智能技术支持的智慧型探究教学模式构建研究

2021-11-26高琳琳解月光张琢

电化教育研究 2021年11期

高琳琳解月光张琢

[摘要] 创新人才培养背景下，构建智能技术支持的智慧型探究教学模式对于探究教学改革及创新人才培养具有重要意义。文章采用案例分析、文献研究、理论演绎、访谈等方法，剖析了传统探究教学模式的实然问题及背后成因;结合智慧型探究教学概念及思维发展相关理论，明确了智慧型探究教学模式的关键要素及其特征，包括思维化理论依据、表现性教学目标、继承化操作程序、启发性问题情境、动态化学习路径、开放性学习成果、伴随性教学评价及与智能技术相融合的资源工具等，基于此，在探究教学历程视角下，建立了智慧型探究教学模式的理论框架;从关键要素设计与智能技术选用两个维度提出了智慧型探究教学模式的实践策略;以“常见碱的性质”为例展示了智慧型探究教学模式的具体应用，以期为一线教师改善探究教学现状提供实践参考。

[关键词] 智能技术; 探究教学; 教学模式; 智慧型; 理论框架; 实践策略

[中图分类号] G434 [文献标志码] A

[作者简介] 高琳琳（1991—），女，黑龙江伊春人。博士研究生，主要从事数字化学习环境与高阶思维研究。E-mail：gaoll764@126.com。解月光为通讯作者，E-mail：xyg6367@126.com。

一、引言

探究教学思想由来已久，如孔子的“启发式教学”以及苏格拉底的“产婆术”。1909年，杜威首次提倡在K-12科学课程中实施探究教学。20世纪60年代以后，受布鲁纳发现式教学理论、施瓦布开放式探究理念以及加涅探究教学思想的影响，美国科学教育领域才广泛开展探究式教学，并产出了许多较为成熟的探究教学模式，如5E教学模式、萨奇曼探究教学模式等[1]。我国在20世纪70年代引入探究教学理念，并在基础教育课程改革中倡导将“被动接受的讲授式教学”转变为“主动参与的探究式教学”。国内学者也从不同视角提出了数十种本土化的探究教学模式，直到现在仍未达成共识。但从国内教学实践角度来看，广泛应用的是美国国家研究理事会2000年提出的探究教学模式，其以建构主义与探究教学理论为指导，强调学生经历“提出问题—作出假设—制定实验方案—得出结论—交流总结”的操作程序，建构知识以及发展科学素养[2]，我们将其界定为传统探究教学模式。

《中国教育现代化2035》提出“加强创新人才特别是拔尖创新人才培养”的战略决策[3]。高阶思维作为创新人才的必备品质，课堂情境下有效发展学生高阶思维已经成为创新人才培养的重要突破口[4]。2020年修订版的理科各科课程标准均将“探究教学”视为学生思维发展及科学素养培养的基本途径。但传统探究教学模式指导下的探究課堂往往陷入“被探究”“伪探究”的尴尬境地，学生高阶思维与科学素养发展收效甚微。智能技术为探究教学现状改善提供了新的机遇。《教育信息化2.0行动计划》明确指出，“应运用智能技术积极探索新模式，推进新技术支持下的教学创新”[5]。为此，本文试图以高阶思维发展为关键价值取向，构建智能技术支持的智慧型探究教学模式，以期为探究教学改革及创新人才培养提供参考。

二、传统探究教学模式的实然问题及成因分析

从高阶思维发展视角出发，理性审视采用传统探究教学模式的探究课堂所凸显的实然问题及背后成因，可以为智慧型探究教学模式构建提供现实依据。综合“第十八届全国信息技术与教学融合展示活动”的案例（48节）分析发现，绝大多数教师对于模式理解与技术应用有了较大提升，但明显存在不利于学生深度探究与思维发展的问题。下面以“常见碱的性质”一课为例（简称“课例1”），详述常见的问题现象。

（一）囿于思维目标忽视，思维经验积累欠缺

课程理论家H.塔巴提出，思维的发展需在劣构问题解决过程中，完成隐性的智力操作，积累思维经验[6]。纵观展示案例发现，思维目标的忽视极易导致学生思维经验积累欠缺。譬如，在“课例1”中，教学目标强调“常见碱的性质”与“压强变化检验法”的掌握，并未基于学科核心问题明确学生所需经历的思维过程与生成的思维成果。如此目标导向的课堂教学中，学生普遍按照教师指令操作实验，有关仪器抉择、药品比较、结论归纳等思维经验积累过程严重缺失。

（二）困于活动组织单一，个体潜能发展受限

思维教学提倡尊重个体差异，发展个体优势思维潜能[7]。然而，活动组织单一往往导致学生难以开展个性化探究，发展自身优势的思维潜能。如同课例1一样，实验情境确实引出了“氢氧化钠与二氧化碳发生反应吗”的探究问题，但蕴含单一问题的情境难以引发学生多维思考，形成不同的观点;另外，教师仿照操作程序设置了唯一且固定的压强变化测定路径，即“提出压强变化问题—作出压强变小假设—制定对比实验方案—制作表格归纳结论—讨论修正”，偏好数学推理的学生没有选择适合自己的定量法探究，以致数理逻辑潜能发展受限;此外，组织学生生成探究成果时，全体学生以制作表格的单一方式总结常见碱的性质，偏好美工创作的学生不能制作手抄报归纳对比，极大限制了发散思维与创意设计潜能的发展。

（三）限于技术支持失衡，自主探究比重偏少

思维结构与智力理论表明自主建构与主动参与有利于学生高阶思维发展[7]。相比书本、黑板等传统教学手段，融于信息技术的资源工具逐渐成为探究教学的重要实现条件。但由于“技术支持与探究需求”失衡，学生自主探究比重普遍偏少。在课例1中，该班教室全面覆盖网络，并配以智能交互电视。师生人手一台Pad，每台Pad配备微课资源库、思维导图、虚拟实验室等丰富的资源工具。但当学生制定方案遇到困难时，并未获得精品微课、科学史料等学习资源的适切支持，以致学生难以自主填补知识盲点——无明显实验现象的反应探究方法，只能依靠教师指示制定方案。

（四）受于评价反馈滞后，学习兴趣较难保持

非智力与智力因素的相互作用共同推进思维活动的运作与效能[8]，浓厚持久的学习兴趣更能促进深度探究及思维发展。时下，评价反馈的滞后不利于学生学习兴趣的保持。课例1中，学生通过“瓶子变瘪”初步确定氢氧化钠与二氧化碳发生反应时，教师并未及时给予反馈与表扬，使得学生在后续归纳结论环节，学习劲头明显减弱且学习信心稍显不足。

以上问题是由多方面原因造成的，但成因分析不追求面面俱到，而是寻找造成问题的关键原因。教师作为课堂直接“负责人”，自身有关思维教学的信念与能力成为制约探究教学成效的关键因素。通过访谈发现，无论是青年教师还是骨干教师一般都秉持着思维教学观。然而，绝大多数教师的思维教学能力明显不足，集中表现在“不知何为智能技术支持下有利于学生深度探究与思维发展的探究教学样态，亦不知如何选用智能技术及在其支持下开展利于思维发展的探究教学活动”。而传统探究教学模式较为关注如何划分探究教学活动程序，促使学生像科学家一样亲历科学探究过程，并未详细阐释智能技术支持下聚焦思维发展的探究教学样态及其操作方法。由此可见，问题产生的关键是缺乏一种行之有效的探究教学模式为教师提供理论认识与方法指导。已有研究主要关注智能技术的探究教学应用价值[9]以及智慧环境下学生探究参与度情况分析[10]，尚未关注智能技术支持下传统探究教学模式的发展与完善。为此，构建基于智能技术支持的智慧型探究教学模式一定程度上具有重要的理论价值与现实意义。

三、智慧型探究教学模式的理论框架

基于传统探究教学模式局限，构建智慧型探究教学模式的理论框架，是提出智慧型探究教学模式实践策略，优化探究教学实践成效的认识论基础。为此，下文首先基于智慧教育理念及相关研究，界定了智慧型探究教学的概念;基于此，结合实然問题及成因分析，明确了智慧型探究教学模式的关键要素，并根据思维发展相关理论进一步析出了关键要素特征;最后，在探究教学历程视角下，建立上述要素的基本逻辑关系，勾勒智慧型探究教学模式的理论框架，进而表征智能技术支持下学生高阶思维优化发展的智慧型探究教学实践样态。

（一）智慧型探究教学的概念界定

IBM“智慧地球”背景下，智慧教育理念应运而生。智慧教育理念倡导尊重教育教学规律，通过物联网、云计算等智能技术与教育主流业务（管理、教学、教研等）的深度融合，促进教育利益相关者的智慧生成与可持续发展[11]。受智慧教育理念影响，“智慧”一词在教育中得到推广与应用。如，基于大数据、云计算等智能技术实现学生智慧生成的智慧课堂[12];借助虚拟仿真技术创设多种情境，引发学生创新能力发展的智慧型课程[13];以及基于云平台对外界需求进行及时处理与精准决策的智慧管理等[14]。从内在本质来看，智慧课堂、智慧课程及智慧管理都传递着对于传统课堂、传统课程以及传统管理的继承与发展，重点关注的是如何融合智能技术使其利益相关者（教师、学生、管理者等）变得更加聪明与智慧。换言之，这些实践探索均是在智慧教育理念下，融于智能技术元素发生“化学反应”的生成物，而非“物理反应”的形态变化。

综合上述分析，基于探究教学本体内涵[1]，本研究认为智慧型探究教学是在智慧教育理念、建构主义、探究教学理论以及思维发展相关理论指导下，依托课程图谱、数字孪生等新一代智能技术所打造的智能环境，促使学生以个体探究或合作探究方式，积极主动地经历科学探究过程，自主建构科学知识、发展高阶思维及科学素养的新型探究教学样态。

（二）智慧型探究教学模式的关键要素及特征

智慧型探究教学模式旨在表征、刻画智能技术支持下学生高阶思维优化发展的智慧型探究教学样态。教学论视角下，教学模式一般通过理论依据、教学目标、操作程序、实现条件及教学评价等五个要素及其关系来表征特定主题的教学样态[15]。根据实然问题及成因分析可知：第一，实现条件包括情境、内容、资源、时间、工具等诸多因素，而问题情境、学习路径、学习成果以及与信息技术相融合的资源工具显著影响高阶思维发展，所以针对实现条件这一要素，主要聚焦以上四个因素及其特征表征智慧型探究教学样态;第二，理论依据既是一个独立要素，又指导其他要素特征及相互关系的确立。因此，我们一方面独立分析其特征，另一方面根据其在“思维发展”视角下的观点，在理论层面析出其他要素的主要特征。

1. 理论依据：关注思维培养的相关理论

智慧型探究教学除了以建构主义、探究教学理论、智慧教育理念为理论基础，还重点关注了思维培养的相关理论或观点，包括林崇德的思维结构与智力理论、布卢姆的思维技能培养观点、加德纳多元智能理论以及技术丰富环境下高阶思维发展理论。

2. 教学目标：聚焦思维发展的行为表现

高阶思维是较高认知水平层次上的心智活动，批判性思维、元认知、创造性思维以及问题解决均是高阶思维的代名词[4]。根据布卢姆教育目标分类学说，学习行为可以表征内隐的思维操作。因此，教学目标关注科学知识建构的同时，更加强调学生发生与表现映射思维活动的学习行为，积累思维经验，发展高阶思维。

3. 问题情境：强调引导与启发深度思考

思维结构与智力理论表明，问题是启迪学生思维的“钥匙”。学生能否基于真实情境准确发现核心探究问题、提出不同观点和策略，是后续个性化探究与思维潜能发展的关键。为此，问题情境应该适应学生的基本状况，有针对性地驱动、启发学生深度思考，主动发现核心探究问题并形成自己的见解。

4. 操作程序：继承传统探究教学程序

根据探究教学理论可知，传统探究教学模式的操作程序利于学生像科学家一样亲历科学探究过程，掌握科学探究方法。因此，智慧型探究教学应加以继承，在实践层面，强调学生经历“提出问题……交流总结”的程序过程积累思维经验，发展高阶思维与科学素养。

5. 学习路径：满足个性发展的动态规划

多元智能理论表明，为学生提供丰富多样的选择，才能充分发展个体优势思维潜能。因此，智慧型探究教学应以操作程序为指导，在实践层面设置动态化学习路径。动态化学习路径具有“可选择性”与“可变更性”等两个二级特征，前者是指学生可以自由选择符合自己风格与思维潜能的学习路径;后者是指学生可以根据实际探究情况，随时变更路径轨迹以达成探究目标。

6. 资源工具：融于智能技术的供需平衡

技术丰富环境下高阶思维发展理论指出，智能技术可以智能化有形的资源与工具，从而提高资源工具之于思维发展的支持作用。因此，智慧型探究教学强调资源工具融于智能技术的智能化功能，实现技术给养与学生需求的供需平衡，从而支持学生自主探究与思维发展。

7. 学习成果：凝结思维经验的开放生成

智慧型探究教学不严格规定成果生成的形式与细节，给予学生足够的思维空间，鼓励学生开放性地生成各种学习成果，如学生可以按照自己的想法采用各种形式（如表格、手抄报等）生成结论报告。

8. 教学评价：面向探究全程的伴随评价

布卢姆研究表明，学习过程中不断地进行反馈与矫正，是持续提高学生注意力及发展思维的关键[16]。因此，伴随学生探究的整个生命历程进行评价，并将评价结果及时反馈和作用于学生的探究学习，利于提供实时、精准的干预与指导。

（三）智慧型探究教学模式的基本框架

基于上文分析，本文从探究教学历程视角，勾勒出智慧型探究教学模式的理论框架，如图1所示。该框架表征了智能技术支持下学生高阶思维优化发展的智慧型探究教学实践过程：（1）理论依据是其他要素应然样态及相互关系赖以成立的基础，成为智慧型探究教学模式深层的内隐根基。（2）在探究教学历程视角下，课前，隐含的教师诊断学情并设计目标、成果等相关要素;课上，教师基于表现性目标创设启发性问题情境引发探究活动，隐含的学生自主选择适合自己的动态化学习路径，以个体探究或合作探究的方式经历“提出问题、作出假设、制定实验方案、得出结论、交流总结”的探究教学过程，解决问题、建构知识及积累思维经验，并生成开放性探究成果;而隐含的教师伴随学生探究全程给予精准评价与干预，促使学生深度探究与思维发展。（3）与智能技术相融合的资源工具保障“表现性目标”“启发性问题情境”“动态化路径”“伴随性评价”以及“开放成果生成”的实现及关系运作，进而为学生高阶思维的优化发展提供支持。

四、智慧型探究教学模式的实践策略

精细设计关键要素与适切选用智能技术有助于落实智慧型探究教学实践。

（一）关键要素的设计策略

根据理论框架可知，关键设计的要素主要包括表现性教学目标、启发性问题情境、动态化学习路径、开放性学习成果以及伴随性教学评价。

1. 基于精准学情的目标融合设计

教师可以借助学习者画像精准分析学情，然后围绕学科核心探究问题设定三维目标的具体内容，并参照布卢姆等人的教育目标分类，用明确的思维性行为动词描述所关涉的思维经验积累过程，从而将映射思维活动的行为表现融入三维目标中。其中，学科核心探究问题的确定可以基于学科核心素养，综合分析课标、教材以及试卷等，提炼本节知识内容所联结的学科大概念，然后，将本节知识内容转化为蕴含学科大概念的核心探究问题。

2. 基于问题链的情境具身创设

将知识细化为一串相互独立又彼此关联的“问题链”可以指明思考方向，启发学生多维思考，提出不同的观点与见解[17]。根据学科核心探究问题的特殊性，细化的问题链主要包括两个层级，第一层级以并列式子问题为主，子问题间没有主次之分，旨在让学生认识与理解学科核心问题所联结的学科大概念;第二层级以递进式子问题为主，旨在让学生基于学科大概念，循序渐进地深度思考并提出不同的观点或想法。此外，应将问题链置于学生相对熟悉的生活素材或虚拟情境中，促使学生通过视、听、嗅、触等多感官的具身体验与交互，有效建立新旧知识的意义联结，保障科学合理的思考与猜想。

3. 遵循实验方法的学习路网组织

实现动态路径的首要前提是多条学习路径的存在。教师可以根据本节核心探究问题常用的实验方法，以傳统探究教学模式的操作程序为线索，将每种方法序列化组织为一条可实践的学习路径。随后，以每一条学习路径为单位，将其交叉化组织为学习路网，路网中的交点类似于马路交通的交叉口，能够满足学生在交点处变更路径轨迹，如图2所示。

4. 围绕成果生成的学习支架设计

开放性学习成果给予学生较大的自主空间，但并非所有学生都能通过深度探究顺利产出成果。因此，教师可以预先设定各类学习支架，为学习成果的开放生成提供支持。学习支架主要包括范例、建议、图表、向导与问题等多种形式[18]，范例是以优秀作品或典型案例引导学生举一反三、学以致用，适合学习兴趣浓厚且自主学习能力较强的学习者;建议式支架是问题支架的陈述表达，建议式支架更为直接，启发性较弱，适合基础薄弱的学习者。而问题式支架系统性较弱，更加关注细节和可操作性，适合容易错漏细节的学习者;图表式支架采取概念图、流程图等可视化方式描述信息，更有利于激活学生的内在动力，适合学习兴趣较为低落的学习者;相比问题式支架，向导式支架侧重提供成果生成的整体思路，适合系统逻辑思维较弱的学习者。因此，教师应基于学习者特征灵活选择并设计不同形式的支架，以便为其提供有效支持。

5. 基于学习数据流的评价阶段设计

伴随性评价不追求时时刻刻评价，而应根据需求规划评价的时间或阶段。根据智慧型探究教学需求，教学评价主要包括课前精准诊断学情;课中评价并干预学生实验探究过程;以及探究结束后，点评学生探究成果等三个阶段。此外，生成并流动于探究过程中的学习数据流，为评价的“伴随”发生奠定了基础[19]。学习数据流的基本走向如下：学习风格、兴趣及思维能力等多维数据集合，可以支撑教师精准学情分析，而学情分析生成的资源学习、测验等数据不仅可以完善学情诊断，而且可与面部表情、讨论等数据同时指导教师实时评价学生的实验探究过程，学生实验探究生成的行为参与、协作互动等数据又可为成果点评提供支持。因此，本研究以学情诊断、实验探究及成果点评为评价节点，根据学习数据流的基本走向，详述各阶段的评价目的、评价内容、评价主体以及评价工具，见表1。

（二）智能技术的选用策略

关键要素落实所需的主要智能技术及其发挥的作用与价值，见表2。

五、“常见碱的性质”的智慧型探究教学案例

基于智慧型探究教学模式改进并展示课例1——“常见碱的性质”，意在示范一节完整的智慧型探究教学案例，为一线教师提供参考。

（一）智慧型探究教学的关键要素设计

1. 表现性教学目标

本节知识内容所联结的学科大概念是“同类物质具有相似的性质”，随后明确本节的核心探究问题为“氢氧化钠是否像氢氧化钙一样与二氧化碳发生反应”。基于此，结合精准学情分析，将三维目标与思维目标融合设计，见表3。

2. 启发性问题情境

细化本节核心探究问题的问题链如图3所示，并将问题链置于“管道疏通液成分构成与用途”“鸡爪腐蚀实验”以及“氢氧化钠、氢氧化钙分别与二氧化碳反应”“水与二氧化碳反应”等生活或实验素材中，促进学生具身体验。

3. 动态化学习路径

实验方法包括压强变化法、生成物检验法、定量法及PH检验法，组织后的学习路网如图4所示。

4. 开放性学习成果

学习成果主要包括实验方案、观点阐释、实验报告及手抄报等。设计范例、建议、图表、向导与问题等多种支架助力学生自主生成。如，展示实验方案构想的优秀范例，引导学生自主制定方案。

5. 伴随性教学评价

按照设计要求划分评价节点、准备评价工具以及规划评价内容。因评价设计涉及特定量表的开发与改编，限于篇幅此处不作具体设计与过多阐释。

（二）智慧型探究教学的实践流程设计

基于课前精准学情诊断及所设计的关键要素，课上探究教学流程如图5所示。教师首先创设问题情境，引发学生发现“氢氧化钠是否像氢氧化钙一样与二氧化碳发生反应”的核心探究问题;随后，教师组织学生查看智能导引系统推荐的学习路径。学生明确路径要求后，自主进行个体探究或合作探究，而教师精准评价与实时干预四条路径全体学生探究的各个阶段，并及时处理突发情况;最后，教师组织学生分享交流学习成果，促使学生反思提升。

六、结语

本文从智能技术与探究教学深度融合的视角出发，着眼于学生高阶思维的优化发展，对超越传统探究教学的智慧型探究教学模式进行了探索。未来将基于本研究的理论框架与实践策略，开展理科各科探究教学的实证研究，在迭代应用的实践中对其加以完善，并进一步探索智慧型探究教学模式的学科变式与实践策略体系。

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[4] 姜玉莲.技术丰富课堂环境下高阶思维发展模型建构研究[D].长春：东北师范大学，2017.

[5] 中华人民共和国教育部.教育部关于印发《教育信息化2.0行动计划》的通知[EB/OL].（2018-04-13）[2021-01-10].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.

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