促进学生科学探究能力发展的“学习进阶”

科学探究是学生核心素养的重要内容之一，在科学教学中有着举足轻重的作用。但在科学探究教学实践中，教师由于没有系统整体规划，科学探究目标笼统，缺乏层次性；科学探究素材局限于教材，缺乏新颖性，难以激发学生的探究动机；科学探究局限于纸笔测试，缺乏过程表现性评价。因此，学生很难真正学会开放式自主探究，很难形成解决问题的能力与智慧，也无助于提升他们的核心素养。为此，教师要理解科学探究能力发展学习进阶的内涵，结合科学学科的特点，引领学生进行探究学习，促进学生核心素养发展。

一、学生科学探究能力发展“学习进阶”的认识

1.学生科学探究能力发展“学习进阶”的内涵

美国国家研究协会在2001年度报告中就已提倡“学习进阶”研究，随后许多教育专家开始对学习进阶的发展变量进行开发[1]，对学习进阶进行界定。他们认为，学习进阶是在适当的教学条件下，关于某一学科核心概念的理解与实践应用能力随时间推延而出现连贯的思维层级进步的路径描述[2]。学习进阶包括五个方面的内容：终点目标、发展变量、成就表现、学习水平和评价。学习进阶是基于假设、实证检测、重新修正、实证测评的多重循环过程[3]。科学探究是基于问题，通过证据、解释、交流、评价一系列活动，得出结论的过程。从科学探究的载体来看，可以分为实验型探究、调查型探究和讨论型探究。从科学探究的内容来划分，有五大类：科学概念、原理及规律探究；生命的探究；地球、宇宙空间及本地环境状况的探究；物质特性的探究；物质相关性。学生科学探究能力是指学生在探究活动进程中能起稳定调节作用的个性心理特征。依此推理，我们认为科学探究能力学习进阶是学生在初中三年的学习阶段中，关于科学探究的理解与应用能力随时间推进逐渐变得复杂与成熟的学习路径序列描述[4]。广大教师只有在理论和实践的基础上不断进行摸索，注意探究问题的选择，把握科学探究的深度，找出一个比较可行的方案，才能从一个阶梯逐步地迈上另一个阶梯，取得令人满意的效果。

2.学生科学探究能力发展的学习进阶理论模型

学生科学探究能力的培养应该以新课程改革的基本理念和基本要求为指导，根据学生现有能力水平和能力发展规律，对日常的探究性教学活动做出长期性的整体规划。首先明确科学探究能力培养的总体目标，并根据学生科学探究能力的实际水平和能力发展规律，分设成多个子目标；其次将子目标作为单个探究方案的科学探究能力培养目标，各子目标难度上层层递进，前一个子目标的达成为后一个子目标的实现奠定基础，后一个子目标依据前一个子目标的达成情况来制订，从而形成进阶式目标系统。目标系统明确了科学探究能力培养的总体任务和每个科学探究方案承担的任务，也明确了各个科学探究方案之间的关系，这样的整体规划保证了探究性教学活动能够高效、有序进行。根据科学探究的开放程度，我们把学生科学探究能力发展目标达成分为三个阶段：封闭性探究、指导性探究和开放性探究(如图1所示)，由低到高分为四个层次，通过这四个层级逐步实现科学探究目标。教师只有整体规划科学探究的总目标与子目标的逻辑关系，才能从实践中有效地把握科学探究的方向，落实科学探究的实施方案，有计划、有目的地培养学生的科学探究能力。

By the further analysis,it is clearly to see that Eve tries to change the argument to protect herself.After shirking her responsibility entirely to Adam,she begins to deliberately belittle her pride and independence that she had previously gained.For examples,shesays:

图1 学生科学探究能力发展的学习进阶理论模型

二、促进学生科学探究能力发展“学习进阶”路径

1.顶层设计，突出学生科学探究能力的强化要素

科学探究是以“科学探究方案”为单位开展的探究性学习活动，每个“科学探究方案”都有明确的科学探究能力培养目标，每个“科学探究方案”的实施都要提高学生科学探究能力中的一个方面。比如：实验设计能力、对自变量的确定和控制能力、对无关变量的控制能力、对实验结果的检测分析和描述能力、发现问题能力、形成假设能力、分析问题能力、综合创新能力、收集证据能力、得出结论能力、评价交流能力等。各“科学探究方案”的探究能力培养目标的确定，应充分考虑学生的认知水平，遵循学生的能力发展规律，呈现出难度要求上的层次和梯度。各个“科学探究方案”的探究能力培养目标之间相互整合，形成系统的“进阶式”能力培养主线。虽然某一科学探究课题只是突出一二方面的探究能力，但是学生收获的是科学探究能力全面深入的发展。

2.创设问题情境，点燃学生探究学习的热情

科学探究方案设计时，充分挖掘、改进和拓展教材中原有素材并作为探究活动的素材之一；除教材素材外，根据“科学探究方案”的探究能力培养目标，从课外资料中精心选取有趣味性、针对性、诱发性和能够充分激发学生探究兴趣的相关素材加以补充，使“探究方案”素材多元化，创造具体、新颖、联系生产生活实际的探究情景，以此激发学生的探究热情，凸显“学以致用”的新课程理念。例如，在动能与势能的转化教学中，教师可以用魔罐实验创设情境，点燃学生科学探究的热情。先把有一定坡度的斜面放在桌上，让魔罐从斜面上自然滚到水平的桌上。在桌面上将要掉下来时，奇迹发生了，魔罐又向相反的方向从桌面上滚过去，化险为夷。学生看到这个现象，觉得非常好奇，迫不及待地想要知道魔罐内部的秘密，点燃学生深度学习的热情，水到渠成地引入课题。在大气压课题引入时，教师可以创设覆杯实验、瓶子变扁、瓶吞鸡蛋、撒尿娃娃等实验情境，激发学生学习的兴趣，点燃学生科学探究学习的热情。

欧盟水框架指令没有对水文地貌要素给出具体、统一的监测方法，本研究结合国际合作项目，借鉴德国的水文地貌调查与分级方法，创建了适宜于北京的水文地貌监测方法。

3.开展科学探究教学，培养学生科学探究的能力

(1)重视课前科学探究活动，培养学生自主学习能力。学生在完成课前实验活动的基础上进入课堂，才能真正地成为课堂的主人，把握课堂的实质，为培养学生自主学习能力奠定基础。例如,在“细菌和真菌的繁殖”教学前，让学生讨论微生物的繁殖与什么因素有关，学生猜想可能是空气、水分、温度等等，于是让学生设计实验来证明。学生积极思考，经过讨论明确了实验方法，准备三个一次性杯、一个塑料袋和四片相同质量和面积的吐司面包。把面包分放三个杯子中和一个塑料袋里面，一个杯子保持干燥，另一个杯子每天加点水，静置在室内的某个阴暗角落，还有一个杯子加水后放入冰箱中，每天观察和记录面包外观的变化和表面出现的菌落数。这个实验材料准备方便，过程简单，学生们积极性很高。大概一周之后，学生们发现常温加水杯子里的面包已经长满了霉菌，黑斑一块一块，而其他的杯子或袋子里也有少许的菌落，很是高兴，他们明白了真菌繁殖的条件是要求有空气、充足水分和适宜的温度。

(2)开展科学探究教学，学会科学探究的方法。科学的核心是探究，科学课堂应当突出科学探究的学习方式。例如， 在大气层的高度与温度关系教学中，教师可以先出示一组数据(如表1所示)，大气的温度随高度的变化情况，并用描点法绘出温度与高度关系水平分布曲线(如图2所示)，呈“W”形。然后教师引导学生把坐标的横轴与纵轴数据进行转换，呈现大气温度的垂直分布图是一个纵向形状的“W”形(如图3所示)，形象地显示大气高度与温度关系，重演大气温度垂直分布的曲线形成过程。如果教师没有重演科学知识形成过程，学生就感受不到大气高度与温度的关系曲线的形成过程，感受不到科学学科特有的魅力与内在的文化。科学知识常常是以结论、静止的形态展现在学生面前，教师要积极地开展科学探究教学，让学生学会科学探究的方法，思维在科学探究中徜徉。

表1 大气的温度与高度数据

温度/℃50-10-70-60-40-10-80-90-7050高度/km0512152055808590120

图2 大气温度与高度的关系

图3 大气高度与温度的关系

(3)拓展课外实验活动，延伸学生科学探究的空间。在学习“地球的形状与内部结构”以后，教师可以要求学生利用苹果手机开展STSE教育活动，利用苹果手机GPS功能估算地球半径，培养学生理解科学、技术、社会与环境的关系。教师先画出地球模型示意图，测出圆心角的大小，利用数学公式，算出地球的半径。教师可以要求学生在空旷路面(操场)上沿南北方向A和B两点行走100 m左右距离，测出A点的经纬度，北纬27°50′56″，东经120°40′58″，B点北纬27°50′59″ 东经 120°40′58″，然后算出A和B两点对应圆心角，最后，利用数学公式，求出地球半径，又如，在学习小孔成像后可以尝试学生制作小孔成像模型，在学习磁现象后可以利用泡沫与大头针尝试制作指南针，在学习电荷的相互作用规律时尝试制作一个验电器。在学习磁生电时，学生可以利用一节电池、电磁铁、铜丝等器材尝试制作一个简易电动机。

4.采用主题化教学，培养学生高阶思维能力

学习的金字塔理论告诉我们，教师要引导学生主动质疑、讨论、合作学习，而不能一味地在听说中被动接受学习。教师可以围绕某个主题、观念、迷失概念、知识点或问题，培养学生高阶思维能力[5]。例如，学生经常对在水平方向上两只弹簧秤对拉时读数问题犯难，教师常常取实验演示验证，学生尝试分析、交流。两个弹簧秤水平对拉，让学生观察弹簧秤的读数。这样的教学，教师只是客观地呈现实验事实，被动地让学生感知现象，没有主动地激发学生深度地思考，效果不佳。如果教师采用有高阶思维的深度教学，那么效果就大不相同。教师可以让学生进行实验活动，收集事实证据。但是，在实验交流过程，一位学生发现两只弹簧秤的读数不相同，经过弹簧秤的调零后，重复实验，结果仍然不相同。教师继续引导学生，可以用第三只弹簧秤替代法来重复实验，果然解决问题。学生又质疑实验的结果，刚才的实验，是在静止时得出结论的，如果两只弹簧秤在运动中对拉时，读数将会如何呢?学生继续尝试在非平衡状态时，两只弹簧秤的读数是否相同。但是，学生在观察弹簧秤的读数时有些困难。此时，教师利用传感器演示实验，清晰地呈现实验结果，弹簧秤的读数与运动状态无关。最后，教师总结，得出结论，两个弹簧秤水平对拉时，读数相同，不会相互抵消，也不是相加，而是相等。通过这样有深度思维的考量，学生学到的不是教师灌输的，学生识记的是学生自主建构、真实体验到的。

5.重演科学知识形成过程，培养学生问题解决能力

教师不仅要关注学生对知识的习得，而且要重演科学知识的形成过程，培养学生问题解决能力。例如，在“显微镜”教学中，学生要掌握显微镜的各部分结构和名称，教师一般会采用显微镜实物或者借助多媒体视频播放介绍的教学方式，完成教学任务。教学实践证明，学生的学习效果不好，兴趣不高。如果教师以创新的观念展现显微镜技术改进演变的过程，促进学生深度学习，就能化机械枯燥记忆教学为体验科学发展观为本教学，学生不仅兴趣高涨，而且也不容易忘记知识。教师先呈现一只放大镜，让学生观察物体，然后把二只放大镜叠加在一起，让学生谈谈感想。教师讲解：最早的显微镜是荷兰人发明的，是用两块凸透镜叠加起来的，如果我们把二只放大镜叠加起来使用，你觉得有什么不便地方？有的学生说：手要拿着两块凸透镜，比较累。紧接着追问：既然是这样，你有什么办法可以让它变得更完善吗？学生回答：可以用两个支架把凸透镜固定。有的学生说：我想物体是否也可以放在台上，然后用支架固定呢。教师补充：同学们改良后的显微镜的确不错，但是新问题又出现了，就像放大镜的使用中我们一定要移动放大镜或者是物体才可以找到清晰像，那这个仪器你还可以怎么改进？学生说：在支架上安个螺丝旋钮，可以让两个镜片进行移动。教师质疑：如果发现光线太暗，我们如何解决呢？学生回答：可以用灯照亮，使光线变强；还可以在台上弄个小洞，让底部的光线也能进来。教师出示实验室中显微镜，让学生进行对照认识、比较学习。由于学生参与显微镜改进、设计的学习活动，在显微镜技术的改进过程中积极地思考，甄别、评价技术解决方法的优劣，经历了一次“亚创造”“类创新”的深度学习过程。学生不仅有效地习得科学知识，而且学到解决问题的方法，体验到科学技术发展变化的思维之旅，领悟到科学发展、创新的本质。

6.注重阶段性评价，监控学生探究能力的表现水平

科学探究方案探究能力培养目标设计相应的阶段性评价方案如表2所示。阶段性评价方案由评价范围、评价内容、评价的具体要求和标准、多元化评价四个部分组成。阶段性评价方案注重多元化评价，由教师评价、学生自我评价、学生相互评价三层面进行评价；注重过程性评价，从探究兴趣和习惯、探究过程和方法、探究能力、探究成效四个方面对学生在科学探究过程中表现进行动态评价。阶段性评价方案如此设计，原因在于：针对预期能力培养目标达成情况、学生在探究活动中表现出的能力水平，运用多元化评价、过程性评价，其评价结果更为客观、准确，这有利于激发和维持学生继续参与探究活动的兴趣。阶段性评价结果，将为下一探究方案的设计与实施提供有力依据。

人工智能人才培养要有学科交叉的意识。人工智能具有强大的渗透力，“至小有内、至大无外”，在人才培养过程中要强调交叉。一个学科方向模型和方法的创新有赖于该学科向其他学科进行知识开放。2018年10月，麻省理工学院宣布建设一所新的计算机学院，致力于将计算机技术以及人工智能纳入所有研究领域，推动学科交叉、重塑人才培养模式。在其设立的这所新的计算机学院中，会招聘25个来自其他专业的教师，将其作为桥梁（bridge），来推动其他学科和人工智能的交叉研究。

式中:置信度η0一般设置在[0.95,0.99]的范围内;b表示局内点总数；ε表示局内点在所有样本点中所占的比例，然而通常情况下，ε未知，所以ε取最坏条件下局内点的比例。

表2 阶段性评价方案

评价范围评价内容具体要求和标准多元化评价教师评价学生自评学生互评探究兴趣习惯探究兴趣有积极探究的兴趣、态度,学习过程能积极投入探究习惯课前做好预习,上课能积极参加学习活动和讨论,积极发表见解,有自主学习的内部动机和倾向性,善于和同学合作交流,共同发展探究过程和方法自主学习有“我要学”的主体意识,有主动的、建构性的自主学习过程,有进行自我评价和自我反思习惯合作学习与他人配合、互动,协同完成任务,共同发展探究创新能主动发现和探索问题,通过实践性探究,学会探究的方法,结合所学知识,分析和解决问题,增强创新的意识,发展综合运用知识的能力探究能力发现问题能力提出有价值的问题,能利用网络搜集信息和资料分析问题能力思维灵活、独特、流畅,有解决问题能力,能针对任务制订计划努力去实践综合创新能力能变通求异,举一反三评价交流能力善于观察、分析、思考并和大家交流评价探究成效知识、能力、情感三维目标达成完成探究任务,并掌握一定的探究方法

总之，“九层之台起于垒土”，学生科学探究能力发展目标是在获取科学知识的过程中逐渐发展起来的，不是一朝一夕、一蹴而就能完成。只有精心设计和规划，在尝试中探索，在反思中汲取经验，不断完善科学探究评价体系，我们的探究性教学活动才能真正让学生的科学探究能力得到提高。

[参 考 文 献]

[1] 郭玉英，姚建欣，张静.整合与发展：科学课程中概念体系的建构及其学习进阶[J].课程·教材·教法，2013(2)：44-49.

[2] 刘晟，刘恩山.学习进阶：关注学生认知发展和生活经验[J].教育学报， 2012(8)：81-82.

[3] 王磊.科学教育的新兴研究领域:学习进阶研究[J].课程·教材·教法，2014(1)：112-118.

[4] 周建秋.走向核心素养的学生科学探究能力培养策略[J].现代中小学教育，2017(2)：59-62.

[5] 安富海.促进深度学习的课堂教学策略研究[J].课程·教材·教法，2014(11)：57-62.