对科学教育的思考

说明：本文依据若干关于科学教育的论述选编而成。文章的题目是由编者确定的。                 

                      刘绍江  编

 五个最新的学习概念

在过去的三十年中，由于研究工作的推进，已在有关学习的五个领域内产生了新的概念。作为有关人类学习的新信息的积累成果，对"有效的学习是如何进展的"这一问题的观点，已由"受益于勤奋练习"转变为"学生对知识的理解与应用"。

　　1． 记忆与知识结构　对于记忆的理解已经超出了简单的联想范畴；许多研究描述了知识及其内涵的结构。对学习者如何形成信息的相连贯的结构的了解，在理解被组织的知识的本质时是极其有用的，而这种被组织的知识通常潜藏在有效的理解与思考之下。

　　2． 对问题求解与推理的分析　对专家学习的基础研究是影响当代学习理论最为重要的因素之一。学习理论现在可以解释学习者如何获取探求问题的技能，并将这些通用的策略应用于许多问题求解的情境。在学习解决问题的技能方面，初学者与在特定领域的专家之间，存在着明显区别。

3． 早期的基础　为在被控制的研究环境中获取婴幼儿的反应，发展起来的创造性的元认知论，对早期学习做了大量的阐释。对婴幼儿和儿童的科学研究，揭示了儿童的学习倾向与他们组织协调信息、推理及发现解决问题的策略等能力之间的关联。因此，教育者们开始重新思考儿童自身能力的重要性。这种能力的发展得益于学校学习的种种机会。

　　4． 元认知过程与自我调节能力　个人可以被教会调节自己的行为，这些持续的活动使个人内、外部的行为的控制成为可能。这些活动中包含如下策略：预测结果，计划，分配时间，为改进理解的自我解释，注出错误便于领会，激活背景知识等。　

5．文化经历与社区参与　参与社会实践是学习的一项基本形式。学习包括适当地协调约束与应变、限制与可能，这些都包括在社区实践中。社会规范重视对理解的探寻过程，这促进了学习。早期学习得益于家庭与社会环境的支持，并贯穿在由成人和孩子共同参予的活动中。这些活动有效地为儿童提供了对文化规范的建构和理解，这一过程发生在孩子入学之前相当长的时期内。

专家的行为

可以肯定，专家们形成了有效地思考和推理的独特方式。理解专家是重要的，它为洞察思考和问题求解的本质提供了视角。它不仅是诸如记忆或智力这样一般的能力，也不是区分专家与初学者的一般策略的运用。相反，专家们获得了广泛的知识，这些知识影响他们的注意力，影响他们组织、陈述和解释周围环境中信息的方式，依次又影响了他们记忆、推理与解决问题的能力。

对在国际象棋、物理学、数学、电子学与历史领域内发展了专门技能的人的研究得出了关键的科学发现，这些研究之所以重要不是因为所有上学的孩子都被期望成为以上或其它领域的专家，而是由于对专家的研究表明了成功学习的结果应该是这样的。

主要结论：
　　专家们注意信息的特征和富有意义的模式，而初学者不注意这些；
　　专家们获得的极其丰富的知识是有组织的，他们对于信息的组织反映出对事物 的深入理解；
　　专家们的知识，不能被简化成孤立的事实或命题组，相反，它们具有适用性，也就是说，它是被“条件化”了的；
　　专家们能够毫不费力地捡回知识中的重要特征；
　　尽管专家们详细地了解自己的学科，但这并不保证他们能就此话题指导他人；
　　专家在进入新情境时具有不同层次的灵活性。

我们到底为什么需要科技？

激光外科手术、来自火星陨石上的生命体、电缆电视、互联网、基因疗法、传真，所有以上这些都是我们这个时代的标志，它们代表了20世纪后期的科学技术革命。科技已经不可避免地改变了我们的工作方式、交流方式以及我们审视世界的角度。
　　作为成年人，我们可以回忆起曾有一段时间——其实并不是很久以前——那时我们的家园和各行各业都同现在大不相同。在19世纪60年代后期，商店里还没有电话答录机和录像机，可是现在它们无所不在。在19世纪80年代，有些办公室刚刚开始使用计算机，而今天，不仅所有的办公室职员都有了自己的“电脑”，而且很多“电脑”都是国际互联网的组成部分，这就意味着人们可以轻易获得无穷无尽的信息、精美的图片、迷人的动画。科技已经改变了我们的生活。
　　计算机技术也使工业发生了革命性的变化。汽车制造厂依靠全自动系统来干过去需要几百个工人才能干的活。同过去的工人相比，新一代的工人需要完全不同的技术才能胜任工作。农业同样受到了科技的影响。通过使用基因工程技术，科学家和农民们正携手开发新一代的更高产、长势更旺、更能抵抗病虫害的作物。
    如今，想要找到一个不需要科技知识的工作岗位是很困难的。就拿你住所附近的学校来说吧，就在此刻，学校餐厅的大师傅可能就在用电子邮件给送货商发学校午餐定单。学校看大门的师傅可能正在参加一个学习班，以掌握学校新引进的高科技保安系统的使用方法。学校的行政助理可能正在用传真将新生的免疫记录发往学校中心办公室以加快新生注册入学的速度。你孩子的老师可能正在使用学校的计算机网络系统查看成绩报告，而学校的校长可能正在查看即将召开的校务会议的议程。
　　在过去的20年中，科技已经日益成为我们日常生活的一个组成部分。25年前，如果一个孩子在踢足球时摔伤了膝盖，家长会带他到急诊室去拍X光片；今天，医生会建议使用“磁共振成像”技术，如果家长对相应的设备和技术有一定了解的话，就可以尽快决定使用哪种手段。

　　 不管是在家里，还是在办公室，我们中的很多人都在尽力挣扎着以赶上快速发展的科技，但我们的孩子却不能无备而战。他们必须做好充足的准备，才能在一个变化日趋迅猛、竞争日趋激烈的世界中成为一个合格的公民、职工和家庭成员。

良好的科技教学可以转败为胜

提高学生学习质量的关键在于有没有谆谆善诱的老师教导。这世界上难道还有什么别的事能比看到一只小鸡从壳中孵出更能让一个孩子激动吗？有什么别的事能比在显微镜下看到微生物并发现它们不可思议的结构更能让一个稍大点儿的学生激动吗？从这个良好的开端出发，老师可以帮助学生学习生物如何才能维持生命，告诉他们如果生物必须的养分被剥夺的话会发生什么，进而可以逐步培养学生对于生命的尊重。也许科技教育最重要的作用在于保持学生对大千世界的好奇和敬畏，这种好奇和敬畏来自于学生对自然世界和技术世界的探索和理解。因为科技教育能使一个学生的人生发生本质的变化，所以科技教育应该作为学校教育中的一个重要组成部分。如果科技教育进行的好并且学生也学得很投入的话，科技教育可以让学生的求知欲长青不败。

　　关于NAEP考试的情况：NAEP结果显示，在4年级学生中，只有14%的人知道并能解释人在盐水中比人在淡水中更容易上浮。在8年级学生中，只有10%的人知道为什么吃了在太阳下晒过的用蛋黄酱调制的土豆色拉会导致食物中毒。在12年级学生中，只有26%的人知道如何使用一个筛子、一块磁铁、一杯水、一个过滤器来分离由小钢球、小铜球、铁屑、沙子和盐组成的混合物。

　　NAEP和TIMSS的目的：25年以来，NAEP是全美现存唯一的对学生学习进展情况进行的评估。这项测试是应美国国会的要求进行的，其目的在于衡量学生到底知道多少大家公认为学生应该懂的科技知识。NAEP的得分显示了学生的学识水平，而TIMSS则是采用了一系列数学和科技主题作为评测标准的国家间的比较研究。

高质量教育的展望

设想有这样一个教室，里面的学生分成小组而坐，不象通常的成排而坐。老师在教室里来回走动，她有时回答学生的问题，有时倾听学生的见解，不象一般的老师一样总是站在教室的前部不动、或是照本宣科、或是只顾让学生记笔记。这个教室同你记忆中的教室恐怕大不相同。
　　这个独特的教室里坐的是一群2年级的学生，他们正在上天气课。作为课程的简介，老师问这些学生知道多少有关天气的事，他们想学习关于天气的哪些方面。她发现这些学生对天气都有一定的了解，他们知道气温、风、雨、雪，并且知道天气预报。
　　然后老师将学生分为小组。一组学生学习如何使用温度计，他们负责每天上午走出教室，读出温度值，并将其记录在班级天气表上。另一组学生每天从报纸上查找风速并记录，同时学习科学家们是如何测量风力和风向的。第三组每天用集雨器测量降水量。这些数据都被记录在班级天气表上。几天的数据收集过后，这三个小组的任务互换。当数据积累到一定程度的时候，学生们就分析数据并且将天气情况添入班级天气告示牌中。一个小组负责将这些数据输入国际互联网上的一个学生网络程序中，将这些数据与别的国家的学生所得出的数据进行比较。
　　在这间教室里，老师的角色同往常相比有所不同。老师就象一个向导，她选择和设计活动，倾听学生的发言，提出恰当的问题以使这些已经非常好奇的学生能够学到更多的知识。老师精通所教的课程，使用的示例性的课程材料，并且熟悉很多教学手段和策略。
　　这样的教室是未来高质量科技教育的一个展望。孩子们提出了问题，并且自己运用书本中的知识，尝试使用一些方法来回答这些问题。通过阅读学习效果最好的学生可以使用这一方法，通过相互讨论学习效果最好的学生可以通过合作来解决问题。所有的学生，包括天才生和智障生，都认定他们能够学好科技课程并且有机会证明这一点。父母和教职员工都毫不怀疑孩子们能学到他们所必须学的知识。

科学教育的价值

对求知者在探索科学的现实生活的经历中发现的主题素材加以应用，最好地说明了应用现有经验把求知者带到一个更广阔、更美好、更有序世界的基本原理。    -----约翰.杜威，《经验与教育》，1938

每年秋天，几百万儿童进入幼儿园，开始他们的正规教育。这些五岁大小的孩子们满怀着激情与兴奋，象大孩子一样登上校车，终于有机会去看看学校究竟是什么样子的。父母们也把此刻看作一个转折点。学校为孩子们提供机会去发现他们经常所问的问题的答案，如岩石是怎样形成的？为什么轮船会浮起来？等等。所有与儿童有关的人都希望学校能继续激发儿童求知这一天性。

　　 教师运用许多方法来保持儿童的这种求知欲。为了激发学生们天生的好奇心，有的老师安排他们到湿地、河流、湖泊去郊游，把这作为他们学习自然生态系统的一个组成部分。为了使孩子们的想象力更加旺盛，有的老师把鸭蛋带到学校，鼓励学生照看这些鸭蛋，让他们想象小鸭子孵出时的样子。为了灌输对实验究根寻底的爱好，老师们用电池和灯泡或岩石和矿物等材料作为提问问题、做实验、发展理论和交流观点的出发点。

　　所有这些学习活动都是“以探究为中心的科学”（有时也简单地叫作“探究”）的一部分。根据《国家科学教育标准》，探究涉及“观察；提问；查看书本和其他信息以获得已知的知识；安排调查；根据实验证据对已知知识进行评价；应用工具收集、分析并解释数据；提出方案、进行解释和预测；交流结论”[1]。这些活动都深深地扎根于科学传统和教育理论。

　　但是，探究对很多学校和老师来说还是一种进行科学教育的新方法。探究之所以显得新，其原因在于许多学校已经习惯于依赖教科书作为向学生传播知识的主要工具。虽然教科书可能包括科学课程的基本知识，但它们往往过分强调词汇和事实。由于老师对学生是否“掌握了它的全部知识”过于看重，他们常常要求学生记住这些单词和事实。经验表明：记忆单词和事实不仅忽略了科学的最重要部分，而且也似乎使年轻的求知者感到厌倦，这些知识似乎也与他们毫无关系。
　　为说明以教科书为中心的科学课程所产生的消极学习环境这一缺陷，请看下面这个摘自Howard Hausman撰写的专著《为小学选择科学课程》的例子[2]：

　　二十六个三年级的学生坐在课桌前。老师叫Carla大声朗读课本上的56页，这页显示了一幅图画，画面上有农场，农场上有动物和风车。Carla读道，农场有许多动物，它们需要饮水。然而，画面上显示农场土地上只有少量的水，暗示了必须用风车的动力把水从井中抽出来。她从课本上直接朗读问题，“风车是用来干什么的？”

传统课堂的局限性

老师重复道，“谁能猜出风车是用来干什么的？Joey，你知道吗？”Joey已经略读了课文的下一个段落，他回答道，“风车因空气的力量而转动，就带动了抽水机。抽水机把水从井中抽到水罐里，供动物饮用。”

　　“很好，Joey，”老师说道，“Carla，请你把下一段读一下，好吗？”Carla继续朗读：“风车因空气的力量而转动，就带动了抽水机。抽水机把水从井中抽到水罐中，供动物饮用。”她还读到了关于风车带动机器以产生电力的内容。然后读到了“流动空气产生能量”的其它例子。

　　几个孩子开始骚动不安起来，玩弄着铅笔并窃窃私语。老师又要求他们集中注意力，就象前面她两次要求孩子们集中精力一样。

　　“风能干什么？”老师问道。没有人回答。“风能做任何事情吗？”“它吹动了风车，”有的孩子回答道。

　　仍然有孩子骚动不安。老师又一次要求孩子们注意课堂秩序，孩子们被迫安静了一会儿。书本被收起来并放在架子上。

　　为什么这节课没有使孩子们的兴趣持续下去呢？在科学课上孩子们为什么骚动不安而且似乎不想对提出的观点进行探究呢？

　　原因之一在于孩子们没有“做”科学。他们没有调查对象，没有观察现象，没有设计实验，没有收集数据，也没有讨论他们的观点。孩子们没有机会独立思考和解决问题。相反地，他们仅仅是“读”了科学。孩子们得到的知识很少，因为他们所读的书本描述的是他们不熟悉的事物或他们不关心的事物。今天的大多数孩子从来没有真正看到过风车，也不知道抽水机是什么东西。风车能产生电这一事实对这些孩子们来说也没有什么意义；对他们来说，电是当他们按下电灯的开关时就会发生的东西。“作用”和“能量”是抽象的概念，对他们来说从来都是无形的和无意义的。因为这些概念超出了他们所经历的世界，孩子们根本不想对它们进行进一步的探索。

　　经历是关键的因素。对儿童学习的研究揭示了这样一个事实：当孩子们没有亲身经历在学校所学的事物时，课程想要传授的知识往往对他们毫无意义。Jean 皮亚杰，瑞士的一位心理学家，把他的毕生精力投入到观察儿童，他得出了儿童智力成长的结论。他的工作为进一步研究儿童如何学习打好了基础，研究儿童如何学习的领域现在被称为“认知科学”。这项工作的一个关键发现就是，通过与物质世界直接接触能使儿童学习更积极。儿童迫切需要亲身体验的部分原因在于：今天的孩子在成长过程中，他们越来越远离自然界。感性体验的缺乏意味着孩子们缺少资源来感知世界。这与前几代人的情形截然不同，那时侯大多数孩子生活在农场，有很多机会亲身经历科学的很多方面，如帮助家里种庄稼，知道降雨对庄稼的重要性。如今的孩子们只能在电视上或电脑屏幕上玩游戏的时候才能看到或探索这些概念和事物，但他们很少直接去接触这些东西。正如菲利浦和菲利浦.莫里森所解释的那样[3]：

在林肯时代的阿拉巴马州，大多数孩子都来自农场，他们来到学校时已经有了关于生与死，满月，如何撬起一块沉重的岩石，怎样磨尖刀刃，奶是怎样变酸的等知识的第一手材料。他们不用在学校学习这些东西，因为他们时时刻刻都会遇到此类事情。他们在学校学习的东西就是符号——单词和语法，学习如何阅读，如何写作，如何计算，学习过去的学者和领袖说过的话，学习如何对世界和自己进行表达和推理。
　　现在的孩子们也带着很多知识来到学校。他们带来了身边和遥远世界的广阔的视觉认识，带来了大量的图象、事实和幻想。他们同时可以在随处看到打印机；标语和海报包围着他们；杂志和书本随处可见，里面有着各种各样的图片，电视使辽阔的世界尽收他们眼底。但孩子们深深缺乏的是他们对真实世界的各种制约的内在理解以及对希望与行动之间区别的理解。按按钮并不象靠在铁撬上那样。
　　符号仍然需要讲授：3R、历史、地图以及故事仍然急需。但除了词汇和想象以外他们没有任何其他基础。学校有一个大的新任务他们完全没有意识到：那就是把孩子们带入现实世界亲自动手，带他们到真实的能够产生问题的未知事物中去，孩子们需要的是种植植物（并让他们看看缺水时那些植物的情况）。完成从播种到收集种子的循环过程。他们需要用苏打草建造桥梁来承受许多奶牛纸盒的重量。他们需要实验灯泡和电池用哪种连接可以产生灯光，并且灯光能持续多长时间。
　　指责学校使我们越来越远离物质世界是错误的，而对这种现状无动于衷则是个更大的错误。我们所有的人都处在这样的一种境地，这是技术成熟世界的结果，因为在这个世界里生产产品离消费者越来越远。用证据评价什么时候事情是对的，什么时候他们能很好的工作，什么时候他们出问题的能力，不仅仅应用于电路或其他科学事件中，同时也应用于政治或商业领域。这种理解来源于对自然和技术领域的积极实践。因此，让我们教会我们的孩子们如何阅读，如何写作，如何计算，但也让我们帮助他们探索物质世界的来龙去脉。他们需要用手和眼睛去理解，用头脑去思考什么能做、什么不能做，甚至要让他们学会如何在严峻的自然环境中开辟新的机遇。

以探究为中心的课堂的一瞥

今天，在全国范围内有很多教师正在提供如莫里森所描述的那种以探究为中心的科学体验。以解决问题为目的的调查

　　学生们通过讨论如何利用一个简单的回路测试器模型来解决问题。这个回路测试器是由电池组通过电线与灯泡连接组成的。学生们用这个测试器作为工具来确定神秘的盒子内的装置是否会使灯泡亮起来。观察灯泡是否变亮可以使学生们得到盒子里是什么的重要信息。

　　根据他们的计划，学生们把回路测试器的电线与盒子的两个接口连接起来，灯泡亮了。从这个现象他们推断在盒子里必定有一根电线连接盒子的两个接口。

　　当孩子们试验时，他们的老师在教室里不停地走动，也不时地停下来与一对对学生交谈。在她评论他们工作的同时，她建议他们把调查做得更深入些。她启发他们道：盒子里可能是什么电线呢：是铜线还是铝线？盒子里面有没有灯泡连到两个接口呢？铜线使灯泡更亮还是更暗呢？老师建议他们考虑考虑这些问题，并就可能的解释进行讨论，找一种试验方法来论证他们的观点。老师还建议学生们写下或画出他们的结论。

　　学生们开始讨论这个问题。通过积极交换意见，他们推断铜线比电阻或灯泡会产生更亮的光。在先前的试验中他们发现电阻丝和灯泡都能导电，但它们却不能使灯泡的亮度达到铜线的亮度。所以，盒子里是乎有一个电阻丝或灯泡。

　　为了检验这个理论，学生们做了以下的设计： 首先，他们将一根铜线放在回路测试器中，观察灯泡的亮度。他们把回路测试器钩在神秘盒子的两个接口上，然后观察灯泡的亮度，看此时的灯泡比以前亮还是暗。当回路测试器中的灯泡的亮度与神秘盒子匹配时，学生们就知道盒子里是什么。

　　学生们开始试验了。他们注意到回路测试器中灯泡的亮度比铜线连在测试器中时盒子里的灯泡的亮度更亮。这种比较很明显，学生们很容易得出结论：铜线没有在盒子里。但比较电阻丝和灯泡是很困难的。在两个试验中，灯泡都更暗，很难看出差别来。
　　经过进一步的讨论，学生们开始作结论。一个学生在他的总结中能认为神秘盒子里有一根电阻丝或一个灯泡，两者都有可能：这个学生得出这样的结论是因为他不能根据“灯泡测试”来辨别出到底哪个在盒子里。另一个学生画了一幅画说明盒子里是电阻丝，她感到很确信只有电阻丝才能使灯泡发出如此暗淡的灯光。当学生们打开神秘盒子时，他们发现里面是一根电阻丝。

盒子这个例子（12页----13页）说明关于电的一些基本概念通过探究的方式是如何被教授的。这些五年级的学生们已经用电池、电线和灯泡制作了简单的电路。他们也探究了电的导体和阻体。在这节课里，学生们通过两两结队，用神秘盒子----一个普通的白色盒子，在上面有个接口，里面有一个未知的电器，继续学习电路知识。学生们面临的挑战是通过实验和推理要发现，如果有的话，是什么电器在盒子里连在盒子的两个接口上。

“以探究为中心的科学”的优点

对许多成年人来说，提起“科学”就使他们联想到穿着白大卦的研究人员在他的实验室里试验一种神秘的物质。他们认为科学过程非常深奥，其结果就象研究者试验试管里的试剂一样难于理解。然而，从“盒子”这个例子中我们看到，科学对我们大多数人来说并不是特别神秘，掌握起来也不是特别复杂。简单地说，科学就是我们发现世界是如何运转的过程，“一种思考的方法，… ，具有创造思维的人把混沌转化为秩序井然，把多种多样变化统一起来的一种方法。”[4]科学是孩子们从出生后就开始实际参与的一个过程，在“以探究为中心的科学”计划中得到了很好的反映。由于这个原因，孩子们经过一个小时的紧张工作后仍然能在第二节课上积极地参与试验，这一点根本不足为奇。

　　从“盒子”的例子中我们能发现“探究”有哪些价值呢？下面列出了“以探究为中心的科学”的几个优点：

　　1．孩子们积极地参与了试验。

　　通过对电池和灯泡进行试验，孩子们进行了思考，有了自己的观点，发展了他们推理的技能，提高了他们解决问题的能力。皮亚杰发现，应用材料作为学习的一种载体，并为孩子们提供具有丰富物质体验的学习环境，是非常重要的。皮亚杰说过，“亲身投入是智力发展的关键，而对小学的孩子们来说，这包括直接操纵物质对象，这种操纵在科学课上是非常容易做到的。” 发布的《科学教育的基准》也有同样的观点：“对于低年级的学生来说，重点应放在对自然和社会现象的体验上。… ，学生们通过做科学获得的许多经验，使学生们做调查变得更加熟练，通过解释他们的发现，他们能积累大量的感性经验。”此外，《国家科学教育标准》确立了积极学习作为科学教育的一项根本原则。该《标准》强调，“学习科学是学生要做的事，而不是为他们做好了的事。”[7]

2．“以探究为中心的科学”把现实世界带入了教室和孩子们的生活。

通过把诸如电池和灯泡之类的材料带进教室，我们为孩子们提供了让他们亲身体验做科学工作的机会。他们可以用科学工具工作，并形成他们自己的问题和观点。Jos Elstgeest，来自荷兰的一位科学教育家，把这种科学教育方法定义为“丢开实际的课程大纲。不是教给学生们别人科学活动结果的科学事实，而是通过做科学来进行教育。不是试图让他们背诵科学结果的描述，而是让他们了解这些结果是怎样得到的。不是让他们听和忘，而是让他们做和理解。”[8]

　　3．“以探究为中心科学”促进了团队工作和合作的能力。

　　“以探究为中心的科学”要求学生们学会合作，而这种合作技巧不仅在学校里越来越需要，在劳动场所也变得越来越重要。企业领导已经指出，劳动场所的工作方式已经从个人解决问题变为集体解决问题。通过在全校一起工作，学生们有机会从别人身上学到知识，同时他们也会发现合作是有效地解决问题的根本。

　4．“以探究为中心的科学”课堂可以适应不同的学习方式。

Howard Gardner已经在他的文章中说过，人们以不同的方式进行学习，有的通过语言学习，有的通过数学推理学习，有的通过视觉艺术学习。Gardner写道，“如果人们拥有多种表示概念和技能知识的方法，并能对这些知识形式融会贯通，那么真正的理解就很容易形成，并且使别人很容易明白。没有人能掌握所有的学习模式，但每个人都应该拥有几种方法来表示相关的概念和技能。”[9]“以探究为中心的科学”包括许多种学习方式，并能给孩子们提供从一种模式转到另一种模式进行体验的机会。此外，用传统方法，如读或听，不能十分有效学习的学生，可得到其他机会取得成功。

　　5．“以探究为中心的科学”鼓励学生在多个领域学习。

科学课程可以作为探索其它课程的跳板。举例来说，一个学生用写的方法记录下了她的结果，而写的方法是一种发展语言艺术技巧的有效方法。另一个学生画了一幅画来描述她的发现，这样就使科学与艺术建立了联系。老师也可能会叫学生们用图表的方法表现他们的发现，或进行计算来解释他们的数据；这些活动都表明了科学与数学之间的密切联系。

6．孩子们在他们的活动中掌握了新概念和技能。

　　通过观察她的学生们对神秘盒子的试验的情况，老师可以得到关于学生们是否真正理解了试验题目的重要信息。用这种方法代替强烈依赖于在每课的最后进行测试的方法，老师可以根据学生的试验情况评价学生们的进展。利用这些信息，老师可以知道哪些概念学生们难以理解，或哪些观点他们更感兴趣，从而可以确定在其它课上进行与这些概念或观点直接相关的内容。
　　科学教育的一个关键目标就是改进学生的思维能力，而传统的测试方法往往不能正确地度量这些技能。lauren Resnick 评论道，多项选择考试“能测量知识的积累，也能用来测试推理或思考的具体方面。然而，这种考试不适合用以评价我们称为“更高级别”的那种综合思考能力。”[10]为测量在科学课上获得的知识，教育者开始认识到仍需要其它的评价方法。关于这一点我们会在第八章进行讨论。

过程技能与评价

“以探究为中心的科学”已经显示出了培养有效解决问题所必需的特定技能。这些常被称为“过程技能”的技能包括组织信息，精密地思考，应用知识解决新问题等。“以探究为中心的科学”之所以能够培养过程技能，其原因在于它为孩子们提供了可供汲取的丰富内容。

思考技能不能凭空产生；在人们解决感兴趣的问题的过程中发展了这种思考技能。Resnick也同意这种看法，她说过，“认知研究已经确立了知识在推理和思考中的重要作用。人们不能在抽象中推理；他必须对某件事情进行推理。通过在学科中渗入问题解决或批判性思考的训练，每个学校的学科都能提供大量的推理材料和解决问题材料。”[11]

　　为试图度量“以探究为中心的科学”的价值，其他研究人员开展了长期的研究。如Arthur Reynolds和在北伊利诺斯大学的合作者发现，运用“以探究为中心”科学进行教学的小学学校里接受科学教育的学生与用更偏重于传统方法（如阅读课本等）教出来的学生相比，他们上初中和高中时科学课成绩前者的要比后者的更好[12]。而且，接受过“以探究为中心科学”教育的学生比那些参加传统教学计划的学生更熟练于解决问题。

　　另一位研究人员Ted Bredderman，总结并分析了1000个教室里的13000名学生60节科学学习课的情况的数据。他发现，用“以探究为中心的科学”计划进行讲学，学生们明显地提高了他们做科学的能力和创造能力，对他们的理解力、逻辑能力、语言进步情况、科学内容和数学测试，也发现他们的成绩有明显的提高。这种“以探究为中心的科学”对经济上困难的学生也有利。

　　除了能培养解决问题的技能外，“探究”还能帮助孩子们逐渐形成一个能反映对科学在他们日常生活中重要性理解的世界观。美国美国科促会（AAAS）的2061项目已经确定通过科学教育孩子们应养成的五个态度，即：1）好奇心（提问，想知道）；2）对证据的尊敬（思想开明，愿意思考相互矛盾的证据）；3）批判性的思考（确定观察资料的重要性，对所观察事物进行评价）；4）适应性（愿意保留看法和重新思考观点）；5）对生物的敏感性（尊重生命，环境意识）。

　　科学教育者猜想，经历过“探究”教学的学生在长大后会变得喜欢提出问题，喜欢在仔细听了讨论的各个方面后才发表自己的看法。他们将成为热心的观察者，熟练于对他们所看到的事物进行评价并对此得出自己的结论。他们也会比前几代人更关心自然界，更愿意做出贡献保护环境。

虽然这个猜想还没有在大范围内得到验证，但已经有证据表明“探究”会产生这些结果，因为存在着一个关键的原因：“以探究为中心的科学”教育与儿童自然地学习的方式相一致。第二章将通过聚焦认知科学家们的工作，来进一步探索“探究”与儿童学习方式的关系。

“以探究为中心”的经历在科学课中的作用

教育工作者长期以来一直就在争论课堂书本知识学习与实践知识学习的关系。20世纪60年代，认知心理学家吉恩皮亚杰的一些学生就曾提出纯“发现”的学习方法；这种思想流派的一位倡导者认为儿童学习浮力的最有效方法是给他们一盆水和一些悬浮物体及会下沉的物体，让他们从这些材料中进行学习。运用这些装置，一些儿童可能会发现有的物体会浮起来而其它的则会下沉。然后老师应帮助学生解释他们的发现。

　　由于经验表明大多数儿童需要一些学习指导，到70年代许多教育工作者认为一种更有效的组织课堂教学的方法是把课堂教学与感性经验结合起来[3]。这些教育工作者认为，感性经验可为儿童产生兴趣和激情，为他们提供有价值的学习体验。同时，这些教育工作者也认识到不可能用这种方式学会任何事物；有些事物如行星的名字及其在银河系中的位置，生命周期的概念等需要由老师来教授。老师的作用就在于如何综合运用教授法和以探究为中心的体验教学方法。

　　过去，许多老师都倾向于依赖课本和图片来讲授科学概念。有时有的老师也会用感性体验来巩固学习。但这种教学方法的问题在于学生可能对与这些信息有关的事物毫无现实体验。当儿童能将新的信息与他们已经知道的知识联系起来时，他们就能最好地学习。因此，通过为孩子们提供以探究为中心的体验来介绍新的概念往往更为有效。这样做教育工作者就能为学生提供一个更为牢固的基础，有了这个基础，学生就可以把后来从其它渠道得到的信息与现实体验联系起来。劳伦斯洛沃瑞对这些观点作了概括：“书本是重要的。我们能从中学到知识。但书本只有在我们积累好了经验之后才能发挥作用。为学习几何，我们必须有运用几何形体并比较他们之间异同的经历。为学习有关电的知识，我们必须探索电池、电线和灯泡之间的关系。”[4]

　　此外，以探究为中心的体验能产生学习所必需的一种最基本的品质——好奇心。简希利写道，“作为用意良好的父母和教师，我们有时都用“填鸭塞”式的方法来控制孩子们的学习，而不是安排事物以激发孩子们的好奇心。儿童需要刺激和智力挑战，但他们必须积极地投入到学习中，而不是消极地反应。”[5]

洛沃瑞相信，好奇心的作用远远不止于此。他把好奇心比作“扳机”，它有助于在大脑中建立重要的连接。这些连接使儿童有能力综合各种具体的信息，如观察一个物体的颜色、形状、质地后能综合出一个具有所有这些属性的物体的更大的概念。洛沃瑞认为，综合能力是智力的本质，而智力是大脑中各种连接质量和数量的产物。他相信，教师在课堂上培养好奇心将会收到更好的效果，因为好奇心促进了这些连接的形成。

认知研究的含义

儿童具有理解世界的一种强烈的、天生的愿望。随着许多感性信息涌入大脑，伴随着很多运动技能和认知能力的进入，即使是特别小的儿童也会组织这些信息。

　　儿童开始在他们大脑中组织信息的方式取决于许多因素，包括他们个人的经历、性情、个性以及教养。当这些因素结合起来时，每个儿童形成了自己独特而持久的关于世界及其运动的理论。例如，一个学前儿童可能会注意到很多生物，如人、狗、猫和鸟都有行动的能力。在这个基础上，他（她）可能会猜想生物的一个特征就是有行动的能力。这种想法只能是部分正确，而忽视了生物世界的另外一半——植物。然而对小孩子来说，这种理论已经令人感到满足，因为这种想法是根据他们部分的经历而形成的，而且这种组织方式具有一定的意义。

　　研究人员已经用不同的方式解释了儿童这种“发明理论”能力。霍华德加德纳把这种观点称为“学前儿童的思想” [6]。瑞斯尼科用“天真的理论” 的术语来称谓这种想法，并认为在孩子们接受任何正式教育前都用这种理论来解释现实世界中的事情[7]。加德纳 和瑞斯尼科认为，即使开始上学后，孩子们也会继续坚持他们先前的观点和理论。

　　以马塞诸塞州奥布赖恩的四年级班级为例[8]，在一节关于“热”的课上，奥布赖恩上课后开始向她的学生询问他们对“热”的理解。令她大吃一惊的是，她发现经过九个漫长的冬季，而在这些冬季里孩子们反复被告之，当他们感到寒冷的时候要穿上毛衣，学生们就确信毛衣本身能发热。这就是他们的“天真的理论”。奥布赖恩决定给孩子们一个机会，让他们自己去发现毛衣是否真的能发热。她要求学生们自己设计一个实验来说明“毛衣能否发热”。学生们把温度计放进毛衣里以测量它们的温度。他们的假设是：温度会升高就表明毛衣的确能发热。
　　奥布赖恩设想当学生们观察到毛衣温度不变后，他们会意识到他们的错误，然后课程就可以继续下去。但她错了。虽然毛衣温度一直保持在华氏68度，但学生们不能立即接受这个事实。其中一个叫凯特的学生在她的文章中写道：“冷与热有时候真奇怪。也许温度计坏了，因为它是用来测量室内温度的。”

　　学生们在做过几个试验后仍然坚持他们的观点。只有在做完他们想好的所有试验（包括把温度计长时间放在毛衣里，把毛衣放到其他地方，把毛衣包在睡袋里）之后，有的学生才开始愿意接受关于热的其他观点。实际上，凯特就是首先认识到热不是由毛衣产生而是由太阳和她自己的身体产生的学生中的一个。

　　这个例子很重要，因为它说明了即使在相互矛盾的证据面前，孩子们是如何坚持牢固他们的理论，而要他们放弃这些理论是多么的困难。不过，奥布赖恩还是帮孩子们用更准确的信息代替了他们先前的那一系列观点。她通过确定了一个清晰的教学过程达到了目的。首先，她在课程开始的时候，给孩子们时间集中讨论他们对热的想法，以此表达他们天真的理论。然后，她用这些信息设计课程单元的主要部分——让学生们设计实验以验证他们的理论。第三步，她让学生们应用他们自己第一手的经验作为出发点来重新思考他们以前的观点并形成新的知识。第四步，从长远的角度考虑，她鼓励学生把这些信息应用到新的情形之中。例如，第二年冬天，当孩子们穿起他们的毛衣时，他们就会知道他们所感觉到的热量不是来自于毛衣，而是来自于他们自己的身体。
　　许多教育工作者和认知科学家相信，这四个步骤是学习核心。这个过程的基础是被称为“结构主义”的学习理论。结构主义促成了科学教育的一个重要目标——对一门课程的深入理解，常常叫作“概念理解”。正如苏珊斯普瑞格所解释的那样，“结构主义的学习模式主张每个学生必须构建他（她）自己的理解。在这样一个过程中，理解永远不可能彻底完成。每个学生必须运用他（她）自己的方法努力学习、思考和实践，使他们的理解和技能越来越深入。”[9]
　　奥布赖恩所用的方法经过完善，已经形成了能被纳入到科学课程计划中的“学习周期”。一个典型的学习周期包括四个阶段。

　　1集中阶段：学生们首先描述和表达他们对一个话题的观点。这常常是在课堂讨论中完成的，在此过程中他们可交流各自对本话题所知的所有知识，相互了解各自想进一步学习的内容。对老师来说，这是一个绝好的机会了解学生目前的知识水平和可能的错误概念，从而考虑如何把这些信息添加到计划好的课程计划中来。

　　2 探索阶段：学生们亲自参加并深入探究各种科学现象。在这个阶段，对学生来说很重要的一点就是必须有足够的时间来完成他们的工作，如果有必要的话必须重复他们的试验。在本阶段学生们常被分成小组，这样他们有机会与同班同学就自己的观点进行讨论，这是学习过程中重要的一个组成部分。

　　3 思考阶段：学生们收集和整理他们的数据，交流他们的观点，分析并对自己的结论进行争辩。在这个阶段，要求学生们交流他们的观点，这常常可以有助于巩固他们的学习。当学生在进行综合思考，解释自己结论的时候，教师要对他们给予必要的指导。

　　4 应用阶段：这个阶段要为学生提供机会，让他们在新环境中和现实生活中应用他们所学到的知识。

当老师开始在课堂上实施学习周期方法时，他们可能会注意到学生们似乎不愿意承认他们的天真理论是错误的。这是许多学生在努力放弃一套理论而接受其它理论过程中内心斗争的反映。对许多学生来说，面对他们先前的错误概念并对它们加以改变是一个艰难的智力挑战。[10]因此，了解学生的思想斗争，忍耐这个过程及其由此产生的痛苦，这对老师来说是很重要的。

确保制定一个适当的课程计划

虽然学习周期为教学方法提供了一个框架，但教育工作者仍然必需确定在科学教育中应包括那些内容。为此，他们必须了解儿童的智力发展情况。皮亚杰的工作形成了关于智力发展的一套理论，这套理论的前提假设是所有儿童在他们的成长过程中都要经历相同的阶段，并且次序也大致相同。虽然许多研究人员对皮亚杰的某些观点表示质疑并认为他低估了儿童的认知能力，但他的理论仍为教育工作者提供了有关儿童在小学教育过程中能够理解那些知识的基本方针。

　　下面将要描述的模型是在皮亚杰工作的基础上由洛沃瑞发展形成的，其精髓在于我们在儿童发展的每个阶段或水平上以有意义的方式向学生们介绍科学概念，这样可以使学习达到最优的效果。[11]建立这个模型的依据是：人们需要组织逻辑和连贯系统的信息。对小孩子来说，这些系统可能非常简单，就象是根据物体的颜色或形状来对物体分类。这种分辨和识别的能力非常重要，因为儿童在学会阅读前必须掌握这些技能。

　　然而，不同的孩子学习的速度不同，并不是所有孩子都在同一时间到达这些目标。一般来说，在一个典型小学里的每个班级都至少要跨越一整个年级的认知发展水平。而认知发展的基本阶段可以概括如下：

　　1）在低年级，孩子们常根据物体的一个属性如颜色来对物体归类。在讨论植物时，初年级的学生可以根据颜色或大小进行归类，但他们不可能同时根据这两个属性进行归类。实际上，当孩子们在小学四年级左右开始就能够同时根据物体一个以上的特征归类物体和组织观点，这是认知过程中一个重要的飞跃。这个信息对老师的作用在于让他们知道，最好让小孩子学习单一的或线性的观点，不要让他们在科学发现中同时应付一个以上的变量。举例来说，当观察天气时，初年级学生能够分别学习诸如温度、风和降雨量等的变量；但不适合让他们理解这些变量之间的关系。而当他们上高年级时就可以考虑诸如风是如何影响可感觉到的温度之类的现象。
　　2）在小学快结束时，学生开始进行推论。有的研究者认为这是演绎推理开始的标志。在这个阶段，学生也开始认识到不同的植物或动物可以进一步分为下一级类别。例如他们知道所有的鄂鱼都是爬行动物，但并不是所有的爬行动物都是鄂鱼。在本阶段，学生们开始设计受控实验，开始了解不同变量之间的关系。举例来说，在调查钟摆频率（一分钟内钟摆动的次数）时，六年级的学生可以进行改变变量如钟摆的长度或摆锤的质量等试验，确定这两个变量中是一个还是两个在影响钟摆的频率。

　　3）从这个阶段开始，学生思考过程变得越来越复杂。在青春期的开始阶段，学生们不仅能根据多个属性对物体进行分类，而且他们也可以用不同的方法来进行试验。举例来说，他们能够决定如何收集植物。他们可能会根据颜色、大小、形状、重量或叶子的形状来分类。他们变得更熟练于利用这些特征，这表明他们的科学试验能力变得越来越老练。到16岁时，学生们就可以理解高度复杂的组织形式如元素周期表和DNA的结构等。

如果这些发展阶段不能在科学教育的内容中得到体现，那么学生们能做什么和要求他们做什么就不能相互协调。例如，想让一个9岁的学生理解加速度之类的抽象概念就是不合适的，而一些四年级的科学计划中却包括这个概念。当这种不协调情况多次发生时，孩子们就会学不到他们本来应该能学到的更多的科学知识。同样重要的是，他们会变得不喜欢科学。对有的孩子来说，这会导致一种失败感，逐渐对科学产生消极的态度。如果我们能改革课程内容以适应认知成长过程中的不同阶段，我们就会在解决这类问题方面迈出重大步伐。