本期荐读丨刘恩山：指向核心素养的中学生物学科学探究——以“种子萌发过程的形态结构观察”为例

本刊2024年第6期刊发的《指向核心素养的中学生物学科学探究——以“种子萌发过程的形态结构观察”为例》一文，以指向核心素养为追求，基于目标模式构建活动设计模型及科学探究活动，经过理论论证和实践检验，验证了该设计具有较好的实际教学效果，本期荐读。

1.1.1 科学探究活动 

科学探究是生物学核心素养之一，《义教课标》从能力与品格、环节、意义、形式等 4 个角度对科学探究进行描述。在 “能力与品格”方面，明确科学探究是“源于对自然界的好奇心，解决真实情境中的问题的能力与品格”；在“环节”方面，明确科学探究包括发现问题、制订方案、进行表达和交流等；在“意义”方面，明确探究类学习是“学生主动参与，能够加深学生对生物学概念的理解，提升应用知识的能力，探讨或解决现实生活中的某些问题”，是“学习生物学的重要方式，是创新型人才的重要标志”；在“形式”方面，明确“生物学课程高度关注学生学习过程中的实践经历，强调学生的学习过程是主动参与的过程，通过实验、探究类学习活动或跨学科实践活动，探究实践活动主要包括科学探究和跨学科实践”。由此可见，活动是科学探究在教学中出现的形式，具有灵活性。

1.1.2 科学探究技能 

美国科学促进协会 SAPA （Science-A Process Approach Project）项目明确界定了科学过程技能且将其作为科学探究的评价项目，为后续探究技能研究打下基础。后来，帕迪拉（Michael J Padilla，1945—）对其进行整合，具体划分为 12 项技能，成为科学教育界广受认可的科学探究技能，包括观察、推论、测量、交流、分类、预测、控制变量、操作性设计、作出假设、解释数据、进行设计和构建模型。杨文源在帕迪拉分类的基础上，将“进行设计”替换为“提出问题”，并开发了一项经过检验的测试工具，其科学 性受到学界认可。 

1.1.3 理解科学探究 

Lederman等总结了教师和学生对科学探究应有的 8 种理解，包括：科学研究都是从问题开始的，但不一定都需要有假设；科学探究并没有一套固定的步骤或方法；科学探究的过程取决于所提出的问题；不同科学家按照相同过程研究同一问题，不一定会得到相同的结果；探究的过程会影响探究的结果；研究结论必须与所收集的数据一致；科学数据并不等同于科学证据；对问题的解释需要结合已收集的数据以及已有的认识或研究成果。 

1.1.4 科学探究与科学实践

《K-12 科学教育框架》使用“科学实践”来描述探究相关内容，指代“科学家及工程师开展工作的实践”，并认为“科学探究是一系列的科学实践活动”，同时引起了人们对科学探究与科学实践关系的思考。科学教育话语体系中“实践”的出现，并非对“探究”的否定，而是对探究精髓的延续、拓展和重新正名。具体来看，“实践”的提出一方面强调了科学概念与科学探究的关系，否定“为探究而探究”的空洞探究，强调让学生将“内容知识”与从事科学探究和工程设计所需的实践结合起来；另一方面突出了科学探究在实践层面的整合性，不仅强调“动手”，还鼓励学生“动脑”“动嘴”“动笔”，并强调从个体行为向群体行为转化即鼓励合作，这种整合性体现出一种融合社会、认知、行为的实践取向。科学实践和科学探究有一定的区别和联系，科学实践来源于科学探究，二者核心取向一致，均体现出通过真实的实践参与引导学生深入学习和理解科学探究的理念。 

经过梳理，已有的科学探究评价工具可分为 4 类取向，即水平划分、理解评价、技能评价和设计评价，其中设计评价主要以教学载体为评价对象，如教材中的科学探究活动设计。4 类评价取向可能涉及多个评价要素，一般包括科学概念、探究技能、理解探 究、科学本质、水平划分等 5 种要素。

探究式教学（inquiry-based teaching）起源于 20 世纪 60 年代初，相关研究者是布鲁纳（Jerome S Bruner，1915 —2016）和施瓦布（Joseph J Schwab，1909— 1988），前者呼吁允许学习者发现新的信息和想法而非记忆；后者将探究式教学看作是培养未来科学家的手段；二者都强调探究式教学是模仿科学家工作的过程。施瓦布提出的科学探究理论认为探究式教学包含 2 种探究，一是对科学知识本身的探究，二是教与学这一过程的教 学方法、方式的探索，即“探究性教与学”。探究式教学本质上可认为是建构主义教学观。明示反思法是指让学生通过精心设计的学习经历和反思性问题得出想要的、可以理解的教学方法，其中“明示”并非“直接指示”或“说教”，需要依赖教师的有效组织和反思设计来实现。当前科学教育的实践导向理念鼓励教师在探究式教学中使用明示反思法作为教学策略之一。 

科学探究活动是具有完整性、独立性，可应用于科学课程的一个教学单元，适用于课程设计的一般理论，可较好地适用于科学探究活动设计。常见的课程开发模式有 3 种，分别是目标模式、过程模式和实践模式，其中目标模式最为经典，应用最为广泛，包括目标选择、经验选择、经验组织、结果评价 4 个步骤，是迭代循环的过程。

研究认可并采纳《义教课标》 对科学探究的界定，认为活动是其在课程中开展的形式。科学探究技能采用杨文源对科学探究 技能的划分，将其编号为 S1~S12，包括观察、推论、测量、交流、分类、预测、控制变量、操作性设计、作出假设、解释数据、提出问题和构建模型。理 解 科 学 探 究 采 用 Lederman 等总结的 8 种理解，将其编号为 U1~U8。本研究使用探究式教学实施科学探究活动，并使用明示反思法作为设计和教学的主要策略。

首先基于已有文献确定科学探究活动的设计模型，并依据该模型完成科学探究活动的设计，然后通过理论论证分析其是否达到了指向核心素养的目的，最后通过开展教学实践收集相关资料，分析所设计的活动是否能够促进学生核心素养的培养。 

要回答如何设计科学探究活动的问题，需要构建科学的活动设计模型。本研究以探究式教学相关理论作为科学探究活动设计的理论基础，并基于目标模式构建活动设计模型（图 1）。

在“理论论证”环节，分别采用已有工具和自主开发工具对活动进行文本评价。一是选择 ITAI（inquiry-based tasks analysis inventory）对活动文本进行评价；二是设计开发“科学探究活动教学可行性评价表”（以下简称“教学可行性 评价表”），供一线教师使用。教学可行性评价表除融合了 ITAI 的内容，还基于已开发的测评工具进行维度和具体条目的设计，“活动目标” 维度采用多选题的形式，因此能够与活动设计意图进行一一比对。5 名专家（教授 1，副教授 1，讲师 2，博士生 1）的内容效度检验结果表明该工具具有较好的内容效度。

使用科学探究活动设计模型指导活动设计，基于教学实践检验设计和实施效果。在活动设计环节，选用豆芽萌发的过程作为情境主题，设计以“种子萌发过程的形态结构观察”为题的科学探究活动（以下简称“活动 A01”）。教学实施涉及 4 个班级，教学实施前研究者撰写并提供相配套的教师指导，并对 4 名教师围绕设计意图和教学实施开展一对一培训，持续时间约 30 min，之后由教师开展探究式教学，同时收集和提供过程性资料。

按照设计模型的 4 个关键环节，从设计层面分析活动 A01 是否达到了指向学生核心素养的设计目的。 

1）科学地确定活动目标保证了设计的科学性和方向性。科学探究活动必须涉及生命观念、科学探究 2 个维度，不同主题的活动可能还涉及核心素养的其他方面。

2）所选择的学习经验能够较好地替代教材已有的相关活动，保证活动具有教学可行性。设计规避了现有教材中相关活动存在的不足，如不能较好地帮助学生理解科学概念和探究本质，缺乏讨论等。

3）学习经验的有效组织能够真正促进学生的概念理解、技能提升和对探究本质的理解。学生以学习共同体形式完成豆芽萌发容器绘制和制作的任务，并回答“豆芽萌发的容器具有哪些功能？”“为什么应具备这些功能？”等问题，学生必须关联相应的科学概念、调用相关的探究技能才能顺利回答问题并完成任务。 

4）“理论论证”环节，由 5 名评分者（博士生 2、硕士生 3）使用 ITAI对活动文本进行评价，除 1 人不认同“理解”目标的 U2 外，其余维度得到评分者的一致认可，说明设计能够达到目标。4 名一线教师使用教学可行性评价表对活动文本进行评价，所有维度和具体条目均获得“同意” ，说明设计意图得到实现。 

所设计的科学探究活动在经 过前文的理论验证后，研究者以互相适应的教 学实践取向指导一线教师开展教学实施，由一线教师完成教学实践任务并收集相应的资料。研究者对资料进行深入分析和整理，与一线教师均以设计最优化为追求进行多次深入沟通。生命观念和科学探究是活动 A01 主要的核心素养维度，维度目标的落实情况是教学实践效果关注的重点。

1）在生命观念维度，学生能够理解并运用相应的概念。

2）在科学探究维度，学生的技能和理解得到了有效锻炼和加强。

由自评表多选题得分可见（图 2），探究技能目标均表现良好。构建模型自评得分相对较低，根据人教版高中教材对物理模型的定义，绘制模式图已经是该技能的物化结果，可认为该技能已达到目标要求；理解科学探究目标得分率均>50%，基本达到设计要求。研究的结果与已有研究具有一致性，操作性设计、提出问题、构建模型等是已有教材落实较差的技能，学生在日常学习中缺乏系统锻炼，且对构建模型本身理解并不到位。

能够为一线教学提供理论指导和案例参考。然而，研究还存在改进空间，例如，研究应设计一套能够在活动 A01 教学前、后使用的评价工具，然后基于学生学习前、后的测评差异对教学效果进行更加客观的分析和讨论。 

教学中的科学探究活动应关注学生的具体活动，与科学知识相互融合，起到促进学生学习和理解相关概念的重要作用；科学探究技能帮助学生获得顺利开展实践的机会，对科学探究本质的理解决定了学生如何看待探究中的所有行为。由此可见，概念、技能、理解在科学探究中具有紧密的关系。指向学生核心素养的科学探究活动设计值得一线教师和研究者投入更多关注，义务教育阶段的科学探究设计要抓好重要科学概念、科学探究技能、科学探究本质 3 块基石。