎng)以及核心素養(yǎng)等不同理論與運(yùn)動(dòng)的影響，其研究?jī)?nèi)容也呈現(xiàn)出了系統(tǒng)性、綜合性與整合性?？茖W(xué)教育由于其學(xué)科屬性和內(nèi)在邏輯特征，科學(xué)教學(xué)研究的水平往往能夠反映不同國(guó)家或地區(qū)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平?？茖W(xué)教學(xué)價(jià)值就是科學(xué)教學(xué)活動(dòng)和主體需要的關(guān)系，即教學(xué)應(yīng)該滿足主體的需要[1]。科學(xué)教學(xué)研究則是以科學(xué)教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)為載體，研究學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程、結(jié)果，以及科學(xué)教師課堂教學(xué)行為和表現(xiàn)的過(guò)程。

為了能夠清晰、直觀地掌握與了解近30年來(lái)國(guó)際科學(xué)教學(xué)研究熱點(diǎn)的發(fā)展與變化。本研究選取了國(guó)際著名科學(xué)教學(xué)研究期刊《科學(xué)教學(xué)研究雜志》（Journal of Research in Science Teaching， JRST）作為研究對(duì)象。JRST是一本隸屬于美國(guó)科學(xué)教學(xué)研究協(xié)會(huì)（NARST）旗下的官方期刊，主要為科學(xué)教育研究者和從業(yè)者發(fā)表關(guān)于科學(xué)教學(xué)和學(xué)習(xí)以及科學(xué)教育政策方面的研究性論文。本研究通過(guò)知識(shí)圖譜技術(shù)，以JRST近30年來(lái)所出版的1853篇研究論文為研究對(duì)象，探索與歸納了國(guó)際科學(xué)教學(xué)與學(xué)習(xí)心理領(lǐng)域近30年來(lái)熱點(diǎn)研究主題的演變軌跡，并對(duì)科學(xué)教學(xué)研究的主要領(lǐng)域進(jìn)行了內(nèi)容分析。

1? 研究方法

首先選擇數(shù)據(jù)源，進(jìn)入Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行關(guān)鍵詞檢索。將關(guān)鍵詞設(shè)定為“journal of research in science teaching”，將檢索方式設(shè)置為“出版物名稱”，并將檢索年限設(shè)定為1990年1月1日至2017年12月31日。然后進(jìn)行論文篩選，將評(píng)論、編輯寄語(yǔ)、修正等不符合要求的論文予以刪除，最終收集到1853篇符合要求的文章。接著進(jìn)行圖譜繪制，將收集到的論文分別導(dǎo)入VOSviewer和Citespace兩款軟件中進(jìn)行可視化圖譜的繪制。最后進(jìn)行可視化分析，根據(jù)相應(yīng)的研究結(jié)果進(jìn)行內(nèi)容分析和討論。

2? 研究結(jié)果

2.1? JRST雜志刊文領(lǐng)域分析

使用VOSviewer對(duì)1853篇研究論文進(jìn)行主題領(lǐng)域分析。主題詞的抽取源于已發(fā)表論文的“題目”與“摘要”，采用二進(jìn)制算法（Binary counting）進(jìn)行擬合，共提取出23643個(gè)主題詞，按照軟件提供的優(yōu)先選擇方式，對(duì)共現(xiàn)次數(shù)≥10的主題詞進(jìn)行抽取，共有715個(gè)主題詞符合要求。對(duì)主題詞之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，最終自動(dòng)選取了相關(guān)性強(qiáng)度在前60%的主題詞進(jìn)行可視化聚類分析，具體結(jié)果見(jiàn)圖1。項(xiàng)目的顏色決定了其所屬的類別，因此，從圖1的可視化網(wǎng)絡(luò)可以看出，JRST雜志刊文所涉及的主題領(lǐng)域主要有四大類：

2.1.1? 科學(xué)概念學(xué)習(xí)研究

從圖1可以看出，國(guó)際科學(xué)概念學(xué)習(xí)研究主要涉及科學(xué)概念的認(rèn)知機(jī)制研究（如概念理解與心智模型）;使用概念圖或計(jì)算機(jī)模擬等手段輔助學(xué)生科學(xué)概念學(xué)習(xí)研究;科學(xué)概念內(nèi)容研究（如大概念、核心概念、跨學(xué)科概念等）。學(xué)生對(duì)核心概念的理解及其認(rèn)知過(guò)程中的心智模型研究一直是科學(xué)概念學(xué)習(xí)研究的熱點(diǎn)方向。以Vosniadou為代表的學(xué)者于上世紀(jì)90年代初在進(jìn)行概念轉(zhuǎn)變研究過(guò)程中，對(duì)兒童科學(xué)概念的學(xué)習(xí)和認(rèn)知發(fā)展進(jìn)行了大量的心智模型的構(gòu)建研究，提出了著名的認(rèn)知架構(gòu)理論和心智模型。心智模型往往被指代在個(gè)體認(rèn)知功能運(yùn)行期間（新信息被整合到學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)之中）所產(chǎn)生的觀念架構(gòu)，它是個(gè)體心理活動(dòng)的特殊表征形式，是個(gè)體對(duì)事物狀態(tài)的一種模擬表征形式[2]。解析個(gè)體的心智模型能夠幫助研究者深入剖析學(xué)生已有的觀念架構(gòu)，從而為促進(jìn)個(gè)體的概念理解提供科學(xué)的實(shí)證依據(jù)以及為科學(xué)教師實(shí)施課堂教學(xué)提供相應(yīng)的策略。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)在教育領(lǐng)域的深入普及，以計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的信息通訊技術(shù)為創(chuàng)新與提升中小學(xué)科學(xué)課堂有效教學(xué)帶來(lái)了新土壤。例如，基于傳感器的手持技術(shù)和以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)等一系列數(shù)字化技術(shù)為學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)提供了更為直觀、形象的體驗(yàn)。這些數(shù)字化技術(shù)不僅能夠有效地促進(jìn)學(xué)生對(duì)核心科學(xué)概念的學(xué)習(xí)，還能夠有效地培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣、信心以及態(tài)度等品質(zhì)，并最終促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升。

2.1.2? 科學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究

科學(xué)教學(xué)研究類型主要有實(shí)驗(yàn)、準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、定量、定性、人類學(xué)、調(diào)查以及現(xiàn)象學(xué)等內(nèi)容。國(guó)際科學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究主要圍繞被試的選取、控制組與實(shí)驗(yàn)組的設(shè)置、教學(xué)干預(yù)、前后測(cè)、差異性分析、效應(yīng)分析等內(nèi)容展開(kāi)。由于教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究對(duì)變量的控制與要求都十分嚴(yán)格，因此被試選取的隨機(jī)化與教學(xué)干預(yù)的精準(zhǔn)化就顯得十分重要。樣本選擇或被試分組的隨機(jī)化是嚴(yán)格的調(diào)查研究或?qū)嶒?yàn)研究必不可少的環(huán)節(jié)。

科學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果往往具備一定的代表性、概括性和廣泛性，因此能夠?yàn)榭茖W(xué)教育研究領(lǐng)域的工作者提供可借鑒與參考的信息。然而，在具體的實(shí)踐中，大規(guī)模的教學(xué)實(shí)驗(yàn)往往很難組織，科學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的許多實(shí)證研究其規(guī)模都較小。這樣的研究可能缺乏具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的隨機(jī)抽樣的代表性，但卻為研究者對(duì)特定情境進(jìn)行詳細(xì)與深入探究提供了該情境下的有力證據(jù)。實(shí)施大規(guī)模的隨機(jī)抽樣進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)其困難可想而知，研究人員常常會(huì)在抽樣之外保持隨機(jī)性，如為不同被試分配不同干預(yù)手段，保持隨機(jī)性或隨機(jī)地為不同的被試分配教師等。

不管是上世紀(jì)90年代對(duì)個(gè)體迷思概念及其轉(zhuǎn)變的建構(gòu)，還是新世紀(jì)初的科學(xué)素養(yǎng)研究熱潮，它們都受到了來(lái)自美國(guó)科學(xué)進(jìn)步協(xié)會(huì)于上世紀(jì)90年代所發(fā)布的《面向全體美國(guó)人的科學(xué)》以及美國(guó)國(guó)家理事會(huì)于1996年所發(fā)布的《國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》等科學(xué)教育文件的顯著影響。這些文件一致地將科學(xué)素養(yǎng)視為科學(xué)教育的終極培養(yǎng)目標(biāo)，且十分重視科學(xué)教育領(lǐng)域核心概念和共通科學(xué)概念的學(xué)習(xí)與理解對(duì)促進(jìn)個(gè)體科學(xué)素養(yǎng)發(fā)展的重要作用。

進(jìn)入新世紀(jì)的第二個(gè)十年，國(guó)際科學(xué)心理研究開(kāi)始呈現(xiàn)出多樣性。如“學(xué)習(xí)進(jìn)階”于2012年開(kāi)始突顯，并一直到了2017年，且突顯強(qiáng)度甚至達(dá)到了11.115，這在所有關(guān)鍵詞中最高，表明基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的科學(xué)學(xué)習(xí)研究是當(dāng)前科學(xué)概念學(xué)習(xí)研究的國(guó)際前沿，受到了科學(xué)教育研究領(lǐng)域的極大關(guān)注與重視。雖然“學(xué)習(xí)進(jìn)階”一詞早在2004年的一篇《學(xué)生長(zhǎng)期科學(xué)概念發(fā)展的學(xué)習(xí)進(jìn)階》的研究報(bào)告中就已經(jīng)提出，美國(guó)國(guó)家理事會(huì)甚至于2005年在《建立州科學(xué)評(píng)價(jià)體系》中開(kāi)發(fā)了個(gè)體科學(xué)概念學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)進(jìn)階案例。但是，學(xué)習(xí)進(jìn)階研究成為國(guó)際科學(xué)教育的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域卻是在美國(guó)分別于2012年和2013年發(fā)布科學(xué)教育框架（The NRC Framework）和下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)（NGSS）之后。框架和標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布不僅肯定了工程與科學(xué)教育的交叉融合在提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)方面的重要作用，更開(kāi)始重視以學(xué)習(xí)進(jìn)階的形式表征學(xué)生科學(xué)概念理解與發(fā)展。

從2015年開(kāi)始，社會(huì)性科學(xué)議題（Socioscientific Issue， SSI）開(kāi)始突顯，SSI已經(jīng)成為近幾年科學(xué)教育的新興研究領(lǐng)域。將SSI納入科學(xué)教學(xué)中的主要目的是幫助教育具有科學(xué)素養(yǎng)的個(gè)體解決現(xiàn)代生活和社會(huì)文化中復(fù)雜的科學(xué)技術(shù)與社會(huì)文化問(wèn)題。對(duì)SSI的關(guān)注和重視是因?yàn)樗鼘?duì)學(xué)生的科學(xué)論證能力、問(wèn)題解決能力以及科學(xué)本質(zhì)觀有重要作用[8]。在科學(xué)課堂教學(xué)情境中引入SSI是針對(duì)傳統(tǒng)STS教育過(guò)分強(qiáng)調(diào)科技對(duì)社會(huì)的沖擊與道德兩難，卻不要求學(xué)生訴諸對(duì)話、推理、論證、情感、文化去思考問(wèn)題的繼承與超越，SSI情境教學(xué)更關(guān)注道德和價(jià)值層面的探討。但早期的SSI更多的只是科學(xué)教師創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境的手段和途徑，個(gè)體在基于SSI的科學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中并未脫離對(duì)大量科學(xué)原理和概念死記硬背的現(xiàn)狀，學(xué)生最終也并未有效地構(gòu)建這些科學(xué)概念之間的聯(lián)系。顯然，這樣的教學(xué)并不能為學(xué)生提供對(duì)科學(xué)的整體認(rèn)識(shí)，也不能讓學(xué)生參與可以將科學(xué)知識(shí)用于決策和解決問(wèn)題的討論與活動(dòng)之中，更不能幫助個(gè)體形成科學(xué)本質(zhì)觀。

3? 討論

通過(guò)可視化技術(shù)梳理了JRST自上世紀(jì)90年代以來(lái)刊發(fā)的所有研究性論文，研究結(jié)果顯示： 國(guó)際科學(xué)教學(xué)研究領(lǐng)域呈現(xiàn)出四大核心領(lǐng)域： 科學(xué)概念學(xué)習(xí)研究;科學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究;科學(xué)學(xué)習(xí)心理研究以及科學(xué)教師研究。圍繞上述核心領(lǐng)域的高被引主題關(guān)鍵詞突顯顯示： JRST近30年的研究焦點(diǎn)從前期關(guān)注學(xué)生迷思概念及其轉(zhuǎn)變策略，到新世紀(jì)側(cè)重個(gè)體科學(xué)素養(yǎng)發(fā)展及其對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解，以及近幾年突顯的學(xué)習(xí)進(jìn)階、科學(xué)論證、社會(huì)性科學(xué)議題等核心主題的研究。

這些主題的演變反映了不同階段的外部影響因素，如上世紀(jì)90年代對(duì)迷思概念的研究是受到了概念轉(zhuǎn)變理論與建構(gòu)主義的影響，研究者從策略、認(rèn)識(shí)論因素、概念結(jié)構(gòu)、思維與推理及問(wèn)題解決等方面深化對(duì)迷思概念的研究。新世紀(jì)初的科學(xué)素養(yǎng)研究熱潮則是受到上世紀(jì)末PISA、 TIMSS等一系列國(guó)際化科學(xué)素養(yǎng)測(cè)試運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的影響。步入新世紀(jì)后，由于受到學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的影響，國(guó)際科學(xué)概念學(xué)習(xí)研究開(kāi)始進(jìn)入到關(guān)注個(gè)體對(duì)核心概念與跨學(xué)科概念學(xué)習(xí)的新階段。近期的科學(xué)能力（如科學(xué)論證、決策、解釋）研究因?yàn)槭艿娇茖W(xué)素養(yǎng)與核心素養(yǎng)理念在基礎(chǔ)學(xué)科教育領(lǐng)域的不斷深化與發(fā)展所帶來(lái)的影響，研究者開(kāi)始關(guān)注具體的科學(xué)學(xué)科關(guān)鍵能力與品質(zhì)。

國(guó)際科學(xué)教學(xué)研究除了關(guān)注個(gè)體的科學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程，科學(xué)教師的“教”及其專業(yè)發(fā)展也受到了科學(xué)教育領(lǐng)域有關(guān)學(xué)者的重視。如基于科學(xué)課堂觀察的科學(xué)教學(xué)研究、基于專業(yè)學(xué)習(xí)共同體的科學(xué)教師專業(yè)發(fā)展研究、科學(xué)教師的知識(shí)結(jié)構(gòu)研究（PCK、 TPACK）等。不同研究方向既反映了科學(xué)教師研究領(lǐng)域內(nèi)部方向之間的差異，也體現(xiàn)了科學(xué)教師研究在科學(xué)教育研究領(lǐng)域的一些獨(dú)特魅力。科學(xué)教師研究也受到科學(xué)技術(shù)發(fā)展以及不同時(shí)期教育理論發(fā)展所帶來(lái)的影響，作為科學(xué)教學(xué)過(guò)程中不可或缺的構(gòu)成要素之一，科學(xué)教師研究在未來(lái)科學(xué)教育研究領(lǐng)域中還會(huì)繼續(xù)受到關(guān)注與重視。

4? 反思與啟示

國(guó)際科學(xué)教學(xué)研究從研究對(duì)象來(lái)看既指向?qū)W生的科學(xué)學(xué)習(xí)研究，也囊括教師的教學(xué)實(shí)踐研究;從研究類型來(lái)看，包含常見(jiàn)的調(diào)查研究和教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究;從研究方法和手段來(lái)看，既重視基于課堂觀察和訪談的質(zhì)性研究，也不忽視基于大樣本問(wèn)卷調(diào)查的量化研究;從研究?jī)?nèi)容來(lái)看，則主要包括概念轉(zhuǎn)變研究、心智模型研究、觀念建構(gòu)研究、科學(xué)素養(yǎng)研究、科學(xué)思維研究以及科學(xué)能力研究，等等。劉知新先生指出：“科學(xué)教學(xué)（化學(xué)教學(xué)是它的一個(gè)分支）發(fā)展到今天，應(yīng)體現(xiàn)科學(xué)主義與人文主義的教育思想互補(bǔ)、為學(xué)生可持續(xù)發(fā)展服務(wù)的基本要求?！焙?jiǎn)言之，科學(xué)教學(xué)要以發(fā)展學(xué)生的科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為根本宗旨，幫助學(xué)生建立物質(zhì)世界觀、樹(shù)立科學(xué)倫理意識(shí)以及提升個(gè)體的社會(huì)責(zé)任，最終促進(jìn)學(xué)生科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度的發(fā)展。

國(guó)際科學(xué)教學(xué)研究?jī)?nèi)容領(lǐng)域和主題演進(jìn)對(duì)我國(guó)當(dāng)前科學(xué)教學(xué)研究領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型和發(fā)展有以下幾點(diǎn)啟示： 第一，在研究對(duì)象上，應(yīng)積極對(duì)科學(xué)教師展開(kāi)研究?？茖W(xué)教師作為課堂教學(xué)實(shí)施的主體，對(duì)個(gè)體科學(xué)素養(yǎng)的培育和發(fā)展的重要指導(dǎo)作用毋庸置疑，因此，科學(xué)教學(xué)研究領(lǐng)域的對(duì)象不應(yīng)僅限于學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)。第二，從研究類型和研究方法手段上來(lái)看，相對(duì)于課堂觀察、訪談以及教學(xué)實(shí)驗(yàn)等實(shí)證性、質(zhì)性研究類型相形見(jiàn)絀，當(dāng)前國(guó)內(nèi)科學(xué)教學(xué)研究領(lǐng)域的量化、調(diào)查研究則顯得有些過(guò)猶不及。與國(guó)際科學(xué)教育領(lǐng)域以質(zhì)性研究和實(shí)證研究見(jiàn)長(zhǎng)不同的是，我國(guó)科學(xué)教育研究仍然以理論思辨式研究為主，這就為當(dāng)前我國(guó)科學(xué)教育研究領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型和發(fā)展提出了巨大挑戰(zhàn)。第三，從研究?jī)?nèi)容上來(lái)看，國(guó)內(nèi)科學(xué)教育領(lǐng)域的研究者更偏好教學(xué)設(shè)計(jì)方向的研究，針對(duì)學(xué)生的心智模型、科學(xué)思維和科學(xué)能力等方向的研究成果整體較為薄弱。當(dāng)前我國(guó)科學(xué)教育領(lǐng)域的不少研究成果仍然停留于課時(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)研究或單元教學(xué)設(shè)計(jì)研究，且仍以思辨為主。我國(guó)科學(xué)教育研究領(lǐng)域的學(xué)者應(yīng)積極嘗試向?qū)嵶C性、質(zhì)性等的研究范式轉(zhuǎn)變，進(jìn)而促進(jìn)我國(guó)科學(xué)教育研究能夠進(jìn)一步深入發(fā)展。

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