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从科学探究到科学实践科学教育观念的转变
从“科学探究”到“科学实践”——科学教育的观念转变
[摘 要]美国新的科学教育标准采用“科学实践”取代了之前的“科学探究”，其原因主要在于，在理论上对科学探究的理解缺乏统一的认识，在实践中科学探究未达到预期的效果，以及科学学习心理学的研究促进了科学教育观念的转变。从“科学实践”与“科学探究”两者描述的对象、与科学知识的关系、水平的界定三方面来看，科学探究重视完整的研究过程，科学实践关注具体的学生活动；科学探究与科学知识是并列的，科学实践与科学知识是融合的；科学探究按要素多少划分水平，科学实践按知识理解界定程度。
[关键词]科学探究；科学实践；科学教育
[中图分类号]G42 [文献标识码]A [文章编号]1009-718X（2015）01-0065-06
作为全球科技创新的核心，美国历来重视科学教育，美国的一些组织如美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）、国家研究理事会（National Research Council，NRC）等在过去的二三十年里投入了大量的资金和精力，致力于促进学生科学素养的全面提高，其中一项重要的目标是帮助教师在教学中通过科学探究的方式，促进学生理解科学概念。1996年，美国发布了第一套《国家科学教育标准》（National Science Education Standards，NSES），提出以“科学探究”作为科学教育的核心理念，让学生在“做科学”中理解科学并且培养和发展探究能力。此后，对科学探究的理论和实践研究成为国际科学教育的热点问题，在世界范围内涌现出大量的相关研究成果，这也深刻地影响了我国的科学教育改革。2001年我国新一轮基础教育课程改革也将科学探究作为我国科学教育改革的基本理念和重要内容。
2011 年，NRC 发布了《K~12 科学教育框架：实践、跨学科概念、核心概念》（A Framework for K~12Science Education： Practices， Crosscutting Concepts，and Core Ideas，以下简称《框架》），提出“科学实践”的概念，并确立该概念在科学教育中的首要地位。[2]依据《框架》，2013年4月，NRC发布了《新一代科学教育标准》（Next Generation Science Standards，NGSS），将“科学实践”作为首要的关键词列入该标准中，取代了之前的“科学探究”。为什么该标准中突出了“科学实践”而不再继续使用“科学探究”？“科学实践”与“科学探究”有什么区别和联系？这一变化会给科学教育带来什么样的转变？这些问题值得我们深入理解。
一、从“科学探究”到“科学实践”的原因
（一） 在理论上对科学探究的理解缺乏统一的认识
“科学探究”一词源于美国芝加哥大学施瓦布（Schwab，J. J.） 教授于 1961 年在哈佛大学所作的题为《作为探究的科学教学》的报告。在报告中，他从两个方面对科学探究进行了说明，一是“科学的本质是探究”，科学教育的目标是学生理解“作为探究的科学”；二是“通过探究进行教学”，这是实现科学教育目标的重要途径。他的观点引发了研究者对“科学探究”的两种主要理解：一种认为“科学探究”是“科学中的探究”（inquiry in science），将科学探究看作是学生获得科学知识的一种重要的学习方式；另一种将“科学探究”理解为“关于科学的探究”（inquiry about science），认为科学的本质是探究，科学教育的目标是学生理解科学本质及获得探究能力。
科学教育专家期望国家文件给予“科学探究”统一的界定，并设置相应课程支持学校中的探究教学。1996年，NRC发布了第一套《国家科学教育标准》，将“科学探究”定义为“科学探索指的是科学家们用以研究自然界并基于此种研究获得的证据而提出种种解释的多种不同途径。科学探究也指的是学生们用以获得知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动”[3]。“科学探究”的这一定义，虽然引起了国际科学教育研究者、课程改革专家、科学教师的强烈反响，但从定义上看，“科学探究”既可以指科学家的研究过程，也可以指学生学习的活动，研究者对“科学探究”的理解没有因此而获得统一。
2000年，NRC 又发布了《科学探究与国家科学教育标准——教与学的指南》，对“科学探究”作出进一步描述，指出科学探究具有两方面的体现：其一，它表示学生需要发展的设计和实施科学实验研究的能力以及应获得的对于科学探究本质的理解；其二，它表示一种能使学生通过调查研究掌握科学概念的教与学的策略。[4]这一描述反而引起了人们对科学探究理解的更大差异，如，有的人认为“科学探究”既可以作为教学策略，又可以作为学生学习的结果；[5]有的人认为“科学探究”包含学生需要发展的提出科学问题以及解决问题过程中的一系列技能。[6]
从美国国家科学教育标准及相关文件对科学探究的定义来看，“科学探究”可以是科学家的研究过程、学生的学习方式、教师的教学策略及重要的课程目标，这就导致了研究者和教师对“科学探究”的理解缺乏统一的认识，由此衍生了“探究学习”、“探究教学”以及“探究能力”等各种名词的混用。
（二） 在实践中科学探究未达到预期的效果
教师是将科学探究理念转化为教学实践的主体，而教师对科学探究的多种理解甚至是误解，就导致了千差万别的课堂教学。2004年，国际科学教育研究者专门针对课堂教学中科学探究实施的效果召开了一次国际会议，[7]他们发现，每个国家实施科学探究的情况各有不同，并且在实践中遇到了各种问题，几乎所有国家在学校中开展的科学探究都没有达到预期的目标。
针对课堂中各种形式的科学探究，此次会议总结了国际背景下科学探究实施的三种取向及开展的情况。一是“内容-过程”（content-process） 取向，认为学生不仅要学习科学知识，还要知道科学知识是如何形成的，重视学生在探究过程中获得并理解科学知识，在课堂中，教师通常是让学生从提出问题开始，按照科学探究的基本环节一步步获得结论，这往往导致了科学探究实施的机械僵化。二是“发现-探究”（discovery-inquiry） 取向，认为科学探究是一种社会活动过程，强调在探究中通过小组合作的方式保证学生间的交流讨论，进而发现科学知识并理解科学本质，在课堂中，往往由于教师分组的随意性导致科学探究的形式化。这两种取向的科学探究都关注了探究的过程和技能，但忽视了科学概念在科学探究中的重要作用。三是“证据-解释”（evidence-explanation） 取向，该取向近几年逐渐受到研究者和教师的重视，他们认为科学探究是学生进行问题解决的活动，关注的是从经验调查获得证据对事物或现象进行解释的过程，要求学生不但要基于已有的科学知识选择证据，还要能够参与经验调查及解释的活动，通过科学探究让学生相信科学知识在问题解决过程中是有效的。
从实践来看，科学探究在课堂教学中并未达到预期的效果，尤其是“内容-过程”和“发现-探究”取向的科学探究在实施过程中遇到很大的困难。首先，教师对科学探究存在不一致的理解甚至误解，[8]例如，许多教师认为科学探究是学生学习科学的唯一方式，科学探究就是让学生进行科学实验，科学探究重过程不重视结论等。其次，学校环境不具备实施科学探究的支撑条件，主要的困难包括：课堂教学的时间限制了科学探究的充分开展，班级规模及学生人数限制了小组合作的科学探究，学校缺乏适合科学探究的课程及场所。再次，教师
缺乏实施科学探究教学的教育教学知识，在学生的探究活动中，教师应当是一个有经验的合作者和指导者，然而，相关的调查发现，很多教师并不具备通过科学探究进行教学的能力。[9]
（三） 科学学习心理学的研究促进教育观念的转变
“科学探究”的理念显示了研究者将科学教育从让学生记忆科学事实转向理解科学概念作出的努力，[10]然而，美国的一项对全国科学教育评估的调查发现，学生通过科学探究实则获得的是一些探究技能和零散的科学知识，科学教育被称为是“里宽尺深”。[11]这一调查结果暗示了科学探究难以帮助学生建立对整个学科连贯性的理解。研究者指出，转变这种科学教育的现状，关键并不在于学习“里宽”的科学知识，“少即是多”，即围绕少数学科核
心概念的学习将会省下更多的时间让学生参与科学探究，将探究过程中的各项实践活动紧密地与学科核心概念整合起来，将会促进学生逐步形成对整个学科的理解。
近二十年来，科学学习心理学的研究提出了许多新的观点：第一，儿童都是研究者。儿童学习科学的起点是对周围世界的好奇心和最初的观念，虽然在进入学校之前，儿童缺乏大量的知识和丰富的经验，但是，他们在与周围世界的接触中形成了复杂的推理方式，最初的观念和复杂的推理方式反映了儿童已经知道了什么和会做什么，在任何年级都应当基于学生已有的知识（包括错误概念）和能力进行逐步深入的学习。第二，围绕学科核心概念的学习有助于学生对科学形成连贯性的理解。确定及选择学科核心概念主要通过对比新手和专家的认知结构来进行，核心概念的理解与掌握不是短时间内能完成的，而是一个较长时间的持续过程，这种对学科核心概念连贯性的理解被称为学习进程（LearningProgressions）。第三，科学不仅包括能够对自然世界运行机制进行解释的知识体系，还包括形成、扩展和完善这些知识所进行的实践。儿童的科学学习与科学家的研究在本质上没有什么不同，只是对科学知识的理解水平和参与实践的熟练程度存在差异。科学学习心理学的研究成果促使科学教育的观念发生转变，研究者一致认为，科学教育必须建立在学生最初观念的基础上，学生围绕学科核心概念进行深入且连贯的理解，这个过程需要学生逐步参与实践活动并达到科学家的熟练水平。
科学教育观念的转变促使研究者采用“科学实践”取代“科学探究”，因为“实践 （practices） ”这个术语描述的是学生的活动，并且具有“重复行为使其熟练、深入学习使其成为习惯、应用知识使其达成目标”的含义，[12]强调了学生在课堂中进行的活动是一个重复的并且随着对学科核心概念的理解而不断熟练的过程。《框架》制定者采纳了这一观点，将“科学实践”定义为“科学探究所需要的一系列认知的、社会的和行为的活动”，并且指出的固定程序，而是科学探究所指向的不同类型的学生活动；其次，科学实践解决了由于科学探究的要素缺乏明确规定而受到的阻碍；最后，科学实践消除了按照科学探究的程序可以获得所有科学知识的错误印象。
二、“科学实践”与“科学探究”的差异
“科学实践”与“科学探究”具体有什么不同？下面我们从两者描述的对象、与科学知识的关系以及水平的划分进行对比分析，以更好地把握“科学实践”的内涵。
（一） 科学探究重视完整的研究过程，科学实践关注具体的学生活动
美国国家科学教育标准中定义的科学探究是指科学家从提出问题到解决问题的完整研究过程，它从整体上描述科学知识产生的过程。NRC指出科学探究具有五个关键特征，即学习者围绕科学问题展开探究活动；学习者获取可以解释和评价科学性问题的证据；学习者根据事实证据形成解释，对科学性问题作出回答；学习者通过比较其他可能的解释，特别是那些体现出科学性理解的解释，来评价他们自己的解释；学习者要交流和论证他们所提出的解释。[13]根据这些关键特征，研究者和教师认为，科学探究应当包含某些固定的环节或者要素，虽然不同的研究者对其包含哪些要素看法不同，但在课堂探究教学中这些要素常常被僵化为一系列机械、固定的程序，看似热热闹闹的课堂探究，学生实则并没有多少收获。事实上，这些关键特征体现了科学探究中学生需要参与的不同类型的活动，而非机械僵化地执行固定的程序。
科学实践并不否认科学是一个探究的过程，它更加关注的是探究过程中产生知识的具体活动。为了更加形象地描述科学探究中的活动类型，《框架》的制定者从科学探究的完整过程出发，将学生需要参与的活动划分在三个领域，具体如图 1所示。[14]

第一个领域是学生在真实世界领域开展的活动，主要进行的是经验调查，包括“提出问题”、“作出观察”、“开展实验”和“进行测量”等活动，偏向于学生的行为活动。第二个领域是学生应用科学理论和模型进行的认知活动，主要是对经验调查的结果建构解释或者使用模型作出假设指导研究进一步开展，包括“想象”、“推理”、“计算”和“预测”等活动。第三个领域介于两者之间，是学生交流和论证的社会活动，主要是评价不同的解释以获得结论。
虽然在科学探究过程中不同领域内包含多种活动，研究者选定了八项能够促进学生理解学科核心概念的核心活动，分别为：提出问题，建立和使用模型，设计和实施调查研究，分析和解释数据，利用数学和计算思维，建构解释，基于证据进行论证，获取、评估和交流信息。这些科学实践保证了不同年级的学生在相应的知识水平上都能够参与，并且不需要以固定的方式进行。
（二） 科学探究与科学知识是并列的，科学实践与科学知识是融合的
科学探究与科学知识之间是一种什么关系？有些研究者将科学探究当作帮助学生获得科学知识的一种重要手段，有些研究者认为科学知识的学习最终是为了理解科学本质并获得探究技能，这两种看似对立的观点实际上都反映了研究者将科学探究和科学知识看作并列的关系。这在课堂教学中往往导致科学探究与科学知识脱离的现象，科学探究被片面地当作围绕经验调查开展的活动，过分强调科学方法和固定程序，忽视了学生对科学概念和理论的理解。这两种观点认为让学生应用科学方法体验探究过程就能够促进学生对科学概念的理解。过分强调探究技能的形成使得学生对如何得出结论以及科学知识产生的过程知道甚少。
《框架》中指出，科学实践与科学知识是相互融合的，在课堂中脱离了科学知识学习的科学实践是不存在的。人类通过科学实践形成、扩展和完善科学知识，而科学知识是学生参与科学实践及进一步探究的保障。NGSS 要求每项科学实践都应当与适当的学科核心概念或跨学科概念融合起来，共同描述不同阶段学生学习科学的目标。如，“建立和使用模型”这一项科学实践，要求高年级学生在课堂中能够根据观察的结果建立模型解释自然现象，并且使用模型来验证进一步的假设。这项科学实践可以与分子、原子等核心概念共同描述学生的学习目标，表述为“通过建立和使用模型预测和解释不同状态以及状态改变过程中分子、原子的运动情况”。这种教学目标的表述给教师的教学提供了统一、明确的指导，并且规定了学科核心概念的学习都应当与相应的科学实践建立起联系。
（三） 科学探究按要素多少划分水平，科学实践按知识理解界定程度
科学探究的水平可以按照不同的标准进行划分，最常见的一种划分方法是根据科学探究过程中学生自主参与的要素多少来划分，如果从问题提出到证据的收集都是由教师提供的，学生只是得出结论，被称为是封闭式的探究；如果教师只是提出问题和设计方案，其他的环节由学生进行，则称为指导性的探究；如果从问题的提出到得出结论的整个过程都是由学生进行的，被认为是开放性的探究。[15]由于研究者和教师对科学探究要素的数目和内容界定不一，因此划分的水平呈现多种形式，这也导致了科学探究在实践中难以评价。
每一项科学实践都可以在不同的年级开展，随着学生科学知识的不断丰富以及对学科核心概念理解的不断深入，学生参与科学实践也将复杂化和精致化。在制定NGSS时，研究者对前文中提到的这八项核心科学实践活动在2、5、8、12年级分别应该达到的熟练程度进行了描述，以“提出问题”为例，如表1所示。[16]
“提出问题”也是科学探究的重要环节，但与科学探究不同的是，学生在科学实践中不仅知道如何提出问题，而且还能够知道为什么要提出问题并对其作出评价。虽然学生在参与前文所述的八项科学实践时没有固定的顺序和特定组合，但是这些科学实践之间不是孤立的，例如，“提出问题”能够导致对“模型”的思考，建立和使用模型或可引发“设计和实施调查研究”的实践。
从“科学探究”到“科学实践”，这一词语改变的背后不是理念的颠覆，而是渗透着研究者对课堂中僵化的科学探究作出的一种改进，正如《框架》中指出，“科学实践”一词取代“科学探究”是为了更好地给科学探究正名。“科学实践”能否为我国中小学科学探究的开展注入新的力量，让课堂在学生参与科学实践的过程中生动起来，还需要我国相关研究者和广大教师的共同努力。