思维型科学探究教学的理论建构

作者：胡卫平等

科学探究起源于20世纪初叶，历经百年发展，在当今世界各国的学校教育中占有非常重要的地位。当前，我国的科学探究教学仍囿于对学生操作能力的培养，忽视学生的思维发展，造成学生解决复杂问题的能力不足。究其根源，在于教师和学生对科学探究存在一定的误解。大部分教师将科学探究看作一种提供自然现象解释的教学手段，而学生则将其理解为一套标准化的操作程序，专注于探究过程中操作性技能的掌握。

把握科学探究的本质，需要对科学探究提出的初衷、发展和内涵进行深度解读。本文将通过对科学探究内涵的历史梳理和本质剖析，阐述科学探究提出的初衷及其核心特征。基于当代学习理论和国际科学教育改革趋势，找到突破科学探究教学困境的关键，提出思维型科学探究的教学模型，以推进科学探究教学的实践革新。

一、科学探究的历史回溯与本质剖析

（一）科学探究的历史回溯

受社会发展背景和科学教育价值观的影响，不同历史时期的教育工作者对科学探究的理解有所不同。目前，关于科学探究的内涵理解可以分为以下三种。

观点一是将科学探究视为一种教学方法，认为教师应引导学生通过收集和分析证据等过程来自主建构科学解释。19世纪末，科学教育以促进个体的发展为主要目标。为了有效地培养学生的思维能力，使其成为有思想的独立公民，赫胥黎、斯宾塞等人首次提出了探究式教学的理念。20世纪上半叶，科学教育价值观转向实用价值与人文价值并重。由此，探究式教学开始注重在社会问题和项目背景下教给学生科学的思维方式。自20世纪中叶开始，科学教育以培养科学精英为宗旨，这一时期的教育工作者期望学生能通过探究式教学学会以严谨的思维方式来理解科学内容和方法之间的联系。

观点二是将科学探究视为一种学习过程，强调学习者作为科学探究的主体，在学习活动中主动形成科学观念，理解科学本质。这一观点产生于20世纪80年代。当时，建构主义理论的兴起使人们开始关注学生在学习过程中的主体地位，科学探究也因此作为学生的学习过程开始受到关注。这一时期，科学教育领域出现了很多关于科学探究学习路径和内容的研究。

观点三是将科学探究视为一种育人目标，强调科学教育要培养学生的科学探究能力，加深学生对科学探究本质的理解。进入21世纪以来，全球各国都提出以核心素养作为人才培养的主要目标，体现了当前科学教育同时关注人的发展本位和社会发展本位。科学探究作为素养培养的首要目标出现在各国的课程标准中。教育研究者强调让学生感受和理解科学探究的过程和本质，培养科学探究所需的关键能力，进而形成并运用科学的思维方式解决日常生活中的问题，以改善生活质量。

（二）科学探究的本质剖析

如前所述，科学教育领域提出科学探究的初衷是以科学探究教学来达到训练学生思维之目的。随着不同时期教育价值观的转变，教育研究者虽从不同视角阐释了科学探究的内涵，但都将思维视为科学探究的核心。为此，我们需要从不同维度进一步分析思维与科学探究的关系。

 一是从过程来看，科学探究本质上是一种复杂的教与学活动，是由行为、思维和情感活动交互构成的发现新的因果关系的循环过程。在科学探究过程中，教师需要激活并维持学生的思维和情感活动，使学生产生强烈的求知欲，主动参与到与科学家相似的思维活动中，完成数据分析、建构科学解释等一系列逻辑上相连的实践行为。因此，思维活动是科学探究教与学的核心。

二是从目标来看，科学探究即学生在探究过程中发展起来的科学探究能力，以及学生对科学探究的理解。科学思维是促进学生科学探究能力发展，加深学生对科学探究理解的关键。例如，科学探究能力中的“数据分析”涉及科学推理和模型建构能力，“表达交流”涉及科学论证能力。

由此可见，无论是作为教与学的活动过程，还是作为育人目标，科学探究都以科学思维为核心。迄今为止，实际的科学探究教学仍然简单地聚焦操作技能训练。思维能力培养的不足导致学生无法真正理解科学探究的本质，无法灵活解决现实情境中的真实问题。为此，我们必须了解如何在科学探究教学中激发学生的积极思维，培养学生的思维能力，从而全面发展学生的核心素养。

二、当代学习理论和国际科学教育改革趋势

学习理论解释了个体发展的特征及规律，能够为教学实践提供一套行之有效的科学指导。科学教育必须同时满足个人发展和社会发展的需求。因此，分析当代不同学习理论的形成与发展以及当前国际科学教育改革趋势，可以为科学探究教学改革提供借鉴与指导。

第一，科学教育的核心目标是促进高阶思维能力的发展。从教育改革趋势来看，当前的社会环境变化和发展导致课堂教学的目标已经由传统的信息传递转变为高阶思维培养。从理论视角来看，只有当教学干预与学生思维发展相一致时才能达到有效教学的目的；只有学生形成了科学的思维，才能将科学观念和实践能力相结合以达到解决问题的目的。

第二，创设能够激发学生认知冲突的情境，促进学生主动学习。无论是早期的实用主义教育思想，还是当前占据主流的建构主义思想，均强调学习者在学习过程中主动构建自己对周围世界的理解。主动性产生的核心在于思维的激发，而思维又根植于情境中。基于此，赫尔巴特和杜威等人都提出要在学习过程中创造一个可以激发人们思维的情境作为学习的起点。皮亚杰和布鲁纳等人则进一步指出学生意识到自己思维上产生的冲突是促使其主动进行思维活动的必要条件。因此，创设激活学生思维的学习情境的关键是产生认知冲突。

第三，强调自我监控在学习过程中的关键作用，注重元认知能力的培养。随着学习科学研究的不断深入，认知研究领域和新行为主义都开始关注自我监控在学习过程中的重要作用，认为自我监控能够使个人的认知和行为系统地指向学习目标的实现。对各种认知的监控则是通过元认知、行为及任务之间的互动来实现的。因此，科学教育领域越来越关注学习过程中元认知能力的掌握，即学生能概括并描述他何时、为何以及如何使用了哪些思维过程。

第四，强调合作问题解决能力在适应社会发展中的必要性，重视合作学习过程中思维互动的核心作用。从20世纪70年代开始，合作学习由于能够激发不同个体之间的思维碰撞、促使学生思维活动外显化，受到了学校教育的关注。进入21世纪以来，随着复杂的社会性问题的不断出现，人们越来越重视由具备不同专业知识的人来合作解决这些复杂的问题。因此，面向个体发展和社会发展的现实需求，科学教育领域对合作学习的关注与日俱增。然而，富有成效的合作要求学生参与到彼此的思维活动中，只有具备批判性思维，才能不断改进和提升合作学习的质量。

第五，建构思维能力的学习进阶模型，强调个体思维发展的连续性和递进性。学习进阶作为一系列连续的且相互关联的认知模型，是关于学生的思维如何随着时间发展的假设，对课程设计、教学实践以及评价体系建立都具有指导性的作用。从早期的学习理论到当前的建构主义理论都指出，学习者的认知结构是不断发展变化的，学习在本质上是一个从直觉思维向科学思维不断发展的进阶过程。

从繁杂的学习理论和不同的改革趋势中可以发现，思维是教与学的核心，是学生核心素养整体发展的基础。科学探究教学的改革，归根结底是在探究过程中激发学生的思维，实现知识与能力之间、不同学科之间、不同发展阶段之间的衔接和整合，最终促进学生核心素养的协调发展。

三、思维型科学探究教学改革的基本原则

结合前文分析，基于思维型课堂教学理论，以动机激发、认知冲突、自主建构、自我监控、应用迁移为基础，提出思维型科学探究教学的理论模型，以解决当前科学探究教学中忽视学生思维发展的关键问题。

第一，以思维能力的培养为核心，引领核心素养的协调发展。面对技术的快速发展以及全球化带来的威胁和挑战，当前社会更加强调培养学生的创造力以及科学的思维习惯；当代人才必须理解科学观念，掌握科学的思维方法，具备探究实践能力，形成科学的态度与责任感，发展解决复杂问题必备的核心素养。思维是衔接不同维度素养的核心，多维素养的发展需要以思维的发展为基础。因此，应当以思维培养为核心目标，辐射其他素养的发展，以此来整合多维素养的协同发展。

第二，创设能够引起学生认知冲突的教学情境，激发学生的学习动机，引发学生的积极思维。积极思维的前提条件是具有良好的思维环境。教学情境的创设是帮助学生理解科学知识及其应用规范、激发学习动机、主动进行科学探究的先决条件。因此，科学探究教学应注意创设问题情境，引发学生的认知冲突，从而使学生明确教学活动的目标，激发其积极主动的思维。

第三，灵活协同自主学习与合作学习，支撑探究过程中学生的自主建构。科学探究是个体为所学知识建构意义的积极过程，包括认知建构（个人建构）和社会建构。为了帮助学生完成自主建构，教师一方面需要激发学生进行独立的高层次思维活动，确保每个学生都参与到科学探究的过程中；另一方面需要创设有利于学生合作交流的社会文化环境，促使学生通过与他人交流来建构社会意义，丰富自己的理解，发展现代人才必备的合作素养。

第四，通过应用迁移加深学生对知识的理解，培养学生良好的科学情感、态度与价值观。从知识形成机制的视角来看，新旧知识的联系过程实际上也是旧知识的应用和迁移过程；学习的迁移过程是知识相互作用、逐渐整合的过程。从学习结果的视角来看，核心素养强调在真实情境中解决复杂的问题。因此，要真正达到发展核心素养的目的，教师必须帮助学生学会如何将科学探究过程中学到的知识、方法和态度迁移应用到真实情境和其他领域中。

第五，以学生的思维进阶为理论依据，科学系统地促进学生的发展。当前关于学习进阶的研究主要包括两个方面：核心概念的学习进阶和科学思维能力的进阶。因此，学习进阶理论模型可以帮助教师了解学生对某个核心概念的理解如何由简单向复杂不断发展，明确如何在最近发展区内创设学习情境，从而有效合理地激发学生的认知冲突；能够为教师在教学过程中整合跨学科概念、协调多元能力的发展提供理论指导；还可用于指导科学探究教学的评估，帮助教师判断学生的学习结果是否达到了预期。

四、思维型科学探究教学的基本模式

（一）思维型科学探究的教学目标

在思维型科学探究过程中，我们期望学生能够在开放民主的学习环境中，通过参与探究实践，学会使用科学语言与他人进行交流，感受到个人需求、兴趣、价值观和经验可以在探究实践中得到表达，从而主动建构科学探究的意义，自主完成并理解科学探究的过程，进而实现核心素养的全面发展。具体的培养目标包含科学观念、科学思维、探究实践、态度责任四个方面。

1.科学观念

学生能够在科学探究过程中理解科学的本质，生成关于客观事物的本质及规律的观点与见解；能够形成学科观念与跨学科观念，并将其应用于科学现象的解释与实际问题的解决。

2.科学思维

学生能够掌握分析、综合、分类、比较、概括等抽象思维方法，空间认知、想象、联想等形象思维方法和发散、迁移、重组等创造性思维方法，并将其合理地应用于科学学习过程；能够基于经验事实抽象概括出理想模型，发展模型建构能力；能够运用推理与论证提出问题、作出假设、建构解释，发展推理论证能力；能够批判地看待不同观点和结论，通过不断检验和修正提出创造性见解，发展创新思维能力。

3.探究实践

通过亲身参与科学探究，学生能够形成科学探究的意识，理解科学探究的本质；具备制订计划、收集证据、处理信息、得出结论、表达交流和反思评价等科学探究能力；能够学会设定学习目标，计划、监控并调整自己的学习过程，发展自主学习能力。

 4.态度责任

学生能够对科学持有积极的态度，保有对自然世界的好奇心；以批判的眼光看待权威知识，敢于质疑、勇于探究、善于创新、乐于合作、积极分享；形成热爱自然、珍惜生命、保护环境、节约资源的社会责任感；能综合考虑社会责任、伦理道德、公共规范与法律法规等，对社会性科学问题作出正确的价值判断。

上述四方面素养相互依存，共同构成一个完整的体系。科学观念作为科学本质属性的集中体现，是其他素养发展的基础；科学思维作为科学探究所需的关键能力与核心思维方式，是素养发展的核心；探究实践不仅是学生通过科学探究形成的关键能力与对科学探究的本质理解，也是其他素养发展的关键途径；态度责任是在探究实践和科学思维支撑下科学观念内化形成的品格，是社会主义核心价值观的集中体现。

（二）思维型科学探究的基本过程

在探究过程中，学生的主要任务如下：在情境中产生并明确问题，围绕问题作出假设，制订调查计划、收集证据、处理信息、得出结论、表达交流、反思评价、应用迁移。这些过程不是一套死板的步骤和线性方法，而是一种以科学的思维方式连接起来的探究活动，具有很强的灵活性。教师的主要作用是为学生创设学习情境，在探究过程中精选和设计学习材料，为学生搭建“脚手架”以引导其达成学习目标。

1.情境创设与问题提出

情境创设的目的是使学生能够联系已有知识和经验去解决问题，鼓励学生独立思考、挑战权威、合作互动，形成主动学习、积极参与的教学氛围。情境创设应满足以下三点要求。首先，情境应与学生的生活背景相关联，能引起学生的学习兴趣，激发学生学习的内在动机。其次，情境应围绕教学内容进行创设，贴合学生的最近发展区。最后，情境应能够引起学生的认知冲突，以便激发学生的积极思维，促使其提出问题。

提出问题是学生感知情境，进行科学探究的导入阶段。在这一阶段，学生主要通过观察科学现象，将其与相关科学概念进行联想以激活先验知识；结合对现象或环境中变量间关系的分析，通过发散性思维从多个视角提出不同的问题；比较和区分所提问题的可行性，进一步确定自己的研究问题，明晰学习目标。概言之，学生需要通过观察、联想、比较、类比、分析、发散等思维方式抽取、识别和明确可探究的科学问题。

对中小学生尤其是低年级学生而言，独立自主地提出、鉴别和区分可调查的科学问题存在一定困难。因此，教师需要根据情境与学生生活的相关性提供辅助材料，帮助学生感知情境蕴含的实际价值，建构学习的意义；关注学生如何提出问题，帮助他们对所提问题进行聚焦和转化，引导学生发现和归纳可调查的科学问题的特征。

2.作出假设并制订计划

作出假设是基于研究问题提出假设的过程，其目的是阐明变量之间的关系。学生需要通过因果推理、类比推理、演绎推理等逻辑思维，在已具备的科学观念基础上，提出可验证的假设，通过不断测试和修正假设来构建知识。

为了对假设进行证实或证伪，学生需要综合利用联想、发散、重组和辩证等多种思维方式制订调查计划，以便在后续探究过程中合理地分配时间、材料等资源。制订计划时，学生需要考虑五个方面的基本内容：明确信息需求，确定调查的类型；明确控制和操作变量；设计具体的实验步骤；选择合适的测量方法和数据记录方案；明确使用何种元认知策略有计划地监控和评价自己的学习过程。

3.收集证据与信息处理

在计划实施的初始阶段，学生使用不同的调查手段和工具，借助观察、发散、比较、分析、综合等思维方式收集证据。利用发散思维，从类型、收集方式等多维视角考虑证据的收集；基于比较、分析、综合等思维方式，对证据的准确性和可靠性及其对主张支持的切合性和充足性进行综合评估。

信息处理是信息的加工编码阶段，涉及使用分析、综合、推理等思维方式对信息进行选取、表征（可视化或文字化）、协调和存储。具体而言，学生需要使用图表等统计分析工具来理解数据，查找数据中隐含的相关关系和因果关系；利用类比推理、编码等信息处理能力，获取、协调和存储观察到的现象和数据。

在这一阶段，教师需要引导学生进行有目的、有计划的观察，向他们介绍数据处理方式和策略，帮助他们学会对数据信息进行加工。

4.得出结论与表达交流

得出结论主要是为了建立证据和主张之间的联系，阐释探究的基本结论。学生需要对实验现象、数据和相关文本信息进行推理；通过分析和综合多元因果关系进行假设检验和修正；考虑最初的研究问题或假设是否得到了研究结果的回答或支持。为此，学生通常需要在科学推理的基础上，从收集的信息中得出某现象如何发生或为什么发生的合理解释；基于批判性思维，比较和分析不同的观点、解释与证据，进一步评估和修正自己在调查过程中建构的解释。

表达交流是一个合作学习的探究过程，包括明确地与他人分享自己的证据和观点；通过与他人交流和辩驳来捍卫自己的观点。实际上，促进学生使用科学语言进行表达交流主要有两个方面的目的：一是让学生将自己的探究结果进行抽象概括，从而简洁明了地使用科学语言与他人分享自己的观察和解释，明确地表达自己的主张，并阐明自己的证据如何支持自己的主张；二是让学生基于批判性思维对他人的解释和主张进行提问、批判地评估他人的证据、识别他人的错误推理。

在这一阶段，教师的作用是组织学生通过合作交流来构建对科学观念和科学探究的理解；引导和帮助学生辩证地从正反两方面看待同伴的观点和意见，明白不同观点是个体对问题生成的不同理解；帮助学生学会通过协作来找到最佳的问题解释或解决方案。

5.总结反思与应用迁移

在一个探究周期完成之后，学生需要从背景知识出发，联系学习目标，以严谨的态度系统地对探究过程进行批判性回顾；以分析、比较、概括等思维方法为基础，对探究过程进行反思和自我评价，同时为下一轮科学探究提出新的问题。通过总结反思，学生能获取对知识的深层次和概括性理解，有效防止科学探究被局限为操作性步骤的执行。

在一个探究周期完成之后，教师还应该为学生创建一个新的相关情境，以便他们将原有探究过程中形成的科学思维、实践能力、科学观念、科学态度与价值观应用到新的情境中。在创建迁移情境时，教师需要明确连接新旧情境的相关内容具体包括哪些方面，预估学生能够在多大程度上将先前的经验迁移到新的情境中。

（三）思维型科学探究的教学评价

教学评价对于改进和优化教学具有至关重要的作用。由于思维型科学探究教学具有目标多维性和过程复杂性的特征，应建立一个主体多元、方法多样、内容全面的综合评价体系。教学评价要重视学生的关键能力和必备品格，全面考查学生的科学观念、科学思维、探究实践、态度责任等素养的发展；充分激发教师、学生、家长等参与评价的主动性与积极性，促进教学质量的提升；综合利用诊断性评价、过程性评价和总结性评价，满足不同教学阶段的需求。

在教学开始前，教师可通过诊断性评价了解学生已经掌握的知识、感兴趣的话题以及所处的能力水平，以便创设良好的教学情境，设置适当的问题情境，激发学生积极的学习情感和态度。

科学探究是一个灵活的过程，涉及某些活动的迭代循环和结论的不断修订，学生的学习内容、使用的方法以及采取的问题解决方案都具有开放性。因此，教学实施阶段的评价以过程性评价为主，一方面帮助学生实时监控自己阶段性目标的完成情况，提供即时反馈，指导下一步学习，从而帮助和推动学生达成最终的学习目标；另一方面协助教师监控学生的学习表现，以便及时为学生提供学习指导与帮助。评估方式包括教师评估、同伴互评以及学生自评。评估内容包括学生的表现和教师提供的“脚手架”的有效性。

在科学探究教学结束后，可通过总结性评价了解学生对总体学习目标的掌握程度，为判断教学有效性和改进教学提供依据。总结性评价不是传统的碎片化的知识测试，应该从多个维度设计评价细目表，全面评价学生的素养发展水平。

详见人大复印报刊资料《素质教育》2021年第10期