MBI教學模式在科學探究活動設計中的應用
——以“植物如何能向光生長”為例

張春雷（華東師范大學教師教育學院 上海 200062）

提倡探究性學習的初衷是還原學生的主體地位，并讓學生學習和體驗科學實踐的過程和方法。完整的科學教育不僅包括學習現有的科學知識，還應包括對科學實踐過程及科學本質特征的認知。但由于教師對科學本身的認識的局限，再加上僵硬的“科學方法”不能很好地反映科學實踐過程和科學的本質特征，教學實踐中常出現形式化的“探究”活動，這不僅容易讓學生對科學探究產生錯誤的認識，有時甚至影響其對核心概念的學習。因此，本文結合案例探討了一種更能反應科學真實面貌的教學模式——基于模型的探究（modelbased inquiry，MBI），并討論了其在生物學教學中的應用前景及可能面臨的困難。

1 倡導科學探究的初衷

科學探究一直是科學教育課程改革所倡導的重要內容之一。最新版的初中和高中生物學課程標準都明確將“科學探究”作為重要的課程內容和關注點［1-2］。其他學科例如化學、數學和物理學也特別鼓勵和提倡探究性學習。原因在于學生探究未知知識的過程與科學家探究未知世界的過程具有一定的相似性。在此過程中，學生不僅能學習科學知識，還能從中體驗和學習科學實踐的真實過程和樹立正確的科學觀。大量的教育研究結果顯示，無論性別或學業成就高低，科學探究對學生都是有積極意義的。即便是以標準化考試做評測指標，無論是初中還是高中，只要教師切實地將探究教學的理念和要點落在實處，教師引導下的探究（guided inquiry）教學效果都要優于傳統驗證性實驗 教學［3］。

2 科學探究的內涵

什么是科學探究？《全日制義務教育生物課程標準（實驗稿）》（本文簡稱“課程標準”）認為，生物學課程中的科學探究是學生積極主動地獲取生物科學知識，領悟科學研究方法而進行的各種活動?？茖W探究通常涉及：提出問題、做出假設、制定計劃、實施計劃、得出結論、表達和交流?！睹绹鴩铱茖W教育標準》中對科學探究是這樣描述的：科學探究指的是科學家用于研究自然界，并基于此種研究獲得的證據提出種種解釋的多種不同途徑?？茖W探究也是指學生用以獲取知識，領悟科學的思想觀念，以及領悟科學家研究自然界所用的方法而進行的各種活動［4］?？茖W探究不僅是科學家探索世界的基本方法，而且是科學知識產生和發展的重要途徑。按照主體的不同，科學探究可分為科學家為探索未知世界而進行的探究和學生為獲取現有的科學知識、體驗科學實踐過程而進行的探究。本文的科學探究主要指學生的科學探究活動。

3 科學探究在實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境的推動下，教師更加注重和更多地實施探究性教學。盡管如此，一線教學中的科學探究性教學現狀仍然不容樂觀，高質量的探究性教學仍然缺乏，而且很多探究性教學存在形式大于內容的現象［5］。這一方面與教師的教學觀和教學知識有關，另一方面也與教師對科學探究及科學本質特點的把握不準有關。實際上，線性的、刻板的探究流程往往會導致探究活動的形式化和表面化，無助于學生真正的科學探究能力的養成。雖然課程標準中為教師提供了科學探究的一般步驟，但是探究活動可以說形式多樣，它并沒有固定的活動形式。有的探究活動的程序是結構化的，學生很清楚每個程序的操作；有的是非結構化的，它的程序根據探究的內容和目標而變化［6］。國外大量的研究也表明科學探究能力是一種具有復雜結構的高層次能力，對科學探究能力的培養不能簡單化和程式化［7］。再有，教師把握不好什么內容值得探究、什么內容不值得探究，甚至以犧牲知識為代價制造“活躍”的探究假象也是造成探究教學質量不高的重要原因之一。如何幫助教師識別有探究價值的內容，并且真正落實高質量的科學探究？ 基于模型的探究作為一種學習和教學的模式就非常值得一線教師嘗試和參照。

4 MBI 教學模式興起的背景與其內涵

科學教育除了讓學生理解和構建系統的科學知識之外，還應該讓學生理解科學知識的產生過程及科學的本質特征。這也是新課程強調科學探究、STS（科學-技術-社會）和科學本質觀的原因之一。然而，以往的教學實踐中人們經常忽略科學實踐和科學本質的價值，只呈現給學生冰冷的科學知識系統，而省略了科學知識背后科學家火熱的思考、曲折的研究歷程及該過程所彰顯的科學本質特征，這呈現給學生的實際上是不完整的科學。正是在這一背景下，Windschitl 等［8］特別提倡基于模型的科學探究，并認為它最有希望取代所謂“學科方法”成為新時代科學教師的教學范式。原因在于模型的構建與修正實際上是科學研究者最為普遍而重要的一種實踐方式。科學模型主要涉及3 類模型：概念模型、物理模型和數學模型。而且一個重要模型往往對應的是該領域中的核心概念或原理，構建、驗證和完善模型的過程能更貼切地展現科學知識發生、發展的過程。科學家基于模型的科學實踐活動也正好能體現科學本身的諸多特征，例如科學知識的可檢測性、可修正性，科學是推測性的、具有解釋力、能產出新的推論或預期等。因此，MBI 更有希望向學生展現更真實、更完整的科學圖景，這也是為什么這種教學模式受到大量科學教師及科學教育研究者的青睞和關注的原因。

與一般的探究活動不同，MBI 是圍繞著因果模型展開的，步驟包括建立模型、檢驗模型、修正模型。MBI 更有利于反應科學的全貌——科學知識、科學實踐過程、科學本質。MBI 要求學生針對一個現象建立解釋性的因果模型，并要收集證據檢驗模型的某個預期，然后基于收集的證據對模型進行完善甚至否定，并接受同行（或同伴）公開的質疑和研討。在這個過程中，學生既可學到科學知識（模型本身的內容），又可學習和體會科學知識是如何產生（構建模型的過程）和發展（檢驗和修正模型的過程）的，能對科學的本質特征有更深刻的理解和認識。

5 MBI 教學模式的操作流程和示例

MBI教學模式共包括4 個環節：1）選擇核心的科學概念原理及自然現象；2）揭示學生原有的概念和經驗；3）讓學生進行實驗活動并理解活動意義；4）督促學生基于證據進行解釋和交流。本文以“植物如何能向光生長”為例，具體展示該教學模式的4 個環節，以及該教學模式是如何幫助學生學習核心概念、體驗和認識科學實踐過程和科學本質的。

5.1 選擇核心的概念原理及相關現象 首先，教師需要選擇一個能充分展現某個核心概念或原理的自然現象作為學生探究的對象和教學活動出發點。教師選擇的現象首先應是真實的，且能激發學生探究的興趣，同時也要能充分反映學科中某個重要的概念或原理的應用。

學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，且這一現象背后蘊藏著植物激素調節的過程和原理。學生要建立植物向光生長的因果模型解釋這一現象，并最終形成“植物生命活動受到植物激素的調節”這一重要概念。建立該因果模型，學生需要以下支撐性子概念：

·某種信號分子（生長素）在特定部位產生；

·植物可將這種信號分子（生長素）從產生部位運輸到作用部位；

·這種信號分子（生長素）可在作用部位影響植物體（細胞）的生長；

·外界刺激（如單側光）會影響這種信號分子的作用過程。

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

5.2 揭示學生原有的概念和經驗 雖然學生對植物向光生長的現象非常熟悉，但絕大多數學生是熟視無睹的。部分學生可能有一些想法，至少他們很可能體驗或了解類似的現象，例如，昆蟲具有趨光性、含羞草受到觸碰會垂下葉子，或者他們可能學過“動物通過激素調節自身生命活動”。建構主義理論認為學生的新概念總是要建立在已有概念或經驗的基礎上，因此揭示學生已有概念和經驗就顯得格外重要。最直接的方法就是詢問學生相關的想法、知識或舉出相關或類似的現象。這是教師開展教學的寶貴資源，也是學生認知和構建新知識的起點。

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

5.3 讓學生進行課堂活動并理解活動意義 為了檢驗自己的模型是否正確，學生需要基于自己的模型提出可檢驗的模型推論。例如，假如所有植物細胞都能感光，且光照抑制生長，則植株在單側光刺激下，應該發生均勻性彎曲，切除植株任何部位后向光生長依然能發生。教師可根據學生提出的因果模型相似度進行分組，并向每個小組（3～5人）提供“向光生長模擬”軟件，利用計算機模擬軟件，學生可自己設計實驗并記錄模擬的實驗結果（圖1），然后依據結果對自己的因果模型進行判斷和修正，必要時還可做新一輪的模擬實驗，直至獲得滿意的模型為止。當然，真實的生物學動手實驗和數據要優于計算機模擬實驗和模擬數據，但由于教學時間的限制，本教學活動采用了計算機模擬的方式幫助學生檢驗自己的模型。

圖1 植物向光生長的計算機模擬程序界面

5.4 督促學生基于證據進行解釋和交流 在此環節中，學生要構建最終能解釋植物向光生長的因果模型，并以示意圖、概念圖或實物模型等可視化的方式表達，而且這個模型的各個部分都要有相應的證據支持。教學中，教師要注重追問學生的證據邏輯是否合理，他們模型的哪些部分得到了證據支持、哪些實際上沒有得到支持，同時也鼓勵學生相互質疑和拷問、吸取其他小組模型中合理的要素、利用各種信息源構建最終的因果模型。這些信息源包括學生日常生活觀察到的事實、學生已有的自然科學概念或理論、科學家曾經做過的實驗及結果和教材上的描述等。在各個小組公開的辯論和交流中，因果模型不斷得到檢驗、修正和完善，學生不僅有機會學習關于“生長素作為植物激素如何調控植物幼苗向光生長”的科學知識，而且可體會更真實的科學實踐過程和科學的本質特征，領略完整的科學圖景。

6 MBI 教學模式的應用前景

MBI 教學模式有其優勢也有其局限。其優勢主要體現在以下幾個方面：1）能體現科學本質特征和展示科學的全過程；2）利用視覺化的模型呈現輔助思維過程、便于學生表達交流；3）以學生已有知識和經驗為基礎構建新知識，符合認知規律；4）有利于發展學生的科學探究能力、想象力和創造力；5）圍繞核心概念原理和相關現象展開便于一線教師教學實踐中探究的科學內容和現象，避免無意義的虛假探究。一線教師不僅可參照該教學模式的4 個環節設計教學活動，同時也可更好地組織和實施探究活動，提高學習效果。

MBI 教學模式也有其局限性。在適用范圍上，MBI 更適用于課程的核心概念和原理，特別是需要學生構建模型解釋現象的內容。此外，MBI 對教師的專業要求更高，教師要對探究過程可能出現的問題和困難做更充分的準備。MBI 的教學用時較長，且需要一定的教學條件或教學資源的支撐。

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探究模式，是教師避免虛假探究、設計高質量探究教學活動的良好參照，同時也是學生發展核心素養、構建生命觀念、發展科學思維、體驗科學實踐和認識科學本質的重要途徑，值得科學教育研究者和一線教師借鑒、嘗試和研究。