當(dāng)今世界,科學(xué)技術(shù)在社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著越來(lái)越重要的作用。它不僅促進(jìn)著生產(chǎn)力的發(fā)展,為人類在更大范圍、更深層次上認(rèn)識(shí)并合理利用自然提供了可能,推動(dòng)了社會(huì)的發(fā)展和繁榮,而且改變著人們的生產(chǎn)方式、生活方式和思維方式。科學(xué)素養(yǎng)已成為未來(lái)公民必備的素質(zhì),從小開(kāi)始培養(yǎng)兒童的科學(xué)素養(yǎng)成為義務(wù)教育階段的重要任務(wù)。
小學(xué)科學(xué)課程是義務(wù)教育中兒童接觸自然科學(xué)的開(kāi)端,對(duì)兒童科學(xué)素養(yǎng)的形成尤為關(guān)鍵。任何一門(mén)課程都至少有兩個(gè)核心問(wèn)題,一是“學(xué)什么”,二是“怎么學(xué)”,對(duì)“小學(xué)科學(xué)課程到底應(yīng)圍繞什么”的討論即幫助讀者理解科學(xué)課程應(yīng)“學(xué)什么”的問(wèn)題。
無(wú)論是我國(guó)的小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn),還是各國(guó)現(xiàn)行的科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn),都在科學(xué)課程的目標(biāo)上保持著一致,在國(guó)際科學(xué)院聯(lián)盟(IAP)2010年出版的《科學(xué)教育的原則和大概念》一書(shū)中,更是把科學(xué)教育的目標(biāo)作為十項(xiàng)基本原則之一,明確提出:
科學(xué)教育具有多方面的目標(biāo),應(yīng)該致力于
·理解一些科學(xué)上有關(guān)的大概念,包括科學(xué)概念以及關(guān)于科學(xué)本身和科學(xué)在社會(huì)中所起作用的概念
·收集和運(yùn)用實(shí)證的科學(xué)能力
·科學(xué)態(tài)度
該書(shū)的編者強(qiáng)調(diào)這些多方面的目標(biāo)并不是相互孤立的。在學(xué)習(xí)過(guò)程中它們之間的相互促進(jìn)很重要,真正的理解需要依靠能力。
但教學(xué)中仍然存在的問(wèn)題是,這些目標(biāo)中是否應(yīng)有一條目標(biāo)更為核心,而成為課程的主要線索?那么是應(yīng)以知識(shí)為主線,還是以能力為主線呢?注重過(guò)程還是注重結(jié)果呢?這正是新教改中反復(fù)爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。本文作者試圖從各方面的分析中尋求答案。
學(xué)習(xí)科學(xué)的研究揭示了兒童的學(xué)習(xí)能力
上世紀(jì)中后期開(kāi)始,人們?cè)絹?lái)越清楚地認(rèn)識(shí)到人類學(xué)習(xí)以及生存環(huán)境的復(fù)雜性,從而導(dǎo)致了一個(gè)新的領(lǐng)域——學(xué)習(xí)科學(xué)的誕生。學(xué)習(xí)科學(xué)從多學(xué)科的視角研究學(xué)習(xí),涉及到人類學(xué)、社會(huì)學(xué)、哲學(xué)、心理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)等多種學(xué)科。
近三十年學(xué)習(xí)科學(xué)的實(shí)證研究表明,人生而具有強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力。嬰兒從出生開(kāi)始就具有十分巨大的能力來(lái)學(xué)習(xí)和系統(tǒng)地接受信息,開(kāi)始建構(gòu)他們一生知識(shí)的基礎(chǔ)。他們開(kāi)始對(duì)顏色產(chǎn)生反應(yīng),辨認(rèn)物體和物理世界的特性。不到一年他們就能理解語(yǔ)言了,一些能力如辨認(rèn)物體、面部識(shí)別,甚至是基本數(shù)字的識(shí)別可能是生而具有的,是世界上最奇特的事。
研究表明(Pascalis et al,2002),即使是嬰兒也會(huì)使用概念。當(dāng)他們向人的面孔微笑時(shí),指向家里圈養(yǎng)的寵物,并呼喊它的名字時(shí),或是急急地向裝有果醬的一滿勺果醬招手時(shí),都表現(xiàn)了他對(duì)概念的使用。嬰兒在6個(gè)月到10個(gè)月時(shí)母語(yǔ)的辨別能力增強(qiáng),非母語(yǔ)的辨別能力減弱。說(shuō)明人天生就會(huì)形成概念,這些概念不一定都科學(xué),而且絕大部分不是科學(xué)的。Patricia Kuhl的研究也表明在正確的時(shí)間,以正確的方式,提供正確的信息,嬰兒的學(xué)習(xí)能力是驚人的。
在2007年由國(guó)家研究理事會(huì)(美國(guó),NRC)出版的《Taking Science to School:Learning and Teaching Science in GradesK-8》中,以實(shí)證研究為基礎(chǔ)對(duì)兒童的學(xué)習(xí)能力作出詳盡分析,得出如下結(jié)論:
幼兒的思維令人驚訝地成熟,而并非傳統(tǒng)觀過(guò)時(shí)觀點(diǎn)所認(rèn)為的具體和簡(jiǎn)單。兒童學(xué)習(xí)科學(xué)所需的重要“建筑塊”(建筑塊指兒童學(xué)習(xí)科學(xué)所需要的基礎(chǔ)知識(shí)和能力)在進(jìn)入學(xué)校之前就已經(jīng)具備了。
兒童在進(jìn)入學(xué)校的時(shí)候已經(jīng)對(duì)自然世界有了充分的認(rèn)識(shí),在這基礎(chǔ)上可以發(fā)展他們對(duì)科學(xué)概念的理解。某些領(lǐng)域的知識(shí)提供的基礎(chǔ)更加牢固,因?yàn)檫@些知識(shí)出現(xiàn)得很早,并且在世界跨文化范圍內(nèi)具有某些普適的特征。
在學(xué)前階段結(jié)束時(shí),兒童的推理能力已經(jīng)處于科學(xué)推理能力發(fā)展的起點(diǎn)上。然而,他們的推理能力受到他們概念知識(shí)、任務(wù)本質(zhì)以及對(duì)自己思維意識(shí)等的限制。
這些結(jié)論打破了人們對(duì)兒童學(xué)習(xí)能力的固有觀點(diǎn),那些認(rèn)為兒童只具有具體思維,沒(méi)有抽象思維;兒童主要根據(jù)對(duì)事物及其聯(lián)系進(jìn)行排序和分類來(lái)理解世界,而不是根據(jù)解釋性理解建構(gòu)理論;以及兒童不能采用實(shí)驗(yàn)來(lái)發(fā)展他們的想法的觀點(diǎn)在目前看來(lái)已經(jīng)過(guò)時(shí)了。
顯然幼兒對(duì)自然的好奇心,驅(qū)使他們主動(dòng)地探究周?chē)氖澜?。兒童缺乏的是知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),但并不缺乏推理能力。兒童在進(jìn)入學(xué)校時(shí)已經(jīng)形成了有關(guān)世界的一些概念,有著潛在而強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力。如果小學(xué)的科學(xué)教育不能幫助兒童有效認(rèn)識(shí)世界,建構(gòu)正確的科學(xué)概念,則兒童在長(zhǎng)達(dá)六年的學(xué)習(xí)中將形成更多的錯(cuò)誤理解,這些錯(cuò)誤的理解無(wú)疑會(huì)對(duì)其后續(xù)的學(xué)習(xí)造成阻礙和影響。
為什么概念學(xué)習(xí)對(duì)兒童很重要?
來(lái)自神經(jīng)科學(xué)的啟示
從神經(jīng)科學(xué)的視角來(lái)說(shuō),教與學(xué)是兒童大腦和心理發(fā)展的重要部分。大腦和心理發(fā)展與兒童和外部環(huán)境的不斷互動(dòng)有關(guān)。在神經(jīng)系統(tǒng)中與學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)相連的活動(dòng)促使神經(jīng)細(xì)胞創(chuàng)造出新的突觸。本質(zhì)上,一個(gè)人接觸信息的質(zhì)量和習(xí)得信息的數(shù)量反應(yīng)其大腦的終生結(jié)構(gòu)。在學(xué)習(xí)過(guò)程中,大腦所發(fā)生的變化似乎使神經(jīng)細(xì)胞變得更加有效或有力。大腦皮層總體結(jié)構(gòu)因接觸學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)和在社會(huì)情境中學(xué)習(xí)而改變。
那么大腦的變化是由實(shí)際學(xué)習(xí)或各種神經(jīng)活動(dòng)的總體變化引起的嗎?僅靠激活而沒(méi)有主體實(shí)際學(xué)習(xí)參與是否能使大腦產(chǎn)生變化等問(wèn)題成為科學(xué)家的研究重點(diǎn)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明(Black et al.,1990),學(xué)習(xí)能增加突觸而練習(xí)則不能。神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)的生物電學(xué)記錄證實(shí)學(xué)習(xí)賦予大腦新的組織模式(Beaulieu andCynader,1990)。僅靠激活是不夠的,還需要學(xué)習(xí)者的主動(dòng)參與。
可見(jiàn),學(xué)習(xí)改變著大腦的物質(zhì)結(jié)構(gòu),而這些結(jié)構(gòu)的變化改變了大腦的功能組織。變化不是一朝一夕的,改變也不是一蹴而就的。所以,人的錯(cuò)誤想法一旦建立就很難改變,因而及早幫助兒童建立對(duì)自然現(xiàn)象的正確認(rèn)識(shí),將有助于其一生的發(fā)展。
來(lái)自認(rèn)知科學(xué)的啟示
對(duì)專家和新手差異的研究
認(rèn)知科學(xué)家們對(duì)專家和新手的差異的研究顯示:專家推理和解決問(wèn)題的能力取決于良好組織起來(lái)的知識(shí),這些知識(shí)網(wǎng)絡(luò)影響他們所關(guān)注的事物和問(wèn)題再現(xiàn)的方式。專家比新手更有可能識(shí)別有意義的信息模式;專家首先需求提高對(duì)問(wèn)題的理解力,這常常涉及到核心概念或大觀點(diǎn)的思維方式同時(shí),專家的知識(shí)是“條件化的”,它包括對(duì)有用的情景的具體要求,他們知道知識(shí)運(yùn)用的條件和方法。故此,強(qiáng)調(diào)知識(shí)廣度的課程會(huì)妨礙知識(shí)的有效組織,因?yàn)槿藗儧](méi)有足夠的時(shí)間把每樣事情都學(xué)得很深。那種能使學(xué)生了解專家組織和解決問(wèn)題模式的教學(xué)也許會(huì)更有用。
專家的知識(shí)是圍繞重要觀點(diǎn)或概念來(lái)組織的,這意味著課程亦應(yīng)按概念理解的方式組織。許多課程設(shè)計(jì)的方法使得學(xué)生難以進(jìn)行有意義的知識(shí)組織,通常在轉(zhuǎn)入下一主題前,只是能觸及到一些表面性的事實(shí)知識(shí),而沒(méi)有時(shí)間形成重要的、組織起來(lái)的知識(shí)。從這點(diǎn)來(lái)看,沒(méi)有概念為載體的學(xué)習(xí)顯然不利于學(xué)生了解知識(shí)的組織模式。對(duì)于小學(xué)生而言,沒(méi)有概念為載體的學(xué)習(xí)將不利于其對(duì)知識(shí)的理解和組織,也不利于后續(xù)的科學(xué)學(xué)習(xí)。
對(duì)學(xué)生概念轉(zhuǎn)變的研究
認(rèn)知科學(xué)家們從20世紀(jì)70年代開(kāi)始關(guān)注學(xué)生教學(xué)前概念的研究,包括學(xué)生的錯(cuò)誤概念(misconception)、樸素概念(naiveconcept)、直覺(jué)概念(intuitive concept)、相異性概念(alternative concept)等。
Chi和Roscoe的研究顯示學(xué)生建構(gòu)知識(shí)有兩個(gè)典型的特點(diǎn),一是憑直覺(jué)或是憑當(dāng)時(shí)的感覺(jué)得出不正確或是不完整的概念;二是已經(jīng)具有的不正確的概念會(huì)妨礙建立新的正確的概念。Chi和Roscoe把學(xué)生這種原有的概念分成兩類,一類是前概念(Preconception),這一類概念通過(guò)教學(xué)是比較容易改變的,而另一類稱為錯(cuò)誤概念(Misconception,也有譯為“迷思概念”),這類錯(cuò)誤概念比較牢固,很難改變,即使是面對(duì)觀察到的事實(shí),也常常會(huì)不易改變。比如落體的概念、四季的概念、月相的概念都不容易建立,如果學(xué)習(xí)之前就存有錯(cuò)誤的理解,這些錯(cuò)誤再糾正起來(lái)就會(huì)較為困難。
最初研究者以皮亞杰的認(rèn)知建構(gòu)主義和庫(kù)恩的“理論轉(zhuǎn)換”觀點(diǎn)為基礎(chǔ),探討科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變問(wèn)題,提出了各種概念轉(zhuǎn)變的模型和方法,如著名的Posner的概念轉(zhuǎn)變模式等。進(jìn)入上世紀(jì)80年代和90年代早期后,研究者開(kāi)始關(guān)注影響概念轉(zhuǎn)變的因素,尤其是學(xué)習(xí)者在概念轉(zhuǎn)變中的重要性。
雖然到目前為止,在對(duì)科學(xué)概念轉(zhuǎn)變的界定、過(guò)程、作用機(jī)制等仍在爭(zhēng)論中。但兒童在學(xué)習(xí)過(guò)程中存在一定的前概念,學(xué)習(xí)需要基于學(xué)生原有基礎(chǔ)的教育理論已得到公認(rèn)。對(duì)學(xué)生科學(xué)概念的關(guān)注實(shí)際反映了對(duì)學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的重新認(rèn)識(shí)以及對(duì)學(xué)生主體的重視,促進(jìn)以學(xué)生為中心開(kāi)展科學(xué)教育,支持學(xué)生通過(guò)主動(dòng)學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變。
美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)(NRC)早在1997年的文獻(xiàn)中就指出錯(cuò)誤概念是學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的障礙,并對(duì)教學(xué)給出明確的指導(dǎo),包括了解學(xué)生錯(cuò)誤概念的方法。有研究者(古丁、梅茲,2008)給出了幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到自身錯(cuò)誤概念的策略,包括要求學(xué)生給出說(shuō)明,要求學(xué)生給出證據(jù),要求學(xué)生給出評(píng)價(jià)等等。這些策略本身就指向?qū)W生探究能力的培養(yǎng),可見(jiàn)當(dāng)教學(xué)圍繞學(xué)生的錯(cuò)誤概念展開(kāi)時(shí),教師不得不采用觀察、實(shí)驗(yàn)、討論、甚至辯論等教學(xué)策略,而學(xué)生的探究能力也將在這些策略中得到發(fā)展。
對(duì)學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)進(jìn)展的研究
對(duì)學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)進(jìn)展(Learningprogression)的研究是本世紀(jì)初以來(lái)科學(xué)教育研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。
學(xué)習(xí)進(jìn)展是基于教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和研究而形成的對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)步方向的預(yù)設(shè),是可測(cè)試的,內(nèi)容包括學(xué)生對(duì)主要的科學(xué)概念的理解和解釋,以及科學(xué)實(shí)踐能力的發(fā)展程度。這些預(yù)設(shè)說(shuō)明學(xué)生在掌握主要科學(xué)概念的進(jìn)程中的普遍規(guī)律和路徑,是建立在對(duì)學(xué)生真實(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行的實(shí)證研究基礎(chǔ)上的。
學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的理解,從其樸素理論開(kāi)始,最終發(fā)展為科學(xué)理論,是學(xué)生在該領(lǐng)域?qū)W習(xí)中的相關(guān)體驗(yàn)、科學(xué)知識(shí)和技能逐漸增多并結(jié)構(gòu)化的結(jié)果,學(xué)習(xí)進(jìn)展的研究揭示出學(xué)生獲得學(xué)業(yè)成就的一般過(guò)程,在一定程度上說(shuō)明了學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的認(rèn)知發(fā)展。
美國(guó)(NAEP)的評(píng)測(cè)框架和2010年公布的科學(xué)課程框架草案中都將學(xué)習(xí)進(jìn)展作為新一輪科學(xué)課程改革的有效依據(jù)。提出學(xué)習(xí)進(jìn)展的研究對(duì)課程、標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)和教學(xué)都有著重要的意義。
國(guó)內(nèi)學(xué)者在分析NAEP的科學(xué)評(píng)價(jià)框架時(shí)提出:構(gòu)建評(píng)價(jià)內(nèi)容最為關(guān)鍵的是要與學(xué)生認(rèn)知發(fā)展相匹配。要構(gòu)建清晰有效的評(píng)價(jià)內(nèi)容,就要摸清學(xué)生科學(xué)概念的認(rèn)知發(fā)展,明確某一核心概念在某年僅可以評(píng)價(jià)什么。唯有遵循學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的評(píng)價(jià)內(nèi)容體系,評(píng)價(jià)反饋的結(jié)果才能有效促進(jìn)科學(xué)課程與教學(xué)的概念,達(dá)成科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)的落實(shí)。
此外,在學(xué)習(xí)科學(xué)的第二本專著《劍橋?qū)W習(xí)科學(xué)手冊(cè)》中明確提出了目前學(xué)習(xí)科學(xué)家們對(duì)學(xué)習(xí)的基本事實(shí)已達(dá)成共識(shí),包括更深刻的理解概念的重要性;注重教,也注重學(xué);創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)環(huán)境;建立在學(xué)習(xí)者已有知識(shí)上的重要性;反思的重要性。
圍繞概念教學(xué)與能力培養(yǎng)矛盾嗎?
圍繞概念教學(xué)是單純地從概念到概念,一味地講授而忽略探究嗎?圍繞概念的教學(xué)和學(xué)生探究能力、實(shí)驗(yàn)技能和學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)矛盾嗎?回答顯示都是否定的。
國(guó)際科學(xué)院聯(lián)盟(IAP)的科學(xué)教育小組2006年在《探究式科學(xué)教育的評(píng)估報(bào)告》中給出了探究式科學(xué)教育的區(qū)別性特點(diǎn),如下表:
探究式科學(xué)教育的區(qū)別性特點(diǎn)
學(xué)生通過(guò)對(duì)已收集到的證據(jù)進(jìn)行思考和邏輯推理來(lái)生成概念,使自己能夠理解周?chē)澜绲目茖W(xué)方面,他們將:
親自處理物體與材料及觀察事件;
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);
提出調(diào)查問(wèn)題,進(jìn)行預(yù)測(cè),計(jì)劃和進(jìn)行調(diào)查研究,解決問(wèn)題,驗(yàn)證觀點(diǎn),對(duì)新證據(jù)進(jìn)行反思并形成新的假設(shè);
與他人合作,分享觀點(diǎn),計(jì)劃和結(jié)論;通過(guò)對(duì)話提出自己的見(jiàn)解。
教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)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)查和實(shí)驗(yàn)提供材料和信息來(lái)源。
從中不難看出通過(guò)探究的方法教科學(xué)時(shí)學(xué)生需要通過(guò)親自實(shí)驗(yàn)或收集證據(jù),經(jīng)過(guò)思考和邏輯推理來(lái)建構(gòu)對(duì)科學(xué)概念的理解。這個(gè)過(guò)程中學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)、動(dòng)手能力、科學(xué)思維都能夠得到發(fā)展。而教師則要更多地實(shí)施實(shí)驗(yàn)、觀察、討論、對(duì)話和辯論??梢?jiàn),圍繞概念進(jìn)行的探究式教學(xué)與學(xué)生的能力培養(yǎng)不但不矛盾,反而是一個(gè)相互促進(jìn)的過(guò)程。
Harlen(2010)指出,在小學(xué)里,科學(xué)活動(dòng)一般是從周?chē)奈矬w和事件開(kāi)始的,教師力圖使內(nèi)容引起兒童的興趣。小學(xué)階段的問(wèn)題不在于缺乏能使學(xué)生感知的內(nèi)容,而在于難以選擇適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)內(nèi)容,使這些內(nèi)容不僅對(duì)學(xué)生在中學(xué)的學(xué)習(xí)有用,而且對(duì)他們一生都有用。因此,在構(gòu)思科學(xué)教育的目標(biāo)時(shí),在知識(shí)方面不是用一堆事實(shí)和理論,而是用趨向于核心概念的一個(gè)進(jìn)展過(guò)程。這些核心概念及進(jìn)展過(guò)程可以幫助學(xué)生理解與他們?cè)谛R约半x開(kāi)學(xué)校以后的生活有關(guān)的一些事件和現(xiàn)象。
結(jié)語(yǔ)
兒童的科學(xué)學(xué)習(xí)是一個(gè)連貫的過(guò)程,在義務(wù)教育的所有年級(jí),學(xué)校都應(yīng)該設(shè)置科學(xué)教育項(xiàng)目,以系統(tǒng)地發(fā)展和保持學(xué)習(xí)者對(duì)周?chē)澜绾秃闷嫘?,?duì)科學(xué)活動(dòng)的熱愛(ài),以及對(duì)如何闡明自然現(xiàn)象的理解。
教育工作者需要認(rèn)識(shí)到日常生活中的活動(dòng)、觀察和思考,兒童在進(jìn)入學(xué)校時(shí)已經(jīng)形成了有關(guān)世界的一些概念,這就是科學(xué)教育要達(dá)到的知識(shí)理解、能力和態(tài)度方面目標(biāo)的起點(diǎn)。課程中的活動(dòng)應(yīng)是與學(xué)生相關(guān)的和重要的,特別是能激發(fā)學(xué)生興趣的。對(duì)課程開(kāi)發(fā)和教師來(lái)說(shuō),關(guān)鍵是要能保證從學(xué)習(xí)特定的課題出發(fā)建立的小概念能逐漸發(fā)展成較大的概念。
科學(xué)概念的學(xué)習(xí)和發(fā)展是一個(gè)腳手架,學(xué)生的錯(cuò)誤概念更是教學(xué)的突破口,它幫助教師理清教學(xué)需求與目標(biāo)的關(guān)系,幫助教師激發(fā)學(xué)生的思維沖突,幫助學(xué)生在概念轉(zhuǎn)變的過(guò)程中得以發(fā)展。因此,圍繞概念教學(xué)與學(xué)生的能力培養(yǎng)并不矛盾,概念的建構(gòu)應(yīng)是科學(xué)課程的主線。小學(xué)科學(xué)課程應(yīng)始終以探究式學(xué)習(xí)為主要的學(xué)習(xí)方法,以學(xué)生科學(xué)概念的發(fā)展為載體,促進(jìn)兒童的全面發(fā)