初中科学探究学习进阶的广度、精度与深度

摘要： 建立初中科学探究的学习进阶框架模型、核心概念水平层次模型、基本环节测量要素模型，模型在教学实践的自洽与自评中，分别指向探究学习的广度、精度、深度。广度指向科学探究在教材中的整体布局设计，精度指向教学中精准把握探究学习的重点，深度指向学生多角度体验科学探究的实用价值。模型能为科学探究教学提供新思路。

关键词： 科学探究; 学习进阶; 模型; 初中科学 文章编号： 10056629（2019）6003306      中图分类号： G6338    文献标识码： B

科学教育界对学习进阶的概念界定虽然呈现多样化，但均试图刻画学生认知和思维模式的变化，从进阶框架上看，都涉及到基于核心概念的进阶起点、进阶终点、进阶维度、成就水平、各水平表现及测评系统等。从一线教师来看，比较认同“学习进阶研究均是围绕核心概念建构，力图刻画学生知识和能力的不同层级，并将学生的学习表现作为进阶发展的证据，从而对课程和教学产生影响”[1]。科学探究既是一种理念，又是一种方法，更是学习内容与目标中的核心概念之一。因此，我们认为，初中科学探究学习进阶，是围绕学生初中三年对科学探究的认知，以问题、证据、解释、评价、方法作为科学探究的核心概念，呈现学生探究动力、探究能力的不同层级及概念序列，并将学生的探究学习行为作为进阶发展的证据，从而对课程和教学产生影响。

1 初中科学探究的学习进阶框架

“初中科学探究的学习进阶框架模型”指向探究学习的广度，包括覆盖教材的学习内容、主要知识点与社会热点的探究选材。这是一个从课程育人目标分析，在初中三年时间轴上，如何随时间推进落实科学探究在教材中的整体布局设计的问题。此模型的主要作用，一是体现在用好教材方面，分析教材中原有探究任务的育人价值，从情感、时空、知识、技能、关联等方面综合考量，设计达到相应学段育人要求的进阶路径;二是体现在重构教材方面，对教学内容作探究化改造，或引入新的探究教学内容，同样从上述各方面寻找进阶路径，使教学更适合相应学段育人要求。

初中科学探究的学习进阶框架模型

科学课堂活动教学观认为，探究是一种活动，而活动不仅仅是探究，实验是一种活动，活动不仅仅是实验，通过“活动”，学生既能学到知识，又能掌握科学的思维方法，还能形成正确的科学态度[2]。

素养时代下的科学探究，不能就科学探究学习探究，而应置科学探究于育人目标下作整体设计[3]。我们把科学探究的进阶维度分解为探究动力和探究能力，最终指向科学育人目标的四个维度： 科学态度、科学观念、科学探究、科学思维，并形成一定的对应关系（见图1）。

初中科学探究的学习进阶维度分析

科学探究与学生探究动力之间的关系不言而喻。科学探究的进阶维度包含探究动力和探究能力等，探究动力包括情感进阶、毅力进阶，主要对应科学态度。学生科学探究的情感、毅力的形成，是由表层到深层、由外显到内化的螺旋式上升过程，不能一蹴而就[4]，科学态度的进阶需要一定的时间与空间。在操作层面上，根据布卢姆情感目标理论，从情感角度把科学态度实施路径分为唤醒、体验、发展三个阶段，情感进阶的路径： 注意—反应—内化—践行（科学态度）。

给定一个情境，知识储备不足的学生，只能提出一些凑热闹的问题，有足够知识储备的学生，会分析： 当前的情境是什么？蕴含着哪些问题？哪个问题是科学问题？问题和哪些概念、原理、规律、理论有关？基于眼下的科学知识和方法，问题是否能开展实际的探究？因此，考虑探究能力的 时候，应该关注相应的知识进阶。知识进阶的路径： 事实—概念—原理—关系—结构（科学观念）。结构化的知识可以借助核心概念思维导图来呈现，在这一过程中，情境是学习发生的载体，问题和活动一起引发个体创生知识，发展科学观念。

科学探究本身就包含一定的技能、过程与方法。技能进阶的路径： 模仿—独立操作—有限迁移—中等程度迁移—全面迁移（科学探究）。这个进程在学生探究能力上表现为能够从思考和解决有限迁移的、相似的情境化任务，到不断整合、迁移程度较远的任务，直到能够直面现实生活中的跨学科的、复杂的、陌生的、没有固定答案的任务，即所谓的全面的迁移[5]。其中各进阶水平的预期表现，是“处于特定理解水平的学生在完成某类任务时所应有的表现，这为评估工具的开发提供了具体的参考指标”[6]，以科学探究测量要素的形式呈现。

关联是在两个或两个以上情境之间建立联系，建立关联的方法是探究学習的目标。关联进阶的路径： 事实—方法—方法论—科学本质（科学思维）。简单的良构问题情境，学生可以用相对容易的方法，提炼特征、形成概念、得出规律。复杂的劣构问题情境，学生需要整合相关的事实、概念、原理、规律、理论，运用探究模式和科学思维方法才能深刻理解。关联进阶的成就水平，是“在学习进阶所追踪的发展路径上存在多个相互关联的中间步骤/成就水平，它们反映了学生思维发展过程的普遍阶段”[7]。追踪关联进阶中的科学思维，具体步骤可以是揭示思维痕迹、细化思维交流、尊重思维事实。

因此，育人目标下科学探究的整体设计，显然和情感进阶、毅力进阶、知识进阶、技能进阶、关联进阶密切相关，最终表现为科学探究主题下可测量的进阶。

2 科学探究主题下的核心概念及其进阶水平层次

“科学探究核心概念水平层次模型”指向探究学习的精度，包括探究基本环节的真实扩展及核心概念的强化。这是一个根据学生科学探究的阶段性发展层次，在平时教学中如何精准把握探究学习重点的问题。此模型的主要作用，一是体现在探究环节的完整性方面，根据不同学段的具体学情，确定探究环节上的侧重点，在学习路径设计上，心中有“六环节”，呈现有侧重点;二是体现在探究主题下的核心概念方面，从“问题、证据、解释、评价、方法”五个维度，分析具体探究任务要强化的重点与要点，从而设计学习路径。

科学探究主题下的五个核心概念

学生对某问题的探究过程常常是这样的：

“五毛钱是什么材料做的？”（问题）

“铜。”“有铁吧！？”（假设性解释）

“拿磁铁吸一下。看，能吸住吧。”（证据）

“有铁。”（这是一种结论，也是一次解释）

“靠谱吗？”“靠谱！”“不对，好像还有钴、镍也有铁磁性。”“是吗？”（评价）

简单如学生的日常探究，也涉及到“问题、证据、解释、评价”等。如果不从教科书式的六环节探究过程来分析，而是作为学生、公民所经历的探究，我们可以提炼出一些共同过程的基本特征，并与科学家的探究过程相契合[8]。这种契合具体表现为“问题、证据、解释、评价、方法”五个方面。

（1） 问题。科学探究需要发现问题和提出问题，围绕问题去解决问题，过程中又会出现新的问题。问题贯穿于探究的始终。

（2） 证据。科学探究需要事实和证据。问题经常在现象（事实）的观察中被提出，对问题可能答案作出的猜想和假设（科学上的假说），需要事实和证据的证实或证伪。收集和处理证据贯穿于探究的始终。

（3） 解释。科学探究需要作出科学解释。猜想、假设（假说）是一种解释，处理事实证据需要提炼出解释，评价后常常需要修正和发展解释。科学解释是人们的一种认识，作出解释需要运用原理和方法。

（4） 评价。科学探究需要评价。对问题要作出评价，问题是否有科学性、新颖性、有价值、可探究等。对猜想、假设（假说）要进行评价，是否有根据，方法是否合理等。对证据需要评价，对由证据提炼出的解释也需要评价。评价贯穿于探究的始终。

（5） 方法。科学探究需要方法。获取事实、形成问题、获得证据、合理解释、作出评价，需要如观察、实验、调查、控制变量、逻辑思维和非逻辑思维的各种方法，尤其是创造性的科学方法。当然，有些方法可以归纳到科学思维中。方法贯穿于探究的始终。

科学探究核心概念水平层次模型

“问题、证据、解释、评价、方法”是科学探究主题下的主要进阶变量。“学习进阶一般呈现为围绕核心概念展开的一系列由简单到复杂、相互关联的概念序列”[9]。从学习进阶的构成要素分析，我们还得对展开的进阶变量作相应的水平层次和学习表现的描述。水平层次即学习进阶发展路径的中间步骤，学习表现描述处于某个特定水平层次的学生能够达到的成就，包括各中间层次表现和目标表现[10]。科学探究在义务教育教科书《科学（浙江版）》的设计中就有进阶层次[11]，探究内容的安排按学期有序推进。

如对于“变量”，从《科学（七年级下）》“认识变量”（如“种子萌發需要什么条件”），经历《科学（八年级上）》的“简单的变量控制”（如“研究水内部压强的特点”）、《科学（八年级下）》的“变量控制”（如“影响通电螺线管磁性强弱的因素”）、《科学（九年级上）》的“复杂的变量控制”（如“影响酶催化作用的因素”），达到《科学（九年级下）》的“多因素的变量控制”（如“一定地域内人口数量的增长与环境资源变化有什么关系”）要求。结合《义务教育初中科学课程标准（2011年版）》及相关的教材、教参、考试说明、学生的学习经验，我们设置科学探究五个核心概念的水平层次及其表现（见表1）。 <！---->

学生在科学探究过程中所表现出来的综合性品质，就是科学探究能力。科学探究能力是综合性品质，不是孤立存在的，在整体的广度设计上，立德树人、科学核心素养要兼顾;在局部的精度把握上，重点关注以下五个能力： 提出问题的能力、获取证据的能力、据理解释的能力、反思评价的能力、运用方法的能力，这也与科学探究主题下的核心概念相呼应;在细节的深度落实上，关注学生对科学探究的黏性，关注探究基本环节的测量与考试。

3 科学探究基本环节的测量体系

“科学探究基本环节测量要素模型”指向探究学习的深度，包括从六个探究基本环节为学生提供思考角度与考试测量方向，以及学生对探究学习的黏性有多高。这是一个从科学探究进阶终点分析，学生如何多角度体验到探究实用价值的问题，其中最常见的体验，就是在解题过程中，体验到教材与命题者之间存在着“考什么”“怎么考”的探究测量要素。此模型的主要作用，一是体现在对具体探究环节的理解方面，根据真实情境，细分某一探究环节可能的进阶路径，选择切合实际的教学落点，如猜想和假设环节，落点可以是问题成因猜想（可能是）、发现探究方向、可检验的假设（操作性定义）、可能结果猜想等;二是体现在探究类题型的适应方面，根据具体习题，分析命题思路与考试要点，从习题角度围绕主题设计进阶路径。

初中科学探究的学习进阶终点

进阶终点即学习目标/对毕业生成就的预期[12]。在《义务教育初中科学课程标准（2011年版）》中对科学探究的目标是这样进行阐述的[13]：

（1） 理解科学探究是获取科学知识的基本方式，是不断地发现问题，通过多种途径寻求证据、运用创造性思维和逻辑推理解决问题，并通过评价与交流达成共识的过程。

（2） 经历提出问题和假设，设计研究方案，获取证据，分析和处理数据，得出结论，评价与交流的过程。

（3） 能用科学探究的过程和方法开展学习与探索活动。

（4） 掌握观察、实验、收集处理信息的基本技能。

显然，上述目标需要作操作化的解读。在《2018年浙江省初中毕业升学考试说明》[14]中，对科学探究的测量，明确表达为以探究六环节为进阶目标的主线：“提出科学问题——提出猜想和假设——制定探究方案——获取事实与证据——解释、检验与评价——表达与交流”，再依次细分，总体设计了23个测量点，包括2个a（了解水平）、15个b（理解水平）、6个c（应用水平）。如“制订探究方案”目标下，详细罗列有： （1）针对探究的目的和已有条件，确定相关实验原理，列出探究实验所使用的相关材料、仪器、设备等，设计相关实验方案，画出相关装置图（c）;（2）分析影响实验结果的主要因素，对所研究问题中的各种变量进行确认与分类，应用控制变量方法来设计实验（c）;（3）将变量转化为可感知、可量度的事物、现象和方法（行为），说明在实验中如何测量一个变量，说明需要“做什么”和“怎么做”（c）;（4）理解制订计划和设计实验对科学探究的意义（b）。其中c水平集中在制订探究方案、解释检验与评价、表达与交流这三个环节中。相比于2015年的考试要求[15]，科学探究共有23个测量点，17个b、6个c，在应用水平层次上，没有变化，这也说明初中科学探究的学习进阶终点大致稳定。

科学探究基本环节测量要素模型

科学探究是科学测评系统中重要的能力切口，需要“特定的评测工具用于追踪学生在预期进阶路径上的发展情况”[16]，一般还是通过特定的中考试题所提供的信息和设问，引导学生表现出期望的行为，在此过程中实现对学生科学探究能力的测量。从学生体验看，此类探究题是学习的瓶颈之一。

探究题既要遵循课程标准、教材设计的要求，又要跳出教材中按学生所学章节内容的范围编排题型的框框，让试题成为学生认知、思维发展的渠道，这需要我们事先明确不同能力或者不同测量目标的内涵，即整合教材与试题的认知属性，重新编制基于学生视角的科学探究学习进阶，以适应不同水平对探究过程的理解。我们借助思维导图帮助学生清晰呈现科学探究的进阶过程——科学探究基本环节测量要素模型，引导学生寻找探究的学习路径（见图2）。

图2以探究环节循环为基础，分析探究能力的认知属性及各属性间的阶层关系。第一层次为科学探究的六个环节，是科学探究的本质要求，也是科学探究学习进阶的终点。第二层次是“命题者的常用语与思路”，是学生面对作为测量工具的试题时的认知要求。如“事实与证据”中“仪器使用”“表格使用”“数据记录”，是源于中考真题的题型思考切入点。第三层次是“通俗化、具体化”的解题入口，对学生学习效果产生直接影响。如“现象与问题”中的用“问句”表述在“想什么”;“猜想和假设”中的“可能是”什么关系;“计划与设计”中的“加什么”、“看什么”;“事实与证据”中的“是什么”;“检验与评价”中的“可信吗”;“表达与交流”进一步细分为“文字、符号、图表、模型”“等、差、和、增、减”。可见，立足于第三层次的“想什么、可能是、加什么、看什么、是什么、可信嗎、是这样”等通俗的探究六环节，是“活”的能力切口导向，也是学生学习科学探究的进阶起点。也就是说，图2相对清晰地呈现给学生科学探究从起点到终点的进阶路径。

初中科学探究能力的测量选材，主要有以下4个方向： （1）教材主要探究、实验及其变式与延伸;（2）科学史与当代科技事实;（3）创意实验与探究新设计;（4）社会、生活及热点科学问题探究。以此为基础结合中考真题，合理选编、改编、自编，发掘科学探究题的教育价值，建立促进学生进阶的课堂教学设计。

初中科学探究学习进阶的广度、精度、深度模型，分析了起点到终点的进阶路径及其不唯一性，结合教学内容与学生的实际，为进一步选择相对有效的教学策略，整合进阶合力，指向育人目标提供了新的路径。

参考文献：

[1] 王磊， 黄鸣春. 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）： 112～115.

[2] 颜伟云. 科学教学新探索： 课堂活动教学[M]. 杭州： 浙江大学出版社， 2013， 7.

[3] 吴俊明. 从化学素养说起——对“化学学科核心素养”与“学科核心素养”的思考[J]. 化学教学， 2017， （7）： 3～8.

[4][10] 郑曼瑶， 张军朋. “学习进阶”的研究及其在物理教学中的应用[J]. 物理通报， 2014， （12）： 2～6.

[5] 杨向东. 以科学探究为例看素养与知识的关系[J]. 基础教育课程， 2018， （3）： 21～25.

[6][7][9][12][16] 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， （4）： 81～87.

[8] 王耀村. 面向核心素养的科学课程构建与教学建议[J]. 物理教学， 2018， （8）： 2～5.

[11] 国家课程标准教学资源编写组. 全日制义务教育课程标准79年级教学资源·科学（上）[M]. 杭州： 浙江教育出版社， 2002， 84～85.

[13] 中华人民共和国教育部制定. 义务教育初中科学