美国ＴＥＬＳ技术支持科学学习的研究与实践

吕　萍

[摘 要] TELS主要通过科学课程设计、教师专业学习、评估和技术支持四个环节的研究和实践，研究如何运用信息技术提高学生的科学学习成就水平。TELS独特的研究视角和系统的研究过程以及浓烈的时代气息，期望对我国科学教育的改革、研究与实践提供参考和启发。

[关键词] TELS；科学学习；信息技术

[中图分类号] G434[文献标识码] A [文章编号] 1672-1128（2009）04-0014-06

技术支持科学学习（Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｌｅａｒｎｉｎｇ ｉｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ，ＴＥＬＳ）研究中心是美国国家科学基金会于2003年秋建立的一个国家级研究中心。TELS主要通过科学课程设计、教师专业学习、评估和技术支持4个环节的研究和实践，研究如何运用信息技术提高学生的科学学习成就水平。当前，正值我国科学教育改革时期，TELS独特的研究视角，系统的研究过程和富有时代特征的科学教育研究和实践范式，给了我们极大的冲击和启示，对于我国科学教育中存在的理论研究过于宏大，理论研究脱离实践以及教师教学方法机械等都有不同程度的启发。

一、TELS概况

近年来，美国学生的科学成绩随年龄有不断下降的趋势。据第三次国际数学和科学研究（TIMSS）的调查结果表明：美国小学4年级学生科学成绩在50个国家中排名较高，但8年级学生就向一般成绩滑动，12年级学生则处于最低水平。这一结果令美国各界人士震惊。经过研究发现，学生在科学学习中，很难掌握复杂的、相互冲突的、容易混淆的科学概念和思想，加之科学教师的专业水平不高、教学方法过于简单，学生很难领悟比较抽象的科学概念。加上现代信息技术的迅猛发展对学校教育教学所具有的独特优势。在这种背景下，TELS应运而生。

TELS的总部设于加利福尼亚大学，由7所大学、1个非赢利教育研究和发展组织、7个学区组成。TELS的研究者与大学的专业研究者和初、高中的教育者形成研究共同体，形成了比较稳固的伙伴关系，各自发挥不同专业优势和作用。专业研究者的主要工作是判定运用信息技术提升科学教育水平情况，帮助科学教师充分使用信息技术营造学习环境；研究者则与教师合作，测试并总结课程活动的进行情况，以此提高教师专业发展的水平。研究者还帮助教师制作教学中运用的材料、选用教学方法。参与研究的教师会把他们的教学体验告诉研究者，研究者依此来修改课程计划。

TELS的目的是研究如何运用信息技术提高6～12年级学生的科学学习成就水平和科学教师的教学能力。主要研究4个方面的内容：（1）设计并测试课程，对科学现象的探究和动态模拟提供循序渐进的指导；（2）开发程序与工具，帮助教师和学校有效应用TELS设计的新课程；（3）评估新课程对学生学习的影响；（4）开发技术工具，支持课程设计者、教师专业发展以及相关的评估。

二、TELS的科学课程设计

课程是开展教育的关键，TELS的科学教育研究也十分重视课程的建设。为了满足科学教育的需要，实现TELS的技术支持科学教育的目的，TELS提出其课程应具备12个具体特征：（1）教室里需要有一个最新的浏览器和网络连接；（2）讲述跨越整个年级的重要科学主题；（3）运用基于课堂的评价，揭示学生是怎样在学习一个项目中获得进步的、项目的认知和社交支持怎样促进学生理解能力的提高；（4）基于课堂的专业发展支持能够使教师对学生的学习进行观察、评论和记分；把学生的学习情况汇编进档案袋，这个档案袋汇总了学生在多个项目中的学习情况；（5）让教师形成一个共同的观察和感觉，以使TELS的一个主题直接地过渡到另外一个主题；（6）让学生形成一个共同的观察和感觉，以使学习从一个TELS项目很容易地迁移到另外一个；（7）支持注册和归档，以使学校和研究者能够很容易地跟踪学生在多个项目和不同年份的学习情况；（8）为设计者提供TELS的主数据库设计方案——发表、收集、讨论和回顾设计思想的基础设施；（9）支持那些想根据地方特点、课程次序和学生需要修订和调整项目的教师和研究者；（10）为其他教育软件开发者提供开放资源的接口；（11）充分利用最新出现的技术；（12）为开发者提供一个创作的环境，这个环境可以让他们综合成功的课程设计模式和原理。

1.科学知识的整合

TELS的科学课程设计主要通过科学知识的整合来进行。TELS对知识整合特别感兴趣。TELS的研究者发现学生在科学学习过程中不太容易掌握复杂的、冲突的、经常混淆的科学概念和思想。TELS的理事Marcia C. Linn和其他研究者的研究显示，在以下情形下，教学是有效的，即当教师把学生的观点作为调查研究科学现象的起点，在学习者清楚地说出他们原有思想和新思想的时候，引导他们，在各种各样的情境下把他们的这些思想分门别类，在复杂分析水平上使他们的思想之间建立联系；在评价思想方面，制定和发展更为细微差异的标准。最终，让学习者对科学现象形成一系列相互联系的认识。

一般情况下，教师、管理者和学生都认为建模和可视化是科学素养的必要组成部分。然而，学生们经常发现模拟和可视化理解起来很困难。为了解决这个问题，TELS在伙伴学校中测试了教师，让他们辨别那些使学生感到困惑的科学主题，并与标准相比较，这项工作有利于进行强有力的可视化和模拟。

在此基础上，TELS进行了知识整合，为每个初级中学选择了两个主题：生命科学、物理科学和地球科学。为每个高级中学也选择了两个主题：生物学、化学和物理。TELS利用信息技术已经形成了18个科学主题课程模块，伙伴学校已经认识到这些课程模块的重要性和困难。这些课程充分体现了地方和国家对初中或者高中制定的科学课程标准。这些模块可以归为六门科学：初中的生命科学、物理、地球科学，高中的生物学、化学、物理（见表1）。

2.课程设计审核环节

TELS已经形成了一个设计审核环节，以确保由协作小组提出的项目方案能从以前的研究中受益。在形成和测试伙伴学校的12个方案中，TELS的研究者一直遵循这个程序。TELS的软件和模拟，使研究者能够对众多的教学材料之

间进行精确的比较。

三、TELS的教师专业发展

1.教师的专业学习活动

TELS与6个州的40多所学校合作，调查教师专业发展情况并提供机会，帮助教师计划和实施TELS的课程方案。为了支持教师应用TELS课程计划，形成一个专业发展的模型，TELS研究者提出并正在采用循环方法来策划、计划实施、反思和修订一个导师专业发展项目（见图1）。这些导师由TELS的研究者和设计者承担。同时，TELS拥有将近50名教师，对他们进行了运用教育技术开展教学的培训。TELS专业发展项目运用工作坊和私人导师来帮助教师。

制定一个方案；

实施一个方案；

思考方案中的教学问题；

根据以上的思考，量身定做方案；

实施修改过的方案。

教师可以通过以下途径参与。

在所讲内容范围内，对学生的知识水平进行基准测试，并且每年至少实施一个TELS课程计划；

参加课程设计小组；

成为一名导师。

在项目实施的第一年，TELS主持了第一个工作坊，与教师个别交流，帮助教师启动课程计划，提供深入的技术和课堂教学支持。然后，对课程方案中的教学问题进行深入指导。

到目前为止，200多名教师已经开展了基准测试，并实施了至少一个课程计划，超过25个教师已经参加课程设计小组，20多个教师已经成为导师。大约25%的教师已经实施过一个以上的课程计划（见表2）。

教师对TELS课程活动很满意，但是对学校能够为开展这类教学所提供的有限资源（如人力、技术和材料）很失望。在后期方案实施的采访中，许多参与TELS的教师很无奈，因为他们所在学校的技术设施根本不支持这类教学。然而，从总体上来看，教师对TELS的计划非常热心。他们表示，绝大多数学生在任务学习上，总体上能够理解复杂科学现象的可视化。

如果学生科学知识水平比较低，那么他们的教师需要额外的专业发展培训，使他们拥有识别技巧，以确保所有学生参与到TELS课程计划中。正如评价结果显示，他们的努力是成功的。先前在科学知识得分比较低的学生，相对于他们的起点而言，他们获得理解能力的成功，与前测得分比较高的学生所获得的成功非常相似。

2.资格水平证书

TELS为教师提供了一个三级证书。设计这个证书是用来配合和帮助教师完成部分职业进修的需要和国家职业证书（见表3）。TELS证书承认那些在运用教育技术提升科学学习方面获得过优异成绩的教师。获得证书的教师必须非常熟练地使用作为科学探究方案的部分教育技术。

实施TELS课程计划的49名教师达到了第一级的标准。15名参与设计小组和试点测试计划的教师达到了第二级的标准。成为导师的TELS教师和指导教师的其他同事达到了第三级的标准。

3.学校管理者的专业发展

TELS与4个州的16个校长合作。TELS的研究者、教育领导和校长一起调查在学校范围内如何有效地实施和支持有创新意义的技术提高科学课程。在访谈中，参与研究的学校校长对TELS研究表现出浓厚的兴趣，关注学校技术支持和设施的缺乏，热心于教育技术与提高教学的有机结合。校长们认为教育技术能够极大地提高学生的科学学习，并激励学生积极参与科学课程。

对于学校与教师合作识别有效应用教育技术的方式，所有的校长都表现出浓厚的兴趣。TELS鼓励校长批判性地思考如何调整技术来提高学习，以便适合他们学校。同时，TELS提供了一个校长论坛来解决问题和展望未来。目前，已有16位管理者作为一个强有力的团队出现在TELS的课程计划中（见表4）。

四、TELS的评估活动

TELS的目的是测试它的教育技术如何有效影响12个科学主题知识的学习。TELS评价的方法聚焦在测量学生成功地评价和转变根据新信息对科学的感知。TELS评价的目的是让学生在各种思想之间建立联结，并对他们的猜想给予解释，使知识整合结构与TELS课程资料设计保持一致。

1.对知识整合效果的评价

为了检验知识整合的效果，TELS开展了知识整合评价，主要是制定测量知识整合和建立统一的科学主题知识整合标准。TELS组建了12个多学科协作小组，为12个主题逐一设计探究活动。协作小组检查学生在TELS基准评价中的成绩，并设计活动，力图帮助学生培养对TELS主题具有更为综合的理解能力。

TELS提出了六个基准测试来测量知识整合，每个测试由一些基于研究的和一些标准化项目组成。测试覆盖了初中物理、生命科学和地球科学，也覆盖了高中的生物、化学和物理。研究者已经设计了既包括以往研究的问题，也包括标准化测试问题的评价。把研究结果和国家、州或者标准化评价的结果联系起来。TELS使用标准化项目（这些项目来自测试设计者、国家评价办公室等方面设计的），有助于证实评价结果。

在学生对TELS每个评价问题的回答中，为了获得发展性的较为高级的知识整合，TELS开发了一套分数解释（scoring rubric）标准（见表5）。第一年的研究，在30位教师任教的9所学校的班级中，采用了基准评价。对知识整合项目的研究表明，采用知识整合解释标准测试的项目得分满足项目反应理论（IRT）模型标准。建立统一的科学主题知识整合标准强化了TELS的评价。初步的研究成果表明，TELS的课程活动有助于促进知识整合。

2.对学生理解能力的评价

一般情况下，教师、管理者和学生都认为建模和可视化是科学素养的必要组成部分。然而，学生们经常很难理解模拟和可视化，在认识论上来讲也比较复杂。为了解决这个问题，TELS在伙伴学校中测试了教师，让他们识别那些使学生感到困惑的科学主题，并与标准相比较，这项工作有利于开展强有力的可视化和模拟。

TELS的方案通过具有挑战性的、合作性的活动来激发学生参与科学探究的兴趣，强调运用信息技术来可视化、模拟和调查研究。有代表性的是TELS的方案包括一个星期的基于计算机的活动。为了引导学生进入基于探究的TELS课程，教师调查了解学生对个体学习和小组合作学习的看法，然后，周期性地向全班讲解课程内容。TELS设计了一些课堂学习活动，并检验其培养学生对复杂科学主题拥有一种更深的、更好的综合理解能力的程度。这些活动是：

让学生积极参与科学探究活动；

充分运用计算机模拟真实世界现象；

让学生参与收集和分析信息。

为了评价学生的理解能力，并比较学生在对照班和TELS提高班的成绩，TELS运用基准测试开展了群组比较研究。在知识整合评价中获得成功的分数解释标准也被用于TELS评价的每个项目中。在使用TELS计划之前，TELS对伙伴学校的学生开展了第一次基准评价。这些基准测试的结果也报告给了最初的TELS模型设计。在第二年和第三年，对参与TELS研究的教师所教的学生开展了基准评价。参与基准评价的大部分学生也至少参加一个TELS项目。分析这些结果将报告给新的课程模型设计，修订已经存在的TELS模型。这些研究结果使TELS能够在学习与不学习TELS的学生之间进行比较。

基于课堂的评价（embedded assessments）提供了关于学生渐进学习方面的准确信息。基于课堂的评价充分利用学生在课堂上的活动和表现，能够真实地展现学生的学习情况和教学情况。许多TELS计划中的基于课堂评价，先于并延续使用科学可视化，以获得这些可视化对学生理解能力所起作用的观察。如在电的教学计划中，Casperson and Linn（２００５）发现，之前使用能够获得介于宏观和微观的静电本质要素的可视化，学生会更加容易地提高理解静电的能力，特别是归纳推理概念的能力。

许多评价过的方案得益于以前的知识和其他相关教学变量。这些研究显示，良好设计的方案（包括飞行员测试和课堂教学情境的精心设置），以前知识成绩高和低的学生，科学理解能力一般都会得到提高。综合起来看，这些研究说明，蕴含于探究学习方案中的科学现象可视化能够提高学生学习复杂科学概念，如电、有丝分裂、岩石循环等。

对第一年项目计划的实施，TELS分析了前测和后测成绩。在每个计划的研究中，学生在整合理解能力上都有了一个非常有意义的提高。例如，所有学生在理解复杂科学如解释化学反应产生温室气体，都取得了非常有意义的进步。

TELS已经吸纳了28所学校的14000多名学生和200名教师参与研究。许多学生家庭经济情况不是很好，在家也不说英语。至今，TELS的研究已经证实，在理解复杂科学概念，如化学反应、动力、地质变化过程等，参与TELS的所有学生都有了很大的提高。TELS的研究者已经在28个参与学校中针对不同学习者设计和测试了20个项目。在其中5所参与学校，有9%～25%的学生在家不讲英语。平均来看，25%的学生接受了免费的或者说便宜的营养丰富的午餐。9所学校就读的学生有50%以上都不是具有代表性的文化群体。5所学校有20%～49%的学生也来自非代表性的文化群体。评价结果显示，针对所有学习者的这种教学方法，有高和低两种前测分数。

五、TELS的技术支持

TELS的信息技术与课程开发目的是让教师能够运用计算机创设一些使科学现象可视化、丰富多彩的学习环境，并通过对不同学生群体开展教学，来测试这些学习环境的有效性。预期结果是能够提高学生的科学学习成绩，并提高学生中学后应用科学教育知识的数量和质量。TELS的课程把交互式的软件和模拟有机结合起来，指导学生进行学习，以便学生在学习复杂科学主题的时候学会运用科学探究。

TELS的研究者创造了一种新型的、基于一种新型计算机语言的建构系统，用于设计、发展和上传课程，来指导学生通过科学探究过程，得益于高度互动、动态的可视化和模拟。主要是基于网络的科学探究环境（ｔｈｅ Wｅｂ－ｂａｓｅｄ Iｎｑｕｉｒｙ Sｃｉｅｎｃｅ Eｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＷＩＳＥ）和互动学习升级系统（Scalable Architecture for Interactive Learning，SAIL）。

借助WISE，SAIL来支持课程的设计和上传：（1）指导教师和学生；（2）收集能够用于评价和分析的数据。

借助于教学法，SAIL：（1）支持丰富互动的模型建构和可视化活动；（2）记录学生在这些环境中的行为。

TELS的方案通过使用WISE软件和TELS的伙伴研制开发的其他软件来实现。如果使用TELS课程方案，访问者必须在WISE上注册登记。注册非常随意和容易。

1.基于网络的科学探究环境

基于网络的科学探究环境由国家科学基金会资助，是一个自由的在线科学学习环境。在WISE系统中，学生学习已经存在的探究学习计划，如关于地球气候变化、人类遗传学、汽车混合动力和循环等主题。学生通过设计、辩论、批判解决问题等方式，学生了解当前的科学争议，并对这些科学争议做出回答，所有这些都在WISE系统上进行。

WISE的大多数活动都在计算机上进行，使用一个网络浏览器。专门的WISE软件指导学生通过使用所提供的证据和信息页，“说明”“提示”和“讨论”工具激发学生去反思和相互协作，其他工具用来使数据可视化、因果关系建模、模拟和评价。

互动和相互协作是使WISE获得成功的关键。学生结对学习WISE模块。亲密的协作激励学生分享他们的想法并相互支持。构建WISE学习模块使生生、师生之间更容易产生深入的互动。这种方法为学生提供了一个机会，一个表达自己、分享想法的机会，鼓励建构性的社交互动。

在WISE模块中教师也发挥着互动的作用。当学生结对学习，教师就可以自由地在教室巡视，检查每个小组的进展，并讨论想法。教师也经常把全班集中起来，讨论研究成果、问题和方案中潜在的问题。最后，WISE模块通常花费大概一周的上课时间来设计，也就意味着被整合进了现存的科学课程。

2.互动学习升级系统

互动学习升级系统融进了WISE和教学法教育软件，由加州大学伯克利分校和康科德财团各自独立开发。总的目标是构建一个开放的资源社区，开发者具有不同的兴趣和观点，但是他们都从构建同一个核心技术平台受益，这个平台包括学习内容管理系统和数字图书馆维护（如元数据加密）。

参考文献

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[4]韦珏.国际探究式科学教育评估工作会议综述[EB/OL]. http//blog.handsbrain.com/weiyu/archive/2005/9/26/10544.html.

[5]TELS网站, http：//www.telscenter.org/about/index.html.

作者单位 上海市浦东教育发展研究院

（责任编辑 潘静波）