從“探究”到“實踐”：探究式教學法的內(nèi)涵、本質與發(fā)展

葉兆寧

20世紀的科學教育從精英教育轉向大眾教育，由傳統(tǒng)的傳授式轉向探究式，開始強調(diào)通過科學教育尤其是K-12年級的科學教育促進學生科學素養(yǎng)(scientific literacy)的全面發(fā)展，它打破了傳統(tǒng)教育的固有思想和模式，開始依循科學本身的特征和兒童認知發(fā)展的規(guī)律開展科學教育。20世紀以來，科學教育的重要性不言自明，由于其擔負著奠定公民科學素質基礎的重要任務，這在很大程度上決定了社會成員的思維方式和生活方式，直接影響著民族、國家和世界的未來[1]。

21世紀的科學技術深刻地改變著社會、經(jīng)濟、文化等各個領域，社會對人才的需求發(fā)生了巨大的變化，對教育更是提出了更高的要求。近半個世紀以來，科學教育的發(fā)展更趨綜合與多元，從“探究”到“實踐”、從“探究式科學教育(IBSE)”到“STEM教育”，從“科學素養(yǎng)”到“核心素養(yǎng)”。同時，非正式教育中的科學教育作用越來越凸顯，形成正式教育與非正式教育共同作用于學生發(fā)展的趨勢。在非正式教育領域中，廣泛使用探究式教與學的無疑是科技博物館，但目前在博物館科學教育與STEM教育活動設計與實施中，仍存在對“探究”的理解模糊不清、混淆“實踐”與“探究”、表面上“實踐”卻無實質性“探究”、有“跨學科內(nèi)容”卻無“跨科學概念”等問題。針對此，本文將從探究式教學的內(nèi)涵和發(fā)展的角度，嘗試解讀科學教育近一個世紀以來的推陳出新、發(fā)展與演變的歷程，以促進科技博物館從業(yè)者厘清“探究”的實質，更深入地理解探究式教學在非正式環(huán)境中實施的策略與方法。

一、探究(Inquiry)與探究式科學教育(Inquiry-based Science Education)

美國的科學教育改革一直被全球關注，皮亞杰、杜威等著名學者在科學教育發(fā)展史上起到了關鍵的作用。1909年，杜威在美國科學促進協(xié)會的報告中對直接傳授科學知識的教育觀點進行了批判，指出科學不僅是需要學習的一堆知識，而且也是一種學習的過程和方法[2]。在這之后，將探究作為一種科學教學方式的觀點被廣泛接受。從20世紀下半葉開始，為了適應社會和經(jīng)濟領域發(fā)生的變化，科學教育(尤其是面向兒童的科學教育)變得十分重要，從而掀起了兒童科學教育改革的浪潮。

1996年，美國第一部《國家科學教育標準》出臺，其中明確了“探究”在科學教育中的重要位置，指出科學探究既是科學家用以研究自然界、并基于此種研究獲得證據(jù)提出種種解釋的途徑，也是學生用以獲取知識、領悟科學思想觀念、領悟科學家們研究自然所用的方法而進行的各種活動[3]。該標準奠定了“探究”在科學教育中的重要位置，其對“探究”的界定[3]是到目前為止認可度頗高的觀點：

探究是多層面的活動，包括觀察；提出問題；通過瀏覽書籍和其他信息資源發(fā)現(xiàn)什么是已經(jīng)知道的結論，制定調(diào)查研究計劃；根據(jù)實驗驗證對已有的結論做出評價；用工具收集、分析、解釋數(shù)據(jù)；提出解答，解釋和預測；以及交流結果。探究要求確定假設，進行批判的和邏輯的思考，并且考慮其他可以替代的解釋。

該定義明確指出科學探究是一種重要的實踐活動，不僅要“探”，更要“研”，它符合兒童的本能和認識模式，同時也是人類探索自然最樸實的方法。英國科學教育專家溫·哈倫認為：探究可以運用在多個領域，如歷史、地理、藝術、科學、數(shù)學、技能和工程中。當發(fā)生提出問題、收集證據(jù)并進行可能的解釋的時候，探究也就發(fā)生了。而科學探究的不同之處在于：它通過與自然世界的直接互動、以及通過生成和收集數(shù)據(jù)作為支持解釋現(xiàn)象和事件的證據(jù)，導致了產(chǎn)生對自然世界和人造世界的知識和理解[4]。

哈倫教授同時也指出：通過探究來學習科學是一個復雜的過程，在這個過程中，知識、理解、收集和使用證據(jù)的技能相互作用、聯(lián)系在一起。也正因為探究的復雜性使其成為相當大的挑戰(zhàn)，在全球范圍內(nèi)推廣探究式科學教育也不是一件易事[4]。

1994年，國際科學聯(lián)盟(ICSU)建立了推動兒童科學教育改革的專門委員會——科學能力建設委員會，在兩位諾貝爾獎獲得者美國的勒德曼博士(Leon Lederman)和法國夏帕克博士(George Charpak)的支持下在全世界推動兒童科學教育改革。該組織于2000年在北京召開國際小學科學與數(shù)學教育研討會，并發(fā)表北京宣言，號召科學家和教育界聯(lián)合起來，在國際范圍內(nèi)共同推動探究式科學教育的改革[5]。

國際科學院聯(lián)盟組織科學教育項目組(IAP-SEP)(1)國際科學院聯(lián)盟組織科學教育項目網(wǎng)址：https://www.interacademies.org/education/ ibse。也是推廣探究式科學教育的國際組織，項目組匯集了多國科學教育專家，自2003年起對全球不同國家開展探究式科學教育項目提供幫助。2006年6月，項目組在巴黎舉行會議，并發(fā)布了探究式科學教育項目的國際評估報告，報告中對探究式科學教育進行了如下界定[6]：

探究式科學教育(IBSE)不是一種單純的教學法，而是一種有著主要特征并可以以多種方式實施的教學法。IBSE與傳統(tǒng)科學教育有些相同之處，但在很多方面又是不同的：IBSE不僅僅動手操作，更主要因素是讓學生參與到識別相關證據(jù)、進行判斷性推理和邏輯性推理并思考如何解釋中去。

IBSE的主要區(qū)別性特征是：

? 學生通過對已收集到的證據(jù)進行思考和邏輯推理來生成概念，使自己能夠理解周圍世界的科學方面。這可能需要讓學生親自處理物體和資料以及觀察事件，也可能需要學生運用從包括專家在內(nèi)的一系列信息源中收集到的第二手證據(jù)。

? 教師引導學生通過自身的活動和推理培養(yǎng)探究技能和發(fā)展對科學概念的理解。這需要教師推行分組作業(yè)、討論、對話和辯論，以及為直接調(diào)查和試驗提供材料。

在后續(xù)的文獻中，IAP-SEP的專家給出了探究式學習的過程(見圖1)[7]。指出：探究始于問題，基于已有的想法和經(jīng)驗對問題的思考，可以引出多個可能的解釋或假設，也就是預測。如果其中有可以被接受的解釋，就需要對它們進行檢測。其目的是為了檢驗是否有實證支持該預測。實證從哪里來？這就需要通過做探究計劃和實施調(diào)查研究活動來收集，它包括收集和解釋新的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地觀察或是向第二手資源咨詢，并將實證和初識想法相關聯(lián)，從而得到探究的結果，再經(jīng)過交流和思考形成新的認識。其中需要進行測試的預測可以不止一種，每次的檢測也未必能成功，所以需要重復地進行預測、計劃和解釋等一系列的工作。直至所得到的數(shù)據(jù)引出的結論能支持所做的解釋為止。

圖1 探究式學習的框圖[7]

圖1類似流程圖，但在每個箭頭旁標有說明，表示從一個方框進入到下一個方框時需要進行的活動。探究的結果取決于這些活動是如何實施的?？茖W實踐的過程與科學思維的發(fā)展在圖中被糾纏在一起。在此框圖下，具體探究的路徑和走向與探究者所采用的邏輯思考、實驗方法、以及反思改進能力有著緊密的聯(lián)系，這使得探究的過程并不是線性的固定過程。因而，探究的價值不只是找出對某個特定問題的答案，還可以達到兩個目的：一是通過探索與思考的過程，促進探究者對概念的理解，并幫助其構建自身的概念認知體系；另一個是促進學習能力、深度思考、以及科學態(tài)度的發(fā)展。在這個過程中，探究者的思考、行動與反思對探究過程的質量和學習效果起到非常重要的作用。

二、實踐(Practice)與STEM教育

當很多人還在研究和實施探究的同時，變化已然發(fā)生。隨著腦科學、認知科學、發(fā)展心理學等在技術和研究方法上的進步，科學家們得以探索人類學習的機制和本質，并將其運用于教育領域。在這些科學研究成果的支持下，發(fā)展出新興的科技教育范式——STEM教育。

2011年美國《K-12年級科學教育框架：實踐、跨學科概念與核心概念》(簡稱《框架》)出臺，它是隨后發(fā)布于2013年的美國《新一代科學教育標準》(簡稱《標準》)的指導性文件。其中旗幟鮮明地使用“科學與工程實踐”“跨學科概念”和“學科核心概念”作為科學教育的三個維度，并將STEM教育融入科學教育，實現(xiàn)了科學教育觀念的又一次轉型。

在此之前的十多年期間，“探究”一詞在科學教育領域有著舉足輕重的地位，是開展科學教育的主要方法。而在《框架》中用“實踐”替代長期以來的“探究”和“技能”等說法，引起了廣泛的關注。這不僅是一次學術詞匯的改變，也代表著更深的意義?！犊蚣堋分赋觥皩嵺`”包含兩個含義：一是科學家研究和建立關于世界的模型和理論時使用的科學實踐，另一個是工程師設計和建立系統(tǒng)時使用的一組關鍵的工程實踐[8]?？梢哉f，“實踐”一詞的啟用與工程教育的融入有著密切的關系。至少，“實踐”中既包括了以探究為主的科學實踐，也包括了以設計和建造為主的工程實踐，且“實踐”一詞并不空洞，《框架》和《標準》中用八個在科學和工程方面具有一致性的實踐行為來表示，即：(1)提出問題和定義問題；(2)開發(fā)和使用模型；(3)計劃和開展研究；(4)分析和解讀數(shù)據(jù)；(5)使用數(shù)學和計算思維；(6)建構解釋和設計解決方案；(7)參與基于證據(jù)的論證；(8)獲取、評價和交流信息[8，9]。

相較于科學探究，工程設計具有反復性和系統(tǒng)性，且包括若干個不可或缺的典型步驟：識別問題、明確要求和限制；通過研究和商討提出一系列解決方案和設計方法；通過建立和測試數(shù)學模型檢驗課程的方案；分析方案對既定要求與限制的滿足程度；改進現(xiàn)有方案等[8]。對于科學研究而言，不管是否可以應用與實踐，形成一種解釋本身就意味著成功；而對工程來說，成功則是根據(jù)滿足人類需求的程度來衡量的。

《框架》和《標準》中用“科學與工程實踐”來結合這兩個過程，意味著科學教育中更加關注在真實實踐過程中的思考與方法運用，更加關注如何提升學生將具體科學知識和技能整合在一起開展面對真實問題的科學研究和工程創(chuàng)新?？梢哉f，《框架》和《標準》并非用“實踐”替代了“探究”，而是把“探究”還原為真實的科技探究實踐，是基于科學與工程實踐的真正的探究式學習。脫離了“實踐”的“探究”，是空對空的“偽探究”，是缺乏根基的“探究”；脫離了“探究”的“實踐”，是沒有目的的、缺少教育意義的“實踐”。如果沒有“基于實踐的探究式學習”，STEM 教育就缺失了 “靈魂”[10]。

此外，在《框架》和《標準》中還使用“預期表現(xiàn)”來整合實踐、跨學科概念和學科概念三個維度。使其最大限度地削弱了將科學實踐簡化為一套單一程序、以及過于強調(diào)實驗研究，而忽略了建模、批判和交流等實踐的誤區(qū)?；诳茖W與工程實踐的科學教育，是理解和運用“學科核心概念”與“跨學科概念”的最好途徑。正因為如此，“科學與工程實踐”與“學科核心概念”“跨學科概念”共同構成了科學教育的“三個維度”；也因為如此，STEM教育成為了實現(xiàn)“三個維度”科學教育目標的重要平臺，“基于探究的實踐”或“基于實踐的探究”是STEM教育的核心要素之一。

從“探究”到“實踐”的轉變很快被大眾認可和接受，這與STEM教育的發(fā)展不無關系。STEM一詞提出于20世紀80年代，出現(xiàn)在西方高等教育領域。本世紀初逐漸進入K-12年級教育的各個層面。在《框架》發(fā)布之前，STEM教育已經(jīng)得到了一定程度的發(fā)展。與學科教育所不同，STEM教育更注重整合與問題解決，強調(diào)在現(xiàn)實問題解決的過程中開展能力培養(yǎng)與知識建構，同時還強調(diào)對學生創(chuàng)造力的提升，與當前知識經(jīng)濟社會對人才基本素質的要求相適應[11]。

與STEM教育相對應，STEM素養(yǎng)的概念也得以發(fā)展。美國科學教育專家Bybee于2013年指出STEM素養(yǎng)包括概念理解、過程性技能，以及解決與STEM相關的個人、社會乃至全球問題的能力。作為各國政府間討論關于教育、科學和文化問題的國際組織，聯(lián)合國教科文組織也十分關注STEM教育，并于2019年發(fā)布報告《探索21世紀的STEM素養(yǎng)》，足見全球對STEM教育的重視程度。報告中對STEM素養(yǎng)的定義是：為實現(xiàn)個體的、集體的和全球性的發(fā)展期望，能夠調(diào)動和有道德地使用知識與技能、態(tài)度與價值觀以及技術來有效參與的發(fā)展性能力。并提出STEM素養(yǎng)包括知識、技能、態(tài)度和價值觀三個要素[12](見表1)。

表1 聯(lián)合國教科文組織定義的STEM素養(yǎng)

不僅有別于傳統(tǒng)教育，STEM教育也不同于綜合學科中常見的主題教育，而是具有整合、跨學科和問題解決等顯著特征。項目化學習(PBL)是實現(xiàn)STEM教育跨學科特征的有效教學方法[13]。通過項目將科學探究與工程設計的實踐過程有目的、有系統(tǒng)地鏈接在STEM教育活動中，幫助學生深度思考，促進他們理解解決實際問題的過程和策略、理解科學原理如何被運用于技術與工程設計、更有助于他們理解科學和工程的本質特征。

三、從“探究”到“實踐”——探究式教學法的繼承與發(fā)展

現(xiàn)代意義上的探究式教學源自于20世紀中葉，皮亞杰的發(fā)展心理學和杜威的“做中學”，以及布魯納的“發(fā)現(xiàn)學習”，直到施瓦布正式將其確立為科學教學的方法。發(fā)展至90年代，在美國的2061計劃和《國家科學教育標準》(1996)中明確采用探究式教學的方法，探究式教學逐步被認可并成為開展科學教育最有效的手段。在科學教育最近半個多世紀的發(fā)展過程中，從探究到實踐，雖然用詞不同，但其科學教育的內(nèi)涵和本質實則一脈相承，呈現(xiàn)出教育理念和方法的演變與發(fā)展。

(一) 演變之基礎

1. “實踐”離不開“探究”，都以實證研究為基礎

從“探究”到“實踐”，最讓人困惑的莫過于“有了實踐就不需要探究”的誤區(qū)。其實強調(diào)實踐并不意味著沒有探究，而是拓展了探究的內(nèi)涵，尤其是把工程設計的過程融入學習之中，用實踐涵蓋科學探究與工程設計的整個過程；也包括了在使用科學與工程思維過程中產(chǎn)生的實踐行為，如使用模型、分析數(shù)據(jù)、論證、獲取和評價信息等。

因此，在科學活動中，可以毫無疑義的采用探究式教學法，不同之處在于科學探究已不是單純的、僅在學科領域內(nèi)研究科學問題，而是會在與之密切相關的情境中，讓科學探究與工程實踐同時存在，并遵循以實證研究為基礎的基本原則。教師往往需要幫助學生理順何時需要進行科學探究，而何時需要采用工程過程解決問題。并且更加關注如何引導學生思考，將科學思維、計算思維、設計思維等運用于解決實際問題，同時促進學生參與到識別相關證據(jù)、進行判斷性推理和邏輯性推理并思考如何進行解釋和付諸于實際行動中。這一過程將更有利于學生理解科學原理、技術、工程設計和數(shù)學是如何整合在一起用于解決實際問題的。

2. 都屬于歸納式教學法，符合兒童的認知發(fā)展規(guī)律

歸納式教學是與傳統(tǒng)的演繹式教學相對應的教學法。演繹式教學法中教師從講述一般原理開始引入話題，再推導出數(shù)學模型，接著舉一些實例來說明模型的應用，再通過練習、訓練、作業(yè)等方式復習和鞏固。其過程中學生很少會思考為什么要這樣做，為什么用這種模型或方法，以及它還可以解決什么實際問題等；且學生的思維常常是在教師和教科書的牽引下展開，因而也被稱為“以教師或教科書為中心的教學”。與之相反，歸納式教學法不是從一般原理開始進行到應用，而是從具體事物出發(fā)，如一組有待解釋的現(xiàn)象或實驗數(shù)據(jù)、一個需要分析的案例或是一個有待解決的現(xiàn)實問題。學生若想要對數(shù)據(jù)、現(xiàn)象進行分析，或者想要解決問題，就必須把握事實、弄清楚原理、了解規(guī)則、直至執(zhí)行計劃、評估效果，在解決問題的過程中完成認知的構建與應用。可以說，探究式教育和STEM教育中采用的教學法從根本上都屬于歸納式教學法。

歸納式教學法是一個籠統(tǒng)的名稱，包括一系列的學習模式，如探究式學習、基于問題的學習、基于項目的學習、基于案例的教學、發(fā)現(xiàn)式學習等。它們的另一個共同之處是“以學生為中心”。歸納式教學法中學生是學習的主體，他們將對學習承擔更多的責任，并且都在建構主義學習觀之下遵循實現(xiàn)有效教育的一些原則，包括[14]：

? 教育活動應該從學生熟悉的內(nèi)容與經(jīng)歷出發(fā)，以便跟他們已有的知識結構聯(lián)系起來。

? 新的教學內(nèi)容應該與學生的“最近發(fā)展區(qū)”相適應，讓學生接觸一些批判性概念，螺旋式的、一步一步地改進和加深學生的認知模型。

? 教育活動應該要求學生自主填補知識空白，并延伸到教師提出的新內(nèi)容之中，即幫助學生不再事事依賴教師，而是有計劃地開展自我學習。

? 教育活動應該讓學生組成小組參與。

可見，“以學生為中心”的教學法以促進學習的真正發(fā)生為視角，更加關注學生學習過程的有效性，也更符合兒童認知發(fā)展的規(guī)律和需求。

3. “實踐”與“探究”的發(fā)展都不是孤立的，需要教學過程的促進

“探究”和“實踐”既可被看作為對過程的表征，代表學生開展科學研究和工程設計所經(jīng)歷的過程，也可被看作是對在此過程中所涉及的能力和方法的表征。公認的是：其一，這些能力都不是與生俱來的，需要在后天的學習中通過各種途徑得以發(fā)展；其二，這些能力的發(fā)展也不是孤立的，能力、知識、思維、方法等都在探究和實踐的過程中自然而然地綁定在一起，形成一個整體，幫助學生通過探究和實踐把知識與能力融匯貫通[8]。以此為基礎，探究式教育和STEM教育的教學過程中，必然呈現(xiàn)出過程與方法、技能與能力、概念與思維共同發(fā)展的態(tài)勢。教學內(nèi)容的選擇和活動過程的設計，也會從一定程度上促進這種態(tài)勢的形成，給學生各方面的發(fā)展提供空間。

(二) 演變之趨勢

1. 由單一學科領域發(fā)展為跨學科

以研究科學現(xiàn)象、探索科學原理為目的的科學領域學習活動中，探究式教學法往往聚焦在某一個具體的學科、具體的現(xiàn)象上，通過基于實證的科學探究過程開展探索。這有利于學生形成具體的學科素養(yǎng)，但卻缺乏學科間的打通，缺乏學科與解決真實復雜問題之間的聯(lián)系。

在開展基于STEM教育的學習活動時，則立足于某個現(xiàn)實問題或項目，以解決問題、尋求解釋和解決方案為目的?，F(xiàn)實問題或項目往往具有一定的復雜性，本身就可能涉及到不止一個學科，需要用到多個學科的知識或技能才能達成問題的解決。此時的探究式學習就有可能超越單一學科的局限，通過問題解決的過程自然而然結合多個學科領域。

可見，從單純的研究科學現(xiàn)象拓展到真實問題解決，學習活動目標的轉換，使得教學方法的側重面也發(fā)生著變化。雖然目標的維度具有較高的一致性，但目標的內(nèi)容、具體要求和復雜程度卻隨著跨學科特點的加入而發(fā)生深化，目標維度之間的關聯(lián)度也隨之提升?？梢哉f，從跨學科角度開展的科學探究教學比單純研究科學原理要復雜很多、深入很多，更符合21世紀對創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求。也就使得“跨學科”成為科學教育演變的必然趨勢。

2. 不斷發(fā)展的教學模式

探究式科學教育的學術用語是IBSE，即Inquiry-based Science Education，也被稱為基于探究的教學。在教育領域普遍認可了探究式科學教育的基本理念之后，圍繞科學探究的基本要素，從不同的側面開展研究，近半個世紀以來發(fā)展出多種探究式教學的模式和方法。

(1) 研究探究式教學的開放程度——多層次的探究式教學

對探究開放程度的關注出現(xiàn)于探究式教學發(fā)展的初期。美國課程學者施瓦布(Schwab)在倡導探究式教學時提出以開放的程度進行層次的劃分，層次越低，教師介入程度越高，學生開放程度則越低，反之則以學生為學習主體，教師介入程度降低[15]。以此逐漸形成探究式教學的四個層次：驗證性探究、結構性探究、引導性探究和開放性探究[16]。格爾曼(Germann)等學者根據(jù)學生提出問題和回答問題的獨立程度，將課堂探究分為四種不同水平的類型，從低到高依次為強化型探究、結構性探究、指導型探究和自由型探究[17]。但無論什么層次的探究，探究過程的基本要素和環(huán)節(jié)都是一致的，所不同的是教學中各要素和環(huán)節(jié)的開放程度。

多層次的探究教學尤其有助于教師對探究過程的把控，開放程度越高的探究，對學生和教師的能力要求越高，組織和輔助教學的難度也越大，因此在中小學的校內(nèi)教育中，大多數(shù)情況下使用的仍為結構性探究和引導性探究。而在校外教育中，受到各種條件的影響，驗證性探究和開放性探究都在一定程度上存在。當然，不同層次的探究并沒有優(yōu)劣之分，可根據(jù)教學的內(nèi)容、目標、探究過程進行合理的選擇。

(2) 研究探究式教學的過程——5E學習環(huán)理論/6E設計型學習模式

學習環(huán)是發(fā)展于20世紀五六十年代的探究式教學模式，其中以美國生物學課程研究組織(Biological Sciences Curriculum Study, BSCS)的研究者畢比(Bybee)等開發(fā)的5E學習環(huán)模式最具有代表性。依據(jù)5E學習環(huán)理論，探究式教學過程可劃分為五個階段：吸引、探索、解釋、深化和評價，其具體內(nèi)涵見表2[18]。

表2 5E學習環(huán)各階段的內(nèi)涵

5E學習環(huán)拓展了科學探索的一般理解，從學習和教學的角度完善探究式教學法的要素，從而形成一個更為完整的教育過程，突顯出探究式教學從建構新知到運用新知的教育目的。5E教學法還強調(diào)學生的主體地位，其核心是學生的探究活動，并在整個教學活動中注重學生探究技能的形成與發(fā)展。

從表2的描述中不難看出，5E教學法尤其關注學生在新舊概念之間的有效銜接和有機建構。在5E教學模式下，學生擁有更多審視自身學習方法和學習效果的機會，通過不斷地自我剖析與改進，達到提升自身綜合技能的目標。學習環(huán)的整個過程，就是錯誤概念不斷更新為正確概念、利用已有概念進行新概念構建的過程，正是在這種不斷構建與完善的過程中，學生的學科思維得以擴散、科學概念得以更新，從而實現(xiàn)新舊認知的交替與革新。

近年來STEM教育的興起促進了工程教育與科學教育的融合，美國國際技術與工程教育學會于2014年在5E學習環(huán)理論基礎上提出了6E設計性學習模式(Learning by Design Model)，并將其作為落實STEM教育的活動模式。6E模式包括六個階段，即為吸引、探究、解釋、工程、深化和評價[19]。顯然，6E模式整合了科學探究與工程設計，更加重視學生在類似于現(xiàn)實工程項目的真實情境中，主動完成科學探究活動和自主的設計環(huán)節(jié)，以培養(yǎng)學生的問題解決和創(chuàng)新能力。

(3) 側重模型建構對探究的影響——基于模型的探究

基于模型的探究(Models-based Inquiry, MBI)是由溫德希特爾、湯普森和布拉登于2008年提出的一種探究式教學模式，采用將建模教學與探究教學相結合的教學模式，注重讓學生在探究活動中通過構建和修正科學模型來理解和預測自然界的科學規(guī)律[20]。MBI教學模式包括明確研究對象、提出問題、生成假設、查找證據(jù)以測試模型、建立論證修訂模型等環(huán)節(jié)。溫德希特爾指出這五個環(huán)節(jié)并非要按照順序進行，在探究過程中五個環(huán)節(jié)不斷循環(huán)或延伸。模型是MBI教學模式的關鍵，首先需要有一個初始模型作為學生探究的基礎框架；強調(diào)依據(jù)證據(jù)來對模型即相關事物的發(fā)生發(fā)展過程進行解釋和論證；數(shù)據(jù)的來源是多樣化的，可以來自于觀察、實驗或模型本身；最終所構建的模型可以對未知事物進行預測和解釋。

圖2是基于模型的探究學習的過程[21]。圖中顯示MBI始于一個廣泛的學習情境，展現(xiàn)出與學生已有經(jīng)驗相關聯(lián)的科學現(xiàn)象；學生根據(jù)該情境以及自身已有的經(jīng)驗，描述現(xiàn)象并提供一個能夠解釋現(xiàn)象的模型結構，提出一個具有模型內(nèi)涵的問題；接著依據(jù)模型假設變量之間的關系，不同于簡單的預測，學生需要設計進行比較研究的假設和模型；有了假設之后，通過可控的和非可控的實驗，收集相關信息、分析數(shù)據(jù)，從模型出發(fā)與數(shù)據(jù)進行對比，檢驗之前的假設；最后對所研究的現(xiàn)象做較為深入的論述，根據(jù)實證獲得的數(shù)據(jù)，得出對所研究現(xiàn)象的解釋，認識到還可能有其他的解釋，說明如何根據(jù)實證需要修正原先提出的模型。

圖2 基于模型的探究學習過程

MBI教學模式將探究與建?；顒诱显谝黄?，從而能夠發(fā)揮其最大的教育價值。其核心思想在于學生像科學家一樣，在科學實驗探究的過程中，利用收集到的不同數(shù)據(jù)，創(chuàng)建新的模型或者修改原有的模型來表達對不同科學現(xiàn)象或者過程的理解[22]。從而在這個過程中，達到對科學知識的深層次認知，掌握科學探究的基本技能。

那么MBI適合于什么年級的學生呢？針對這個問題，《框架》中認為建模從最早的年級就可以開始，這時的模型是具體的“圖畫”和實物比例模型，到了較高的年級，學生的模型逐漸發(fā)展為更加抽象的對相關關系的表征。教學中需要鼓勵所有年級的學生用模型表示探究過程中的發(fā)現(xiàn)，建構模型對所發(fā)生的現(xiàn)象進行解釋[8]。

(4) 關注實證思維的培養(yǎng)——論證式探究(Argument-driven Inquiry, ADI)

論證是引用證據(jù)來說明事理的過程[23]。在自然科學領域，論證是基于證據(jù)說服同行，以證明某一或某些科學觀點的過程；在工程技術領域，論證是基于證據(jù)，檢驗解決問題方案是否可行的過程；認知心理學者庫恩(D.Kuhn)則認為：論證是一個認知過程，在各種不同觀點的相互論辯的過程中，產(chǎn)生認知的沖突，促進思維的發(fā)展[24]。且早在1958年，就有了著名的圖爾敏論證模型，包括主張、數(shù)據(jù)、理由、支持因素、反駁和限定條件六個成分[25]。

雖然論證在科學研究中的作用早已為人所知，但直至2010年，才由桑普森等人提出論證式探究的教學模式[26]。該模型將科學論證環(huán)節(jié)整合到探究過程中而形成的探究式教學的一種模式，促使學生經(jīng)歷類似科學研究過程中的論證，并以此提升學生的科學思維能力和水平。論證式教學的研究者大多以圖爾敏的論證模型為基礎，發(fā)展出各自對論證式教學的解釋。

值得一提的是，《美國新一代科學教育標準》(2013)將“基于證據(jù)的論證”作為“科學與工程實踐”之一，并在標準中給出了不同階段該實踐的發(fā)展進程。我國2020年修訂的普通高中課程標準中，在物理、化學、生物等課程的學科核心素養(yǎng)的描述中都關注到論證的作用。且在高中《生物》課標中“形成科學思維的習慣，能夠運用已有的生物學知識、證據(jù)和邏輯對生物學議題進行思考或展開論證”被確定為課程目標的內(nèi)容之一?？梢?，論證式探究教學模式也已被認可為探究式教學的重要模式之一。

(5) 研究真實情境下的探究——項目化學習(Project-based Learning)

項目化學習(PBL)源于醫(yī)學院的教育方法，其核心包括組織和推進活動的真實問題以及所形成的問題解決方案。它符合建構主義與學習科學的理論發(fā)展，故而使其在醫(yī)學、教育、管理、經(jīng)濟等領域獲得了廣泛的認同和推崇[27]。隨著STEM教育的出現(xiàn)，將科學探究與工程實踐統(tǒng)一之后，基于項目的學習被越來越多的運用于科學教育之中。

巴克教育研究所給出了較為公認的PBL的定義：基于項目的學習是一種教學法，可使學生在一段時間內(nèi)通過研究并應對一個真實的、有吸引力的和復雜的問題、課題或挑戰(zhàn)，從而掌握重點知識和技能。該研究所還提出有關高質量PBL的黃金準則，包括七個基本的項目設計要素和七個基于項目的教學實踐[28](見表3)。

表3 高質量PBL的黃金準則

我國學者夏雪梅在開展理論與實踐研究之后，針對我國實際提出了核心素養(yǎng)視角下的PBL，即學生在一段時間內(nèi)對與學科或跨學科有關的驅動型問題進行深入持續(xù)的探索，在調(diào)動所有知識、能力、品質等創(chuàng)造性解決新問題、形成公開成果中，形成對核心知識和學習歷程的深刻理解，并能夠在新情境中進行遷移[27]。由此可見，PBL與上述科學探究教學法所不同的在于真實情境的創(chuàng)設和引入。這必然使項目呈現(xiàn)一定的復雜性，學生需要面對這樣的復雜性，進行分析和推理，運用高階思維，學習解決復雜問題的方法，從而提升其綜合素質與能力。

四、結語

以上所分析的多種探究式教學法，各有千秋，各有側重，且都是在探究式教學發(fā)展歷程中備受關注和使用范圍較廣的教學方法。他們體現(xiàn)了“探究”和“實踐”作為符合人類認知和心理發(fā)展的學習模式，適用于任何深度和廣度的學習過程，其本質并非簡單的“動手做”，也非不著邊際的“頭腦風暴”，而是將學、做、思緊密結合，腳踏實地地對所需要研究和解決的具體問題開展探索與分析，以發(fā)展學生的核心知識、技能和高階思維能力。另一個可見的共同點是都“以學生為中心”，更關注學生學習的過程，而非教師教的過程，學生的能動性對這些教學法的成功都有著至關重要的作用。

值得注意的是，在對上述探究式教學法的分析中，并沒有刻意區(qū)分正式教育與非正式教育、校內(nèi)教育與校外教育，這是因為無論是正式的還是非正式的教育，其教育的目的、教學的原理、學習的方式、師生的互動等都是共通的，所不同的是場域、資源、形式、時間等，而這些外部條件并不會構成探究式教育本質屬性的改變。在科技博物館中，各類展品大多可以成為開展探究的對象、工具或產(chǎn)物，且展品中還蘊藏著豐富的科技探究與實踐的信息，如“學科核心概念”被發(fā)現(xiàn)的過程與方法的信息、科學家和工程師運用或體現(xiàn)“跨學科概念”的信息等。因此，對于科技博物館的教育工作者而言，在設計和實施探究活動時，理解探究與實踐的本質比生搬硬套其過程更為重要，通過對展品觀察、操作、體驗、探究的過程，復制、還原出真實的科技探究實踐，以幫助學習者通過“基于實物的體驗”和“基于實踐的探究”加深對“學科核心概念”和“跨學科概念”的理解、加深對探究和科學本質的理解?？梢哉f，科技博物館所特有的這些教育資源和特征，是開展探究式科學教育的獨特優(yōu)勢，也是學校和其它社會教育機構所稀缺的，有效地挖掘其符合探究式教學內(nèi)涵之處，才能更好地發(fā)揮其在科學教育中的價值和作用。

從“探究”到“實踐”，再展望未來，或許在新技術層出不窮之后，還會有更多新的探究式教學方法出現(xiàn)，這些方法也會越來越普適，被更多領域所采用，但“以學生為中心開展探索與研究，以促進其全面發(fā)展”的內(nèi)涵和特征相信仍會得以延續(xù)和發(fā)展。