王文禮

一、引言

教師通過科學(xué)探究的方式教授科學(xué)是良好、高效教學(xué)的基石。愛因斯坦曾經(jīng)把科學(xué)定義為一次“探求意義的經(jīng)歷”。這說明科學(xué)課程不同于其他課程的一個重要特征是：學(xué)習(xí)科學(xué)不僅使學(xué)生懂得構(gòu)建知識體系，更是一種讓學(xué)生通過親身經(jīng)歷去探索世界上的各種自然現(xiàn)象，進而理解這個世界的過程。在過去的200多年中，美國的科學(xué)教學(xué)已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，從傳遞知識的科學(xué)教學(xué)到以學(xué)生為中心的教學(xué)方法，通常指的是探究式科學(xué)教學(xué) （Teaching Science as Inquiry）。探究式科學(xué)教學(xué)通過讓學(xué)生積極參與調(diào)查的過程來參與科學(xué)知識的建構(gòu)，從而形成對自然現(xiàn)象的深層次理解。傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)側(cè)重于學(xué)習(xí)事物，一般表現(xiàn)為：教師教授信息，學(xué)生獲取信息。探究式科學(xué)教學(xué)強調(diào)如何學(xué)習(xí)事物，而不僅僅是學(xué)習(xí)我們已知的事物。學(xué)生不僅需要記憶事實，還要積極參與學(xué)習(xí)。探究式科學(xué)教學(xué)是當(dāng)前國際科學(xué)教學(xué)改革中被各國政府和科學(xué)教育界大力倡導(dǎo)的一種主流的科學(xué)教學(xué)方式。①丁邦平. 探究式科學(xué)教學(xué): 類型與特征[J]. 教育研究, 2010(10): 81.從2010年起，美國科學(xué)教學(xué)重心發(fā)生了轉(zhuǎn)移。2012年美國國家研究理事會發(fā)布的 《K-12科學(xué)教育框架》明確提出科學(xué)教學(xué)要從探究式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S教學(xué)。美國在2013年頒布了國家《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（NGSS），以國家研究委員會（National Research Council，NRC）開發(fā)的K-12科學(xué)教育框架為基礎(chǔ)，通過國家主導(dǎo)的協(xié)作過程創(chuàng)建了K-12科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。NGSS的每一條標(biāo)準(zhǔn)都有三個方面的內(nèi)容：表現(xiàn)預(yù)期、基礎(chǔ)框和聯(lián)系框，其中基礎(chǔ)框由三維學(xué)習(xí)理念構(gòu)成。②沈佳豪, 劉蘭. 美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中地球與空間科學(xué)內(nèi)容評述及其對我國地理教學(xué)的啟示[J]. 地理教學(xué),2019(17): 70.美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》是美國21世紀(jì)科學(xué)教育改革的標(biāo)志性成果。其中提出了三維學(xué)習(xí)（學(xué)科核心概念、跨學(xué)科概念、科學(xué)與工程實踐）的理念，強調(diào)學(xué)生在K-12年級學(xué)習(xí)科學(xué)學(xué)科時需從這三個維度出發(fā)。③唐小為. NGSS三維學(xué)習(xí)理念下我國小學(xué)科學(xué)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)芻議[D]. 重慶: 西南大學(xué), 2016: 1.《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中提出科學(xué)教育的四大原則：（1）強調(diào)學(xué)生對核心概念的理解，以及與之相關(guān)的跨學(xué)科概念；（2）強調(diào)隨著時間的發(fā)展，學(xué)生對核心概念的理解會不斷加深，以及學(xué)會把這些概念綜合到一起；（3）強調(diào)運用科學(xué)和工程的實踐來界定科學(xué)知識；（4）學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)應(yīng)該包括指導(dǎo)教學(xué)與評價的詳細資料。④和茜茜. “三維科學(xué)學(xué)習(xí)”視角下的小學(xué)氣象科普活動設(shè)計與實施[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2017: 3-4.美國國家科學(xué)教師協(xié)會（National Science Teaching Association，NSTA）2016年的相關(guān)文件包含4大主題模塊：搭建平臺——科學(xué)素養(yǎng)；建立團隊——與社會力量合作；協(xié)調(diào)概念——整合教學(xué)；全納整合——三維學(xué)習(xí)。通過對主題模塊的論文報告、特別活動、工作坊等會議單元內(nèi)容的分析，發(fā)現(xiàn)美國科學(xué)教育研究的熱點：《美國新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》的三維整合，STEM教育的全面推進以及科學(xué)論證在科學(xué)本質(zhì)觀養(yǎng)成中的運用。⑤宋怡, 葛彥君, 馬宏佳. 美國科學(xué)教育研究熱點與發(fā)展趨勢--2016 NSTA年會述評[J]. 化學(xué)教育, 2017(19):73.

二、探究式教學(xué)在科學(xué)教育中的發(fā)展歷程

探究式教學(xué)在美國科學(xué)教育中的發(fā)展歷程經(jīng)歷了四個階段：孕育時期、萌芽時期、發(fā)展時期和鼎盛時期。

（一）探究式教學(xué)在科學(xué)教育中的孕育時期：從19世紀(jì)初到1915年

19世紀(jì)初，美國的城市規(guī)模很小，大多數(shù)人住在農(nóng)村地區(qū)。當(dāng)時的中學(xué)還處于發(fā)展的初級階段，只有那些準(zhǔn)備上大學(xué)的特權(quán)階層的孩子才能上中學(xué)。高中只有少數(shù)科學(xué)課程強調(diào)科學(xué)和技術(shù)的實用性，例如天文計算、航海、測量和調(diào)查。1821年，波士頓中學(xué)開始開設(shè)科學(xué)教育課程，標(biāo)志著美國學(xué)校開始重視科學(xué)教育。1848年美國科學(xué)促進協(xié)會 （AAAS）正式成立，標(biāo)志著美國一個全國性的科學(xué)界團體的出現(xiàn)。雖然科學(xué)是美國早期的美國式場景的一部分，但是其從業(yè)人數(shù)很少，而且在地理和學(xué)科上十分分散。美國科學(xué)促進協(xié)會是第一個在國家層面促進科學(xué)和工程發(fā)展，并代表其所有學(xué)科利益的常設(shè)機構(gòu)。美國科學(xué)促進協(xié)會致力于“在全世界推動科學(xué)、工程和創(chuàng)新，造福所有人?！雹貯AAS. Mission and History[EB/OL]. (2019-06-26)[2019-09-10]. https://www.aaas.org/mission.此后，美國科學(xué)促進協(xié)會在美國學(xué)?？茖W(xué)教育的發(fā)展和改革中扮演著舉足輕重的角色。1860年后，許多高中課程包括植物學(xué)、氣象學(xué)、礦物學(xué)、生理學(xué)和動物學(xué)。在19世紀(jì)中后期，科學(xué)課程是描述性的，并且很少或者根本沒有實驗室。許多教授科學(xué)的教師缺乏豐富的科學(xué)背景，科學(xué)主要是作為一系列事實信息來教授的。當(dāng)時教師不論學(xué)習(xí)者和學(xué)科的差異均采用相同的教學(xué)方法，他們匆匆教授完各種各樣的課程。教師常常把一組學(xué)生（由兩人或三四人組成）叫到講臺上讓他們“背誦課本”，機械地重復(fù)課文中的話。幾分鐘之后，學(xué)生回到自己的座位上即為結(jié)束。②坦納. 學(xué)校課程史[M]. 崔允漷, 等譯. 北京: 教育科學(xué)出版社, 2006: 48.

此時由于大學(xué)入學(xué)要求對高中的課程開設(shè)具有指揮棒的重要作用，導(dǎo)致美國大學(xué)的科學(xué)項目直接影響了高中的生物、化學(xué)和物理課程。高中科學(xué)教學(xué)開始模仿高校的教學(xué)，很少關(guān)注學(xué)生的興趣或需要，成為淡化了的大學(xué)科學(xué)課程。教師在課堂上講授許多教科書的章節(jié)，并不時地在實驗室練習(xí)。這些課程強調(diào)作為內(nèi)容的科學(xué)，很少關(guān)注調(diào)查或技術(shù)。科學(xué)教師們很少反思科學(xué)工作是如何進行的。到了19世紀(jì)后期，一些全國性的教育協(xié)會意識到了高中科學(xué)課程被大學(xué)科學(xué)教學(xué)主導(dǎo)產(chǎn)生的嚴(yán)重問題，于是開始尋求改變這種狀況的方法。

1892年“十人委員會”（The Committee of Ten）發(fā)布《十人委員會報告》，提議將高中課程標(biāo)準(zhǔn)化。該委員會由國家教育協(xié)會（NEA）任命，主要由一流大學(xué)校長組成，負責(zé)為計劃上大學(xué)的公立高中學(xué)生進行課程標(biāo)準(zhǔn)化訓(xùn)練。在過去的半個世紀(jì)中，自1840年到1890年，公立高中逐漸擺脫了私立高校的陰影。依據(jù)今天的標(biāo)準(zhǔn)，公立高中的入學(xué)人數(shù)仍然很少（可能不到5%的美國青少年在內(nèi)戰(zhàn)后的公立高中就讀），到了19世紀(jì)70年代，公立中學(xué)的數(shù)量迅速增長，引起了人們的關(guān)注?！笆宋瘑T會”的召開是為了給與公立中學(xué)一起成長的各種課程帶來一些秩序。①Jeffrey Mirel. The Traditional High School Education Next Issue Cover Historical Debates Over its Nature and Function[J/OL].[2022-05-16]. Education Next,2006,6(01). https://www.educationnext.org/the-traditional-high-school/.在哈佛大學(xué)校長埃利奧特（Charles Eliot）的領(lǐng)導(dǎo)下，該委員會對高中的作用進行了廣泛而全面地探索?！妒宋瘑T會報告》認(rèn)為：中學(xué)的存在并不僅僅是為了教育和幫助美國青年上大學(xué)，建議應(yīng)更好地協(xié)調(diào)從小學(xué)到高中的課程。這份報告在削弱大學(xué)對一些高中科學(xué)課程的影響上起了積極的作用。但當(dāng)時大部分學(xué)生仍舊不是通過調(diào)查的方法學(xué)習(xí)科學(xué)。

直到20世紀(jì)初，美國科學(xué)教育的教學(xué)仍主要強調(diào)讓學(xué)生背誦和記憶科學(xué)知識。高中科學(xué)課程教學(xué)的兩種趨勢出現(xiàn)在19世紀(jì)末和20世紀(jì)初。一個趨勢是強調(diào)讓學(xué)生學(xué)習(xí)他們在工業(yè)社會中活動所需的應(yīng)用；另一個趨勢是強調(diào)為大學(xué)科學(xué)學(xué)習(xí)作準(zhǔn)備。1915年美國中央科學(xué)與數(shù)學(xué)教師協(xié)會（the Central Association of Science and Mathematics Teachers）召開會議，強調(diào)在科學(xué)與數(shù)學(xué)教學(xué)中，教師應(yīng)重視教授學(xué)生獲取準(zhǔn)確信息的方法。

（二）探究式教學(xué)在科學(xué)教育中的萌芽時期：從1915年到1945年

在20世紀(jì)上半葉，第一次世界大戰(zhàn)、大蕭條、第二次世界大戰(zhàn)等這些事件對美國政治、經(jīng)濟和文化產(chǎn)生了重要影響，也進而影響公立學(xué)校的教育目標(biāo)。這一時期學(xué)校科學(xué)課程強調(diào)科學(xué)的實踐層面，以便學(xué)生能夠成為社會生產(chǎn)的一員。雖然科學(xué)教學(xué)繼續(xù)強調(diào)讓學(xué)生記憶一些實踐應(yīng)用的真實信息，但科學(xué)的過程和“探究”術(shù)語開始出現(xiàn)在全國委員會的建議和研究文獻中。

1910年到1930年，是美國工業(yè)大發(fā)展時期，也是美國教育大發(fā)展、改革頻發(fā)的時期。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，美國形成了小學(xué)8年、中學(xué)4年的“8-4”中小學(xué)學(xué)制模式，中學(xué)入學(xué)人數(shù)也從1890年的20萬人上升到1912年的100萬人。②張斌賢. 外國教育史(第2版)[M]. 北京: 教育科學(xué)出版社, 2015:343.但是隨著社會的發(fā)展，美國“8-4”中小學(xué)學(xué)制不能適應(yīng)美國經(jīng)濟、社會發(fā)展的要求，美國高校入學(xué)要求委員會在1899年發(fā)布了《高校入學(xué)要求委員會報告》（Report of the on Committee College Entrance Requirements），建議實行6-6中小學(xué)學(xué)制，即6年小學(xué)，6年中學(xué)。1909-1910年美國又出現(xiàn)了一種3年制的初級中學(xué)，頗受學(xué)生和家長的歡迎，后來發(fā)展為6-3-3中小學(xué)學(xué)制模式，并逐漸成為美國普遍的中小學(xué)學(xué)制模式。隨著美國6-3-3學(xué)制的建立、美國學(xué)生人口迅速增長，這種情況帶來了課程的革新以及科學(xué)教育目標(biāo)的擴大。1918年中學(xué)教育改組委員會（Commission on the Reorganization of Secondary Education）提出中學(xué)教育的一般性目標(biāo)應(yīng)為：（1）健康；（2）掌握基本流程；（3）有價值的家庭成員；（4）職業(yè)；（5）公民；（6）有價值地利用閑暇時間；（7）道德品質(zhì)。1920年發(fā)布的《中學(xué)科學(xué)報告》鼓勵科學(xué)教育者將中學(xué)教育改組委員會提出的目標(biāo)納入科學(xué)教學(xué)，尤其是普通科學(xué)和生物學(xué)，以此來強化中學(xué)教育目標(biāo)。

1924年美國科學(xué)促進會教育科學(xué)委員會（Committee on the Place of Science in Education of the American Association for the Advancement of Science）發(fā)布一份報告，強調(diào)科學(xué)思維作為科學(xué)教學(xué)目標(biāo)的重要性。為強調(diào)觀察和實驗的重要性，這份報告呼吁學(xué)校要將科學(xué)教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴骄繛榛A(chǔ)的教學(xué)方法，以便讓學(xué)生擁有對科學(xué)事業(yè)更美好的感受。實際上，科學(xué)界告訴教育工作者：學(xué)?？茖W(xué)教學(xué)不僅僅需要講授科學(xué)內(nèi)容，也必須以一種思考和調(diào)查的方式來教授科學(xué)。這是對現(xiàn)有科學(xué)教育目標(biāo)清單的重要補充。

1934年，進步教育協(xié)會中等教育課程委員會（Commission on Secondary Curriculum of the Progressive Education Association）發(fā)布了一份報告，強調(diào)反思性思維在科學(xué)中的重要性，強調(diào)中學(xué)應(yīng)關(guān)注對學(xué)生生活有用的課程內(nèi)容，要將課程與生活中的問題相聯(lián)系。①Pearson; Joel E. Bass; Terry L. Contant, etc. Science as Inquiry in the Secondary Setting [M]. Pearson Education,2008:24.

著名教育家杜威（John Dewey）是第一個批評美國科學(xué)教育沒有以培養(yǎng)年輕科學(xué)思想家的方式實施教育的人。杜威提出：科學(xué)應(yīng)該作為一種過程和思維方式來教授，而不是作為一個需要記住事實的學(xué)科。他強調(diào)“做中學(xué)”，反對僅僅為獲取知識而學(xué)習(xí)。他倡導(dǎo)讓學(xué)生通過探究的過程和解決問題來學(xué)習(xí)。杜威認(rèn)為，學(xué)生應(yīng)學(xué)習(xí)并且使用科學(xué)方法，而不僅僅是學(xué)習(xí)科學(xué)的核心概念。教育不應(yīng)是簡單地讓學(xué)生學(xué)習(xí)他們很快就會忘記的機械的事實。教育應(yīng)是一次體驗之旅，師生相互借鑒，教師幫助學(xué)生創(chuàng)造和理解新體驗。當(dāng)時的學(xué)校試圖創(chuàng)造一個與學(xué)生生活分開的世界。為此，杜威認(rèn)為：學(xué)校的活動和學(xué)生的生活經(jīng)歷應(yīng)是相互聯(lián)系的，否則真正的學(xué)習(xí)就不會發(fā)生。②Robert Kennedy.Progressive Education: How Children Learn[EB/OL]. (2019-05-30)[2019-09-11]. https://www.thoughtco.com/progressive-education-how-children-learn-today-2774713.

盡管國家委員會在20世紀(jì)上半葉對將探究式教學(xué)納入科學(xué)課程提出了各種建議，但這類建議很少被美國各地的科學(xué)課堂所采用。探究式教學(xué)在這一時期的科學(xué)教育中仍然處于萌芽狀態(tài)。

（三）探究式教學(xué)在科學(xué)教育中的發(fā)展時期：從1945年到1980年

美國在第二次世界大戰(zhàn)后進入了一個新時代。1947年3月12日，美國杜魯門主義出現(xiàn)，標(biāo)志著冷戰(zhàn)開始，直到1991年12月25日蘇聯(lián)解體，冷戰(zhàn)才宣告結(jié)束。曠日持久的冷戰(zhàn)要求美國加強軍事準(zhǔn)備和科學(xué)技術(shù)的進步。

1957年，蘇聯(lián)成功發(fā)射人類第一顆人造地球衛(wèi)星，引發(fā)了美國科學(xué)、數(shù)學(xué)教育的大規(guī)模課程改革。在這次改革中，課程專家、教師、科學(xué)家和數(shù)學(xué)家都發(fā)揮了重要作用，為中小學(xué)科學(xué)課程和教材帶來了很多改變和革新。

雖然杜威是提出要注意科學(xué)教育教學(xué)的第一人，但美國科學(xué)教育的大部分改革都得益于施瓦布（Joseph Schwab）的工作和努力。施瓦布從1959年到1961年擔(dān)任生物科學(xué)課程研究會（Biological Sciences Curriculum Study，BSCS）教師準(zhǔn)備委員會主席。他既是《生物課程教師手冊》（Curriculum's Biology Teacher's Handbook）的合著者，還是生物科學(xué)課程研究會出版的三種教科書（第一版）的主編。①Joseph Schwab(1909-1988)Education and Career, Scholarly Work, The Practical, Legacy[EB/OL]. (2019-06-26)[2019-08-29].https://education.stateuniversity.com/pages/2 401/Schwab-Joseph-1909-1988.html.施瓦布在科學(xué)課程中提倡探究式教學(xué)，促進了人們對探究式教學(xué)的理解。

施瓦布提出，科學(xué)學(xué)科的形成不僅是人們探究、確定生活世界中的永恒真理的過程，相關(guān)學(xué)習(xí)也是一個靈活、多方向、探究驅(qū)動的思維和學(xué)習(xí)過程。施瓦布相信，課堂上的科學(xué)教學(xué)應(yīng)更密切地反映科學(xué)家的實踐工作。他提出了公開探究的三個層次，與我們今天看到的探究過程大體一致。

1、向?qū)W生提供問題、方法和材料，并要求學(xué)生發(fā)現(xiàn)變量之間的關(guān)系。

2、對學(xué)生提出一個問題，但研究方法取決于學(xué)生的發(fā)展和選擇。

3、教師提出假設(shè)，但學(xué)生必須發(fā)展自己的研究問題和方法，以發(fā)現(xiàn)變量之間的關(guān)系。②Inquiry-based Learning[EB/OL]. (2019-06-26)[2019-09-01]. https://courses.lumenlearning.com/educationx92x1/chapter/inquirybased-learning/.

1962年，施瓦布在哈佛大學(xué)作了一個名為“作為探究的科學(xué)教學(xué)”（The Teaching of Science as Enquiry）的演講，他的探究式教學(xué)觀點是教師向?qū)W生傳授科學(xué)知識的主要范式，即科學(xué)家看待和研究一個觀點的方式。他認(rèn)為：科學(xué)不應(yīng)當(dāng)被視為教條，而應(yīng)當(dāng)視為可修正的、變化的學(xué)科。當(dāng)教師將科學(xué)作為一個結(jié)論或一種成品呈現(xiàn)時，他們就歪曲了科學(xué)。施瓦布認(rèn)為，探究式教學(xué)的最大特點是：學(xué)生必須思考和判斷什么是與科學(xué)家承擔(dān)或完成的調(diào)查有關(guān)的方面，通過對這些調(diào)查的反思性批判，他們可以了解科學(xué)家進行研究和思考的過程，還可以了解如何改進它們。③孫可平, 鄧小麗. 理科教育展望[M]. 上海: 華東師范大學(xué)出版社, 2002:172.

總體而言，施瓦布的持續(xù)影響是“蘇格拉底的牛鞭”——他通過指出教育的主要缺點，對其進行尖銳的批評，并指出探究和行動的新方向來推動教育的發(fā)展。④同本頁①。

1963年，美國心理學(xué)家大衛(wèi)·奧蘇貝爾（David Ausubel）提倡有意義的語言學(xué)習(xí)，他認(rèn)為：科學(xué)學(xué)科的主題應(yīng)以學(xué)生可接受的方式呈現(xiàn)。學(xué)習(xí)者將會把有意義的內(nèi)容納入他們的知識庫，同時他們將會很快忘記通過死記硬背學(xué)到的知識。奧蘇貝爾強調(diào)：學(xué)習(xí)必須從學(xué)生所知道的東西開始，后來的建構(gòu)主義者和認(rèn)知心理學(xué)家也提出了相同的觀點。

杰羅姆·布魯納（Jerome Bruner）在1961年提出“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”。他認(rèn)為教育的主要目的是教會學(xué)生怎樣學(xué)習(xí)而不是簡單地積累信息。發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)具有多個優(yōu)點：鼓勵學(xué)習(xí)者積極參與；提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動力；促進學(xué)習(xí)者的自治、責(zé)任感、獨立性；培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)造力和解決問題的能力；學(xué)習(xí)者自己量身定制學(xué)習(xí)經(jīng)驗。布魯納認(rèn)為，通過不斷向?qū)W生解釋課本的內(nèi)容，教師會鼓勵學(xué)生自己解決問題。發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)是一種基于探究的建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，發(fā)生在解決問題的情境中，學(xué)習(xí)者利用自己過去的經(jīng)驗和現(xiàn)有的知識來發(fā)現(xiàn)事實和關(guān)系，以及要學(xué)習(xí)的新真理。學(xué)生通過探索和操縱物體，挑戰(zhàn)問題和爭議或進行實驗來與世界互動。因此，學(xué)生可能更容易記住自己發(fā)現(xiàn)的概念和知識（與傳播主義者的模型相反）。①DISCOVERY LEARNING (BRUNER) [EB/OL]. (2019-01-26)[2019-09-12]. https://www.learning-theories.com/discoverylearning-bruner.html.

瑞士著名心理學(xué)家皮亞杰（Jean Piaget）也為探究式教學(xué)的發(fā)展做出了重要的貢獻。皮亞杰贊賞學(xué)生通過建構(gòu)和內(nèi)化的活動獲得知識的本質(zhì)，而不是通過死記硬背來獲得信息。根據(jù)皮亞杰的觀點，人的智力發(fā)展是通過建構(gòu)思維技能（邏輯結(jié)構(gòu)）實現(xiàn)的，這種思維技能是通過讓學(xué)習(xí)者挑戰(zhàn)找出令人費解的事情的經(jīng)歷來發(fā)展的。皮亞杰所謂的具體操作能力（例如排序、分類、使用數(shù)字和質(zhì)量守恒）和形式操作能力（例如組合推理、比例推理、控制變量和假設(shè)推理）應(yīng)很好地與科學(xué)過程的技能相適應(yīng)。科學(xué)過程的技能是20世紀(jì)60年代和70年代科學(xué)過程運動的重點。

建構(gòu)主義者們在皮亞杰和維果斯基等人的理論基礎(chǔ)上，進一步發(fā)展了探究式教學(xué)的概念。建構(gòu)主義是一種關(guān)于學(xué)習(xí)的哲學(xué)，它提出學(xué)習(xí)者應(yīng)建立自己對新思想或技能的理解。當(dāng)新發(fā)現(xiàn)的知識不符合學(xué)習(xí)者當(dāng)前世界的范式時，他或她必須分解并重構(gòu)該知識。建構(gòu)主義將課堂轉(zhuǎn)變?yōu)橹R建構(gòu)的場所，在這里，信息被吸收，新知識建立在先前的知識之上。它還將教師的傳統(tǒng)角色從“舞臺上的圣人”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皞?cè)面指導(dǎo)”，以支持科學(xué)經(jīng)驗盡可能反映人們開展的真實的科學(xué)活動。

1955年至1980年是美國科學(xué)課程改革的黃金時期，為了回應(yīng)蘇聯(lián)在科學(xué)上的優(yōu)勢，美國政府提供了大量的資金支持科學(xué)課程改革。政府資助的高中科學(xué)教科書項目比商業(yè)教科書包含更多最新的科學(xué)內(nèi)容。此外，來自于這些項目的教科書提倡探究式教學(xué)。當(dāng)時的許多論文和書籍都強調(diào)讓學(xué)生參與學(xué)習(xí)如何做科學(xué)的重要性。

作為施瓦布的著作和課程工作的結(jié)果，探究式科學(xué)教學(xué)成為美國科學(xué)教育界的一種流行方法。在高中推廣探究式科學(xué)教學(xué)，其重點是開展實驗室的工作，人們相信這一策略能夠教會學(xué)生了解科學(xué)的過程，同時使他們增加自己的知識。不幸的是，改革的努力并沒有惠及美國所有高中，改革運動也沒有得到政府資金的大力支持。此外，學(xué)生的科學(xué)課程的成績和學(xué)習(xí)興趣也在下降。

（四）探究式教學(xué)在科學(xué)教育中的鼎盛時期：從1980年到2010年

20世紀(jì)80年代，科學(xué)教育再次受到美國民眾的批評，因為它沒有為年輕人在科學(xué)技術(shù)日益發(fā)達的社會中占據(jù)一席之地作好準(zhǔn)備。日本正成為世界經(jīng)濟中的一名強大競爭者，特別是在汽車制造、電子設(shè)備和鋼鐵方面。美國再次感到來自另外一個國家的威脅，教育系統(tǒng)又一次被人們呼吁成為解決來自日本威脅的方案的一部分。在這樣的背景下，國家教育卓越委員會（National Commission on Excellence in Education）在1983年發(fā)布《國家處于危險之中：教育改革勢在必行》報告，該報告認(rèn)為：“美國教育體系已經(jīng)落后，這反映在美國在工商業(yè)、科學(xué)和技術(shù)創(chuàng)新的領(lǐng)導(dǎo)力上，這些正在被全世界的競爭者接管?！?/p>

20世紀(jì)70年代末和80年代，科學(xué)教育領(lǐng)域發(fā)起了一場將社會問題和價值觀教育視為重要目標(biāo)的進步運動。1981年美國科學(xué)教師協(xié)會發(fā)布由國家科學(xué)基金會（NSF）資助的 《綜合計劃》（Project Synthesis）。該項目同時也是 23 名科學(xué)教育家共同努力的結(jié)果，代表著科學(xué)界的觀點?！毒C合計劃》總結(jié)了來自美國的專業(yè)組織關(guān)于科學(xué)教育狀況的數(shù)千頁報告，這份報告為科學(xué)教育推薦了四個目標(biāo)集群：個人需求、社會問題、學(xué)術(shù)準(zhǔn)備和職業(yè)教育。這些方向強調(diào)了學(xué)生需求、科學(xué)、技術(shù)和社會之間的關(guān)系，因此創(chuàng)造了比只重視純科學(xué)教育的目標(biāo)更好的平衡。《綜合計劃》花費了許多科學(xué)家的精力和心血，也確實產(chǎn)生了大量對后來美國科學(xué)教育發(fā)展有幫助的成果，它是美國科學(xué)、技術(shù)和社會（STS）教育發(fā)展的里程碑，對美國乃至世界都產(chǎn)生了巨大的影響。①王文禮. STS教育發(fā)展的里程碑: 《綜合計劃》述評[J].寧波大學(xué)學(xué)報(教育科學(xué)版), 2010(02):8.

1985年，美國科學(xué)促進協(xié)會聯(lián)合美國科學(xué)院、教育部等12個機構(gòu)啟動“2061計劃”（Project 2061），這是一項面向21世紀(jì)，致力于普及科學(xué)知識的中小學(xué)課程改革工程和旨在提高全體美國人科學(xué)素質(zhì)的長遠計劃。當(dāng)年恰逢哈雷彗星臨近地球，該計劃的負責(zé)人希望在下一次哈雷彗星出現(xiàn)在地球上空的時候——即2061年，美國的科學(xué)與技術(shù)水平達到一個嶄新的水平。

“2061計劃”在20世紀(jì)90年代的標(biāo)志性成果有兩個：一個是1990年美國科學(xué)促進協(xié)會發(fā)布的《面向所有美國人的科學(xué)》（Science for All Americans），另一個是1996年國家研究委員會出版的《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（National Science Education Standards）。這兩份報告都計劃改革K-12科學(xué)教育，促進美國科學(xué)教育的發(fā)展。

《面向所有美國人的科學(xué)》強調(diào)學(xué)生要理解科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)的本質(zhì)，并且了解三者是如何分開和共同運作的。學(xué)生不僅可以在認(rèn)識學(xué)科核心理念的過程中獲取知識，還可以從它們的歷史和當(dāng)代的觀點中獲取知識。該項目試圖培養(yǎng)學(xué)生的好奇心和發(fā)現(xiàn)的能力。然而，美國科學(xué)促進協(xié)會沒有嘗試規(guī)定教師教授科學(xué)的方法，因為有很多方法可以進行有效的科學(xué)教學(xué)。因此，“2061計劃”的目標(biāo)開始變化，由另一個負責(zé)制定國家標(biāo)準(zhǔn)的小組開始制定美國國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)，并且該小組呼吁人們注意科學(xué)課堂中探究的重要性。

《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》高度重視以探究為基礎(chǔ)的科學(xué)教學(xué)，始終使用“探究式科學(xué)教學(xué)”（Teaching Science as Inquiry）這一術(shù)語?！秶铱茖W(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》特別強調(diào)探究在科學(xué)教育中的重要性：科學(xué)探究指科學(xué)家研究自然世界的各種方式，并且依據(jù)他們工作得出的證據(jù)進行解釋。教學(xué)必須讓學(xué)生以探究為導(dǎo)向，學(xué)生與教師、同齡人在探究中互動。學(xué)生在他們既有的科學(xué)知識和發(fā)現(xiàn)的科學(xué)知識之間建立起聯(lián)系；他們將科學(xué)內(nèi)容應(yīng)用于解決新問題；他們解決問題、計劃、決策和小組討論，他們經(jīng)歷的評估與積極的學(xué)習(xí)方法是一致的。②National Research Council.National Science Education Standards [M]. WASHINGTON,DC: National Academy Press, 1996:20.《 國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》還概述了探究學(xué)習(xí)在科學(xué)教育中的六個重要方面：

1、學(xué)生應(yīng)該能夠認(rèn)識到科學(xué)不僅僅是記憶和了解事實。

2、學(xué)生應(yīng)該有機會發(fā)展建立在他們先前知識和科學(xué)思想基礎(chǔ)上的新知識。

3、學(xué)生將通過重新構(gòu)建他們之前對科學(xué)概念的理解并添加所學(xué)的新信息來獲得新知識。

4、學(xué)生的學(xué)習(xí)受到社會環(huán)境的影響，因此他們要有相互學(xué)習(xí)的機會。

5、學(xué)生將掌控他們自己的學(xué)習(xí)。

6、學(xué)生能夠深刻理解學(xué)習(xí)的程度，這將影響他們的新知識對現(xiàn)實生活環(huán)境的可轉(zhuǎn)移性。①Inquiry-based Learning[EB/OL]. (2019-06-26)[2019-09-01]. https://courses.lumenlearning.com/educationx92x1/chapter/inquirybased-learning/.

《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》旨在為K-12科學(xué)教育的發(fā)展提供一系列的指南，為教師、學(xué)生和管理人員提供一套關(guān)于科學(xué)教育的國家標(biāo)準(zhǔn)，幫助教師專業(yè)發(fā)展?！秶铱茖W(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》對美國各州的科學(xué)學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)和各州標(biāo)準(zhǔn)化測試影響巨大，強調(diào)在科學(xué)教育中使用探究式教學(xué)方法。

2000年出版、與《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)的報告《探究和國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》 （Inquiry and the National Science Education Standards），為教師提供了從教室到學(xué)校場地，再到社區(qū)的多樣化環(huán)境中進行探究的教學(xué)案例。美國國家科學(xué)院院長布魯斯·艾伯茨 （Bruce Alberts）寫道：“學(xué)生需要學(xué)習(xí)科學(xué)的原理和概念，獲取科學(xué)家的推理和程序技巧，并理解科學(xué)作為人類努力的一種特殊形式的本質(zhì)?！雹赑earson; Joel E. Bass; Terry L. Contant, etc. Science as Inquiry in the Secondary Setting [M]. Pearson Education,2008: 29.

三、從探究式教學(xué)到三維教學(xué)

眾所周知，沒有卓越的科學(xué)教學(xué)，科學(xué)教育的效果無法保證。因此，科學(xué)教學(xué)在美國科學(xué)教育的發(fā)展中始終占據(jù)著非常重要的地位。2012年美國國家研究理事會發(fā)布的《K-12科學(xué)教育框架》（A Framework for K-12 Science Education）明確提出，科學(xué)教學(xué)要從探究式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S教學(xué)（Three-dimensional Teaching and Learning）?！禟-12科學(xué)教育框架》和2016年美國科學(xué)教師協(xié)會發(fā)布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generation Science Standards）將科學(xué)教師的重心從簡單教授科學(xué)概念轉(zhuǎn)移到幫助學(xué)生了解現(xiàn)象和設(shè)計解決問題的方向。這種從科學(xué)探究過渡到三維教學(xué)的科學(xué)教學(xué)，重點的轉(zhuǎn)變是全新、刺激、使人興奮的，代表了教授科學(xué)的一場革命。學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)的時候，必須使用新標(biāo)準(zhǔn)的3個維度——跨學(xué)科概念、學(xué)科核心理念、科學(xué)和工程實踐，將這3個維度整合在一起以便學(xué)生了解現(xiàn)象或設(shè)計解決問題的方法。課堂融入三維學(xué)習(xí)將讓學(xué)生們建構(gòu)模型、設(shè)計調(diào)查、分享觀點、開發(fā)解釋、使用證據(jù)進行辯論，這些都是為了幫助學(xué)生發(fā)展21世紀(jì)的技能，諸如解決問題、批判性思維、交流、協(xié)作和自我管理。三維教學(xué)也幫助學(xué)生學(xué)習(xí)如何將新知識應(yīng)用于其他各種情況中，每一名學(xué)生都將從這種新的教學(xué)方法中獲益。

（一）什么是三維教學(xué)

《K-12科學(xué)教育框架》完善了科學(xué)教學(xué)和學(xué)習(xí)的目標(biāo)，明確了科學(xué)探究的含義。該框架凸顯了有關(guān)學(xué)生如何學(xué)習(xí)科學(xué)的重要知識，并為科學(xué)教學(xué)和學(xué)習(xí)確立了重要的轉(zhuǎn)變概念。美國科學(xué)教師協(xié)會支持《K-12科學(xué)教育框架》的建議及其在《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》中的具體應(yīng)用，包括以科學(xué)和工程實踐積極吸引學(xué)生參與科學(xué)學(xué)習(xí)，整合這些實踐與學(xué)科核心理念、跨學(xué)科概念，教師應(yīng)利用現(xiàn)象讓學(xué)生參與三維教學(xué)。①NSTA Position Statement. Transitioning from Scientific Inquiry to Three-Dimensional Teaching and Learning[EB/OL]. (2019-02-01)[2019-08-23].https://www.nsta.org/about/positions/3d.aspx.

1. 科學(xué)與工程實踐應(yīng)被用于讓學(xué)生積極參與科學(xué)學(xué)習(xí)

讓學(xué)生參與《K-12科學(xué)教育框架》中闡述的科學(xué)和工程實踐應(yīng)是科學(xué)教學(xué)和學(xué)習(xí)的重中之重。該框架提供了8種科學(xué)和工程實踐路徑，側(cè)重于知識建構(gòu)，并闡明了科學(xué)家參與其工作的方式?？茖W(xué)和工程實踐更充分反映了科學(xué)家的工作，因為科學(xué)家在解決問題時需要理解現(xiàn)象和工程。

2. 應(yīng)整合科學(xué)和工程實踐、學(xué)科核心理念和跨學(xué)科概念

科學(xué)教學(xué)中的科學(xué)和工程實踐、學(xué)科核心理念和跨學(xué)科概念的整合目前被認(rèn)為是一種有效的方法。正如《K-12科學(xué)教育框架》所述：“知識和實踐必須在設(shè)計K-12科學(xué)教育中的學(xué)習(xí)經(jīng)驗時相互交織?！眱H僅讓學(xué)生參與實踐而不包括學(xué)科核心理念和跨學(xué)科概念是不夠的，因為這3個維度都非常重要，且互相關(guān)聯(lián)，需要學(xué)生準(zhǔn)確理解和熟練掌握。

3. 教師應(yīng)利用現(xiàn)象讓學(xué)生參與三維教學(xué)

有效的三維教學(xué)要求學(xué)生學(xué)習(xí)是由解釋現(xiàn)象和/或設(shè)計問題解決方案的需要驅(qū)動的，學(xué)科核心理念和跨學(xué)科概念的理解與科學(xué)和工程實踐共同用于解釋現(xiàn)象?？鐚W(xué)科概念提供了一個不同的視角，科學(xué)家和工程師可以從中提出問題并反思周圍的世界。工程需要個人足夠好地理解現(xiàn)象，以定義與其相關(guān)的問題，并使用對其理解來設(shè)計解決方案。因此，現(xiàn)象是科學(xué)家和工程師工作的核心。

（二）傳統(tǒng)的科學(xué)學(xué)習(xí)與三維學(xué)習(xí)的區(qū)別

傳統(tǒng)的科學(xué)學(xué)習(xí)的重點是讓學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容，而不是讓他們了解現(xiàn)象。大量的研究表明：學(xué)習(xí)科學(xué)內(nèi)容并不能與科學(xué)實踐相分割。如果教師想讓學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容，并在實踐中運用他們的知識，那么他們必須同時使用科學(xué)和工程實踐、跨學(xué)科概念和學(xué)科核心理念。沒有一個維度可以被師生單獨使用，它們必須在一起使用，這樣學(xué)生在努力理解現(xiàn)象或發(fā)現(xiàn)解決問題方法的時候，才能進行較深層次的理解，分清更復(fù)雜的現(xiàn)象或設(shè)計出更復(fù)雜問題的解決方案。②Joe Krajcik. Three-Dimension Instruction: Using a New Type of Teaching in the Science Classroom[EB/OL]. (2015-11-15)[2019-08-25]. http://digital.nsta.org/publication/?i=276015&article_id=2292808&view=articleBrowser#{'issue_id':276015,'view':'articleBrowser','article_id':'2292808'}.

教師在剛開始時使用三維教學(xué)來理解現(xiàn)象或?qū)ふ医鉀Q問題的答案是充滿挑戰(zhàn)的，許多美國教師并沒有準(zhǔn)備好，同時他們也缺乏指導(dǎo)。但堅持在科學(xué)課堂上使用三維教學(xué)有三點好處：第一，所有學(xué)生將獲得這三個維度的深層次知識，這讓他們能夠?qū)⒆约旱闹R應(yīng)用到新的、更富有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。第二，當(dāng)所有的學(xué)生都參與了解現(xiàn)象或解決問題的時候，他們也將發(fā)展解決問題、批判性思考、交流、自我管理的能力。第三，或許是最重要的，三維學(xué)習(xí)將幫助所有學(xué)生獲得對科學(xué)的好奇心和驚奇感。

（三）社會各界的大力提倡

美國科學(xué)教師協(xié)會在2018年2月發(fā)表立場聲明：要求從科學(xué)探究過渡到三維教學(xué)。該協(xié)會呼吁地方和州一級的所有利益相關(guān)者共同承擔(dān)合作角色，采用和實施《K-12科學(xué)教育框架》所闡述的三維科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)。為了從矛盾的科學(xué)探究觀念向三維教學(xué)過渡，美國科學(xué)教師協(xié)會建議利益相關(guān)者：

1、使解釋現(xiàn)象和/或設(shè)計解決問題的方法成為科學(xué)教學(xué)的重中之重。

2、根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)或課程為學(xué)生仔細選擇現(xiàn)象，并鼓勵他們觀察課堂內(nèi)外的現(xiàn)象。

3、從學(xué)校早期階段就開始將科學(xué)和工程實踐、跨學(xué)科概念和學(xué)科核心理念融入所有科學(xué)教學(xué)，一直持續(xù)到高中及以后。

4、對所有兒童都進行三維教學(xué)，不論其語言、性別、種族、民族、年齡、技能、認(rèn)知、身體能力或經(jīng)濟狀況如何。

5、確保學(xué)生對實踐、核心思想和跨學(xué)科概念的學(xué)習(xí)隨著時間的推移而被建構(gòu)。

6、確保學(xué)生在提供解釋現(xiàn)象和/或問題的解決方案時使用證據(jù)。

7、幫助學(xué)生與同齡人進行有意義的對話——類似于科學(xué)家和工程師的工作。

8、為學(xué)生利用三個維度理解現(xiàn)象創(chuàng)造機會，建構(gòu)自己的解釋和論據(jù)，并根據(jù)證據(jù)評估這些解釋和論點。

9、鼓勵學(xué)生運用他們的科學(xué)知識和對科學(xué)本質(zhì)的理解，在個人、社會和全球問題上作出明智的決定。

10、了解可用于三維科學(xué)教學(xué)的各種教學(xué)模式，并拒絕推廣單一的規(guī)定性模式或教學(xué)方式的想法。

11、確保評估學(xué)生反映他們?nèi)S學(xué)習(xí)的經(jīng)歷。①NSTA Position Statement. Transitioning from Scientific Inquiry to Three-Dimensional Teaching and Learning[EB/OL]. (2019-02-01)[2019-08-23]. https://www.nsta.org/about/positions/3d.aspx.

國家研究委員會（NRC）就如何改變實驗室活動以提高學(xué)生的技能和理解科學(xué)提出了一些建議：“首先，實驗室活動需要更加以探究為基礎(chǔ)。其次，學(xué)生在工作時需要有機會閱讀、寫作和參與批判性討論。最后，鼓勵學(xué)生建構(gòu)或批判性論證，在教學(xué)活動中實行形成性評價或教育性評價?！雹贓ric Brunsell. The Five Features of Science Inquiry: How do you know? [EB/OL]. (2010-09-29)[2019-09-09]. https://www.edutopia.org/blog/teaching-science-inquiry-based.

（四）三維教學(xué)有哪些效果

為了驗證三維教學(xué)在實際科學(xué)教學(xué)中的效果，美國一些機構(gòu)和學(xué)者對三維科學(xué)的教學(xué)效果進行了一系列實證研究。

2017年莎拉·菲克（Sarah J.Fick）開展了一項研究，提出了將跨學(xué)科概念融入教學(xué)的方法，以支持學(xué)生在跨學(xué)科概念與科學(xué)理念建立聯(lián)系之前了解其用途。這項設(shè)計實驗使用與授課教師共同開發(fā)的課程，描述了教師如何使用這三個維度來支持學(xué)生的學(xué)習(xí)。調(diào)查結(jié)果使用學(xué)生的概念模型和課堂對話作為證據(jù)來說明跨學(xué)科概念在學(xué)習(xí)機會中所扮演的角色。①Sarah J. Fick.What does three‐dimensional teaching and learning look like?: Examining the potential for crosscutting concepts to support the development of science knowledge [J].Science Education. 2018,102(01):5.

2018年5月1日，州立學(xué)校首席官員委員會（Council of Chief State School Officers，CCSSO）發(fā)表《使用跨學(xué)科概念促進學(xué)生的反應(yīng)》（Using Crosscutting Concepts to Prompt Student Responses）報告，該報告概述了教師如何使用能夠讓學(xué)生有效參與科學(xué)和工程實踐，促進他們學(xué)科核心理念發(fā)生變化的跨學(xué)科概念。通過利用這個簡潔的結(jié)構(gòu)，學(xué)生可以獲得關(guān)于實踐的決策策略，并且對整個教學(xué)進行反思。隨著學(xué)生從低年級升入高年級，學(xué)習(xí)的內(nèi)容從一個主題轉(zhuǎn)到另一個主題，跨學(xué)科概念將幫助他們構(gòu)建推理機制，并為所有學(xué)生提供參與科學(xué)學(xué)習(xí)的平等機會。②The Council of Chief State School Officers. Using Crosscutting Concepts to Prompt Student Responses [R]. May 1, 2018 : 34.

一些調(diào)查還顯示，三維教學(xué)的效果較為顯著。一名8年級教師表示：跨學(xué)科概念的資源對于指導(dǎo)我和我的學(xué)生是非常有用的。隨著學(xué)生對跨學(xué)科概念的理解和運用不斷深入，他們可以利用指南推動自己在跨學(xué)科概念學(xué)習(xí)過程中從“入門級”過渡到“逐漸復(fù)雜”，直至“對準(zhǔn)目標(biāo)”。③Karen Cerwin, Kathy DiRanna, Jill Grace. Next Generation Science Standards in Practice--Tools and Processes Used by theCalifornia NGSS Early Implementers[R]. WestEd, 2018:22.

四、結(jié)語

目前，美國科學(xué)教育強調(diào)學(xué)生獲得核心科學(xué)知識和對科學(xué)方法有深入理解的重要性?？茖W(xué)課程學(xué)習(xí)必須鼓勵學(xué)生像科學(xué)家一樣思考和談?wù)摗ｋm然不是所有教學(xué)的形式都可以被貼上探究式教學(xué)的標(biāo)簽，但這種方法可以得到其他類型教學(xué)方法的支持和補充，在這些教學(xué)中，提高了學(xué)生的調(diào)查性技能，強調(diào)了科學(xué)的應(yīng)用，研究了科學(xué)歷史，討論了科學(xué)的本質(zhì)。當(dāng)前美國在學(xué)校教育中越來越強調(diào)三維教學(xué)，一系列實證研究也表明了三維教學(xué)對促進科學(xué)教學(xué)效果的提高具有明顯的正面作用。當(dāng)然，在科學(xué)課堂中實施三維教學(xué)，需要科學(xué)教師不斷提高其教學(xué)能力，他們面臨的挑戰(zhàn)巨大，他們需要理解、規(guī)劃和實施三維教學(xué)。

我國也應(yīng)在科學(xué)教學(xué)中盡快引入三維教學(xué)，完成從探究式教學(xué)到三維教學(xué)的轉(zhuǎn)變。三維教學(xué)強調(diào)教師根據(jù)上下文向?qū)W生教授跨學(xué)科概念、學(xué)科核心理念、科學(xué)和工程實踐等知識，以幫助學(xué)生透徹地理解科學(xué)現(xiàn)象。學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)的時候，也須使用跨學(xué)科概念、學(xué)科核心理念、科學(xué)和工程實踐3個維度，并將其整合在一起。