国外科学探究模型及其在概念转变教学中的应用，本文主要内容关键词为：模型论文,概念论文,国外论文,科学论文,教学中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
概念转变是指个体原有的某种知识经验由于受到与此不一致的新经验的影响而发生的重大改变。研究表明，学生内在的关于概念结构的观点与当前的科学观点并不一致。有时，学生的许多观点看起来好像是正确的，但经过深入的检验之后就会发现它们是错误的，这些错误概念都区别于科学的解释。为了能让学生更好地接受科学的概念解释，必须要求他们首先识别出错误概念，并对其心理模型做出修正。修正学生的心理模型，需要对概念进行重新组织，也就是要发生概念转变。
而深深根植于学习者不成熟理论系统中的错误概念都是非常难以修正的，学习者在学习新概念的过程中往往不会轻易放弃已经存在的概念，错误概念发生转变的可能性取决于错误概念根深蒂固的程度。一个经过实验过程的学生，即使意识到实验结果与预期并不相符，也有可能倾向于坚持原有的解释。所以，使学生积极对他们的心理模型进行核查和修正是很重要的。对实验结果作出预测是一种在科学实验中检验心理模型的良好策略。通过对实验结果作出预测来培养学生认知冲突和矛盾的意识，能使学习者更易于改变自己的思想。
为了实现概念转变，通过有意义的活动来获得和重新定义对科学概念的理解是很有必要的[1]。科学探究是一种以有意义学习的方式来学习科学的过程，在科学探究过程中，学习者对科学概念进行重组和再认，从而取代其头脑中已经存在的错误概念。通过科学探究，可以促进学习者的概念转变。
一、科学探究的概念转变特征
科学探究是学生在教师指导下，为获得科学素养以类似科学家探究的方式所开展的学习活动，作为一种认知活动，科学探究是个体主动建构对客观世界理解的过程。在科学探究活动中，当个体已有的知识经验不足以对当前的科学现象或问题做出解释时，就会产生认知冲突，而为了解决冲突并实现新的认知平衡，个体必须不断围绕问题进行思考、做出计划、通过各种途径获取有关信息、以自己独特的方式对问题做出基于已有经验的分析推论、将自己与他人的发现进行比较并据此对自己的看法和做法做出反思与评价等。在这一过程中，一方面个体以原有的知识经验为基础，通过将新知识与已有的、适当的知识经验相联系，主动地建构对新知识的理解；另一方面，个体又需要依据新经验对原有经验结构本身也做出某种调整和改造，形成新的认知结构。因此，科学探究既是一个对新信息意义建构的过程，同时又是由于新、旧经验的冲突而引发的概念转变和认知结构重组的过程。
二、几种科学探究模型
1.Five pillars（五柱）科学探究模型[2]
图1 Five pillars（五柱）科学探究模型
Philip Adey在英国CASE计划的配套材料Thinking Science一书中提出了Five pillars科学探究模型（图1）。Five pillars科学探究模型特别强调在学生大脑中产生认知冲突，即教师通过提问、课件展示或实验操作的方法使学生发表见解或进行操作使学生内隐的前概念充分暴露，让学生发现事实与其按照前概念得出的预期不相符合，从而打破学生头脑中固有的认知结构和平衡。然后通过学生之间以及学生与教师之间的交谈来寻求解决问题的思路和方法、建构新的认知结构和平衡；并让学生总结自己的思维与解决问题的策略，发展自己的元认知能力；最后，将在活动中形成的这些策略应用到其他的问题，推广到其他的领域。
科学探究模型中每一根“柱子(pillar)”的具体含义为：具体准备(Concrete Preparation)阶段指的是问题的引入；认知冲突(Cognition Conflict)指的是在科学探究过程中，学生对某一科学问题提出假设，然后设计实验进行验证，通过将收集回来的数据进行分析发现探究结果与预期不符而引起的认知失衡；社会建构(Social Construction)是指科学探究过程中，学生与学生之间、学生与教师之间进行交流，来寻求解决问题的思路和方法，形成认知结构的过程；元认知(Metacognition)是指学生对自己认知的认知，即让学生反思自己在科学探究过程应用了什么样的思维与解决问题的策略；架桥(Bridging)指的是把科学探究过程中掌握的思维及解决问题的策略及得到的科学结论迁移应用到其他的科学问题中去。
2.Inquiry circle科学探究模型[3]
Harry David在San Francisco“科学教学研究国际协会1995年度会议”上所作的报告中提出了Inquiry circle科学探究模型。Inquiry circle科学探究模型由四个相互作用的部分组成：疑惑(wondering)、收集数据(collecting data)、研究数据(studying data)和建立联系(making connections)。需要说明的是，上述四个部分只是科学探究的基本组成，David在研究文献的基础上，认为在Inquiry circle科学探究模型中的四个组成中每一部分都包含若干技能，在图2中展示了包含有具体技能的Inquiry circle模型。
图2 Inquiry circle科学探究模型
模型中这四部分散布在一个圆形中是为了说明科学探究的动态本质，同时也说明探究并非是一个线性过程。Inquiry circle模型说明“做科学(doing science)”是一个包含疑惑、收集数据和建立联系四个步骤连续反复进行的过程，但是这四个组分并不一定按照固定的顺序展开，例如收集数据可能会引发疑惑，研究数据又可能导致收集新的数据。
3.Inquiry wheel科学探究模型[4]
Reiff和Harwood在分析当前西方主要科学教材中的科学方法呈现基础上，结合最近几年科学教育界对科学探究的研究成果，开发出了命名为‘Inquiry wheel’（探究轮）的科学探究模型，其模型结构如图3。
图3 Inquiry wheel科学探究模型
从模型中我们可以直观地看出，Inquiry wheel科学探究模型是以问题为中心的，环绕问题中心有一系列步骤，在问题与各步骤之间用双箭头来连接，表示这些步骤提供反馈给问题，同时又产生了新的问题，这些问题和答案不断地推动科学探究活动的进行。需要指出的是，虽然Inquiry wheel探究模型是轮形，但Inquiry wheel并不是一个探究循环，它所描述的是可以从多个方向和多个途径来进行探究的模型。
以上介绍的是在当前科学探究活动中应用比较广泛的几种科学探究模型。它们虽然形式各异，但都包含有几个相同的要素，即问题表征、给出假设、设计实验、收集数据、分析数据、得出结论。Five pillars科学探究模型中虽未特别指明以上要素，但认知冲突环节中已经暗含了以上各项。而科学探究活动能够促进学生概念转变的过程主要存在于认知冲突过程中，正是由于学习者头脑中的前概念或错误概念与科学探究活动得出的科学概念之间的不一致即认知冲突的存在，才导致学生概念转变的发生。
三、应用科学探究模型促进概念转变举隅
以Five pillars科学探究模型为例来说明如何应用科学探究模型促进学生概念转变。以“影响单摆摆动周期的因素”为例。
1.具体准备阶段
首先提出探究的问题，即探究影响单摆周期的因素。教师应先做以下说明：单摆的摆动具有等时性，即每摆动一次所用的时间相等。摆钟正是利用了摆的等时性来进行工作。单摆从起始点释放后，再次回到起始点所用的时间就是摆的一个周期，影响摆的周期的因素可能有摆的长度（摆的长度是指摆线的长度与小球半径的和）、摆动的角度、摆锤的质量三个因素。然后提出问题：究竟是这三个因素中的一个或几个影响摆的周期，并且是如何影响摆的周期的大小呢？
2.认知冲突阶段
3.社会建构阶段
由于实验结果与预期结果不符，引起了认知冲突，学生的错误概念已经开始动摇，概念转变开始发生。探究实验过程中学生之间以小组的形式进行讨论或者与教师直接进行交流，得出单摆的周期与摆球的质量无关，在摆角不大于10°的情况下与单摆摆动的角度即振幅也无关的结论，并设计实验进一步验证单摆的周期与摆长之间的关系。
4.元认知阶段
学生反思自己在进行实验探究过程中所采用的思维与问题解决的策略。在本实验探究过程中，学生通过自我反思可以得出主要使用了控制变量思想的结论。
5.架桥阶段
架桥建立起了已经发生的概念转变及所采用的思维与问题解决策略与新问题之间的桥梁。通过架桥，使得已发生的概念转变与所采用的思维与问题解决策略在新问题情境中得以迁移。
四、讨论
随着基础教育改革的不断深入，科学教育观念已发生了很大转变，当前世界各国都纷纷将科学探究作为科学教育的一个重要目标和方法。但是，科学概念、科学规律的获得都是经过几代人不断努力的结果，不可能让学生在课堂上对每一个科学概念与规律都进行科学探究。那么，什么问题可以进行科学探究？Scott认为科学教学就是为了促进学生概念转变[5]。我们认为，科学探究活动也应该为概念转变服务，即科学探究活动应侧重选择在学生头脑中广泛存在的、根深蒂固的相异概念或错误概念作为探究活动的主题。