2023年科学教育的研究趋势与展望.doc

科学教育的研究趋势与展望 胡卫平〔山西师范大学教育科学研究院，临汾，041004〕 华东师范大学学报〔教育科学版〕．2023 年．第 4 期〔总第 98 期〕 摘 要 介绍了20世纪50年代以来科学教育的总体研究趋势和主要领域的研究趋势，分析了未来科学教育研究的方向，即研究思路的系统性、研究方法的综合性和研究内容的整合性。 关键词 科学教育；研究趋势；研究方向 　 20世纪50年代以来，国际上特别重视科学教育的研究，取得了大量的研究成果。研究者从概念开展、概念转变、概念图、科学素养、教师教育、科学推理等角度对科学教育进行了系统的研究，成为研究的主流。本文在介绍科学教育的总体研究趋势和主要领域的研究趋势根底上，指出了未来的研究方向。 一、科学教育的总体研究趋势 研究者一般都是通过发表论文来展示自己的研究成果，通过分析不同时期某一研究领域发表论文的类型、内容、研究方法等，可以看出这一领域的研究趋势。Tsai〔2023〕[1] 通过分析科学教育〔美国〕、科学教学研究杂志〔美国〕、国际科学教育杂志〔英国〕在1998−2023年发表论文的情况，探讨了这一阶段科学教育研究的现状。结果说明：在研究的类型方面，实证研究占到85%以上；在研究的内容方面，802篇论文中，包括概念学习〔198篇〕、学习环境〔144篇〕、文化、社会和性别差异〔115篇〕、科学教育的目标、政策和课程〔109篇〕、哲学和历史〔68篇〕、教师教育〔56篇〕、教学〔55篇〕、非正式学习〔30篇〕和教育技术〔27篇〕九个方面，由此可见，学习问题是研究者最重视的研究领域。为了反映较长时间内科学教育的研究趋势，我们对1975、1985、1995、2023四个年度发表在科学教育〔美国〕、科学教学研究杂志〔美国〕、国际科学教育杂志〔英国〕和科学教育研究〔澳大利亚〕四种国际著名科学教育期刊上论文的研究类型、自变量、因变量、收集数据的方法、统计数据的方法、研究对象等进行了分析，结果说明：在研究类型方面，实验研究〔约占27%〕和观点评论〔约占26%〕占主流，描述性的研究在增加；在实验研究的自变量方面，教学方法和课程〔占60%〕占主流；在实验研究的因变量方面，认知变量占54%，情感变量占30%，其它变量占16%；在收集数据的方法方面，测验和问卷占主流，约占论文总数的60%，但从1975到2023年，观察和访谈的研究明显增加；在数据统计分析的方法方面，推断统计占主流，占论文总数的54%，描述统计占25%，没有使用统计方法的论文数有增加的趋势；在研究对象方面，中学生〔占45%〕和大学生〔占28%〕占主流。 二、科学教育主要领域的研究趋势 〔一〕概念开展的研究采取定性与定量相结合的研究思路 概念开展的研究主要是在进行科学概念教学之前对学生所具有的与科学概念相关的日常概念开展状况的研究，并试图对此作出解释，目标主要有两个：一是通过理解学生的认知状况研究学生认知开展的阶段性，从而丰富儿童认知开展理论；二是充分了解儿童的前概念，为科学课程的开发和教学策略的选择提供依据。 自从20世纪50年代以来，关於儿童科学概念的开展研究不断涌现，研究主题几乎涉及到科学的各个领域，包括力学、热学、电磁学、光学、原子物理、生物等。对20世纪90年代以来国际上一些主要的科学概念开展研究的分析可以看出，研究者采用问卷、访谈、测验、Demonstration技术、任务施测技术等定性与定量相结合的研究思路，对儿童青少年单一科学概念的开展进行了全面的研究，使人们对学生的概念表徵以及相异概念有了较为系统的了解，为科学概念的教学提供了依据。利用定性与定量相结合，识别学生的错误概念和概念表徵，是20世纪90年代以来科学概念开展研究的主要趋势。 〔二〕概念转变的研究强调影响因素及教学策略 概念转变的研究始於20世纪70年代，从80年代起，研究成果开始涌现。1982年，康奈尔大学的波斯纳〔G. J. Posner〕、斯特莱克〔K. A. Strike〕、修森〔P. W. Hewson〕、格特左戈〔W. A. Gertzog〕四位教授提出了“概念转变模型〞[2]〔Conceptional Change Model，简称CCM〕，对科学教学产生了重要的影响。很多科学教育研究者开始利用概念转变模型的观点来分析、解释前概念，解决学生对前概念的错误理解，使其接受科学概念。 概念转变模型也遭到了一些批评，概括起来主要有以下几种：〔1〕除了看到概念内容的改变外，还要看到学生认识方法的改变。Gil & Carroscosa [3] 发现，学生的错误概念往往是与他们的认识世界的直觉经验方法相联系的。〔2〕概念转变除受认知影响外，还受动机、态度的影响。Dreyfus [4] 等在教学实验中发现，学生积极的态度、较高的责任感对概念转变很重要，对知识漠不关心的学生很难产生认知冲突；另外，不成功的学生由於消极的自我印象、过高的焦虑或消极的态度等，也会阻碍认知冲突的产生。〔3〕不要过於强调儿童日常经验中的核心信念对具体概念转变的限制，概念转变常常并不是随核心信念的改变而整个地改头换面，而是一个一个地进行的 [5]。〔4〕概念转变并不一定是一步完成，它是一个渐进的过程，有时两种概念同时存在和使用 [6]，或者是把原有概念和科学概念结合成新的混合概念 [7]。 针对一些学者提出的批评，Strike & Posner〔1992〕[8] 对概念转变模型做了些修改。首先，他们把将要发生转变的概念本身也看成是概念生态圈的组成局部，以体现某个具体概念与个体的经验背景之间的双向相互作用，强调概念生态圈不是静止的，而是不断发生变化的，具体的概念转变也会对根本观念产生影响；其次，他们又把动机因数放到生态圈中，包括学习动机、对某学科的性质和价值的认识等。另外，他们看到，所谓的错误概念有时并不是以现实表徵的形式存在於学习者头脑中的，而只是个体以现有的经验体系为背景作出的推论。 为了使学生的前概念能够顺利的转变为科学概念，研究者在教学中采用了多种教学策略。Bryce & MacMillan [9] 调查了21位15岁的学生对於重量、作用力等的前概念，并运用类比的教学方法转变其错误概念，发现类比教学比讲授教学更有效。Savinainen, Scott & Viiri [10] 也利用类比进行了牛顿第三定律的概念转变教学研究。Niaz [11] 运用了教学实验使学生转变对电化学的错误认识。She [12] 利用双情境学习模式有效的转变了学生对热传递的错误概念。Tsai [13] 运用认知冲突来改变学生对简单电路的错误认识。 〔三〕概念图的研究重视技术提高与教学应用 概念图〔concept map〕是由美国Cornell大学的Novak和Gowin基於Ausubel的学习理论在二十世纪六十年代开发的一种能形象表达命题网络中一系列概念含义及其关系的图解〔Novak and Gowin, 1984〕[14]。他们研究了概念图的根本结构和特徵、概念图的分类及其编制过程、概念图的评价标准。 自从Novak开发了概念图之後，概念图有了广泛的应用，主要有如下几个方面：第一，概念图作为一种有效的教学工具和教学策略。概念图可以帮助教师提高教学效率〔Beyerbach & Smith, 1990; Hoz et al., 1990〕，帮助教师提高课程方案的质量〔Martin, 1994〕，作为一种教学策略可以有效的降低学生学习的焦虑和紧张感〔Jegede et al, 1989〕，大幅度的提高学习者的态度〔Philip, 1993〕；第二，概念图作为一种学习工具和学习策略。概念图可以通过修正学习者的知识结构而帮助学习者进行有意义学习〔Novak, 2023〕，作为元认知策略而对学生进行创造性训练〔Russell & Meikamp, Joyce; 1994〕，作为一种创造性的问题解决工具〔Stoyanov, 1997〕，作为合作学习的工具，基於计算机的概念图还可以分享不同学习者的认知〔Stoyanova & Kommers, 2023〕；概念图可以作为认知学习工具，影响知识领域内的认知技术的获得〔McAleese et al. 1999〕；第三，概念图作为一种评估工具。评估学习者对概念的理解〔Anderson & Huang, 1989〕、概念的转变〔Gravett & Swart, 1997〕和概念的开展〔Beyerbach, 1986〕 20世纪80年代以来，概念图有如下开展趋势：第一，概念图的功能由最初的评价工具开展到教学技能、教学策略。概念图理论提出的早期，研究者主要把概念图作为一种评价工具，目的是为了测定学习者已有的知识的结构，以及检验学习者的有意义学习的情况。20世纪90年代以来，研究主要集中在把概念图作为一种教学技能和教学策略上，大量的研究充分的证实了概念图的效果；第二，概念图的研究领域由科学学科扩展到其他学科和领域。早期的研究主要是集中在生物、物理和化学科中，但是，20世纪80年代以来，研究很快就突破了科学学科范围而被广泛应用到文学、阅读、生态学、计算机辅助教学、地球科学、数学等其他学科；第三，图式开发技术日新月异，从手工绘制到使用软件和网络技术。早期的概念图主要依靠手工绘制，随着计算机及其技术的普及，可以使用计算机软件进行编制，现在已经开发出了许多计算机绘制概念图软件；第四，从个人编制到合作编制概念图，体现合作化学习特点。最初的概念图一般都是由个人独立完成，并作为一种评价个人知识结构的工具，但是现在作为一种学习工具和教学工具的概念图越来越多的强调合作完成。 〔四〕科学素养的研究强调对科学本质的理解 虽然有关科学素养的思想在20世纪初就已有萌芽，但“科学素养〞作为一个词汇出现在日常和学术交流中，却是20世纪50年代後期的事。在半个多世纪的研究中，人们从不同的角度对科学素养进行了研究。美国科学促进会〔the American Association for the Advancement of Science，简称AAAS〕、国家科学院〔the National Academy of Science，简称NAS〕以及国家科学基金〔the National Science Foundation，简称NSF〕以经验为根底，对科学素养进行了描述，Shen〔1975〕、Shamos〔1995〕、Bybee〔1997〕将科学素养分为不同的层次，Branscomb〔1981〕将科学素养分成8种类型。米勒 [15] 对上个世纪後半叶以来的科学素养定义进行了分析，从当今科技社会的背景下提出了科学素养的3个维度：〔1〕科学术语和概念的根本了解；〔2〕对科学的研究过程和方法的根本了解；〔3〕对科学和社会之间的关系的根本了解，认识并了解科技对生活的影响。由於米勒的界定简单而更具概括性，所以被广泛地应用到各国公民科学素养的调查上，是公民科学素养调查问卷设计的依据。 在对科学素养概念和结构研究的根底上，有关科学素养的研究主要集中在两个方面：一是对公众科学素养的调查。以米勒的观念为根底，世界不少国家对公众的科学素养进行了调查。美国从1979年开始每两年一次，欧共体国家在英国学者杜兰特博士的带着下开展了欧洲15个国家的公众科学素养调查，取得了重要的数据和研究结果，中国科协等单位也对我国公众的科学素养进行了屡次调查；二是如何设置学校的课程来培养学生的科学素养。Lucas〔1991〕[16] 建议营造一个轻松而愉悦的环境，并提供学习者学习的科学内容，确实是一种引起公众主动学习获得知识的方法之一。而Rix和MaSorley〔1999〕[17] 就曾针对互动式科学中心〔Interactive science center〕中的展示设计，让学生能够接触科学学习活动，建立对於科学的积极态度。报纸、播送及电视等群众传播媒体在群众了解科学的过程中，也扮演着相当重要的角色。Lijnse, Eijkelhof, Klaas