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高中化学教学中基于“显性——反思性”教 学方式发展学生科学探究观的准实验研究

发布时间:2022-08-12 14:11
1.1 研究的背景
1.1.1 国际背景:科学教育越来越重视发展学生的科学探究观
科学探究观是指对科学探究的理解,即对“科学知识发展过程的特征,包括科学知识的发展、接受和利用的惯例”的理解[1],是科学素养的组成部分之一。培养具有科学素养的公民一直是国际科学教育研究与实践的核心目标,而科学素养是指“理解科学过程、运用和评价日常生活中所遇到的信息的能力”[2]。其中理解科学过程”包含着理解科学探究,理解的结果即科学探究观。国际学生评估项目(The Program for International Student Assessment,PISA,2015)框架草案中也明确指出,科学素养的相关内容包括学生对科学探究的理解[3]。因此,发展学生的科学探究观在国际上越来越受到重视。越来越多的研究涉及到科学探究观。对科学探究的认识经历了一个从“科学探究活动”到对“科学探究的理解”的过程,其重要性在国际上已经被强调了相当长一段时间,其中美国科学教育领域尤其重视。美国国家研究委员会(NationalResearch Council,NRC,2000)强调科学教育中应大力提倡科学探究,认为探究是学生深入理解科学最真实和最有效的实践。在过去的三十年里,美国科学教育出现了三个重大改革文件:科学素养基准(Benchmarks For Science Literacy,BFSL)、美国国家科学教育标准(National Science Education Standard,NSES)和下一代科学标准(Next Generation Science Standards,NGSS)。每一份改革文件都强烈地表达了这样一种观点,即最好的科学教学发生在科学内容和科学家用来产生有效和可靠的知识(即探究)的实践之间。这里的科学探究不仅指为学生从事科学探究活动,还应包括学生对科学探究的理解,即科学探究观[4][5][6]。整理相关文献后发现,以诺尔曼·莱德曼(Norman G. Lederman)和朱迪斯·莱德曼(Judith S. Lederman)团队为代表的各国研究机构和学者,长期以来致力于科学探究观的研究,研究成果显著增加,且研究涉及的国家和地区越来越多,具体内容见文献综述部分。

1.1.2 国内背景:科学探究观促进中学理科课程目标的落实
科学探究观的发展能够促进中学生学科核心素养的发展,从而帮助落实中学理科课程目标。科学探究观是对科学探究的理解,对科学探究起着指导作用[7]。我国以培养面向世界、面向未来的新型人才为目标,进行了一系列教育改革。在科学教育领域特别是基础教育阶段十分重视科学探究 [8]。《义务教育化学课程标准(2011 年版)》指出了科学探究对于培养学生科学思维与科学素养的重要性,鼓励通过探究的方式发展学生对科学探究的理解 [9]。我国最新修订的课程标准文件中首次提出了学科核心素养,指出高中教学要以培养学生学科核心素养为目标,并确定了不同学科的学科核心素养。对比不同学科的学科核心素养发现,物理、化学、生物学科的学科核心素养中都包含科学探究[10][11][12],如图 1.1 所示。科学探究作为中学阶段学生必须掌握的知识和能力,放在了不同学科的课程标准中,可见其重要性。而中学生科学探究观发展水平普遍不高[13],反映出他们对于科学探究的认识不深,对科学探究本质的了解不够,阻碍了科学探究活动的实施,制约了科学探究目标的达成。研究表明[14]科学探究观的发展能促进对科学探究的认识与把握,提高科学探究能力。因此,在新课改背景下,科学探究观作为重要的研究议题为中学理科课程目标在课堂中的落实提供有力支持。
中学理科学科核心素养物理 化学 生物宏观辨识与微观探析物理观念 生命观念变化观念与平衡思想科学思维 证据推理与模型认知 科学思维科学探究 科学探究与创新意识科学探究科学态度与责任 科学态度与社会责任 社会责任图 1.1 物理、化学、生物学科核心素养的比较

1.2 研究的问题
国内外不少学者对如何发展学生的科学探究观进行了探索,并取得了丰富的、阶段性的研究成果。就如何发展学生的科学探究观这一问题而言,国内外诸多学者的研究都提到了“显性的”和“反思性的”教学方式,并认为这些教学方式对于发展学生的科学探究观最有效。如果把这些最有效的教学方式统整起来,是否能达到最优的教学效果?基于此,确定了本研究的问题:如何基于“显性——反思性”教学方式在高中化学教学中发展学生的科学探究观?
 
1.3 研究的意义
1.3.1 理论意义
在科学教育中,将科学的认识论、科学知识及知识发展过程中内在的价值和信念等相关科学本质的理解作为培养科学素养的核心要素之一[15]。科学的认识论观点包括对自然世界的理解和解释,即对科学知识的认识论见解和对科学知识的构成和形成过程的本质——科学探究的认识论见解[16]。科学知识伴随着认识水平的提高而改变,而对科学知识形成过程的认识一经确立往往不易改变,这意味着科学知识形成过程本身蕴含着价值和信念,且与科学家们对科学知识被接受的过程等科学探究本质的理解有关[17]。也就是说,科学家创造科学知识的方法(进行科学探究)和科学知识在科学领域中被接受的整个过程与科学知识的认识论性质不同。现有研究中,很多时候都把科学探究的认识论纳入广义的科学知识的认识论中,忽略了科学探究的认识论对科学认识论的作用[18]。因此,发展科学探究观,即培养科学探究认识论观点对于理解科学本质,形成科学认识论观点具有促进作用。


1.3.2 实践意义
在科学教育过程中强调探究,实际上学校科学课程也重视探究课。但是学生们通过学校科学课体验到的探究,大部分是为了回答教科书上提出的问题或进行一系列活动的形式,他们根据规定的程序,得出科学概念的结论,学生们对科学探究的认识论理解普遍不足[19]。因此,有必要帮助学生形成科学探究的现代认识论观点,即发展他们的科学探究观。我国一直以来都重视科学探究,最新修订的高中课程标准更将其作为学科核心素养明确提出,并对需要达到的水平程度进行了详细划分。总体来看,科学探究在课堂实践中的研究很多,而作为认识论基础的科学探究观在课堂教学中没有得到很好的落实。科学探究观的发展能够更好的服务于科学探究活动,促进科学素养的形成。2.1 核心概念界定

2.1.1 科学探究
科学探究(Scientific inquiry,SI)在词典中的解释是:在研究自然科学的过程中采用的一种研究方法,是发现问题、解决问题的过程。美国学者彼得森Peterson)[20]提出科学探究是一种遵循一定程序、描述事物关系的调查研究活动。蕾妮·施瓦茨(Renee S.Schwartz)将科学探究定义为“科学知识发展过程的特征,包括科学知识的发展、接受和利用的惯例”[21]。《美国国家科学教育标准》(National Science Education Standard,NSES)将科学探究表述为两种,一种是科学家用来研究自然科学和获取验证实验证据的方式;另一种也指学生获取知识的方式,学生理解科学家的精神与思想,并开展各种科学探索活动。美国《下一代科学标准》(Next Generation Science Standards,NGSS)用“科学实践”(scientific practice)代替“科学探究”(scientific inquiry)一词。认为科学实践是真正的科学探究,是升级版的科学探究。虽然《下一代科学标准》把“科学探究”改为“科学实践”,但在国科学教育界,科学探究依然流行,而且我国基础教育课程标准依然使用“科学探究”这个词。综合多方观点,将科学探究定义为:科学知识的产生和接受过程以及这个过程对应的科学活动。

2.1.2 科学探究观
美国科学教育学家约瑟夫·施瓦布(Joseph J.Schwab)认为[22],科学探究观是指科学探究的本质(Nature of Scientific Inquiry,NOSI),也就是与探究过程最相关的方面,即知识是如何产生和接受的。NOSI 是指科学知识发展、接受和利用的科学过程的特征,常常与科学本质(Nature ofScientific,NOS)混淆。虽然 NOSI 可以被认为是 NOS 的一部分,但它是一个独立的概念,更加强调科学的探究实践。NOS 仅指有关科学知识的价值观和认识(例如,事实、定律、法则和理论)。相比之下,NOSI 与科学探究过程相关,并反映了与科学知识构建相关的科学探究特征,它涉及到个人对科学探究过程的理解、科学知识的发展和证明方式以及科学家真正做了什么。如表 2.1 所示,施瓦布认为科学探究观与本质观的描述对象相同但描述内容不同,科学探究观即科学探究的本质,就是对科学知识产生和接受过程的理解,在国际科学教育界得到广泛认同,这里沿用这个观点。

表 2.1 科学探究观和科学本质观的异同
科学探究观 科学本质观对象 科学知识 科学知识科学知识发展、接受和利用的描述 有关科学知识的价值观和认识科学过程的特征科学探究的本质;对科学探究对科学本质的理解;对科学 相似说法 本质的理解;对科学探究的理本源的认识 解;对科学探究的认识、观点2.1.3 教学方式在《教育大辞典》中,教学方式被界定为“教学方法的活动细节”,即教学过程中具体的活动状态,表明教学活动实际呈现的形式[23]。不同研究者对教学方式的定义有不同的观点,如表 2.2 所示。表 2.2 不同研究者对教学方式的定义研究者 时间 对教学方式的定义
 
可见,对于如何定义教学方式,观点不尽相同。基于国内外有关文献,本研究对教学方式的基本理解是,教师基于特定的教育理念,为了实现特定的教育目的、教学目标,在教学活动中所采取的特定的教学方法组合与教学流程。
2.1.4 “显性——反思性”教学方式
Akerson 等[31]认为,“显性”教学方式与“隐性”教学方式相对,“隐性”教学认为科学探究观蕴含在科学史以及科学探究活动中,学生在学习相关材料时或进行科学探究活动,即“做”探究时,能够自动获得蕴藏于材料和活动中的科学探究观的内容。而“显性”教学方式要求将科学探究观作为认知性目标,需要教师设计能够反映科学探究观的教学内容。“显性”方式教学,主要体现在教学目标的设置以及教学内容的设计上。“反思性”教学方式是让学生自主建构科学探究观,鼓励学生审视自己,反思自己的行为,将自己的探究活动联系到科学家真实的探究活动的教学方法。“显性”教学方式与“反思性”教学式相辅相成,结合在一起构成了“显性——反思性”教学方式。因此,将“显性——反思性”教学方式定义为一种为促进学生科学探究观发展的特定的教学方法和教学流程。


2.2 研究综述
2.2.1 “显性——反思性”教学方式综述
对于科学本质和科学探究的研究可以追溯到上个世纪 60 年代,为了提高学生对科学本质和科学探究的理解,进行了很多尝试,这些尝试可以分为隐性方式、显性方式、反思性方式和非反思性方式。显性方式和隐性方式相对,反思性方式和非反思性方式相对,在这里分别进行综述。
(1)隐性与显性教学方式
隐性教学与显性教学的基本区别在于多大程度上帮助学习者掌握科学概念[32]。隐性教学认为,对科学的本质和科学探究的理解可以通过动手、探究式的教学间接有效地教授[33],认为学习科学概念是学习者参与学习活动的“副产品”,并主张使用以实践为导向的探究活动或科学过程技能教学,以增强学生对科学探究的理解,美国 20 世纪 60 年代和 70 年代的课程,大多数采取了这样的方法。然而,Jungwirth 的研究表明,隐性教学方式在帮助学生形成正确的观点方面并未达到预期效果[34]。Moss 等人[35]在隐性方法下对 11 和 12 年级学生进行干预,让他们参与以探究为导向的项目,与科学家合作进行科学研究,结果显示,他们的理解水平没有显著变化。说明仅仅通过探究活动这种隐性教学方式,不能提高学生的理解水平。显性教学认为提高学习者科学探究概念的理解应明确地设置目标和陈述计划,而不是依赖于隐性信息的预期结果[36]。这种教学方法通过教学、讨论和提问,有意地将学习者的注意力吸引到科学探究的相关方面。“显性”不应被视为“说教”的同义词[37]。科学探究的理解应该有意识地计划、教授和评估,而不是期望从教授科学内容或过程技能,或让学生参与科学活动中产生。显性教学通过讨论和提问,有目的地让学习者注意到与科学探究相关的方面。

(2)反思性与非反思性教学方式
反思性是指鼓励学习者根据他们遇到的关于科学探究的新想法来不断修正他们原本的想法[38]。反思性教学为学生提供一种从不同角度分析探究活动的方法,帮助他们审视自己的探究活动与科学家的探究活动之间联系并相互对映,然后对知识领域(主要指科学认识论)进行概括[39]。对科学探究的认识是一种反思性的努力,反思性教学旨在帮助模仿历史学家、哲学家和科学家在努力理解科学运作过程中所从事的活动。非反思性教学忽略了对同一概念的认识需要不断更新,没有提供从不同角度分析科学探究活动的机会,以至于学习者无法将自己的探究活动与科学家的探究活动建立联系。人们的认知是一个不断发展的过程,需要不断的反思,从不同的角度加深和纠正先前的认识[40]。因此,非反思性教学不利于促进对科学探究的认识。反思性教学方式往往与显性教学方式结合。李鹏源,刘瑞等[41]认为“显性——反思性”教学具有“显性”和“反思性”两个特征。“显性”体现在课程中科学本质深入挖掘上和教学中“有目的”的设计科学本质议题上。“反思性”鼓励学生从认识论的角度将自己的学习活动与科学家的活动建立联系。Abd-El-Khalick 做了大量研究,考查显性、反思性教学对学生或教师科学本质观(VNOS)的影响[42][43][44][45]。这些研究中使用的显性的教学方法与传统的教学方法不同,通过讨论和提问,有目的地让学习者注意到与科学本质(NOS)相关的方面。研究结果表明,以显性、反思性方式教学不仅有助于发展教师的科学本质观,还有助于教师将他们对科学本质的理解转化为实际的课堂实践,且显性反思性教学的有效性在不同情况下有所不同[46]。另一项研明仅通过内容教学中的显性和反思性指导能够发展学生的理解水平,但在某些方面难以帮助学生形
成深刻的理解,这需要通过额外的活动来实现[47]。
(3)小结
综上所述,“显性”和“反思性”的方法强调学生对他们所从事的与科学探究活动有关的科学探究本质的认识,以及学生对包含在科学探究本质框架内的这些活动的反思。显性和反思性的教学方式与隐性和非反思性的教学方式相比能更好地培养并提高学生对科学探究的理解。反思性
 
如图 2.1 所示,若表示在坐标轴上,那么“显性”和“反思性”分别处在横纵坐标轴的正半轴,“隐性”和“非反思性”处在横纵坐标轴的负半轴。当以“显性——反思性”教学方式进行课堂教学时,教学落在坐标轴的第一象限,此时效果最好,能够有效地发展学生的科学探究观;当以“隐性——非反思性”教学方式进行课堂教学时,教学落在坐标轴的第三象限,此时效果最差,不能发展学生的科学探究观;当以“显性——非反思性”或“隐性——反思性”方式教学时,落在坐标轴的第二和第四象限区域,此时教学效果一般,发展科学探究观的有效性不高。从第三象限到第一象限沿着箭头方向科学探究观教学有效性增加,教学效果更好。
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