科学教育中的探究教学史：百年回顾与展望
张颖之
(首都师范大学教师教育学院,北京 100037)
[摘 要] 回溯科学教育中探究教学的百年发展历程，大致分为四个阶段。19世纪中叶：科学教育从诞生之初就伴随着探究思想；20世纪上半叶：杜威的教育革命推动了科学教育方法的发展；20世纪下半叶：探究成为科学课程改革的主题；近年来：实践逐渐成为课程关键词。科学教育话语体系中“实践”的出现，绝非意味着“探究”的淡化甚至隐退，而是对既有探究思想的扩充和发展，“实践”承载的内涵包括：实践既是习得知识的重要途径，也是知识学习的主要目的；实践包括了科学探究和工程实践；让学生思维显现出来是实践的关键要求。
[关键词] 科学教育；探究教学；实践；思维显现
自从19世纪中叶自然科学相关课程进入正规学校课堂，迄今已逾百年。随着科学技术的迅猛发展和社会生活的重大变化，科学教育在一次次的变革中不断前行。许多研究者在考察科学教育史时，都会感概地说，如果要用某个词语来描绘科学教育工作者这些年来孜孜以求的目标，这个词一定是“探究”。[1]本文将回溯科学教育中探究教学的百年发展历程，前瞻科学教育的未来发展趋势，以期为我国课程教学的设计与实施提供有价值的决策依据，同时也为进一步深化课程与教学领域综合改革提供更加有力的学术支撑。
从吴躜辉走进这个行业开始，地推、经销商会、农民会等等这些基础的推广工作他就一直在做。同时每个新产品上市前都会展开试验示范，把产品的效果更加真实地展现在农民眼前，让农民对产品产生更大的认同感。如今，吴躜辉扎根基层10年后，他所负责区域的化肥销售量达到了8000吨，营业额上亿元。
一、19世纪中叶：科学教育从诞生之初就伴随着探究思想
不少人会觉得探究是一种新式的理念和教法，事实上，从19世纪科学课程建立之初，探究就作为科学教育不可分割的一部分，深植于课堂教学中。[2]19世纪中叶，自然科学课程进入学校课堂，科学教育由此诞生。在此之前，学校课程主要由神学、文法、古典名著等经典科目组成。一批具有前瞻性的思想家和科学家，认识到学习自然科学对于个人智识发展的重要作用，极力促成了科学课进入学校课堂。英国著名思想家斯宾塞1864年发表了《什么知识最有价值》，在社会各界引起了广泛而深远的影响。这篇文章不仅明确指出科学知识具有极大的价值，还提出科学知识同样具有美与诗意。
“你会设想在普通人不经意地看来只是雪花的东西，对于一个曾在显微镜中见过雪的结晶的奇妙多样形式的人不会引起一些较高的联想吗？你会设想一块划了些平行线痕迹的圆岩石，对一个无知的人和一个知道一百万年前冰河曾在这岩石上滑过的地质学家，能激起同样多的诗意吗？”[3]
时任英国皇家学会主席的生物学家赫胥黎不仅非常支持自然科学进入课堂，还带领大家探讨科学课应该怎样进行教学：[4]“……通过对自然界的直接观察，在特定事实中得出结论…如果教植物，就一定要让学生自己处理植物、解剖花……”。斯宾塞也认为，[5]每种学习都应该从实验入门，在积累了充分观察后开始推理。教师应尽量少的直接告诉学生，而是尽可能的引导学生去发现，自己进行探讨和推论。时任美国哈佛大学校长、美国教育学会主席艾略特先生呼吁美国所有学校都应该开设科学课程，并率先把实验教学引入大学课堂，鼓励教师让学生在实验室研究标本，进行野外采集和实地考察，并引导学生自己观察事物的变化和进程、检验因果关系，从中获取知识、发展推理能力。[6]这些对于科学课堂教学的探讨显然具有浓厚的实验探究意味。
然而，在现实的教学实践中，这类结合实验的教学并没有受到教师的青睐，基于教材的传统讲授依然占据主流地位，人们批判这类实验教学是一种非主流的教学方式，低效且不切实际，数据解释超越学生能力，对绝大多数以后不从事科学工作的学生来说没有什么用。为了弥补弊端，研究者史密斯和赫尔于1902年提出，将实验教学分为三种：[7]第一种被称作是“真正的发现”(true discovery)，教师在教学中将给学生最大自由度来探索自然，然而存在的问题在于需要太多时间，学生知识能力储备不足，得出的结论大多数比较肤浅；第二种被称作是“验证法”(verification approach)，学生在实验室中按照既定步骤来重现科学事实和原理，能够帮助学生理解科学概念，但却不利于培养科学思维和态度；第三种被称作是“探究”(inquiry),即教师引导下的发现之旅，教师会给学生主题上的限定，帮助提出问题、提供材料，给学生一定的指导。学生的探索发现会受到一定限制，但学生也可以就自己不知道答案的问题，进行仔细观察、做出推理。这也是探究(inquiry)一词首次出现在教育领域中，为大家所熟知。自此以后，探究的概念内涵历经几代教育研究者的诠释和发展，引领了此后一个多世纪的科学教育革命。
二、20世纪上半叶：杜威的教育革命 推动了科学教育方法的发展
如果说19世纪末科学教育的目标还仅停留在对个人智识发展的促进上，到了20世纪初，科学教育的目标已上升到国家社会层面，人们认识到科学可以用于应对一系列的社会问题，科学教育也因此受到了重视，然而教学方法依然还是以知识的直接传授为主。
为了改变传统教学中直接灌输和机械训练的教育方法，哥伦比亚大学的约翰·杜威教授提出了“教育即生活，学校即社会”的口号，宣称要以“学生为中心”，提倡“做中学”的教学方法。中国历史上耳熟能详的许多名家，比如胡适、陶行知、陈鹤琴、蒋梦麟、张伯苓等人，都是杜威的学生，他们在哥伦比亚大学获得硕士或博士学位，然后回到中国传播先进的教育思想。
2011年7月19日，由美国国家研究院(NRC)联合多家单位研制的《K-12科学教育的框架：实践，跨学科概念与核心概念》(以下简称“新框架”)出台，这份近三百页的课程文件报告细致勾勒了“新一代”(next generation)科学教育的蓝图，为美国科学课程下一阶段的发展指明了具体的道路和前进的方向。其中最抢眼的变化是，[15]《新框架》的首位关键词为“实践”(practices)，“作为实践的科学”(science as practice)也成为美国新一代科学教育的主导理念。[16]从话语体系来说，“实践”将更多地被提及；然而，这绝非表明探究将不再得到重视，而是对既有探究思想的扩充和发展。
由此，“实践”整合了科学和工程共有的思维特征，提出了八个模块，分别为：[19]提出科学问题和界定工程难题；发展和使用模型；计划和实施研究；分析和阐释数据；使用数学和计算思维；构建科学解释和设计工程解决方案；参与基于证据的争论；获取、评估和交流信息。可以看出，这些内容涵盖了科学探究的方方面面，又进行了细化和拓展。值得强调的是这八个模块没有固定顺序，也无特定组合，由教师根据课堂教学内容和学生情况来设计教学活动，侧重于实践的某一面或多面。
草莓属蔷薇科，果实富含Vc、花色苷、酚类等多种营养物质，具有极高的营养价值和不一般的医疗保健功效，素有“水果皇后”的美称。但草莓水分含量较高，组织娇嫩，易损伤、易受微生物侵染而腐烂变质，不耐贮运[1]。因此，需要对草莓及时进行加工处理，以便延长货架期，免受经济损失。
三、20世纪下半叶：探究成为科学课程改革的主题
1957年苏联第一颗人造卫星上天引发了美国政府恐慌，美国因而启动了大规模的教育改革。在这次改革中，科学教育提到了一个前所未有的重要地位，这是因为人们深深认识到了，科学教育关系到国家安全和经济发展。哈佛大学布鲁纳教授领衔主持了这次改革，他尤为强调学科结构和基本概念的学习，要求学生像科学家那样思考科学。[11]
越是困难的环境，就越能体现商业模式的创新价值。特别是对于印刷这样的传统行业来说，生产模式、员工素质、厂房设计等多年不变，更加需要商业模式的创新。阳光印网的这种创新模式，天然地将互联网与印刷企业紧密结合、完美匹配，成为业内创新的典范。
好奇心是一种情感，能够迅速燃起学生的求知欲。一个好的科学实践需要能够激发学生强烈的好奇心，进而开启主动思考的探索之旅。在探索的过程中，学生需要有机会尝试从合理可信的渠道来收集数据，从而获取有意义的信息，并学会使用科学推理来对信息进行评估。这些过程富含对深层次思维的需求，并要求学生通过语言交流呈现出这些思维，类似的语言包括：[20]“我认为……现象产生的原因是……，支持我的证据是……”。科学课堂中有意义的语言交流包括观点的表述，以及基于证据的科学论辩，并且应鼓励学生在交流过程中使用数据图表等视觉呈现方式。[21]让学生思维显现出来是学习活动走向深度的必然路径，实践活动中有效的思维交流还可以有助于教师追踪学生的理解状况，帮助学生进行自我反思和多角度看待问题，为形成复杂推理能力打下基础。
审美趣味的改变制约了水墨动画的进一步发展。上世纪80年代以后，西方审美标准的盛行改变了动画受众的审美趣味，继而影响了国产动画的创作风格，水墨动画随即成为过眼烟云。随着社会的发展和进步，在高科技迅速发展的时代，中国的日新月异，各种先进的动画技术以及西方审美思想的影响，从制作技术、审美趣味到艺术风格上，中国的动画片逐渐被“西化”，丧失了本民族的特色和优势，外来动画风格成为动画创作的主要风格。
表1 施瓦布提出的探究实验三个水平
20世纪70年代末的时候，美国国家研究基金会开始对全美课堂教学实践情况进行调研，发现教育状况不尽如人意，随后美国教育部在1983年出台报告《国家在危机中：教育改革势在必行》，认为各个学校都应该有更严格的标准来评定学生的学业表现，“标准化运动”由此展开。在此背景下，由卢瑟福博士领衔的2061计划开始实行，期望能够勾勒出面向21世纪的人所应具备哪些科学素养，以及学生在学校里完成12年的学习后，应该知道和能做什么。在这样的基础之上，《美国国家科学教育标准》于1996年正式出台，这是美国历史上第一份教育标准，它明确规定了学生在各年级段应该达成的学习要求。[13]在这份标准中，最突出的特征就是强调探究教学。鉴于前期研究发现教育实践者们对探究的含义混乱不清，这个标准对什么是探究、什么是探究教学、如何进行探究教学有详尽的描述。
除此以外，施瓦布还提出了对探究本身的探究，即教师提供给学生一些研究读物、报告、书籍等。学生参与讨论研究问题、技术工具、数据的解释、得出的结论。学生可以从中了解到各种可能的解释、实验、对于假想的争论、证据的使用等，从而体会科学知识的构成以及科学知识是如何获得的。
在我国《义务教育生物学课程标准(2011年版)》中，对科学探究有如下的描述：[14]“科学探究既是科学家工作的基本方式，也是科学课程中重要的学习内容和有效的教学方式。生物课程中的科学探究是学生积极主动地获取生物科学知识、领悟科学研究方法而进行的各种活动。”这段话简要概括了全球科学教育界对科学探究的普遍认识，包括了如图1所示的四重含义。
施瓦布认为，每个教师备课前，都应该先去实验室看看，有哪些内容可以与课堂知识相结合。同时他根据实验开放程度不同，将探究实验分为了三个水平。在第一个水平中，教师给学生提供了研究问题、过程和方法，答案对学生而言则是开放未知的；第二个水平中，教师仅给学生提供了研究问题，学生需要自行设计研究过程和方法，寻求问题的答案；第三个水平是最高的层次，问题、过程方法和答案均由学生自行完成。如表1所示。
在新一轮的全球教育改革浪潮中，探究成为各国科学教育改革中的重点。如英国国家科学课程标准(1997)，加拿大K-12科学学习成果框架(1997)，日本理科课程指导(1998)等，都将科学探究列为重要的课程理念和教学策略。2001年出台的中国科学课程标准，物理、化学、生物课程标准中，也都将科学探究作为课程重要的学习内容。
施瓦布对探究理念的深入探讨对科学教育产生了深远的影响。不同于早先杜威时代对探究教学的定位仅着重于使用科学方法解决实践问题，施瓦布更期望学生能够全面地理解科学内容和科学方法，并且尤为强调探究应与科学学科知识相结合，力图最大化地呈现自然科学的特性。他还通过指导编写中学教科书将这些理念深植入课堂实践中，其中著名的BSCS(Biological Science Curriculum Study)版中学生物教材就是他的杰作之一。
从火花塞跳火开始到形成火焰中心为止这段时间称为着火落后期。火花塞跳火后，并不能立刻形成火焰中心，因为混合汽氧化反应需要一定时间。火花能量使局部温度迅速升高，(火花放电时两极电压在15 000V以上，混合汽局部温度可达2 000℃)，加快了混合汽的氧化反应速度。当这种反应达到一定程度时(约0.001～0.002s)，出现发光区，形成火焰中心。此阶段缸内压力无明显升高。
在精神分析治疗模式中，治疗师与患者并非处于平等地位，患者只是整个治疗过程中的服从者，而治疗师作为指导者，可掌控整个治疗过程，患者一直处于被动地位。在行为主义治疗模式中，治疗师和患者则扮演科学家与受实验者的角色，其在关系地位上也具有不平等性。而在人本主义治疗模式中，治疗师与患者的关系有了改变，其具有平等性，两者均作为治疗过程的参与者，无地位上下之分。后现代心理治疗模式将一切都认为是社会的构建，治疗师与患者之间存在合作关系，两者具有互动性。治疗师只作为治疗的参与者，其不具有判断的权利，这种治疗模式将患者原本的被动性变为了主动性，提高了患者的地位。
图1 科学探究的四重含义
四、新时代下的科学探究如何走向深入：实践逐渐成为课程关键词
杜威尤其对科学教育提出了自己的见解。他认为，科学教育过于强调知识的积累，而对科学作为一种思维方式和认知态度没有给予足够的重视。他于1910年在自然科学权威期刊《科学》(Science)上撰文，提出科学不仅是需要学习的一堆知识，而且也是一种学习的过程或方法。[8]他还首次提出科学探究教学的目标是发展推理能力、形成思维习惯、学习科学内容和理解科学过程，并认为科学方法由归纳、演绎、数学逻辑和实证等环节组成。[9]这些观点直接影响了科学教育之后的走向。受到杜威理论的影响，全美教育协会(National Education Association,NEA)在1920年发布的文件报告中强调科学教育应引导学生解决真实世界中的问题，而不是专注于书本或常规实验室训练，“学生应该在真正的实践中学习使用科学方法”。[10]
(一)实践既是习得知识的重要途径，也是知识学习的主要目的
人们容易将探究窄化理解为方法技能，从而成为与概念知识并列的两条学习路径。实践的提出就是要改变这种误解，表现为参与科学研究和工程设计不仅需要技能、还需要对学科重要概念原理的深入理解和运用。[17]知识和实践相互融合，两者不可或缺也无法剥离，知识需要在实践中学习和不断运用中加以深化，没有经过实践的知识是死板和机械的；同样，缺乏知识内容的实践是没有深度和低效的。一个有意义的实践活动一定有确定的知识目标，并需要以先前知识为基础和载体展开。因此，知识的学习必须从实践中来，到实践中去；实践既是学习目标也是教学方法。[18]另外，实践还整合了知识、能力、情感三方面的学习目标。从知识层面来说，实践要求学生运用知识解决问题；从能力层面来说，实践敦促学生重复练习来熟练方法技能；从情感层面来说，实践期望学生在体验中内化形成科学思维的品性。
(二)实践包括科学探究和工程实践
“实践”的提出将思维探寻和动手活动由科学领域扩展到了科学及工程领域，使得工程学正式以整合的方式纳入科学课程。这一方面保障了STEM教育的有效实施，另一方面也考虑了工程技术的重要性以及与科学不可分割的关系。教育研究者还认为，工程技术可为学生提供检验和运用科学知识的情境，并体验将科学知识运用于解决实际问题的乐趣，学生还可从中领悟到科学、工程、技术的不同之处以及它们之间的相互联系。
这个阶段的科学教育开始重视探究，但对探究的理解尚限于用既定的科学方法解决实践问题。由于忽视了基础知识的系统性，学生学习效果难以得到足够的保障，这也引发了后续的教育改革。
(三)让学生思维显现出来是实践的关键要求
实践并非简单等同于动手活动，学生思维的参与和显现尤为重要。实践多个方面的组合呈现了学生在学习科学时应历经的思维探索过程，互为融合又有所侧重。图2呈现了科学实践活动的思维逻辑。
图2 科学实践活动的思维逻辑
在这次课程改革中，芝加哥大学施瓦布教授提出了“教作为探究的科学”(teaching as inquiry)，即学生应该以探究的方式来学习科学，科学内容和科学过程应该密不可分。他指出，现在的时代要求每一个学生未来都要成为有效的社会公民，因此每个学生都应该尝试独立的思维方式，把科学看作是随时会因新证据出现而被修改的概念结构，而不是静止的真理。[12]
从科学教育发展的历史角度去看待“探究”，就容易理解由“探究”发展为“实践”的来龙去脉。科学教育话语体系中“实践”的出现，绝非意味着“探究”的淡化甚至隐退，而是对“探究”精髓的延续和拓展。“实践”的提出为新一代科学教育注入了更多元素，引导学生由行动走向思考，通过语言交流展现思维，理性地表述观点和对待信息。这些能力无疑有助于个体应对新时代下信息泛滥、情势复杂多变的局面，同时也将提升国民素养，为不同语境和文化下各国的竞争与合作提供基础。然而，审慎对待话语变化也是很有必要的，特别要防止简单的看待实践。固然人们对“实践出真知”的认识已然深刻，然而这里的实践还赋予了更多科学学习情境下的细节，值得教育研究者和实践者深入探究。
五、趋势与建议
(一)科学教育着重于引导学生走向思维纵深
在以往很长一段时间里，形容一个人“知识面”广博都是对人很高的褒奖。然而在信息爆炸的今天，“知识面”已经成为了一个中性词、甚至已不太被人提及，人们更加追求的是在繁杂信息中透过现象看本质的能力。而这些，要求人对该领域的学科框架有深度的把握，对复杂事物有理性的思考和判断。培养这些知识架构和思维习惯，将成为新时代下科学教育的重要目标，这些都要求课堂活动不仅是要给学生提供“动手”的机会，更要给学生提供“动脑”的空间，还要给学生提供“动嘴”的平台，基于证据的解释和交流将成为科学学习的主要方式之一。
3.油地工作涉及的国家政策法律法规及政府管理部门多。随着市场经济的进一步深入及各项法律法规的逐步颁布实施，油田在生产建设施工过程中，涉及到的相关法律法规和与之对应的行政管理和执法部门也愈来愈多，为油地工农关系协调工作增加了难度。由于地方政府很多事关油田的政务分散在各个部门，这些部门分工精细、条块分割、多头管理，办理起来比较繁琐。各部门都有自己的规定和标准，有一个环节不顺畅，整个项目就要受阻，导致工作无法继续。
(二)科学教育将更多的联合并发展语言、数学等基础素养
斯坦福大学奥斯本教授提醒研究者们注意到“理解科学概念，除了参与动手体验，还需要参与读、写、说、画”。[22]事实上，科学家们在从事科学研究活动时，除了进行动手实验以外，很多时间都用在听说读写上。[23]在科学教育中，阅读、写作、口头表达、图表呈现的运用将会受到更多重视。从获取信息开始，到使用科学推理评估信息，科学实践的每一个环节都需要语言素养的支持。伽利略曾说，数学是科学的语言。虽然科学课堂中历来都离不开数学的身影，然而现代科学教育将超越传统的数字运算和公式求解，更多上升到计算思维层面，这包括使用电脑构建数学模型、精准测量、大数据分析等，目的是要为科学解释提供量化的证据支持，从而加深学生对科学知识的理解，形成复杂问题情境的解决能力。
(三)科学教育整合工程教育成为历史必然
随着第四次工业革命如火如荼，科学技术越来越成为各国参与国际竞争、保障国家安全、实现社会发展的关键因素，工程创新也成为实现国家经济转型升级的巨大推动力。工程学进入基础教育，其在创意、设计、实践等方面的要素可以极大地丰富课程的内涵和育人价值，使包括科学在内的相关课程在培养学生创新、实践和问题解决能力上有了最直接的支撑点，为教育理想和课程目标的实现提供了更加有效的途径。[24]
目前美国基础教育已把工程教育提高到了一个不可忽视的地位，将工程内容整合入科学课程标准，并规定了需要学生学习的具体标准，希冀学生获取有关工程技术的核心概念，完成相关的实践活动。[25]在我国传统上，正规的工程教育一般出现在高等院校中，基础教育中直接涉及工程教育的内容较少，中小学领导、教师、学生等也对此较为陌生，这更需要教育决策者和一线工作者给予高度重视。
(四)相关教育研究与教师培训亟待跟上
科学教育在历史发展中不断出现新的理念和话语，为新时代下的课堂教学注入了蓬勃的活力。然而，新热词的出现也可能会引起科学教育工作者和课堂教学人员的迷惑和焦虑。因此，与此相关联的理论阐释和案例研究显得尤为必要。热词的出现本身影响不大，关键在于话语的背后，体现的是科学教育对新时代人才要求的顺应和承接，以及研究者们对高效学习更为深刻的认识，这些才是内在精髓所在。所以不可以视而不见，也不可以不假思索地照单全收，背后的故事值得教育工作者深入地挖掘，结合文化特色的案例讨论尤为有益。
另外，现代科学教育期望学生学习的思维深度增强，这也给教师带来了更大的挑战。对科学教师而言，除了能够正确理解新理念，还需要对新时代的学生有更充分的认识。这些在信息时代下成长起来的孩子已然与以往的学生大不一样，他们接受信息的渠道更为丰富多样，自主思考和交流表达的欲望更为强烈。这些改变需要教师以更开放的态度去接受，并能够加以恰当引导。同时，教师自身也需要对学科内容知识本体有很深的理解，这样才可能有底气、有余力引导学生进行高阶思维层面的探讨。面对这些挑战，新时代下的教师培训应该包括更多内容，比如除了常规的理论讲解和课例讨论以外，增强教师对学科专业知识的深度学习也是很有必要的，甚至为教师提供机会去参与真实的科学研究项目，体验真实的科学实践场景。
“玩阴术”表面隐晦莫测，其实不堪一击，乃典型的“见光死”。无论是政府机构还是各行各业乃至民间交往，只要一切事务均在法规之下公然运作，堵塞“暗箱操作”“私相授受”漏洞，履行各类监督机制，建立各类诚信档案，使违法违规者付出相应代价——“玩阴术”自然会失去滋生的土壤和疯长的空间。
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The Centennial Review and Future Prospect of Inquiry Teaching in Science Education
ZHANG Ying-zhi
(The school of Teacher Education,Capital Normal University,Beijing，100037，PRC)
[Abstract ]In retrospect,the development of Inquiry Teaching in Science Education over the last 100 years could be divided into four stages.mid-nineteen century:Inquiry was part of Science Education from the very beginning;first half of the twentieth century:the educational revolution initiated by Dewey fueled the development of the pedagogy of Science Education;second half of the twentieth century:Inquiry dominated the curriculum reform of Science Education;21st century:practice has gradually become the key concept of Science Education.While it’s noteworthy that the popularity of“practice”by no meansindicates the disappearance of“inquiry”.Instead,“practice”complements and enriches the concept of“inquiry”.As a new concept,the connotations of“practice”include:an important way and goal to acquire knowledge;a combination of scientific inquiry and engineering practice;and a key requirement to visible thinking.
[Key words ]Science Education;Inquiry Teaching;Practice;Visible thinking
[中图分类号] G 40-032
[文献标识码] A
[文章编号] 1674-5779(2019)04-0045-06
[收稿日期] 2019-06-12
[基金项目] 北京市教委科技创新服务能力建设项目(025185305000/048)研究成果
[作者简介] 张颖之(1980—)，湖北武汉人，教育学博士，首都师范大学副教授，主要从事科学教育与教师教育研究
(责任编辑 陈育/校对 云月)
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