葉兆寧

20世紀(jì)的科學(xué)教育從精英教育轉(zhuǎn)向大眾教育，由傳統(tǒng)的傳授式轉(zhuǎn)向探究式，開始強(qiáng)調(diào)通過科學(xué)教育尤其是K-12年級(jí)的科學(xué)教育促進(jìn)學(xué)生科學(xué)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(xué)本身的特征和兒童認(rèn)知發(fā)展的規(guī)律開展科學(xué)教育。20世紀(jì)以來，科學(xué)教育的重要性不言自明，由于其擔(dān)負(fù)著奠定公民科學(xué)素質(zhì)基礎(chǔ)的重要任務(wù)，這在很大程度上決定了社會(huì)成員的思維方式和生活方式，直接影響著民族、國(guó)家和世界的未來[1]。

21世紀(jì)的科學(xué)技術(shù)深刻地改變著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化等各個(gè)領(lǐng)域，社會(huì)對(duì)人才的需求發(fā)生了巨大的變化，對(duì)教育更是提出了更高的要求。近半個(gè)世紀(jì)以來，科學(xué)教育的發(fā)展更趨綜合與多元，從“探究”到“實(shí)踐”、從“探究式科學(xué)教育(IBSE)”到“STEM教育”，從“科學(xué)素養(yǎng)”到“核心素養(yǎng)”。同時(shí)，非正式教育中的科學(xué)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(xué)生發(fā)展的趨勢(shì)。在非正式教育領(lǐng)域中，廣泛使用探究式教與學(xué)的無疑是科技博物館，但目前在博物館科學(xué)教育與STEM教育活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)施中，仍存在對(duì)“探究”的理解模糊不清、混淆“實(shí)踐”與“探究”、表面上“實(shí)踐”卻無實(shí)質(zhì)性“探究”、有“跨學(xué)科內(nèi)容”卻無“跨科學(xué)概念”等問題。針對(duì)此，本文將從探究式教學(xué)的內(nèi)涵和發(fā)展的角度，嘗試解讀科學(xué)教育近一個(gè)世紀(jì)以來的推陳出新、發(fā)展與演變的歷程，以促進(jìn)科技博物館從業(yè)者厘清“探究”的實(shí)質(zhì)，更深入地理解探究式教學(xué)在非正式環(huán)境中實(shí)施的策略與方法。

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

美國(guó)的科學(xué)教育改革一直被全球關(guān)注，皮亞杰、杜威等著名學(xué)者在科學(xué)教育發(fā)展史上起到了關(guān)鍵的作用。1909年，杜威在美國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)的報(bào)告中對(duì)直接傳授科學(xué)知識(shí)的教育觀點(diǎn)進(jìn)行了批判，指出科學(xué)不僅是需要學(xué)習(xí)的一堆知識(shí)，而且也是一種學(xué)習(xí)的過程和方法[2]。在這之后，將探究作為一種科學(xué)教學(xué)方式的觀點(diǎn)被廣泛接受。從20世紀(jì)下半葉開始，為了適應(yīng)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域發(fā)生的變化，科學(xué)教育(尤其是面向兒童的科學(xué)教育)變得十分重要，從而掀起了兒童科學(xué)教育改革的浪潮。

1996年，美國(guó)第一部《國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》出臺(tái)，其中明確了“探究”在科學(xué)教育中的重要位置，指出科學(xué)探究既是科學(xué)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(xué)生用以獲取知識(shí)、領(lǐng)悟科學(xué)思想觀念、領(lǐng)悟科學(xué)家們研究自然所用的方法而進(jìn)行的各種活動(dòng)[3]。該標(biāo)準(zhǔn)奠定了“探究”在科學(xué)教育中的重要位置，其對(duì)“探究”的界定[3]是到目前為止認(rèn)可度頗高的觀點(diǎn)：

探究是多層面的活動(dòng)，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(jié)論，制定調(diào)查研究計(jì)劃；根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)已有的結(jié)論做出評(píng)價(jià)；用工具收集、分析、解釋數(shù)據(jù)；提出解答，解釋和預(yù)測(cè)；以及交流結(jié)果。探究要求確定假設(shè)，進(jìn)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(xué)探究是一種重要的實(shí)踐活動(dòng)，不僅要“探”，更要“研”，它符合兒童的本能和認(rèn)識(shí)模式，同時(shí)也是人類探索自然最樸實(shí)的方法。英國(guó)科學(xué)教育專家溫·哈倫認(rèn)為：探究可以運(yùn)用在多個(gè)領(lǐng)域，如歷史、地理、藝術(shù)、科學(xué)、數(shù)學(xué)、技能和工程中。當(dāng)發(fā)生提出問題、收集證據(jù)并進(jìn)行可能的解釋的時(shí)候，探究也就發(fā)生了。而科學(xué)探究的不同之處在于：它通過與自然世界的直接互動(dòng)、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(dǎo)致了產(chǎn)生對(duì)自然世界和人造世界的知識(shí)和理解[4]。

哈倫教授同時(shí)也指出：通過探究來學(xué)習(xí)科學(xué)是一個(gè)復(fù)雜的過程，在這個(gè)過程中，知識(shí)、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?yàn)樘骄康膹?fù)雜性使其成為相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，在全球范圍內(nèi)推廣探究式科學(xué)教育也不是一件易事[4]。

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

國(guó)際科學(xué)院聯(lián)盟組織科學(xué)教育項(xiàng)目組(IAP-SEP)(1)國(guó)際科學(xué)院聯(lián)盟組織科學(xué)教育項(xiàng)目網(wǎng)址：https://www.interacademies.org/education/ ibse。也是推廣探究式科學(xué)教育的國(guó)際組織，項(xiàng)目組匯集了多國(guó)科學(xué)教育專家，自2003年起對(duì)全球不同國(guó)家開展探究式科學(xué)教育項(xiàng)目提供幫助。2006年6月，項(xiàng)目組在巴黎舉行會(huì)議，并發(fā)布了探究式科學(xué)教育項(xiàng)目的國(guó)際評(píng)估報(bào)告，報(bào)告中對(duì)探究式科學(xué)教育進(jìn)行了如下界定[6]：

探究式科學(xué)教育(IBSE)不是一種單純的教學(xué)法，而是一種有著主要特征并可以以多種方式實(shí)施的教學(xué)法。IBSE與傳統(tǒng)科學(xué)教育有些相同之處，但在很多方面又是不同的：IBSE不僅僅動(dòng)手操作，更主要因素是讓學(xué)生參與到識(shí)別相關(guān)證據(jù)、進(jìn)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(xué)生通過對(duì)已收集到的證據(jù)進(jìn)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(xué)方面。這可能需要讓學(xué)生親自處理物體和資料以及觀察事件，也可能需要學(xué)生運(yùn)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(dǎo)學(xué)生通過自身的活動(dòng)和推理培養(yǎng)探究技能和發(fā)展對(duì)科學(xué)概念的理解。這需要教師推行分組作業(yè)、討論、對(duì)話和辯論，以及為直接調(diào)查和試驗(yàn)提供材料。

在后續(xù)的文獻(xiàn)中，IAP-SEP的專家給出了探究式學(xué)習(xí)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(yàn)對(duì)問題的思考，可以引出多個(gè)可能的解釋或假設(shè)，也就是預(yù)測(cè)。如果其中有可以被接受的解釋，就需要對(duì)它們進(jìn)行檢測(cè)。其目的是為了檢驗(yàn)是否有實(shí)證支持該預(yù)測(cè)。實(shí)證從哪里來？這就需要通過做探究計(jì)劃和實(shí)施調(diào)查研究活動(dòng)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(shí)證和初識(shí)想法相關(guān)聯(lián)，從而得到探究的結(jié)果，再經(jīng)過交流和思考形成新的認(rèn)識(shí)。其中需要進(jìn)行測(cè)試的預(yù)測(cè)可以不止一種，每次的檢測(cè)也未必能成功，所以需要重復(fù)地進(jìn)行預(yù)測(cè)、計(jì)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(jié)論能支持所做的解釋為止。

圖1 探究式學(xué)習(xí)的框圖[7]

圖1類似流程圖，但在每個(gè)箭頭旁標(biāo)有說明，表示從一個(gè)方框進(jìn)入到下一個(gè)方框時(shí)需要進(jìn)行的活動(dòng)。探究的結(jié)果取決于這些活動(dòng)是如何實(shí)施的?？茖W(xué)實(shí)踐的過程與科學(xué)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(shí)驗(yàn)方法、以及反思改進(jìn)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(jià)值不只是找出對(duì)某個(gè)特定問題的答案，還可以達(dá)到兩個(gè)目的：一是通過探索與思考的過程，促進(jìn)探究者對(duì)概念的理解，并幫助其構(gòu)建自身的概念認(rèn)知體系；另一個(gè)是促進(jìn)學(xué)習(xí)能力、深度思考、以及科學(xué)態(tài)度的發(fā)展。在這個(gè)過程中，探究者的思考、行動(dòng)與反思對(duì)探究過程的質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果起到非常重要的作用。

二、實(shí)踐(Practice)與STEM教育

當(dāng)很多人還在研究和實(shí)施探究的同時(shí)，變化已然發(fā)生。隨著腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、發(fā)展心理學(xué)等在技術(shù)和研究方法上的進(jìn)步，科學(xué)家們得以探索人類學(xué)習(xí)的機(jī)制和本質(zhì)，并將其運(yùn)用于教育領(lǐng)域。在這些科學(xué)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(guó)《K-12年級(jí)科學(xué)教育框架：實(shí)踐、跨學(xué)科概念與核心概念》(簡(jiǎn)稱《框架》)出臺(tái)，它是隨后發(fā)布于2013年的美國(guó)《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》(簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)的指導(dǎo)性文件。其中旗幟鮮明地使用“科學(xué)與工程實(shí)踐”“跨學(xué)科概念”和“學(xué)科核心概念”作為科學(xué)教育的三個(gè)維度，并將STEM教育融入科學(xué)教育，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)教育觀念的又一次轉(zhuǎn)型。

在此之前的十多年期間，“探究”一詞在科學(xué)教育領(lǐng)域有著舉足輕重的地位，是開展科學(xué)教育的主要方法。而在《框架》中用“實(shí)踐”替代長(zhǎng)期以來的“探究”和“技能”等說法，引起了廣泛的關(guān)注。這不僅是一次學(xué)術(shù)詞匯的改變，也代表著更深的意義。《框架》指出“實(shí)踐”包含兩個(gè)含義：一是科學(xué)家研究和建立關(guān)于世界的模型和理論時(shí)使用的科學(xué)實(shí)踐，另一個(gè)是工程師設(shè)計(jì)和建立系統(tǒng)時(shí)使用的一組關(guān)鍵的工程實(shí)踐[8]?？梢哉f，“實(shí)踐”一詞的啟用與工程教育的融入有著密切的關(guān)系。至少，“實(shí)踐”中既包括了以探究為主的科學(xué)實(shí)踐，也包括了以設(shè)計(jì)和建造為主的工程實(shí)踐，且“實(shí)踐”一詞并不空洞，《框架》和《標(biāo)準(zhǔn)》中用八個(gè)在科學(xué)和工程方面具有一致性的實(shí)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(jì)劃和開展研究；(4)分析和解讀數(shù)據(jù)；(5)使用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維；(6)建構(gòu)解釋和設(shè)計(jì)解決方案；(7)參與基于證據(jù)的論證；(8)獲取、評(píng)價(jià)和交流信息[8，9]。

相較于科學(xué)探究，工程設(shè)計(jì)具有反復(fù)性和系統(tǒng)性，且包括若干個(gè)不可或缺的典型步驟：識(shí)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(shè)計(jì)方法；通過建立和測(cè)試數(shù)學(xué)模型檢驗(yàn)課程的方案；分析方案對(duì)既定要求與限制的滿足程度；改進(jìn)現(xiàn)有方案等[8]。對(duì)于科學(xué)研究而言，不管是否可以應(yīng)用與實(shí)踐，形成一種解釋本身就意味著成功；而對(duì)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(biāo)準(zhǔn)》中用“科學(xué)與工程實(shí)踐”來結(jié)合這兩個(gè)過程，意味著科學(xué)教育中更加關(guān)注在真實(shí)實(shí)踐過程中的思考與方法運(yùn)用，更加關(guān)注如何提升學(xué)生將具體科學(xué)知識(shí)和技能整合在一起開展面對(duì)真實(shí)問題的科學(xué)研究和工程創(chuàng)新。可以說，《框架》和《標(biāo)準(zhǔn)》并非用“實(shí)踐”替代了“探究”，而是把“探究”還原為真實(shí)的科技探究實(shí)踐，是基于科學(xué)與工程實(shí)踐的真正的探究式學(xué)習(xí)。脫離了“實(shí)踐”的“探究”，是空對(duì)空的“偽探究”，是缺乏根基的“探究”；脫離了“探究”的“實(shí)踐”，是沒有目的的、缺少教育意義的“實(shí)踐”。如果沒有“基于實(shí)踐的探究式學(xué)習(xí)”，STEM 教育就缺失了 “靈魂”[10]。

此外，在《框架》和《標(biāo)準(zhǔn)》中還使用“預(yù)期表現(xiàn)”來整合實(shí)踐、跨學(xué)科概念和學(xué)科概念三個(gè)維度。使其最大限度地削弱了將科學(xué)實(shí)踐簡(jiǎn)化為一套單一程序、以及過于強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)研究，而忽略了建模、批判和交流等實(shí)踐的誤區(qū)。基于科學(xué)與工程實(shí)踐的科學(xué)教育，是理解和運(yùn)用“學(xué)科核心概念”與“跨學(xué)科概念”的最好途徑。正因?yàn)槿绱?，“科學(xué)與工程實(shí)踐”與“學(xué)科核心概念”“跨學(xué)科概念”共同構(gòu)成了科學(xué)教育的“三個(gè)維度”；也因?yàn)槿绱?，STEM教育成為了實(shí)現(xiàn)“三個(gè)維度”科學(xué)教育目標(biāo)的重要平臺(tái)，“基于探究的實(shí)踐”或“基于實(shí)踐的探究”是STEM教育的核心要素之一。

從“探究”到“實(shí)踐”的轉(zhuǎn)變很快被大眾認(rèn)可和接受，這與STEM教育的發(fā)展不無關(guān)系。STEM一詞提出于20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)在西方高等教育領(lǐng)域。本世紀(jì)初逐漸進(jìn)入K-12年級(jí)教育的各個(gè)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(xué)科教育所不同，STEM教育更注重整合與問題解決，強(qiáng)調(diào)在現(xiàn)實(shí)問題解決的過程中開展能力培養(yǎng)與知識(shí)建構(gòu)，同時(shí)還強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生創(chuàng)造力的提升，與當(dāng)前知識(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)人才基本素質(zhì)的要求相適應(yīng)[11]。

與STEM教育相對(duì)應(yīng)，STEM素養(yǎng)的概念也得以發(fā)展。美國(guó)科學(xué)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(guān)的個(gè)人、社會(huì)乃至全球問題的能力。作為各國(guó)政府間討論關(guān)于教育、科學(xué)和文化問題的國(guó)際組織，聯(lián)合國(guó)教科文組織也十分關(guān)注STEM教育，并于2019年發(fā)布報(bào)告《探索21世紀(jì)的STEM素養(yǎng)》，足見全球?qū)TEM教育的重視程度。報(bào)告中對(duì)STEM素養(yǎng)的定義是：為實(shí)現(xiàn)個(gè)體的、集體的和全球性的發(fā)展期望，能夠調(diào)動(dòng)和有道德地使用知識(shí)與技能、態(tài)度與價(jià)值觀以及技術(shù)來有效參與的發(fā)展性能力。并提出STEM素養(yǎng)包括知識(shí)、技能、態(tài)度和價(jià)值觀三個(gè)要素[12](見表1)。

表1 聯(lián)合國(guó)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(xué)科中常見的主題教育，而是具有整合、跨學(xué)科和問題解決等顯著特征。項(xiàng)目化學(xué)習(xí)(PBL)是實(shí)現(xiàn)STEM教育跨學(xué)科特征的有效教學(xué)方法[13]。通過項(xiàng)目將科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)的實(shí)踐過程有目的、有系統(tǒng)地鏈接在STEM教育活動(dòng)中，幫助學(xué)生深度思考，促進(jìn)他們理解解決實(shí)際問題的過程和策略、理解科學(xué)原理如何被運(yùn)用于技術(shù)與工程設(shè)計(jì)、更有助于他們理解科學(xué)和工程的本質(zhì)特征。

三、從“探究”到“實(shí)踐”——探究式教學(xué)法的繼承與發(fā)展

現(xiàn)代意義上的探究式教學(xué)源自于20世紀(jì)中葉，皮亞杰的發(fā)展心理學(xué)和杜威的“做中學(xué)”，以及布魯納的“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”，直到施瓦布正式將其確立為科學(xué)教學(xué)的方法。發(fā)展至90年代，在美國(guó)的2061計(jì)劃和《國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》(1996)中明確采用探究式教學(xué)的方法，探究式教學(xué)逐步被認(rèn)可并成為開展科學(xué)教育最有效的手段。在科學(xué)教育最近半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展過程中，從探究到實(shí)踐，雖然用詞不同，但其科學(xué)教育的內(nèi)涵和本質(zhì)實(shí)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(chǔ)

1. “實(shí)踐”離不開“探究”，都以實(shí)證研究為基礎(chǔ)

從“探究”到“實(shí)踐”，最讓人困惑的莫過于“有了實(shí)踐就不需要探究”的誤區(qū)。其實(shí)強(qiáng)調(diào)實(shí)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(shè)計(jì)的過程融入學(xué)習(xí)之中，用實(shí)踐涵蓋科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)的整個(gè)過程；也包括了在使用科學(xué)與工程思維過程中產(chǎn)生的實(shí)踐行為，如使用模型、分析數(shù)據(jù)、論證、獲取和評(píng)價(jià)信息等。

因此，在科學(xué)活動(dòng)中，可以毫無疑義的采用探究式教學(xué)法，不同之處在于科學(xué)探究已不是單純的、僅在學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)研究科學(xué)問題，而是會(huì)在與之密切相關(guān)的情境中，讓科學(xué)探究與工程實(shí)踐同時(shí)存在，并遵循以實(shí)證研究為基礎(chǔ)的基本原則。教師往往需要幫助學(xué)生理順何時(shí)需要進(jìn)行科學(xué)探究，而何時(shí)需要采用工程過程解決問題。并且更加關(guān)注如何引導(dǎo)學(xué)生思考，將科學(xué)思維、計(jì)算思維、設(shè)計(jì)思維等運(yùn)用于解決實(shí)際問題，同時(shí)促進(jìn)學(xué)生參與到識(shí)別相關(guān)證據(jù)、進(jìn)行判斷性推理和邏輯性推理并思考如何進(jìn)行解釋和付諸于實(shí)際行動(dòng)中。這一過程將更有利于學(xué)生理解科學(xué)原理、技術(shù)、工程設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)是如何整合在一起用于解決實(shí)際問題的。

2. 都屬于歸納式教學(xué)法，符合兒童的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律

歸納式教學(xué)是與傳統(tǒng)的演繹式教學(xué)相對(duì)應(yīng)的教學(xué)法。演繹式教學(xué)法中教師從講述一般原理開始引入話題，再推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型，接著舉一些實(shí)例來說明模型的應(yīng)用，再通過練習(xí)、訓(xùn)練、作業(yè)等方式復(fù)習(xí)和鞏固。其過程中學(xué)生很少會(huì)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(shí)際問題等；且學(xué)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(xué)”。與之相反，歸納式教學(xué)法不是從一般原理開始進(jìn)行到應(yīng)用，而是從具體事物出發(fā)，如一組有待解釋的現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)、一個(gè)需要分析的案例或是一個(gè)有待解決的現(xiàn)實(shí)問題。學(xué)生若想要對(duì)數(shù)據(jù)、現(xiàn)象進(jìn)行分析，或者想要解決問題，就必須把握事實(shí)、弄清楚原理、了解規(guī)則、直至執(zhí)行計(jì)劃、評(píng)估效果，在解決問題的過程中完成認(rèn)知的構(gòu)建與應(yīng)用?？梢哉f，探究式教育和STEM教育中采用的教學(xué)法從根本上都屬于歸納式教學(xué)法。

歸納式教學(xué)法是一個(gè)籠統(tǒng)的名稱，包括一系列的學(xué)習(xí)模式，如探究式學(xué)習(xí)、基于問題的學(xué)習(xí)、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、基于案例的教學(xué)、發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)等。它們的另一個(gè)共同之處是“以學(xué)生為中心”。歸納式教學(xué)法中學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，他們將對(duì)學(xué)習(xí)承擔(dān)更多的責(zé)任，并且都在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀之下遵循實(shí)現(xiàn)有效教育的一些原則，包括[14]：

? 教育活動(dòng)應(yīng)該從學(xué)生熟悉的內(nèi)容與經(jīng)歷出發(fā)，以便跟他們已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來。

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

? 教育活動(dòng)應(yīng)該要求學(xué)生自主填補(bǔ)知識(shí)空白，并延伸到教師提出的新內(nèi)容之中，即幫助學(xué)生不再事事依賴教師，而是有計(jì)劃地開展自我學(xué)習(xí)。

? 教育活動(dòng)應(yīng)該讓學(xué)生組成小組參與。

可見，“以學(xué)生為中心”的教學(xué)法以促進(jìn)學(xué)習(xí)的真正發(fā)生為視角，更加關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程的有效性，也更符合兒童認(rèn)知發(fā)展的規(guī)律和需求。

3. “實(shí)踐”與“探究”的發(fā)展都不是孤立的，需要教學(xué)過程的促進(jìn)

“探究”和“實(shí)踐”既可被看作為對(duì)過程的表征，代表學(xué)生開展科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)所經(jīng)歷的過程，也可被看作是對(duì)在此過程中所涉及的能力和方法的表征。公認(rèn)的是：其一，這些能力都不是與生俱來的，需要在后天的學(xué)習(xí)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(shí)、思維、方法等都在探究和實(shí)踐的過程中自然而然地綁定在一起，形成一個(gè)整體，幫助學(xué)生通過探究和實(shí)踐把知識(shí)與能力融匯貫通[8]。以此為基礎(chǔ)，探究式教育和STEM教育的教學(xué)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(shì)。教學(xué)內(nèi)容的選擇和活動(dòng)過程的設(shè)計(jì)，也會(huì)從一定程度上促進(jìn)這種態(tài)勢(shì)的形成，給學(xué)生各方面的發(fā)展提供空間。

(二) 演變之趨勢(shì)

1. 由單一學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展為跨學(xué)科

以研究科學(xué)現(xiàn)象、探索科學(xué)原理為目的的科學(xué)領(lǐng)域?qū)W習(xí)活動(dòng)中，探究式教學(xué)法往往聚焦在某一個(gè)具體的學(xué)科、具體的現(xiàn)象上，通過基于實(shí)證的科學(xué)探究過程開展探索。這有利于學(xué)生形成具體的學(xué)科素養(yǎng)，但卻缺乏學(xué)科間的打通，缺乏學(xué)科與解決真實(shí)復(fù)雜問題之間的聯(lián)系。

在開展基于STEM教育的學(xué)習(xí)活動(dòng)時(shí)，則立足于某個(gè)現(xiàn)實(shí)問題或項(xiàng)目，以解決問題、尋求解釋和解決方案為目的?，F(xiàn)實(shí)問題或項(xiàng)目往往具有一定的復(fù)雜性，本身就可能涉及到不止一個(gè)學(xué)科，需要用到多個(gè)學(xué)科的知識(shí)或技能才能達(dá)成問題的解決。此時(shí)的探究式學(xué)習(xí)就有可能超越單一學(xué)科的局限，通過問題解決的過程自然而然結(jié)合多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。

可見，從單純的研究科學(xué)現(xiàn)象拓展到真實(shí)問題解決，學(xué)習(xí)活動(dòng)目標(biāo)的轉(zhuǎn)換，使得教學(xué)方法的側(cè)重面也發(fā)生著變化。雖然目標(biāo)的維度具有較高的一致性，但目標(biāo)的內(nèi)容、具體要求和復(fù)雜程度卻隨著跨學(xué)科特點(diǎn)的加入而發(fā)生深化，目標(biāo)維度之間的關(guān)聯(lián)度也隨之提升?？梢哉f，從跨學(xué)科角度開展的科學(xué)探究教學(xué)比單純研究科學(xué)原理要復(fù)雜很多、深入很多，更符合21世紀(jì)對(duì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求。也就使得“跨學(xué)科”成為科學(xué)教育演變的必然趨勢(shì)。

2. 不斷發(fā)展的教學(xué)模式

探究式科學(xué)教育的學(xué)術(shù)用語是IBSE，即Inquiry-based Science Education，也被稱為基于探究的教學(xué)。在教育領(lǐng)域普遍認(rèn)可了探究式科學(xué)教育的基本理念之后，圍繞科學(xué)探究的基本要素，從不同的側(cè)面開展研究，近半個(gè)世紀(jì)以來發(fā)展出多種探究式教學(xué)的模式和方法。

(1) 研究探究式教學(xué)的開放程度——多層次的探究式教學(xué)

對(duì)探究開放程度的關(guān)注出現(xiàn)于探究式教學(xué)發(fā)展的初期。美國(guó)課程學(xué)者施瓦布(Schwab)在倡導(dǎo)探究式教學(xué)時(shí)提出以開放的程度進(jìn)行層次的劃分，層次越低，教師介入程度越高，學(xué)生開放程度則越低，反之則以學(xué)生為學(xué)習(xí)主體，教師介入程度降低[15]。以此逐漸形成探究式教學(xué)的四個(gè)層次：驗(yàn)證性探究、結(jié)構(gòu)性探究、引導(dǎo)性探究和開放性探究[16]。格爾曼(Germann)等學(xué)者根據(jù)學(xué)生提出問題和回答問題的獨(dú)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(qiáng)化型探究、結(jié)構(gòu)性探究、指導(dǎo)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(xué)中各要素和環(huán)節(jié)的開放程度。

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

(2) 研究探究式教學(xué)的過程——5E學(xué)習(xí)環(huán)理論/6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式

學(xué)習(xí)環(huán)是發(fā)展于20世紀(jì)五六十年代的探究式教學(xué)模式，其中以美國(guó)生物學(xué)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(xué)習(xí)環(huán)模式最具有代表性。依據(jù)5E學(xué)習(xí)環(huán)理論，探究式教學(xué)過程可劃分為五個(gè)階段：吸引、探索、解釋、深化和評(píng)價(jià)，其具體內(nèi)涵見表2[18]。

表2 5E學(xué)習(xí)環(huán)各階段的內(nèi)涵

5E學(xué)習(xí)環(huán)拓展了科學(xué)探索的一般理解，從學(xué)習(xí)和教學(xué)的角度完善探究式教學(xué)法的要素，從而形成一個(gè)更為完整的教育過程，突顯出探究式教學(xué)從建構(gòu)新知到運(yùn)用新知的教育目的。5E教學(xué)法還強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位，其核心是學(xué)生的探究活動(dòng)，并在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中注重學(xué)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(xué)法尤其關(guān)注學(xué)生在新舊概念之間的有效銜接和有機(jī)建構(gòu)。在5E教學(xué)模式下，學(xué)生擁有更多審視自身學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)效果的機(jī)會(huì)，通過不斷地自我剖析與改進(jìn)，達(dá)到提升自身綜合技能的目標(biāo)。學(xué)習(xí)環(huán)的整個(gè)過程，就是錯(cuò)誤概念不斷更新為正確概念、利用已有概念進(jìn)行新概念構(gòu)建的過程，正是在這種不斷構(gòu)建與完善的過程中，學(xué)生的學(xué)科思維得以擴(kuò)散、科學(xué)概念得以更新，從而實(shí)現(xiàn)新舊認(rèn)知的交替與革新。

近年來STEM教育的興起促進(jìn)了工程教育與科學(xué)教育的融合，美國(guó)國(guó)際技術(shù)與工程教育學(xué)會(huì)于2014年在5E學(xué)習(xí)環(huán)理論基礎(chǔ)上提出了6E設(shè)計(jì)性學(xué)習(xí)模式(Learning by Design Model)，并將其作為落實(shí)STEM教育的活動(dòng)模式。6E模式包括六個(gè)階段，即為吸引、探究、解釋、工程、深化和評(píng)價(jià)[19]。顯然，6E模式整合了科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)，更加重視學(xué)生在類似于現(xiàn)實(shí)工程項(xiàng)目的真實(shí)情境中，主動(dòng)完成科學(xué)探究活動(dòng)和自主的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，以培養(yǎng)學(xué)生的問題解決和創(chuàng)新能力。

(3) 側(cè)重模型建構(gòu)對(duì)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(xué)模式，采用將建模教學(xué)與探究教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式，注重讓學(xué)生在探究活動(dòng)中通過構(gòu)建和修正科學(xué)模型來理解和預(yù)測(cè)自然界的科學(xué)規(guī)律[20]。MBI教學(xué)模式包括明確研究對(duì)象、提出問題、生成假設(shè)、查找證據(jù)以測(cè)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(gè)環(huán)節(jié)并非要按照順序進(jìn)行，在探究過程中五個(gè)環(huán)節(jié)不斷循環(huán)或延伸。模型是MBI教學(xué)模式的關(guān)鍵，首先需要有一個(gè)初始模型作為學(xué)生探究的基礎(chǔ)框架；強(qiáng)調(diào)依據(jù)證據(jù)來對(duì)模型即相關(guān)事物的發(fā)生發(fā)展過程進(jìn)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(shí)驗(yàn)或模型本身；最終所構(gòu)建的模型可以對(duì)未知事物進(jìn)行預(yù)測(cè)和解釋。

圖2是基于模型的探究學(xué)習(xí)的過程[21]。圖中顯示MBI始于一個(gè)廣泛的學(xué)習(xí)情境，展現(xiàn)出與學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)相關(guān)聯(lián)的科學(xué)現(xiàn)象；學(xué)生根據(jù)該情境以及自身已有的經(jīng)驗(yàn)，描述現(xiàn)象并提供一個(gè)能夠解釋現(xiàn)象的模型結(jié)構(gòu)，提出一個(gè)具有模型內(nèi)涵的問題；接著依據(jù)模型假設(shè)變量之間的關(guān)系，不同于簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)，學(xué)生需要設(shè)計(jì)進(jìn)行比較研究的假設(shè)和模型；有了假設(shè)之后，通過可控的和非可控的實(shí)驗(yàn)，收集相關(guān)信息、分析數(shù)據(jù)，從模型出發(fā)與數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)之前的假設(shè)；最后對(duì)所研究的現(xiàn)象做較為深入的論述，根據(jù)實(shí)證獲得的數(shù)據(jù)，得出對(duì)所研究現(xiàn)象的解釋，認(rèn)識(shí)到還可能有其他的解釋，說明如何根據(jù)實(shí)證需要修正原先提出的模型。

圖2 基于模型的探究學(xué)習(xí)過程

MBI教學(xué)模式將探究與建?；顒?dòng)整合在一起，從而能夠發(fā)揮其最大的教育價(jià)值。其核心思想在于學(xué)生像科學(xué)家一樣，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(dá)對(duì)不同科學(xué)現(xiàn)象或者過程的理解[22]。從而在這個(gè)過程中，達(dá)到對(duì)科學(xué)知識(shí)的深層次認(rèn)知，掌握科學(xué)探究的基本技能。

那么MBI適合于什么年級(jí)的學(xué)生呢？針對(duì)這個(gè)問題，《框架》中認(rèn)為建模從最早的年級(jí)就可以開始，這時(shí)的模型是具體的“圖畫”和實(shí)物比例模型，到了較高的年級(jí)，學(xué)生的模型逐漸發(fā)展為更加抽象的對(duì)相關(guān)關(guān)系的表征。教學(xué)中需要鼓勵(lì)所有年級(jí)的學(xué)生用模型表示探究過程中的發(fā)現(xiàn)，建構(gòu)模型對(duì)所發(fā)生的現(xiàn)象進(jìn)行解釋[8]。

(4) 關(guān)注實(shí)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(xué)領(lǐng)域，論證是基于證據(jù)說服同行，以證明某一或某些科學(xué)觀點(diǎn)的過程；在工程技術(shù)領(lǐng)域，論證是基于證據(jù)，檢驗(yàn)解決問題方案是否可行的過程；認(rèn)知心理學(xué)者庫恩(D.Kuhn)則認(rèn)為：論證是一個(gè)認(rèn)知過程，在各種不同觀點(diǎn)的相互論辯的過程中，產(chǎn)生認(rèn)知的沖突，促進(jìn)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(gè)成分[25]。

雖然論證在科學(xué)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(xué)模式[26]。該模型將科學(xué)論證環(huán)節(jié)整合到探究過程中而形成的探究式教學(xué)的一種模式，促使學(xué)生經(jīng)歷類似科學(xué)研究過程中的論證，并以此提升學(xué)生的科學(xué)思維能力和水平。論證式教學(xué)的研究者大多以圖爾敏的論證模型為基礎(chǔ)，發(fā)展出各自對(duì)論證式教學(xué)的解釋。

值得一提的是，《美國(guó)新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》(2013)將“基于證據(jù)的論證”作為“科學(xué)與工程實(shí)踐”之一，并在標(biāo)準(zhǔn)中給出了不同階段該實(shí)踐的發(fā)展進(jìn)程。我國(guó)2020年修訂的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)中，在物理、化學(xué)、生物等課程的學(xué)科核心素養(yǎng)的描述中都關(guān)注到論證的作用。且在高中《生物》課標(biāo)中“形成科學(xué)思維的習(xí)慣，能夠運(yùn)用已有的生物學(xué)知識(shí)、證據(jù)和邏輯對(duì)生物學(xué)議題進(jìn)行思考或展開論證”被確定為課程目標(biāo)的內(nèi)容之一。可見，論證式探究教學(xué)模式也已被認(rèn)可為探究式教學(xué)的重要模式之一。

(5) 研究真實(shí)情境下的探究——項(xiàng)目化學(xué)習(xí)(Project-based Learning)

項(xiàng)目化學(xué)習(xí)(PBL)源于醫(yī)學(xué)院的教育方法，其核心包括組織和推進(jìn)活動(dòng)的真實(shí)問題以及所形成的問題解決方案。它符合建構(gòu)主義與學(xué)習(xí)科學(xué)的理論發(fā)展，故而使其在醫(yī)學(xué)、教育、管理、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域獲得了廣泛的認(rèn)同和推崇[27]。隨著STEM教育的出現(xiàn)，將科學(xué)探究與工程實(shí)踐統(tǒng)一之后，基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)被越來越多的運(yùn)用于科學(xué)教育之中。

巴克教育研究所給出了較為公認(rèn)的PBL的定義：基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)是一種教學(xué)法，可使學(xué)生在一段時(shí)間內(nèi)通過研究并應(yīng)對(duì)一個(gè)真實(shí)的、有吸引力的和復(fù)雜的問題、課題或挑戰(zhàn)，從而掌握重點(diǎn)知識(shí)和技能。該研究所還提出有關(guān)高質(zhì)量PBL的黃金準(zhǔn)則，包括七個(gè)基本的項(xiàng)目設(shè)計(jì)要素和七個(gè)基于項(xiàng)目的教學(xué)實(shí)踐[28](見表3)。

表3 高質(zhì)量PBL的黃金準(zhǔn)則

我國(guó)學(xué)者夏雪梅在開展理論與實(shí)踐研究之后，針對(duì)我國(guó)實(shí)際提出了核心素養(yǎng)視角下的PBL，即學(xué)生在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)與學(xué)科或跨學(xué)科有關(guān)的驅(qū)動(dòng)型問題進(jìn)行深入持續(xù)的探索，在調(diào)動(dòng)所有知識(shí)、能力、品質(zhì)等創(chuàng)造性解決新問題、形成公開成果中，形成對(duì)核心知識(shí)和學(xué)習(xí)歷程的深刻理解，并能夠在新情境中進(jìn)行遷移[27]。由此可見，PBL與上述科學(xué)探究教學(xué)法所不同的在于真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)和引入。這必然使項(xiàng)目呈現(xiàn)一定的復(fù)雜性，學(xué)生需要面對(duì)這樣的復(fù)雜性，進(jìn)行分析和推理，運(yùn)用高階思維，學(xué)習(xí)解決復(fù)雜問題的方法，從而提升其綜合素質(zhì)與能力。

四、結(jié)語

以上所分析的多種探究式教學(xué)法，各有千秋，各有側(cè)重，且都是在探究式教學(xué)發(fā)展歷程中備受關(guān)注和使用范圍較廣的教學(xué)方法。他們體現(xiàn)了“探究”和“實(shí)踐”作為符合人類認(rèn)知和心理發(fā)展的學(xué)習(xí)模式，適用于任何深度和廣度的學(xué)習(xí)過程，其本質(zhì)并非簡(jiǎn)單的“動(dòng)手做”，也非不著邊際的“頭腦風(fēng)暴”，而是將學(xué)、做、思緊密結(jié)合，腳踏實(shí)地地對(duì)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(xué)生的核心知識(shí)、技能和高階思維能力。另一個(gè)可見的共同點(diǎn)是都“以學(xué)生為中心”，更關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)的過程，而非教師教的過程，學(xué)生的能動(dòng)性對(duì)這些教學(xué)法的成功都有著至關(guān)重要的作用。

值得注意的是，在對(duì)上述探究式教學(xué)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?yàn)闊o論是正式的還是非正式的教育，其教育的目的、教學(xué)的原理、學(xué)習(xí)的方式、師生的互動(dòng)等都是共通的，所不同的是場(chǎng)域、資源、形式、時(shí)間等，而這些外部條件并不會(huì)構(gòu)成探究式教育本質(zhì)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(duì)象、工具或產(chǎn)物，且展品中還蘊(yùn)藏著豐富的科技探究與實(shí)踐的信息，如“學(xué)科核心概念”被發(fā)現(xiàn)的過程與方法的信息、科學(xué)家和工程師運(yùn)用或體現(xiàn)“跨學(xué)科概念”的信息等。因此，對(duì)于科技博物館的教育工作者而言，在設(shè)計(jì)和實(shí)施探究活動(dòng)時(shí)，理解探究與實(shí)踐的本質(zhì)比生搬硬套其過程更為重要，通過對(duì)展品觀察、操作、體驗(yàn)、探究的過程，復(fù)制、還原出真實(shí)的科技探究實(shí)踐，以幫助學(xué)習(xí)者通過“基于實(shí)物的體驗(yàn)”和“基于實(shí)踐的探究”加深對(duì)“學(xué)科核心概念”和“跨學(xué)科概念”的理解、加深對(duì)探究和科學(xué)本質(zhì)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(xué)教育的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，也是學(xué)校和其它社會(huì)教育機(jī)構(gòu)所稀缺的，有效地挖掘其符合探究式教學(xué)內(nèi)涵之處，才能更好地發(fā)揮其在科學(xué)教育中的價(jià)值和作用。

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