科学教育和儿童科学学习进程

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1、科学教育与儿童科学学习进程 周建中 教育部儿童发展与学习科学重点实验室（东南大学） 中国科协“做中学”科学教育改革实验项目教学中心（东南大学） 江苏汉博教育培训中心 jzzhou0001 2011-09-07 南京 提 纲 学习进程的概念 学习进程的关键特征 学习进程的研究意义 一个学习进程的案例原子-分子理论的学习进程 成熟的科学知识多样而复杂，科学学习依赖于系统的知识建构与评 价实践，这些知识和实践与儿童带入学校的概念和意义建构经验是不同 的。虽然儿童将丰富的知识与经验带到科学学习任务中，但这些知识与 经验仍有待于重构、充实和转化。 所以，对教育者而言，科学教育颇具挑战性。挑战之一是分析出

2、在 时间和资源都有限的条件下，最需要教的是什么最重要的“核心概念 ”有哪些？这些核心概念既应当使学生理解科学的价值，又应当为他们未 来的科学学习做好准备。另一个挑战是找到在学习的基点和终点之间搭 建桥梁的途径这就是学习进程。 学习进程的概念 学习进程的概念 许多学者描述了学习进程的定义： 学习进程是一幅纵向的发展路线图，提供对典型技能和知识的学习 序列的描述。学生按照这个路线图，在某一领域中逐渐进步。 学习进程以论述或者举例的方式，描述儿童在学习过程中对某一概 念的逐步完善的理解。 学习进程是详细的、依次排列的建构模块，由技能和有效的知识组 成。学生必须掌握这些模块，才能向着更远的课程目标前进

3、。 学习进程基于多项研究和对概念的分析，描述在一个内容领域中学 生应当学习的连续的、逐步深入的推理方式。 学习进程的概念 美国国家研究理事会（National Research Council, NRC）编写的 Taking Science to School: Learning and Teaching Science in Grades K-8 一 书将学习进程阐述为： 儿童逐级深入地学习和研究某个主题的一系列步骤。这些步骤相互 衔接，循序渐进，完成所有步骤需要很长时间（例如6-8年）。 学习进程在我国的研究尚未有实质性的进展，在国外的研究也并不 详尽。美国国家研究理事会的这一概念得到了大

4、多数学者的认同。 学习进程的关键特征 有科学的依据。 围绕核心概念，发展知识体系。 着眼于建构知识的实践。 关注学生对认知方法的理解。 描述学生理解一个主题所需经历的过程，反映科学能力的各个方面 及其联系，以及各学习步骤间的联系。 提供评测方法，以确认学生在学习进程中达到的水平。 十分依赖教师的教学。 需要实践的检验。 学习进程的关键特征 特征一：有科学的依据 学生入学时所具有的知识和推理能力 学生应当学习的知识（核心概念）和实践 关于学生学习与发展的研究和教学实践 科学能力的各个方面 了解、使用和阐述对自然界的科学性解释 产生、评估科学证据和解释 理解科学知识的本质和发展 积极参与科学实践和

5、对科学的讨论 学习进程的关键特征 特征一：有科学的依据 科学能力的各个方面 学习进程的关键特征 学习进程应尽可能地反映儿童科学能力的各个方面，并关注各种能 力之间的联系。 科学能力的各个方面 特征一：有科学的依据 学习进程的关键特征 核心概念是现代科学的主要理论架构，而不是被当前的一些科学课 程看重的系统、交互作用、模型和度量等非常抽象的或各领域通用的概 念。人们正逐渐认识到，具体的内容和背景对思考和学习具有重要作用 。 在确定核心概念的同时，学习进程也应找出一些用于建构核心概念 的分解概念，相对于科学理论本身，它们在教育的起始阶段更易被接受 ，为组织儿童学习新事实、探究和解释提供可靠的知识框

6、架。 特征二：围绕核心概念，发展知识体系 学习进程的关键特征 例如，关于进化论的学习进程包括以下分解概念： （a）生物多样性：地球上存在着不同种类的生物； （b）结构/功能：生物有执行重要生物功能的结构； （c）生态/相互关系：生物占据一个栖息地，并与栖息地中的其他事 物相互影响（例如捕食者和被捕食者的关系）； （d）变异：一个物种中的个体的性状会发生变化； （e）生物在不同时间和生态尺度上发生着变化（例如，成长是个体 在生命周期中的变化；经过多个世代，种群的特征可能也会发生变化） ； （f）地质过程：地球随时间而发生着规律的变化（例如，山的形成 、沉积物的分层、火山爆发；化石为地球的历史提供

7、线索）。 特征二：围绕核心概念，发展知识体系 学习进程的关键特征 理解一个概念需要借助许多有助于使用和发展这一概念的实践，让 学生在各种实践中实现理解。 实践的种类繁多，包括：应用概念提出问题、预测、设计研究方案 、描述、分类、识别、测量/比较、解释、收集数据、用各种方式呈现（ 符号化）概念和数据、推理、评估概念/论证、在新情境中应用关键概念 。 学习进程应描述学生各个阶段所需的实践。 这些实践必须以一定概念为目标。 特征三：着眼于建构知识的实践 学习进程的关键特征 对核心科学概念的理解也包括理解概念的认知方法。即使是幼儿也 拥有一些能作为科学学习之基础的初步的认知策略，随着学习的深入， 这些

8、策略可以被充实和改进。因此，学习进程的基本概念除了包括具体 领域的科学概念外，也包括基本的认知方法。 当前的研究发现，儿童具有反映元认知的能力：他们不仅会问自己“ 我知道什么”或者“我应该做什么”，也会问“我怎样才能知道”“为什么应 该这样做”。将重要的基本认知法包含在学习进程内，正是与这样的研究 结果相符的。 越来越多的证据表明，如果儿童清楚地理解某种做法的意义，将十 分有利于灵活和自主地运用这种做法。 特征四：关注学生对认知方法的理解 学习进程的关键特征 与课程标准相比，学习进程是纵向的、连贯的，它强调学习步骤之 间的递进关系，而并不需要具体规定各个年级要达到的目标。同时，学 习进程应描述

9、科学能力的各个方面之间是如何相互联系和促进的。 相反，许多分年级的课程标准则是横向的，它囊括所有的学习领域 ，将各领域的学习内容“塞进”某个年级中。 划分年级并不是学习进程必需的。学习进程的基本功能是描述学生 的发展。相同年级的学生可能处于学习进程的不同阶段，但他们的发展 经过是一样的。有些学习进程根据对儿童学习的研究划分了年级，这样 也许对课标、课程和教学有更好的指导。 特征五：描述学生理解一个主题所需经历的过程， 反映科学能力的各方面间的联系、各学习步骤间的联系 学习进程的关键特征 评测是学习进程的一个必需的部分。识别学生达到了进程的哪一个 水平，是评测所应发挥的作用。进程的开发者应具体描

10、述一些学习成效 的指标，以说明学生的想法、理解和能进行的实践。 学习进程中的评价是形成性评价，为了判断学生的水平，以确定下 一步的教学内容，而不是为了辨别学生之间的差异。 特征六：提供评测方法，以确认学生在学习进程中达到的水平 学习进程的关键特征 学习进程不是自发往前推进的，需要教师采用进行合适的教学。所 以，学习进程的制定者应当说明各阶段的教学策略。 特征七：十分依赖教师的教学 学习进程的关键特征 学习进程制定好之后，它仍有待实践的检验，需要证实大多数学生 确实通过预设的途径发展了科学能力。 特征八：需要实践的检验 学习进程的研究意义 学习进程是儿童学习的固有需求 目前的课程标准不能为设计有

11、效的课程序列提供足够的基础 “过程技能”的观念对课程设计产生着负面影响 课程设计和实践中出现了问题 学习进程对课标、课程设计、教学、评价与评测等许多环节都有指 导意义和促进作用。 成熟的科学知识和实践与儿童带入学校的概念和意义建构经验不同 。儿童已有的知识与经验需要重构、充实和转化。 所以，科学教育需要分析最需要教的 “核心概念”，需要找到在学习 的基点和终点之间搭建桥梁的学习进程。 学习终点是复杂而与有悖于直觉的，这样的学习必然需要经历很长 时间。然而目前的课程往往不具有这种长期性；面对丰富的科学知识， 在什么是真正基础和重要的教学内容上也没有达成明确的共识。 学习进程的研究意义 学习进程是

12、儿童学习的固有需求 目前的标准更多地以编写者的价值观和个人经验为依据，而非基于 对儿童学习的研究或对科学知识与实践的细致分析；包含了太多缺乏联 系、不分次序的主题，没有指出哪些主题可能是最核心或最重要的；相 同主题重复出现，深度不足；仅通过简单的陈述提出关键概念，却没有 阐明理解那些概念需要基于对物质世界的哪些探索和推理。 国家科学教育标准（National Science Education Standards）或 科学素养的基准（Benchmarks for Science Literacy）等标准确实减 少了科学主题的数量，但是它们保留的主题仍然偏多，并且没有识别出 最核心或最重要的主题

13、。 学习进程的研究意义 目前的课程标准不能为设计有效的课程序列提供足够的基础 目前的标准很少提出跨年级的学习序列；或者没有依据关于儿童理 解力发展的研究来安排学习序列，而主要以各学科的知识结构作为分析 的基础。 我们建议对儿童学习和前概念的研究应当更加深入地指导学习序列 。 目前的标准未清晰地阐明如何将学生的科学实践与对科学概念的学 习结合在一起。科学能力的各个方面是被分别阐述的，所以儿童在一方 面的进步如何联系并支持其他方面并未被说明。 学习进程的研究意义 目前的课程标准不能为设计有效的课程序列提供足够的基础 在心理学家加涅关于科学和学习过程的任务分析理论的影响下，20 世纪60年代的Sci

14、ence: A Process Approach 课程推荐了一系列“过程技能” （process skills），至今仍影响着科学教育界。 这种观念更多地基于理性的任务分析，而非基于有关儿童如何理解 科学概念的研究成果；着眼于培养普遍适用于众多对象的过程能力，而 不能帮助儿童建构相互联系的科学概念例如，儿童练习观察或测量 ，却不关心他们观察或测量的是什么。 学习进程的研究意义 “过程技能”的观念对课程设计产生着负面影响 “过程技能”理论对于教师和课程开发者具有吸引力，因为它将复杂 的任务分解成简单的元素，归纳出许多按照一定顺序发展且构成科学思 维基础的基本过程技能，并且提供了让儿童实践这些技能

15、的具体练习。 但是，它忽视了意义、内容和背景的关键作用，并且将科学视作一系列 空洞的“技能”，因而这些技能往往成为无意义的程序。 “过程技能”理论以一些关于儿童推理和学习能力的错误假设作为基 础例如幼儿只能进行具体思维而不能进行抽象思维、儿童只有观察 能力而没有解释能力。 学习进程的研究意义 “过程技能”的观念对课程设计产生着负面影响 在这一理论的指导下，小学低年级只关心观察、测量、预测等一小 部分科学过程技能，较多的高级技能（例如假设、控制变量、解释数据 ）仅在小学高年级和中学被引入，其他许多重要的科学理解活动（建模 、表征、论述等）则被完全忽视了。 当前对科学教育的研究强调了具体领域的知识

16、和推理，建模、表征 和论述在促进概念理解中的重要性，以及幼儿所具有的广泛的能力。加 涅最初将科学作为一些无内容的过程的想法已经遭到了科学教育者的普 遍反对。但是，目前的政策和实践仍患有它所引发的顽固后遗症。许多 课本和课程依旧包含有关科学探究、科学过程或科学方法的独立章节。 学习进程的研究意义 “过程技能”的观念对课程设计产生着负面影响 目前的课程缺乏长期性和递进关系。 科学知识和实践区别于儿童带入学校的概念和意义建构经验。所以 对于儿童来说，科学学习的终点是复杂而与直觉相冲突的，这样的学习 必然要经过很长的时间和努力。然而，目前的课程往往并没有这种长期 的视角和态度。短暂的、缺乏全面考虑的教学很难帮助学生形成科学的 认识论、深入且结构良好的知识储备，以及对于科学的目标和方法的牢 固理解。 学习进程的研究意义 课程设计和实践中出现了问题 当前美国K-8年级科学课程的序列几乎不是递进地设置的，也不 是从学生已有知识和经验出发、指向科学能力发展的。虽然有一些课程 材料试图遵循这种方法，但它们往往仅包含有限的一点内容，它们持续 的课时也通常限于几个星期