腦科學與科學教育基于模型的探究

近30年來，學習科學研究揭示了人是如何學習的，腦科學的進展促使神經教育學誕生，從科學教育實踐中也不斷提出了新的問題和挑戰。一方面運用探究式的學習方法，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，對學生綜合解決問題能力的培養變得越來越重要，選擇學習內容，以提高科學教育有效性的問題更加突出了。在總結上世紀的科學教育實踐以后，一些科學教育研究者們認為，上世紀90年代提出的探究式科學教育方法，雖然已經反思了70年代發現式學習的彎路，強調了有引導的探究；反思了只強調過程不結合科學概念的過程式探究方法，強調了過程和科學概念的結合，不僅要動手還要動腦，等等。然而，探究式教學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；探究式科學教育只是針對零散的科學概念進行探究，沒有強調核心概念和模型(大概念，Big Idea)；有一些標準羅列了太多的概念，相互之間沒有聯系，沒有層次和有意義的序列，學生在年級之間的學習缺乏聯系。

在本世紀初，我們認為某些案例是比較典型的科學探究案例，從法國引入后，用于教師培訓。例如經常使用的“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”。經過假設、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內容，也是一個過程很典型的科學探究活動。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，以幫助教師進入探究式科學教育，是有益的，而作為學生的學習教案卻是不合適的。

首先，這個案例探究的是一個孤立的科學知識，和學生建立有關物體運動的核心概念沒有聯系。它沒有考慮學生已有的知識基礎和應該進一步學習的內容，并沒有反應科學概念之間聯系的科學模型，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律。這樣的探究，實質上還是反映了把過程看得比內容重要，選擇探究內容時，著眼點不是科學概念本身的聯系和發展，而是如何能讓參與者容易理解“五步法”的過程。

其次，強調了從本節課上直接收集的數據和觀察結果得出結論，且只和當時獲得的數據有關，不涉及到對運動定律的思考。學習者不需要聯系任何已有的知識，也不會考慮進一步對振動這個現象的探究，建立模型，去解釋自然界的因果關系。實際上，科學探究不只是限于觀察變量之間的關系，而是要揭示自然現象的因果關系，即說明為什么是這樣。尋求解釋時經常需要包含不能直接觀察到的現象，需要運用已經具有的模型和概念，也就是說需要運用科學思維，分類、類比、推理、歸納等，這方面能力的培養，對中學的學生尤顯重要。

第三，容易讓學生得出這樣的結論：科學的概念是可以很快地、孤立地建立的。忽略了科學是一個有聯系的發展過程。科學研究是一條連綿不斷的長河，發現一個規律，需要將當前獲得的數據和觀察到的現象聯系到一些模型上去，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習，不利于學生了解科學的本質。

因此，這個案例用于對教師的培訓是可以的，用作學生學習的案例就不合適。

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

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生有效地學習科學概念，同時學習過程中可以加深對科學本身概念的體驗。圖1中所表示的是基于模型的探究學習中的5個要素，它們可以表述為：

◇設置一個比較廣泛的學習背景：教師選擇關鍵的科學現象，這些現象跟學生已有的經驗相聯系，是適合于對某個自然現象作出解釋的。

◇明確我們已經知道什么和我們希望知道什么：學生根據給出的信息和已有的經驗對現象進行表述；提供一個能夠解釋現象的模型結構；提出一個具有模型內涵的問題。

◇產生假設：假設中包含了模型中變量之間的關系，而不是簡單的預測，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，進行相關的信息收集，分析已有的數據和信息，在討論中引用多種形式的觀察結果，從模型出發與數據進行比較，看是否一致。

◇建構一個論點：對所研究現象作較深入的描述，根據實證獲得的數據，得出對所研究現象的解釋；認識到還可能有其他的解釋；說明如何根據實證需要，修正原來提出的模型。

同樣是5個要素，在內涵上已經不同了。對小學生來說，由于還處于學習科學的初始階段，這種差別在小學階段表現得不如中學科學教育那么明顯。小學階段主要以建立可以直接觀察到的概念為主。但是，教師應該了解基于模型的探究，這樣才能在探究中不僅讓學生學到科學概念，還能體驗到有關科學本身的概念，即什么是科學。當然，為了掌握某個主要的概念，運用什么具體的事例和現象是可以選擇的，標準應該體現一定的靈活性，應該和學生熟悉的環境與問題相聯系，這樣有助于調動學生的學習主動性，也有利于理解科學與社會的關系。