探究式科学教育：面向小学教师的教学框架
编译：湛蓝 东南大学脑与学习科学系
研究生导师：柏毅
作者：Martina S.J.van Uuma
【摘要】：探究式科学教育作为一种激励学生的科学学习方式被广泛提倡，它鼓励学生参与设计和进行科学调查。对于小学教师来说，探究式科学教育的开放性给他们带来了挑战，因为他们往往缺乏在项目的不同阶段支持学生的经验，如制定研究问题和设计并进行调查。本研究旨在通过提出一个教学框架来应对这些挑战，划分了科学知识的四个领域和七个探究阶段。该框架是基于小学教师在探究式科学教育项目中所进行的教学干预的视频分析。研究结果表明，教师可以通过在探究阶段明确处理科学知识的概念、认知、社会和程序领域，引导学生成功完成开放性探究过程。最后，本文建议进行进一步研究来验证该框架，并为小学教师开发教学方法从而指导学生完成开放性探究的不同阶段。
【关键词】：初等教育；小学教师；探究式科学教育；教学框架；科学知识领域
1. 介绍
探究式科学教育（Inquiry-based Science Education, IBSE）被视为一种激励学生的科学学习方式，因为它关注学生自身的兴趣、促进主动学习。由于激发学生的动机和兴趣对他们的成绩有积极影响，IBSE被视为学习科学概念和理解科学本质（ nature of science，NOS）的有效方法，其中探究过程最为关键。
在开放性IBSE中，教师鼓励学生进行自我设计、兴趣导向的探究。在这个过程中，教师的作用是促进、支持和监督学生。然而，教师往往在指导学生完成探究过程中遇到困难，例如，关于研究问题的提出（Peeters & Meijer，2014）和调查的设计（Yoon, Joung, & Kim，2012）。为了帮助教师促进学生的开放性探究，本文着重讨论以下核心问题：小学教师如何在开放式IBSE中支持学生？在文献研究的基础上，我们首先阐述了科学知识的四个领域，这些领域在开放式IBSE中是非常重要的，在此基础上描述了构成探究周期的七个阶段。我们旨在将这个科学知识领域和探究阶段的概念框架转化为课堂实践中使用的教学方法。我们的假设是，教师的教学干预应该关注于支持学生的学习过程，在探究的每个阶段解决特定领域的科学知识。我们调查了在开放式探究过程中，科学知识领域和后续探究阶段的哪些组合被证明能够成功地指导学生。本文提出的“教学框架”反映了教师在课堂实践中观察到的七个IBSE项目的成功干预，可以被视为开放式探究的一个例子。
2. 理论框架
基于学习科学、科学教育领域的综合研究，Duschl（2008）区分了反映不同科学素养水平的三个科学知识领域：科学推理时使用的概念结构和认知过程，开发和评估科学知识时使用的认知框架，以及交流、表达、论证的社会过程和背景。Furtak（2012）增加了第四个程序领域。下面详细阐述了这四个领域，并将其与探究的不同阶段联系起来。
2.1 概念领域
科学的概念领域包括“代表当前对自然系统理解的知识体系”，例如光现象（Mumba，2015）。研究和实践经验表明，学生需要有关调查主题的实际知识，以便进行探究过程。
2.2 认知领域
认知领域指NOS和科学知识产生的方式。NOS表示一个人对什么是科学知识的观点，例如，它是否是暂时的，是否是基于创造性的。此外，科学知识的产生方式是指科学过程（如观察和测量）与“发展科学知识的科学知识、科学推理和批判性思维”的结合（Campanile，2015）。学生将自己的调查与真正的科学家工作和创造知识的方式联系起来是很重要的。
2.3 社会领域
科学的社会领域指的是研究人员的科学态度，如批判性地审查自己和他人的工作，以及分享发现。在小学，研究学生的合作和交流可以通过在小组工作中分配不同的角色和责任，以及关注集体活动和分享意义。在合作探究中，探索性谈话对于提高学生的科学推理能力和制定建设性的反馈意见非常重要。此外，当与他人交流他们的发现时，学生们需要知道如何清楚地解释他们的行动和决策。
2.4 程序领域
继Furtak（2012）之后，我们区分了第四个领域来解决探究程序。Boekaerts将程序性知识描述为知道如何使用知识，而其他人则将其描述为“知道如何进行”。这两种观点都包含在我们的程序知识概念中。在小学教育中，学生需要老师的支持才能进行探究程序。例如，他们发现很难根据自己的研究数据提出研究问题并得出结论。
2.5 调查阶段
这四个领域反映了调查项目中需要解决的科学知识。我们的教学框架旨在指导教师在探究过程的后续阶段处理不同领域的问题。在荷兰，Van Graft和Kemmers的IBSE阶段越来越多地被课程开发人员和教师使用，由七个阶段组成：介绍、探索、设计调查、进行调查、得出结论、陈述/交流和深化/拓展。
3. 方法
在本研究中，我们探讨了教师是否以及如何在每个IBSE阶段处理四个领域的科学知识，来成功支持学生的探究。我们的假设是，基于开放性的IBSE项目的经验，在开放式探究过程中为学生提供支持需要在后续探究阶段特别关注科学知识的不同领域。为了开发一种教学方法，我们观察了课堂教学策略，使用基于理论的阶段和领域框架来分析小学开放式IBSE项目的视频片段。通过分析这些视频，我们旨在研究教师在IBSE各个阶段处理了哪些科学知识领域，以及这些教师干预的效果。
3.1 案例选择和研究对象
我们选择Radboud大学科学教育中心（Science Education Hub Radboud University，WKRU），为10-12岁的小学生开发了IBSE教育项目。由科学家、教师培训师和小学教师组成的项目团队将拉德布德大学的研究转化为开放的IBSE活动。开发的教学方法已经在课堂实践中得到了测试和调整。参与的教师通过与研究人员讨论，获得了相关知识，在此之前他们没有任何关于IBSE的经验。
我们使用开放式探究阶段和科学知识领域的分析框架，分析了不同小学的七个开放式IBSE项目的视频。每个项目的录像包括五到九节探究式课程的视频，显示了教师的干预和学生的反应。此外，要求学生描述、解释和反思他们的调查设计和实施情况。自然科学家参与了其中的五个项目：DNA和遗传；感知、行动和运动；石墨烯；焦虑和行为。社会科学家参与了两个项目：成瘾和危险观点。
3.2 定性分析
在分析视频片段时，我们首先标记了不同的IBSE阶段，选择了学生和教师关于四个科学知识领域之一的评论片段。随后，我们确定了教师的教学干预措施是否成功。我们把成功或不成功定义为学生对（错误）理解的评论或他们（没有）继续进行后续探究阶段的能力。在社会领域中，一个成功的教学干预的例子是教师评论后学生的表述有了改进；在程序领域不成功的教学干预的例子是学生没有考虑到教师的改进意见，对他们的下一步行动仍然感到困惑。在分析了每个项目之后，我们对不同的结果进行了比较，以找出关于（不）成功的教学干预的模式。
4. 结果
表1列出了教师和学生在所有七个项目的探究阶段所涉及的科学知识领域的定量概述。我们将此定量概述用作定性数据分析的参考点。根据表1中的定量概述，我们将定性分析在下文中说明。
表1 在所有七个项目中，教师和学生在每个探究阶段对科学知识各领域的相对引用量
第一阶段：介绍
该阶段的目标是让学生面对与真实研究实践相关的问题或现象，激发学生的好奇心，增加他们对开放式探究的认知理解。如以下引文所示，教师们提到了在Radboud大学进行的研究。
老师：某些科学调查，换句话说，科学家进行的研究，几乎从未在小学出现过……在科学教育中心，我们将尝试在小学里实施科学研究，因为我们认为通过这样做你可以学有所获。
通过参考真实的研究实践，学生们获得了兴趣，并形成了认知上的理解，像科学家那样研究一个真实的问题。尽管在当前阶段，大多数教师没有提供真实的科学实践的详细描述，但他们能够在随后的阶段参考这些实践。
第二阶段：探索
探索阶段的目标是将所调查的现象与学生的已有知识联系起来，提出问题，指导进一步的调查。教师通过将概念与相关的日常背景联系起来，并将科学实践活动与对这些活动的思考结合起来，提高学生的概念性理解。例如，在石墨烯项目中，教师播放了一段视频介绍了石墨烯的不同特征，并要求学生构建一个概念图。由于石墨烯是一种晶体，她播放了第二段关于晶体特性的视频。此外，该教师将石墨烯的结构与细铁丝网进行了比较，随后要求学生构建一个石墨烯的三维可视化模型并进行了讨论。在探索阶段结束时，老师要求学生写下他们对项目主题的理解，以及哪些问题还没有得到解答。
第三阶段：设计调查
设计调查阶段侧重于确定研究问题、制定计划以及构建或收集测量仪器。在进行这些步骤时，教师必须解决确定研究问题的程序，讨论如何设计有效和可靠的调查。参与成瘾项目和危险观点项目的教师为制定研究问题的程序提供了支架。所开发的“问题器”包括一个书面图表，描述了确定研究问题的标准，例如：“问题是单一的”和“问题是具体的和可测量的”。当一个问题不符合其中一个标准时，学生们需要对其进行调整。下一步是设计调查，教师或研究人员解释了调查的设计标准，并询问了学生关于认知方面的观点。
研究人员：假设我想知道男孩和女孩在情绪控制方面的差异，那么我可以测试你[男孩]和她[女孩]。如果我发现她比你更冲动。我能说所有的女孩都比所有的男孩更冲动吗？
学生：不能。
研究员：如果我测试十个男孩和十个女孩呢？
学生：不能。
研究员：当我带着荷兰所有的男孩和女孩？那么，我能说所有的女孩都比所有的男孩更冲动吗？
学生：你可以去荷兰。
研究员：没错……这是你必须考虑的事情。你想测试多少人。
上一个例子中关于研究对象数量的考虑影响了学生研究的设计。除了程序和认知方面的考虑外，社交能力如协作和沟通，在当前的调查阶段也很重要。
第四阶段：进行调查
本阶段调查的目标是收集数据，以结构化的方式精确测量和记录十分重要。一旦学生在程序领域遇到问题，教师就会协助解决。例如，在关于石墨烯的项目中，学生们测量不同物体上的砖块的重量，以确定特定物体在刹车前能容纳多少块砖。在他们的调查过程中，一位老师问学生如何能更精确地测量并解释了秤的使用。在其他项目中， 我们观察到学生们测量温度、时间、心跳等，但并不是所有的学生都对这些程序给予足够关注。为了拓展学生对正确测量的程序性理解，教师有必要与学生一起解释、练习和反思这些程序。
第五阶段：得出结论
为了得出结论，重要的是让学生把数据和他们的研究问题联系起来，并意识到应该区分结果和自己的观点。正如下例所示，如果没有关于如何得出结论的提示，学生们可能会犯错误。
老师：是的，你要看的是：结论到底是什么？我的研究问题的真正答案是什么……当你在一项调查中想要比较女孩和男孩谁骑自行车更多：是男孩还是女孩……你要看哪些数据，在哪里看？
学生：也有可能是年龄造成的。这也是必须要看的，对吗？
老师：并不是这样，在你的结论中要回答你的研究问题。而不是所有其他的事情。
这个例子中的学生认为根据不直接相关的数据来得出结论。随后，老师通过提到研究问题和强调回答这个问题的重要性来促进程序性认识。教师应该解释结果和自己观点之间的区别，并要求学生深入了解自己的研究。
第六阶段：陈述/交流
在进行调查并得出结论后，当前阶段的目的是让学生将他们的结果传达给他人。学生以清晰易懂的方式陈述他们的调查结果是很重要的。与学生们所做的一般报告相比，关于焦虑的项目陈述比平均陈述要短，结构化程度低，但放在这里是为了说明它缺乏信息。
学生1：我们的研究问题是：哪些[学校名称]是前三名?
学生2：这是我们的结果[学生展示一张写着结果的海报并描述]。
学生1：我们真的很喜欢做这样的调查。
学生3：很遗憾，这个项目已经结束了。
学生4：我们是如何调查的？
学生1：我们去了教室，问他们能否写下最害怕的三件事。在幼儿园里，我们给孩子们的父母写了一封信，询问他们是否愿意和父母一起填写。
学生2：这是我们的研究……[难以理解]。
被引用的学生忘记了提及研究报告的关键要素，例如假设、结论和关于自身研究局限性和建议。因此，教师应在准备报告时强调这些重要因素。
第七阶段：深化/拓展
探究最后阶段的目标是对探究过程进行反思，深化或拓展对项目主题的理解。在一半的WKRU项目中，学生们参观了大学实验室或与科学家交谈。除了对实地考察外，还有其他方式来深化学生的理解，例如，就科学知识的领域和尚未回答的问题进行小组讨论。
5. 总结
结果表明，教师在探究的每个阶段都要解决科学知识的特定领域，这对于支持学生的学习过程非常重要。表2展示了基于这些结果的教学框架，说明在不同的探究阶段，教师的重点是如何从科学知识的一个领域转移到另一个领域的。我们观察到，当教师在相关阶段关注特定领域时，学生能够在探究阶段内和阶段之间继续学习。教师也应注意IBSE各阶段的其他科学知识领域，具体取决于项目的具体背景。
表2 在随后的研究阶段中对特定领域的科学知识的解决所作的贡献
6. 影响
我们研究的核心问题是：小学教师如何在开放式IBSE中支持学生？我们通过开发一个关于科学知识领域和探究阶段的教学框架来回答这个问题。
构建的教学框架支持教师通过开放式探究过程对学生进行指导。在WKRU项目中，不同探究阶段的科学知识领域顺序如下：概念的（第二阶段）—程序的、认知的和社会的（第三阶段）—程序的（第四/五阶段）—认知的（第五阶段）—社会的（第六阶段），所有领域或特殊选择（第七阶段）。这一顺序说明了在第四阶段之前处理所有四个领域的重要性，为学生成功地开展调查奠定基础。此外，研究结果表明，在探究过程中，教师对科学知识领域的干预措施的具体选择能够培养学生对科学探究的理解。
当教师和研究人员使用我们的教学框架时，有一定的限制因素需要考虑。我们将解决这些问题，并将其与对未来研究的建议联系起来。首先，是关于WKRU的背景，为了验证我们的框架，未来的研究需进一步调查在科学教育中心或小学构建的其他开放式探究项目。其次，建议在摄像机上捕捉所有教师的行为。最后，我们对未来研究最重要的建议是，让小学教师能够使用这个结构化的教学框架，例如，通过提供基于教学框架的工具、材料和练习，供教师在课堂实践中使用，进一步为学生提供支持。
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