学生的科学探究能力：国外的研究及启示作者：郭玉英 文章来源：课程教材教法第25卷第7期摘要：当前的科学课程改革对学生的科学探究能力提出了要求，这是我国的科学教 育研究者和广大教师面临的一个新课题西方发达国家在20世纪下半叶的科学课程改 革中就开始进行有关的研究和实践，有三种主要的教学和研究模型及实践结果W供我们 借鉴这些研究结果表明，科学探究能力是…种具有复杂结构的高层次能力，对科学探 究能力的培养不能简单化和程式化我们应当在借鉴有关研究成果的基拙上，把握科学 探究的本质特征，采用复杂性科学的研究方法，建立适当的教学和研究模型，从理论和 实践两方面开展深入研究关键伺：科学探究能力；科学课程改革；教学和研究模型一、关于科学探究目标的主要观点和研究范式在国际科学教育领域，人们对于科学课程应当发展学生对科学探究的理解、培养学 生的科学探究能力巳经达成了共识，许多国家的科学课程标准巳明确提出了关于科学探 究的目标但对于科学探究在科学课程中所处的地位和实现目标的途径则存在不同认 识，概括起来主要有以下两种观点一种观点认为，学生可以通过观察演示实验利亲以 经历探究性实验而潜移默化地达到课程目标，不需要明确地教给学生如何开展科学探 究；另一种观点则认为应当明确地教给学生科学方法，甚至认为学生对科学方法或过程 的理解比对科学知识内容的理解更为重要。
从科学课程的发展来看，后者得到越来越多 的科学教育者认同这样，如何实现科学探究目标的问题就摆在了研究者和课程设计人 员面前，成为科学教育研究领域的一个具有挑战性的问题由于科学探究不存在固定模式，人们对科学探究的理解也很难达成共识，这给研究 学生的科学探究能力带来了一定困难因此，不同的研究者利课程设计者均在相关理论 指导下采用了如下研究模式首先建立关于科学探究的教学和研究模型，在此基础上进 行课程和教学设计，在实践过程中开展对学生科学探究能力发展以及有关影响因索的实 证性研究，通过对理论、模型、实践过程和结果的综合研究和反思，对原来的模型进行修正，不断深化对学生科学探究能力的认识下面简要介绍有关的研究过程和结果，对三种有代表性的研究和教学模型及实践 结果进行比较评析二、儿种主要模型的比较与评析(%1) 科学探究能力的解析：“过程技能”的集合模型这是i种早期的科学探究能力模型这种模型的建立者采用了还原论的思维方式利 过程分析方法，将科学探究过程分解为一系列独立的成分，如观察、分类、假设、推论、 预测等相应地把科学探究能力分解成一系列独立的技能，如观察技能、分类技能、假 设技能、推论技能、预测技能等，称为过程技能。
其基本假设如下：学生的科学探究能 力是一系列过程技能的集合；这些过程技能是可以通过练习来独立发展的；学生的过程 技能得到发展后，就可以用来解决实际的科学问题，科学探究能力也就得到了发展根 据这种模型提出的教学策略是，首先让学生独立地练习和发展这些技能，然后再结合起 来解决更复杂的问题这种模型对课程设计产生了一定影响，例如，美国科学促进会1967 年推出的课程：科学一一一种过程方法(SAPA)就是按照这种模型设计的20世纪80年 代，英国有几种科学课程也建立在这种模型的基础之上，如纳费尔德的《过程科学》 这些课程完全打破了按照科学内容的逻辑体系来组织教材的传统方式，主要根据培养学 生“过程技能”的需要来设计一系列活动，让学生通过这些活动来发展相应的技能利能 力从本体论意义上来看，这种模型将科学探究能力描述成一系列过程技能的集合，是对科 学探究能力的一种人为的肢解，不能反映其本质特征；同时，这种模型在认识论层面上 受到了强烈质疑，因其科学探究观具有很强的经验性利归纳性，-与当代的科学哲学观点 相悖从有效性的角度来看，这些课程的实施结果并不能令人满意虽然当时的研究者 对于SAPA和其他类似的课程进行了许多小规模的评价研究，取得了肯定的结果，表明 学生的学习在各个方面都取得了进步。
但这些结论的可靠性受到质疑，批评者认为这些 评价不能有效地证明学生能力的发展即使学生通过练习掌握了这些过程技能，也不一 定能用于解决实际问题，不能证明科学探究能力得到了发展换言之，科学探究能力并 不等于过程技能的简单集合这种模型在教学的层面上也遭到了批评，有人提出，观察、 分类、假设等是儿童从幼年时期就拥有的能力，并不需要专门训练另一方面，根据这 种模型设计的课程打破了知识体系，不能使学生建立良妤的知识结构，受到来自学科专 家的强烈批评因此，这种模型已经逐渐退出科学教育的历史舞台，但过程技能的概念 被保留下来，成为探究技能的组成部分，在许多科学课程中仍然受到重视二）将控制变量作为科学探究的特征：逻辑策略模型有些研究者认为，科学探究的木质是科学的思维方式科学思维的一个重要特征是 运用逻辑推理来解释相关证据这样就把“科学思维”与“逻辑思维”联系起来，并根 据皮亚杰的理论，用控制变量的实验来检测学生的逻辑思维，把它作为科学探究能力的 •个重要特征，建立了科学探究能力的逻辑策略模型这种模型将科学探究过程作为按 照逻辑策略操作和处理相互独立的多变量的过程，将学生的科学探究能力描述成能进行 控制变量的实验探究的能力。
从本体论意义上来看，这种模型不是描述学生科学探究能 力的结构模型，而是一种简化了的功能特征模型，突出了会进行控制变量的研究这个功 能特征山于这个特征比较容易把握，在研究和教学实践中具有可操作性和可检测性， 因而取得了一定的结果，在一定程度上深化了对于学生科学探究能力的认识科学教育工作者根据这种模型设计了适合不同年级学生的用于培养和检测学生科 学探究能力的多变量实验，有许多研究者深入研究了学生在多变量实验中控制变量的能 力，并对相关的教学策略进行了评估研究表明，一般条件下，许多学校的学生在设计 多变量的实验和解释实验结果方面存在困难，其能力是随着年龄的增长血.逐渐发展的， 儿童原有的观念和宜觉起着重要作用研究还发现，学生在完成“自然实验”（解释II 常生活中观察到的现象）时的表现与实验室实验中的表现很不相同对教学的评估结果 发现，学生练习解决控制变量问题有助「提高能力，但是对研究结果的详细讨论对于提 高学生能力几乎没有作用在这些研究过程中，研究者遇到的主要困难是评价问题，教 学后用来评价学生能力的测验题很难设计，既要不同于在教学中使用的问题，但又不能 有太大差异在20世纪70年代末和80年代初，英国的学生成绩评价机构（APU）采用了这种模型 对学生的科学探究能力进行了大范围的评估，控制变最类型的实验探究也纳人了英国的 国家科学课程之中。
然而，有不少研究者对APU和英国国家课程中的科学探究提出了 批评，认为科学探究的含义是广泛的，这种模型将学生的科学探究限定为控制变量的实 验，缩小了科学探究的范围，影响了对科学探究包含的其他要素的关注三）摆脱固定模式：问题解决模型上述两种模型存在的共同问题是将科学探究描述成 种相对固定的模式认为存在 -•种程序性的“科学方法”,而不是灵活可变的探究过程其中隐含着一种经验主义的 观点，认为理论观念（变量之间的相互联系）产生「情境，而不是受探究者原有认识的影 响针对上述问题，一些从认知科学角度出发的研究者把科学探究看做问题解决的一种 形式在开展探究时，探究者从自己的“工具箱”里选择“工具”对任何一个给定的 探究任务，并非需要所有的工具,其技巧就在于正确地挑选并知道如何去使用所需的工 具米勒将科学探究能力包含的成分分为三类：一般的认知技能（例如观察、分类等等）、 实践的技能（例如，知道怎样使用不同的测量工具）和探究的策略（例如，知道用重复测量 来提高测量的W靠性）他认为第一种技能是不需要教的，它是所有孩子都拥有的认知 的- •般特性，而其他的两种技能是需要教的，但如何选择这些技能并把它们联系起来处 理给定的探究任务，并没有“一系列规则”可以遵循。
在此基础上，英国约克大学的PACKS项目组提出了一•种模型，并在大量实证研究 的基础上对模型进行了细化如图1所示这种模型将科学探究的主体和探究过程作为一个整体进行研究，具体描述了学生 原有的认识和技能对科学探究过程中各环节的影响，摆脱了前两种模型的机械决定论和 经验主义的科学观，深化了对科学探究能力的结构和功能的认识，对于研究和发展学生 与科学探究相关的理解和能力有一定的指导作用从本体论角度看，这种模型在一定程 度上揭示了影响学生科学探究能力的内在因素，包含四类相关的认识、知识和技能，如 图1左侧的四个框图所示；同时描述了科学探究能力的外部特征，如图1右侧的流程所 示研究者用这种模型解释了学生在七项探究任务中的表现，证明了该模型的有效性H：实际gM学知ix： 二 冬十布珀"学忠d&的理一I阵连诂论D:时怡吟讶一提的理 iM：木度村评价#农似论”评m I PACKS M 型这种模型提供了一个可以进行深人研究和教学实践的框架，可以在指导学生开展 科学探究的过程中发展他们相关的理解和技能，同时也可以对学生存在的问题做出诊 断，开展有针对性的教学该模型存在的问题是从一个给定的任务开始分析，忽略了学生发现和确定探究问题 的过程，我们可以对此模型进行修正，补上这一环节。
三、儿点启示（一）科学探究能力的培养不能简单化利程式化上文表明，在国外科学教育领域对科学探究能力的研究和认识经历了一个漫长的过 程，虽然积累了许多经验和教训，但至今仍在探索之中有关研究表明：科学探究是一 个复杂的过程，涉及理论和实践领域中多方面的问题，绝对不能将其简单化和程式化， 否则，不仅不利于学生科学探究能力的发展，而且会造成学生对科学探究的错误理解 在目前我国的有关理论研究中，尚未对科学探究涉及的理论问题展开深人探讨，没有建 立在研究基础上的适合我国国情的明确的科学探究模型，结果导致科学课程改革实践中 产生了两种误解：一种认为科学探究存在固定模式，将课程标准中提出的科学探究要素 作为程序性知识教给学生，或者抽出其中的要素进行独立训练，这使许多课堂探究走向 程式化和表面化；另一种则对科学探究的理解过于宽泛，认为只要将学生放开，让他们 自己去动手动脑，就是科学探究，而忽略了对科学探究本质特征的把握和对学生科学探 究能力的有目的的培养，不能使科学探究能力的培养落到实处这些问题需要引起科学 教育研究者和广大教师的重视二） 科学探究能力是一种具有复杂结构的高层次能力国外的研究表明，科学探究能力是一种具有复杂结构的高层次能力。
它建立在多方 面的知识和技能基础之上，但又并非这些知识技能的简单集合，采用还原论的方法将科 学探究能力肢解为要素进行•分别培养的做法是行不通的各种相关技能的训练利发展是 发展科学探究能力的必要条件，但不是充分条件我国的传统教学重视基础知识利基本 技能，这些构成了科学探究能力发展的基础例如，如果学生不具备最基本的电路知识 和使用电学仪器的技能，就不可能去探索电学的新知识领域，更不可能解决任何电学领 域的实际问题；但具备了这些知识和技能就•定会探索新知识、解决实际问题吗?答案 也是否定的，因为还需要更高层次的能力，这就是科学探究能力新课程注重科学探究, 并不是忽视基础知识和基本技能，而是要在此基础上发展学生更高层次的能力，使学生 能真正会探索新知识、解决新问题这是对新世纪人才培养提出的更高要求三） 要用科学的态度和方法开展对科学探究能力的研究科学探究2经成为我国课程改革中的热点问题，但国内的研究工作才刚刚起步我 们的研究不能从零开始，需要借鉴国外的有关理论、研究过程和结果，采用科学的方法 开展研究首先要有先进理论的指导，关于科学探究能力的研究涉及汽代科学哲学、科 学史和认知心理学等有关理论，我们要认真学习和借鉴这些理论，不能束缚于经验主义 之中；其次，由于我们对科学探究缺乏深入认识，。