国际科学教学研究的主题领域与热点演进

叶剑强　　徐克

摘要： 近30年来，国际科学教学研究领域由于受到概念转变理论、科学素养理念以及核心素养运动的影响，其研究内容逐渐呈现出了系统性、综合性与整合性。国际科学教学的研究内容涉及以下四大领域： 科学概念学习研究、科学教学实验研究、科学学习心理品质研究以及科学教师研究。围绕上述核心领域，国际科学教学研究近30年来高被引突显主题词依次主要有迷思概念、心智模型、科学本质、科学素养、学习进阶、社会性科学议题等。

关键词： 科学教学; 主题领域与热点; 概念学习; 科学素养; 科学本质

文章编号： 10056629（2020）08001207

中图分类号： G633 8

文献标识码： B

国际科学教与学研究领域自上世纪90年代以来取得了显著发展，由于受到建构主义、概念转变理论、科学素养以及核心素养等不同理论与运动的影响，其研究内容也呈现出了系统性、综合性与整合性。科学教育由于其学科属性和内在逻辑特征，科学教学研究的水平往往能够反映不同国家或地区的科学技术发展水平。科学教学价值就是科学教学活动和主体需要的关系，即教学应该满足主体的需要[1]。科学教学研究则是以科学教学实践活动为载体，研究学生的科学学习过程、结果，以及科学教师课堂教学行为和表现的过程。

为了能够清晰、直观地掌握与了解近30年来国际科学教学研究热点的发展与变化。本研究选取了国际著名科学教学研究期刊《科学教学研究杂志》（Journal of Research in Science Teaching， JRST）作为研究对象。JRST是一本隶属于美国科学教学研究协会（NARST）旗下的官方期刊，主要为科学教育研究者和从业者发表关于科学教学和学习以及科学教育政策方面的研究性论文。本研究通过知识图谱技术，以JRST近30年来所出版的1853篇研究论文为研究对象，探索与归纳了国际科学教学与学习心理领域近30年来热点研究主题的演变轨迹，并对科学教学研究的主要领域进行了内容分析。

1  研究方法

首先选择数据源，进入Web of Science数据库进行关键词检索。将关键词设定为“journal of research in science teaching”，将检索方式设置为“出版物名称”，并将检索年限设定为1990年1月1日至2017年12月31日。然后进行论文筛选，将评论、编辑寄语、修正等不符合要求的论文予以删除，最终收集到1853篇符合要求的文章。接着进行图谱绘制，将收集到的论文分别导入VOSviewer和Citespace两款软件中进行可视化图谱的绘制。最后进行可视化分析，根据相应的研究结果进行内容分析和讨论。

2  研究结果

2.1  JRST杂志刊文领域分析

使用VOSviewer对1853篇研究论文进行主题领域分析。主题词的抽取源于已发表论文的“题目”与“摘要”，采用二进制算法（Binary counting）进行拟合，共提取出23643个主题词，按照软件提供的优先选择方式，對共现次数≥10的主题词进行抽取，共有715个主题词符合要求。对主题词之间的相关性进行分析，最终自动选取了相关性强度在前60%的主题词进行可视化聚类分析，具体结果见图1。项目的颜色决定了其所属的类别，因此，从图1的可视化网络可以看出，JRST杂志刊文所涉及的主题领域主要有四大类：

2.1.1  科学概念学习研究

从图1可以看出，国际科学概念学习研究主要涉及科学概念的认知机制研究（如概念理解与心智模型）;使用概念图或计算机模拟等手段辅助学生科学概念学习研究;科学概念内容研究（如大概念、核心概念、跨学科概念等）。学生对核心概念的理解及其认知过程中的心智模型研究一直是科学概念学习研究的热点方向。以Vosniadou为代表的学者于上世纪90年代初在进行概念转变研究过程中，对儿童科学概念的学习和认知发展进行了大量的心智模型的构建研究，提出了著名的认知架构理论和心智模型。心智模型往往被指代在个体认知功能运行期间（新信息被整合到学生已有的经验之中）所产生的观念架构，它是个体心理活动的特殊表征形式，是个体对事物状态的一种模拟表征形式[2]。解析个体的心智模型能够帮助研究者深入剖析学生已有的观念架构，从而为促进个体的概念理解提供科学的实证依据以及为科学教师实施课堂教学提供相应的策略。

进入21世纪，随着科学技术在教育领域的深入普及，以计算机与互联网为基础的信息通讯技术为创新与提升中小学科学课堂有效教学带来了新土壤。例如，基于传感器的手持技术和以计算机为基础的虚拟实验技术等一系列数字化技术为学生科学学习提供了更为直观、形象的体验。这些数字化技术不仅能够有效地促进学生对核心科学概念的学习，还能够有效地培养学生学习科学的兴趣、信心以及态度等品质，并最终促进学生科学素养的提升。

2.1.2  科学教学实验研究

科学教学研究类型主要有实验、准实验、定量、定性、人类学、调查以及现象学等内容。国际科学教学实验研究主要围绕被试的选取、控制组与实验组的设置、教学干预、前后测、差异性分析、效应分析等内容展开。由于教学实验研究对变量的控制与要求都十分严格，因此被试选取的随机化与教学干预的精准化就显得十分重要。样本选择或被试分组的随机化是严格的调查研究或实验研究必不可少的环节。

科学教学实验的研究结果往往具备一定的代表性、概括性和广泛性，因此能够为科学教育研究领域的工作者提供可借鉴与参考的信息。然而，在具体的实践中，大规模的教学实验往往很难组织，科学教学实验中的许多实证研究其规模都较小。这样的研究可能缺乏具有统计学意义的随机抽样的代表性，但却为研究者对特定情境进行详细与深入探究提供了该情境下的有力证据。实施大规模的随机抽样进行教学实验其困难可想而知，研究人员常常会在抽样之外保持随机性，如为不同被试分配不同干预手段，保持随机性或随机地为不同的被试分配教师等。

不管是上世纪90年代对个体迷思概念及其转变的建构，还是新世纪初的科学素养研究热潮，它们都受到了来自美国科学进步协会于上世纪90年代所发布的《面向全体美国人的科学》以及美国国家理事会于1996年所发布的《国家科学教育标准》等科学教育文件的显著影响。这些文件一致地将科学素养视为科学教育的终极培养目标，且十分重视科学教育领域核心概念和共通科学概念的学习与理解对促进个体科学素养发展的重要作用。

进入新世纪的第二个十年，国际科学心理研究开始呈现出多样性。如“学习进阶”于2012年开始突显，并一直到了2017年，且突显强度甚至达到了11.115，这在所有关键词中最高，表明基于学习进阶的科学学习研究是当前科学概念学习研究的国际前沿，受到了科学教育研究领域的极大关注与重视。虽然“学习进阶”一词早在2004年的一篇《学生长期科学概念发展的学习进阶》的研究报告中就已经提出，美国国家理事会甚至于2005年在《建立州科学评价体系》中开发了个体科学概念学习的学习进阶案例。但是，学习进阶研究成为国际科学教育的热点研究领域却是在美国分别于2012年和2013年发布科学教育框架（The NRC Framework）和下一代科学教育标准（NGSS）之后。框架和标准的发布不仅肯定了工程与科学教育的交叉融合在提升学生科学素养方面的重要作用，更开始重视以学习进阶的形式表征学生科学概念理解与发展。

从2015年开始，社会性科学议题（Socioscientific Issue， SSI）开始突显，SSI已经成为近几年科学教育的新兴研究领域。将SSI纳入科学教学中的主要目的是帮助教育具有科学素养的个体解决现代生活和社会文化中复杂的科学技术与社会文化问题。对SSI的关注和重视是因为它对学生的科学论证能力、问题解决能力以及科学本质观有重要作用[8]。在科学课堂教学情境中引入SSI是针对传统STS教育过分强调科技对社会的冲击与道德两难，却不要求学生诉诸对话、推理、论证、情感、文化去思考问题的继承与超越，SSI情境教学更关注道德和价值层面的探讨。但早期的SSI更多的只是科学教师创设教学情境的手段和途径，个体在基于SSI的科学学习过程中并未脱离对大量科学原理和概念死记硬背的现状，学生最终也并未有效地构建这些科学概念之间的联系。显然，这样的教学并不能为学生提供对科学的整体认识，也不能让学生参与可以将科学知识用于决策和解决问题的讨论与活动之中，更不能帮助个体形成科学本质观。

3  讨论

通过可视化技术梳理了JRST自上世纪90年代以来刊发的所有研究性論文，研究结果显示： 国际科学教学研究领域呈现出四大核心领域： 科学概念学习研究;科学教学实验研究;科学学习心理研究以及科学教师研究。围绕上述核心领域的高被引主题关键词突显显示： JRST近30年的研究焦点从前期关注学生迷思概念及其转变策略，到新世纪侧重个体科学素养发展及其对科学本质的理解，以及近几年突显的学习进阶、科学论证、社会性科学议题等核心主题的研究。

这些主题的演变反映了不同阶段的外部影响因素，如上世纪90年代对迷思概念的研究是受到了概念转变理论与建构主义的影响，研究者从策略、认识论因素、概念结构、思维与推理及问题解决等方面深化对迷思概念的研究。新世纪初的科学素养研究热潮则是受到上世纪末PISA、 TIMSS等一系列国际化科学素养测试运动带来的影响。步入新世纪后，由于受到学习进阶理论的影响，国际科学概念学习研究开始进入到关注个体对核心概念与跨学科概念学习的新阶段。近期的科学能力（如科学论证、决策、解释）研究因为受到科学素养与核心素养理念在基础学科教育领域的不断深化与发展所带来的影响，研究者开始关注具体的科学学科关键能力与品质。

国际科学教学研究除了关注个体的科学学习过程，科学教师的“教”及其专业发展也受到了科学教育领域有关学者的重视。如基于科学课堂观察的科学教学研究、基于专业学习共同体的科学教师专业发展研究、科学教师的知识结构研究（PCK、 TPACK）等。不同研究方向既反映了科学教师研究领域内部方向之间的差异，也体现了科学教师研究在科学教育研究领域的一些独特魅力。科学教师研究也受到科学技术发展以及不同时期教育理论发展所带来的影响，作为科学教学过程中不可或缺的构成要素之一，科学教师研究在未来科学教育研究领域中还会继续受到关注与重视。

4  反思与启示

国际科学教学研究从研究对象来看既指向学生的科学学习研究，也囊括教师的教学实践研究;从研究类型来看，包含常见的调查研究和教学实验研究;从研究方法和手段来看，既重视基于课堂观察和访谈的质性研究，也不忽视基于大样本问卷调查的量化研究;从研究内容来看，则主要包括概念转变研究、心智模型研究、观念建构研究、科学素养研究、科学思维研究以及科学能力研究，等等。刘知新先生指出：“科学教学（化学教学是它的一个分支）发展到今天，应体现科学主义与人文主义的教育思想互补、为学生可持续发展服务的基本要求。”简言之，科学教学要以发展学生的科学学科核心素养为根本宗旨，帮助学生建立物质世界观、树立科学伦理意识以及提升个体的社会责任，最终促进学生科学精神和科学态度的发展。

国际科学教学研究内容领域和主题演进对我国当前科学教学研究领域的转型和发展有以下几点启示： 第一，在研究对象上，应积极对科学教师展开研究。科学教师作为课堂教学实施的主体，对个体科学素养的培育和发展的重要指导作用毋庸置疑，因此，科学教学研究领域的对象不应仅限于学生的科学学习。第二，从研究类型和研究方法手段上来看，相对于课堂观察、访谈以及教学实验等实证性、质性研究类型相形见绌，当前国内科学教学研究领域的量化、调查研究则显得有些过犹不及。与国际科学教育领域以质性研究和实证研究见长不同的是，我国科学教育研究仍然以理论思辨式研究为主，这就为当前我国科学教育研究领域的转型和发展提出了巨大挑战。第三，从研究内容上来看，国内科学教育领域的研究者更偏好教学设计方向的研究，针对学生的心智模型、科学思维和科学能力等方向的研究成果整体较为薄弱。当前我国科学教育领域的不少研究成果仍然停留于课时教学设计研究或单元教学设计研究，且仍以思辨为主。我国科学教育研究领域的学者应积极尝试向实证性、质性等的研究范式转变，进而促进我国科学教育研究能够进一步深入发展。

参考文献：

[1]刘知新. 科学教学的价值[J]. 化学教育（中英文）， 2018， 39（09）： 17.

[2]Vosniadou S， Brewer W F. Mental models of the earth： A study of conceptual change in childhood [J]. Cognitive Psychology， 1992， 24（4）： 535～585.

[3]梁永平. 理科教师教学行为发展研究[M]. 北京： 高等教育出版社， 2007： 1.

[4]Hines P. J.， Mervis J.， McCartney M.， et al. Grand challenges in science education [J]. Science， 2013， 340（6130）： 291～323.