信息化環(huán)境下科學探究學習模式構(gòu)建與應用

李萬峰 王藝儒 史鵬越

科學探究學習的國際共識

探究學習強調(diào)以學生為中心，注重學生思維發(fā)展，是新課程改革注重的學生學習方式之一。在基礎教育領域，探究與科學課程結(jié)合最為緊密，“以科學探究為核心”已成為國際基礎科學教育的共識。

美國：提出和定義問題，開發(fā)和使用模型，規(guī)劃和展開調(diào)查，分析和解釋數(shù)據(jù)，運用數(shù)學和計算思維，構(gòu)造理論解釋和設計解決方案等。英國：科學思想、科學證據(jù)的本質(zhì)和重要性以及調(diào)查研究的主要技能。

加拿大：提出問題能力、制定研究計劃能力、實施計劃能力、證據(jù)分析能力、科學交流能力等。澳大利亞：“識別數(shù)據(jù)來源”“設計第一手的探究方案”“選擇實驗設備或資源”等13個邏輯聯(lián)系、逐步遞進的要素。

中國：理解科學探究的本質(zhì);經(jīng)歷提出問題、設計研究方案、獲得證據(jù)等科學活動的階段;運用科學探究過程和方法進行科學學習與活動;掌握觀察、實驗等基本科學技能。

可以總結(jié)出，在科學教育中探究學習注重與日常生活的聯(lián)系，探究問題偏向于非良構(gòu)的真實問題;同時，探究的過程與“數(shù)學”“證據(jù)”“模型”緊密相關，注重培養(yǎng)學生通過規(guī)范的流程、科學的方法解決問題的能力。

信息技術(shù)在科學探究學習中的應用

國際教育技術(shù)協(xié)會制定了技術(shù)和科學教育結(jié)合的三種方式，其中包括從技術(shù)中學習、用技術(shù)學習。

1.從技術(shù)中學習—— 教育信息化1.0時代的研究實踐

1995年美國圣地亞哥州立大學教育技術(shù)系伯尼·道奇和湯姆·馬奇創(chuàng)建了“WebQuest”網(wǎng)絡探究課程，培養(yǎng)學習者通過網(wǎng)絡工具解決實際問題;TELS模式試圖將基于網(wǎng)絡的探究性學習引入課堂教學，針對理科進行教學，并設計開發(fā)了支持學生科學探究活動的學習環(huán)境;加州大學伯克利分校M.C.Linn等人設計了基于網(wǎng)絡的“知識整合環(huán)境”，幫助學生利用互聯(lián)網(wǎng)的證據(jù)資料進行科學探究;Jon Kahl等人從協(xié)作可視化學習角度出發(fā)，讓學生利用網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫和可視化工具進行科學探究等等。

這一階段的研究實踐表明，信息技術(shù)對科學探究學習的作用主要表現(xiàn)為借助網(wǎng)絡平臺。由于當時信息化環(huán)境主要以PC端應用為主，對于一線教師來說，使用此類系統(tǒng)具有一定的難度，導致了信息技術(shù)在科學探究學習中的應用并不多見。

2.用技術(shù)學習—— 教育信息化2.0時代的研究實踐

新時代的“互聯(lián)網(wǎng)+教育”蘊藏著更大的能量，其“連接一切”的特征將促使學校、教師、學生、家長組成生態(tài)鏈條。近年來，教育信息化應用也步入2.0時代。硬件方面，移動智能終端已基本普及，這使得學生在利用信息技術(shù)手段進行科學探究學習時不再受時間和空間的限制。軟件方面，各種應用系統(tǒng)層出不窮，如針對不同學科、不同領域的學習APP，這為科學探究學習的開展提供了強有力的支撐。網(wǎng)絡方面，尤其是5G時代的到來，將使更多目前不能實現(xiàn)的應用進入大眾視野。

這一階段技術(shù)手段在完成當前科學探究領域的關注熱點方面有較強的優(yōu)勢，尤其是在創(chuàng)建非良構(gòu)的真實問題，關注探究過程中的“數(shù)學”“證據(jù)”“模型”，以及組建探究學習共同體方面。

中小學科學探究學習現(xiàn)狀

在梳理了科學探究學習走向，及信息技術(shù)為科學探究學習提供的新可能后，本研究以實驗區(qū)中小學生為調(diào)查對象，進行現(xiàn)狀調(diào)研，以期構(gòu)建出更加符合實踐應用的模式。

（1）學校調(diào)研。實地走訪中小學發(fā)現(xiàn)，科學探究學習主要以科學類課程和科技社團、項目、競賽等為載體;學習內(nèi)容不限于單一學科，具有跨學科融合和向?qū)W科外拓展的趨勢。信息技術(shù)一方面作為通識工具，幫助學生完成科學探究學習過程;另一方面，作為科學教育的一個重要領域，在科技項目或競賽中，信息技術(shù)不可或缺。

（2）教師調(diào)研。以問卷調(diào)查的方式，向?qū)嶒瀰^(qū)中小學教師隨機發(fā)放問卷?；厥?91份，其中，教師任教年級包括小學各學段，中學除高三年級外的全部學段;任教學科中，科學教師占比最高，為29.21%，其次是物理教師，占比18.56%，第三是信息技術(shù)教師，占比13.75%，調(diào)查結(jié)果如下。

在設計與實施學生科學探究學習過程中，信息技術(shù)發(fā)揮的主要作用為：提供科學知識的相關信息;支持更多的教與學形式，如多人協(xié)作學習、數(shù)字資源分享、個性化學習測評等;為學生提供探究工具;激發(fā)學生探究興趣等。

（3）學生調(diào)研。以問卷調(diào)查的方式，向?qū)嶒瀰^(qū)中小學學生隨機發(fā)放問卷。回收2416份，其中學段囊括小學、中學各個年段，3～8年級的學生占比最大，九年級和高三的學生占比最少;男生與女生比例相當，各占近一半。調(diào)查結(jié)果如下。

除在校學習外，網(wǎng)絡是學生獲取科學知識最主要的途徑。90%以上的學生認為信息技術(shù)對探索科學事物或解決科學問題有很大的幫助。在利用信息技術(shù)手段進行科學探究時，主要應用場景包括：通過科普視頻、微課、線上中國科技館等數(shù)字化資源了解科學知識;利用百度、谷歌等搜索引擎查詢科學知識和問題;在公眾號、美篇等互動平臺中提出問題、發(fā)表見解;利用思維導圖、圖形計算器、NB物理等數(shù)字化認知工具梳理知識脈絡。

信息化2.0環(huán)境的科學探究學習模式思考

從科學探究學習的發(fā)展趨勢及信息化2.0時代學生學習方式的轉(zhuǎn)變來看，我們需要構(gòu)建更加符合時代發(fā)展與學生學習習慣的探究學習模式。

1.模式構(gòu)建

非良構(gòu)的真實問題，將科學探究問題聚焦到生活中的實際問題，這類問題往往具有非良構(gòu)的特點。定義變量，了解變量是學生將探究問題進行可操作化轉(zhuǎn)換的基礎，通過定義探究問題中的相關變量，使學生更容易找到解決問題的思路，培養(yǎng)學生的理性思維。

采集數(shù)據(jù)，對于生活中的問題，數(shù)據(jù)的采集不再是靜態(tài)的、規(guī)定好的，需要借助更多的外在工具。構(gòu)建模型，通過整理、分析變量數(shù)據(jù)，得出更加科學的解釋模型。展示分享，個性化的表達展示過程幫助教師對學生學習效果進行全面評價與總結(jié)。

2.技術(shù)支持

具體到此模式下的科學探究學習過程，需要信息技術(shù)手段的多方面支撐。

非良構(gòu)的真實問題。將現(xiàn)實生活中的問題與科學知識結(jié)合，并在解決問題的過程中激發(fā)學生的探究欲望，對教師來說具有一定的挑戰(zhàn)?？破罩袊?、果殼科技、柴知道等資源，為科學探究問題的設計提供了靈感與資源。

定義變量。非良構(gòu)的問題對學生來說具有一定的挑戰(zhàn)性，他們不能從字面中馬上找到關聯(lián)的知識點，需要經(jīng)歷加工、分析過程。WolframAlpha、維基百科、思維導圖等提供了便利。

采集數(shù)據(jù)。信息技術(shù)有非常大的優(yōu)勢，在聲、電、光等自然領域，有收集數(shù)據(jù)的各類傳感器;信息技術(shù)可以提供模擬觀察對象，如3D天體、動植物等;文獻法采集數(shù)據(jù)需要各類專業(yè)的期刊文章，知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫等數(shù)字化文獻平臺為學生提供支持。

構(gòu)建模型。對于相對復雜的變量關系，可以借助擬合軟件構(gòu)建模型。展示分享。學生可以通過拍照、錄像等手段記錄探究過程。

本文構(gòu)建的科學探究學習模式關注生活情境，借助信息技術(shù)不斷還原、拓寬學習環(huán)境，給予學生探究科學知識的空間。非良構(gòu)的真實問題不僅能吸引學生的探究欲望，而且為學生設置了思維難度，分析問題、找出關鍵變量需要學生具備理性思考、察微求真的能力;采集信息、尋找證據(jù)、構(gòu)建模型的過程需要學生具備不斷探索和質(zhì)疑的能力，最終形成自己的觀點;展示分享是對思維的再加工與重現(xiàn)，培養(yǎng)了學生的綜合素養(yǎng)。

參考文獻

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