WISE科学探究环境对我国科学教育的启示

常瑾 武冰星

我国自2001年颁布小学科学课程标准以来，科学课程一度成为基础教育改革的热点，但和语文、数学、英语等核心课程比起来，科学课程始终处于边缘和弱势地位，其重要性在课程中没有得到充分的体现。而提供合适的教学资源和教学环境，有助于激发学生学习科学的兴趣，培养学生的科学探究能力和科学素养，同时也有助于教师的教学。计算机技术的迅猛发展、互联网技术的出现为学习环境提供了有效支持。本文以美国中小学科学探究环境WISE为例，探讨其理论基础、系统结构及其项目案例，从而为我国的科学教育教学提供一些成功的经验和启示。

一、WISE科学探究环境

“基于网络的探究科学环境”(简称WISE)是由美国国家科学基金会(NSF)资助，伯克利大学Marcia．C．Linn教授主持的“知识整合环境(简称KIE)”项目的主要研究成果之一。WISE是建立在Web基础上以网络技术为媒介的学习环境，是为学习者提供探究所需要的认知工具，并为教师在课堂中使用该环境提供了多种多样的支持服务。

1.WISE的理论基础。WISE以建构主义理论为指导，将知识的建构建立在学生自主发展的基础上，通过营造友好的学习环境，鼓励学习者自己建构所需。学习者可在与同伴讨论过程中学到新知识，扩大或修正已有的认知结构，在表达个人已有概念知识的同时，进行自我反思与评价，不断地加以重构。维果斯基支架式知识整合框架理论(简称SKIF)强调以学习者为中心，要求学生积极主动地去评论、分析与科学课程相关的网络信息和其他证据，在这个过程中，该理论强调问题情境、工具软件以及教师的支架作用，以帮助学生对问题的深层次理解。

SKIF框架描述了四个过程来说明知识整合，分别是探究观点、增加观点、辨别观点、导出观点。这些过程一起构成了知识整合模式。该模式可以用来设计、评价课程材料。它可以提供新的方向精炼一个活动。WISE希望用知识整合的原则和模式来设计课程，促进科学的理解和设计一致的评估来衡量学生能力来整合观点。

2.WISE的系统结构。WISE已经开发了一个用户和课程管理系统(WISE主页)和一个虚拟学习环境。在WISE的主页介绍了探究项目、特点、新闻(WISE版本的更新及其链接)、优点、体验、研究和技术团队。提供了免费注册用户功能，注册用户包括两类:一是教师账号，研究者;二是学生用户。不同用户注册的权限不同，对于教师、研究者用户来说，提供了项目管理、教学管理等功能，使用这些功能可以使用课程和开发课程，而对于学生用户来说，提供教师的课程号方可进入课程探究小组。WISE环境的功能特色在于网络浏览器上镶嵌了众多JAVA技术的工具，这些工具提供了包括在线讨论、数据搜集、绘图等，有效支持了学生的探究活动。WISE环境整合了HTML，Javascript和CSS等技术。利用这些技术可以保存课程内容和学习者学习过程的数据，也为研究者和教师提供了工具来制作或修改项目。VLE提供的工具有实时助手、备注、主活动、探究步骤、短活动、相互在线讨论、探究地图、课程图书馆、课程编写等。这些功能是由脚手架构成的，任何脚手架能被拥有不同行为与观点的其他脚手架所取代。换句话说，如果研究者或者开发者需要使用他们自己已有脚手架中的一个，他们可以修改由WISE提供的默认的脚手架。各种各样的原始参数能被传递到VLE，诸如会话数据、课程位置、可视化主题和系统环境的VLE接口，制作者还可以修改可视化布局和VLE环境。

3.WISE的项目研究。WISE环境得到了广泛的师生参与。WISE探究环境主要支持三类学习项目:(1)理论比较(2)论据探查(3)设计。WISE是以科学探究过程为形式的学习环境，通过设计相应主题的探究模块内容，结合一定的Web技术，增强了环境对所学主题的适应性。学习者通过点击相应的步骤，获取相关信息，并根据自己的探究填写相应的内容，从而形成自己对某一主题的理解与观点与他人交流。WISE的每个探究项目都设计了支持学生进行自主学习的探究地图。下面以地球科学《调查行星运动与季节》为例来说明WISE的项目。

本案例面向6—12年级，共有8个步骤，类型属于论据探查，目的是使学习者收集和评估季节的证据，使用不同的动态可视化和模型的解释和理解。每个单元的支架式教学，帮助学生建构自己使用的证据来解释季节变化。本项目中学习者首先假设自己是一个侦探，提出3个“神秘案件”，为学习者创设一个学习情境，利用这些驱动性问题来激发学生学习的动机和兴趣;接着鼓励学生提出自己的观点，验证和解释自己的观点，使学生主动地搜集季节变化特征及其原因，最后和同学们分享自己的解释同时对同学们提出的解释进行探讨。

第一步首先介绍项目的目标，学习者假想自己为科学侦探，提出侦探的要求，鼓励学生成功“破案”，需要判断案例是否在生活中发生，是否可以用证据或是收集到的证词进行解释，一些零散的想法是否可以提取出线索，根据线索来解释“案情”。接下来显示三个问题(1)给出一幅太阳一天中的位置变化图片，让学生观察有何异常。给出一些线索来提示学生思考。(2)由Keisha和Saul的冰块融化的时间长短引出问题，引导学生解释这种现象，同时也给出了一些线索。(3)给出一幅太阳位置变化是“8”字的图片，要求解释这种奇怪的现象。根据学习者通过调查和线索，写出自己的想法，并解释这些现象。在一步结束之前，提供给学习者一些支架型问题如产生季节的原因，要求学习者搜集支持自己论点的证据，同时与同学分享自己的观点。

第二至六步，以相同的流程进行探究，通过提供以前同学的观点(地球与太阳的距离引起四季变化?不同的温度导致了四季的变化?光的强度引起四季的变化?地球倾斜的角度引起四季的变化?四季是由于我们面对太阳或是背对太阳引起的?)并展示了原因。提出了一个调查问卷，记录下实验数据，并以调查“地球和太阳的距离和地球轨道的形状”、“世界的温度变化”、“太阳光的强弱的变化”、“地球的倾斜角度和对应的温度”为探究点，提供了四个不同地区的城市在四个不同的月份作为实验数据，从各个角度为学生的观点提供的证据，以同意或是不同意先前提供的证据为结点，并给出相应的解释，总结自己的观点。通过立体化的方式观看地球转动情况、温度、光等影响因素，收集数据并分析数据，得出自己的结论。经过这五轮的探究，学生找到了支持自己的科学数据，并说明理由。在学生通过各种方式掌握了概念之后，给出一些巩固所掌握知识的练习，方便学生的迁移和逆向思维。这几步都是以问题情境开始，不断地增加证据，使学习者加深理解，从而加深或是改变自己的论点，并提供一系列仿真的实验，学生自己收集数据，有利于学习的形象思维的发展，让学生先假设、验证、寻找证据，层层递进，既加深了概念的理解，又掌握了科学探究的过程与步骤，形成了自己的科学思维方法。在最后两步，根据先前形象化的选择题和记录下的实验数据，用自己的证据进行论证或推翻自己的观点，将自己的证据进行整理、归纳。回归到第一步侦探探究的问题，看通过自己的搜集能否侦破“案件”，并可以与同伴进行开放性的讨论交流。最后，将填写一个反馈表供以后的学习者参考。

纵观整个探究流程，让学习者不断地证明或证伪自己观点，不断的加强或推翻自己的解释，为学习者的反思和证据归类又做了很多提示和反思的环境，鼓励学生大胆猜想，对一个问题的结果作多种假设和预测，有利于学生的通过自己的努力来得到答案。通过这些活动的教学，可以让学生亲身体验一次科学发现、科学探究、科学创造的过程。

二、WISE科学探究环境对我国中小学科学教育的启示

目前，我国小学科学教育已开设《科学》课程，中学科学教育分散在《物理》《化学》《生物》课程之中，课堂实验或者“探究”教学存在内容肤浅、强调步骤和形式、流于死板和机械等缺点。当前我国中小学科学课程存在让学生按步骤动手操作，却没有真正激发出学生的兴趣和求知欲，更没有鼓励学生思考科学现象及问题。科学教育的最大特征是“综合”，中国科学教育的最难问题也是缺乏综合性的教材与师资。因此，借鉴WISE环境的特点，对我国的科学教育有以下几点启示。

1 WISE环境对我国科学课程资源建设的启示。当前我国中小学科学课程的资源主要包括条件性资源及素材性资源。素材性资源分为外在物化载体和内在生命化载体。素材性资源建设能力严重不足，成为制约学校内涵发展的重要瓶颈。各地学校的网站提供的科学课程资源比较多，这些静态资源，多是罗列了一些关于文字、视频、图片的优质资源，在学习过程和学习成果发布、课堂互动方面却稍逊一筹。学生的经验、感受、见解、问题、困惑等是重要的课程资源，而且是更加宝贵的素材性课程资源，教师应该有权决定允许它合法地进入课程，特别是进入教学过程。而对于如何针对各个中小学科学课程的教学实际，充分利用网络的优势设计支持探究学习的过程的学习资源，目前并不多。充分利用教学过程中的素材性资源来促进探究性教学，需要一个实时探究的支持环境，供教师和学生即时交流。

2.WISE环境对科学教与学方式的启示。

第一，教师教的方式。创设有意义的情境。WISE所提供的项目都是基于一定的问题情境，如在《Hanging With Friends》项目中以情境“Shanice与朋友去玩，运用速度的知识来帮助他们见面”开始，在《Global Climate Change》项目中提出“过去的几年全球气候有怎样的变化?未来的气候又将会发生什么?对于保护气候环境，你应该怎样做?”三个问题带领学生进入情境，以这些问题为驱动，激发学生的探究兴趣，从而引导学生一步一步进入探究学习的过程。这就要求教师能创设贴近生活的问题情境，吸引学习者进入学习状态。

记录学生思维过程。传统科学课堂中，教师通过观察学生的言语与行为来判断学生是否在思维，通过学生回答问题的准确性和流畅性来进行考查。这也只能关注到一小部分学生，而科学探究环境能及时记录学生学习过程中的思维，将抽象的思维通过引导形成外化的语言，通过探讨，纠正思维中的“偏差”，通过提供与同伴的交流环境，将更深入地理解科学中复杂的推理。学习对环境中的证据真伪进行辨别、分类，从而形成自己的科学思维。

第二，学生学的方式。技术为课堂搭建“脚手架”。探究教学是科学教学的重要组成部分，传统课堂中的优势就是师生能够面对面交流，提供的却是完美的实验过程和现成的结论，教师还要提醒实验注意事项，而在当今网络学习支持环境中，学生可以通过网络中虚拟的实验过程，在网络环境下进行科学探究，上述项目为使学生了解太阳光在华盛顿四个月份的强弱，提供的探究性的实验数据。学习可以自行学习，获取自己感兴趣的知识。

自主学习与协作学习的结合。自主学习要求学生能够独立思考问题，对于科学现象和问题有自己独立的见解与解释。协作学习要求学习者以小组形式参与到共同探究科学目标的过程当中。自主学习与协作学习相辅相成，相得益彰，共同促进学习者探究能力的提高。WISE中的协作工具包括资源图书馆、共享白板、在线讨论和任务列表。更加注重对学习者的关注，强调对学习者进行学习者特征分析，通过小组合作的形式将集体和个人的学习成果最大化。倡导学习者以小组为单位进行探究活动，我们可以在一台计算机上以小组方式同时登陆多个账号，这有利于学生能面对面讨论问题，搜寻证据。协作学习不同于合作学习，合作学习是每个人完成独立的子任务，共同形成一个完整的任务，而协作学习中的成员是“一起”工作来完成任务，可以说是都在进行同样的过程，结果可以共享与探讨，从而构建更好的结果。学习环境要求每位探究者都进行学习过程，同时能与他人共享成果，相互进步，发挥1+1＞2的效果，为协作学习和个体学习提供支持，更好地提高自己的能力。

探究学习的过程。在科学教学中，以培养学生科学探究能力、提升科学素养为目的，在教师引导下，学习者通过模拟类似科学家的探究过程来理解科学概念的建构过程。WISE中的项目是在创设一系列活动中引导学习者去解决问题，提出自己的观点，同时对于探究时遇到的困难提供了多种工具。

终身学习。我国中小学科学课程是依据教材进行教学，学习在考试之后，便不再进行回顾与反思，可以借鉴WISE的做法，依照各个专题或是项目，鼓励教师和学生终身学习。即使当学生结束课程学习后，在以后的生活学习中遇到一些证据事实，还可以继续添加。现阶段我国义务教育阶段中小学科学课程是必修课程，也就是说不仅要教会学生知识技能，更要培养其一种的科学的探究能力，正所谓“授之以鱼，不如授之以渔”。科学探究环境可以为学习者终身的学习提供帮助，随时记录学习过程。

第三，教师与学生的互动方式。提供师生、生生实时交互。网络探究环境可以为教师提供控制台，查看学生作业完成情况，即时发布公告，对学生的反馈、解释进行评价，对作业给予一定指导。学生可以查看自己的作业，还可以与伙伴讨论，而且这些讨论会得到教师及时的指导或成为同伴讨论的主题。利用网络技术为学生提供多样化的观点库，学生随时可以将自己的想法与解释写入库中，还可管理自己的观点、解释，查看同伴的观点和评价。探究环境为教师的教学评价和反馈提供支持，对教师编辑的试卷进行批改，评价学生的作业表现，还可以帮助学生记录作业进程，有利于促进教师随时随地进行多元化评价，也有利于同伴间的探讨。

3.WISE环境对构建探究性学习环境的启示。探究性学习环境不只需要的是优质教学资源，更要通过网络技术来提供支持，更好地为学生的思维过程提供便捷条件，这就需要充分考虑学生的学习需求，教师评价和辅助学生的工具。探究性学习环境应为学生提供学习支持活动，如提出质疑、假设、制定研究计划、搜集证据、交流协作等。为教师和研究者提供项目，便于教师根据实际情况修正，对学生的作业评价，思维过程监测等功能。

三、借鉴与展望

实施网络教育的基础是进行网络教育支撑环境的建设。教师要将科学课程的教学与现代教育技术相结合，利用各种信息技术促进学生学习，创设支持多重交互、自主探索、协作学习、优质资源共享的学习环境。WISE至今已更新到WISE 4，其提供的技术支持可以使学习者更容易地使用，建构抽象的难以理解的科学概念，从而找到自己解决科学问题的方法，提高自己解决科学问题的能力。而对于教师来说，方便选择不同的教学内容，同时，根据自己教学的需要进行编辑与修改，以适合本土环境的学习。在我国新课程改革之际，提高科学课程在中小学的地位，培养学生的科学素养，形成学生的终身学习习惯具有重大意义。目前，WISE已经在台湾取得了成效，学生、教师和研究者通过改编原有材料创建了自己的学习材料，WISE将对我国的科学教育产生积极的促进作用。

［1］黄芳．美国《科学教育框架》的特点及启示［J］．教育研究，2012，(8)．

［2］ 基于网络的科学探究环境［EB/OL］．http://WISE．berkeley．edu/webapp/index．html．

［3］ 亚太科学教育论坛［EB/OL］．http://www．ied．edu．hk/apfslt/v11_issue2/foreword/index．htm．

［4］黄都．促进知识整合的科学探究环境设计——基于对WISE网络探究平台的评介［J］．全球教育展望，2004，(7)．

［5］杜悦．科学教育亟需突破应试瓶颈——有关我国基础教育科学教育的观察与思考［N］．中国教育报．2012－10－25(7)．

［6］吴刚平．中小学课程资源开发和利用的若干问题探讨［J］．全球教育展望，2013，(2)．