微世界支持的小学生科学发现学习过程研究

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【摘要】如何利用计算机模拟软件来支持一些在实验室无法完成的实验是目前科学教学中迫切需要解决的问题之一。微世界作为支持发现学习的模拟软件，尤其适合于发展科学学科的探索与发现学习活动。学习者利用它提供的操作方法与指令探索其中的领域知识，并观察产生的现象、检验自己的假设，从而发现并习得微世界中蕴藏的领域知识。文章从理解微世界和科学发现学习的含义出发，分析了微世界支持的科学发现的活动过程和学习者存在的困难，从技术应用和支持学习者科学发现学习认知过程两个维度提出了微世界支持的科学发现学习的策略框架，并通过开展教学实践，探索微世界支持小学科学发现学习的教学策略的实施过程，以促进小学科学课堂教学的有效开展，提升小学生的科学素养。

【关键词】微世界；科学发现学习；教学策略：行动研究

【中图分类号】G420 【文献标识码】A 【论文编号】1009-8097（2013）09-0035―06 【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2013.09.007

一 研究问题

科学发现学习本质上是一种良好的问题解决活动。小学科学发现学习实际上是小学生通过探究科学实验，从而发现并获得科学知识、科学现象，培养科学探究的技能的活动过程。微世界（Mircroworld）是一个经过实证研究证明十分有效的认知学习环境与心智工具（mental tool），尤其适合于发展科学（技）学科的探索与发现学习活动。国外已经有许多微世界应用于科学发现学习的教学经验和实践案例。但在国内，特别是小学科学教学中，还很少有关于微世界的教学应用研究。如何运用微世界促进小学科学发现学习是值得我们深入研究的问题。为此，本研究提出如下三个具体问题：

（1）小学科学发现学习有什么特点，其活动过程是什么？

（2）微世界的功能特性是什么，它在小学科学发现学习中起什么作用？

（3）如何有效地运用微世界支持小学科学发现学习？

二 微世界支持的科学发现学习

1 科学发现学习的含义

科学发现学习（Scientific Discovery Learning）是指学习者通过构造科学实验而进行的发现学习，即学习者像科学家一样，针对某个科学问题，通过提出假设和设计实验的方法，探究、发现并建构其中的基本规律和原理的学习活动。因此，科学发现学习是指在科学教学中，教师通过提供一定的支持和帮助，引导学习者针对某一个科学问题，通过提出假设、设计实验、检验假设、得出结论等步骤探究科学实验，发现并建构其中的基本概念、规律和原理，从而提高科学素养的学习活动。科学发现学习的目标、过程都十分强调学生自己的发现经历，并希望能在这一过程中培养学生的科学探究思维、方法，建构起有关的概念、原理，发展有关的认知技能。

2 科学发现学习的活动过程

De Jong和Nioo曾把科学发现学习称为“探索性学习”（Exploratory Learning），并对科学发现学习的过程做了具体分析，认为这一过程主要由两类活动组成：转化性过程和监控性过程。张建伟和陈琦对科学发现学习进行了结构化分析，认为在科学发现学习过程中，学习者需要完成问题表征与假设形成、实验探索、自我监控与反思概括三种相互联系的活动，这三种活动构成了科学发现学习中相互交织的三条线索。同时还强调，在整个科学发现学习过程中学习者原有的知识经验：领域性知识（domain knowledge）和元知识（meta-knowledge）具有重要的作用。陈刚提出了计算机模拟支持的科学发现学习的活动结构，认为科学发现学习实际上就是学习者在实验空间和假设空间中展开的双重搜索，包括有三个子过程：搜索假设空间、搜索实验空间和证据评估。

综合上述所有观点，笔者认为科学发现学习实际上是学习者通过开展科学实验进行学习，它可归纳为三个基本活动过程：科学探究活动（提出问题、形成假设、设计实验、探索实验、分析实验、得出结论）、自我监控活动（自我计划、自我监控、自我评价）、反思概括活动。在这三种活动中，学习者原有的知识基础（领域性知识、元知识）具有重要的作用。其中，科学探究活动是科学发现学习的基本探索活动。

3 微世界支持的科学发现学习中存在的困难

虽然科学发现学习受到了教育界的普遍欢迎，但是，许多实验研究表明，科学发现学习的实际效果并不一定优于传统的讲授型学习。究其原因，是因为学习者在科学发现学习过程中遇到了各种新的问题与挑战。而通过教学实践发现，在微世界支持的科学发现学习中主要存在以下两方面困难：

（1）学习者在使用微世界开展科学实验探究时，容易将其等同于“游戏”，导致无法发挥微世界的学习功能；

（2）由于受到知识背景和认知发展水平的限制，学习者对科学实验的相关知识和方法理解不够，不知道如何开展科学实验，具体表现在：①不知道怎样从具体的任务情境中选择自己的研究问题；②不能正确地完成实验设计：⑨不知道应该记录哪些实验数据；④较难通过分析实验现象和数据来得出结论：⑤对自己的实验过程不能进行很好的监控和调节，经常是随意地、没有逻辑地开展实验探索。

三 研究方法

为了最终形成一套能够有效促进微世界支持小学科学发现学习的教学策略实施过程和方法，本研究采用行动研究的方法。

1 总体目标的确定

本行动研究的总目标是根据理论分析提出的微世界支持小学科学发现学习教学策略的总体思路，开展行动研究，通过不断修正、完善，提出具体的微世界支持小学科学发现学习的教学策略实施过程与操作原则。根据实际情况，本行动研究将设计成三轮循环，每轮的目标分别为：

（1）第一轮行动目标：探索微世界的使用方法，细化各个并微世界支持小学科学发现学习的活动过程中各个环节的策略，即“知识解释支持策略”、“实验探索支持策略”和“反思支持策略”：（2）第二轮行动目标：修正、完善各个环节的策略；（3）第三轮行动目标：总结微世界支持小学科学发现学习的教学策略和方法，同时分析微世界支持小学科发现学习的教学策略的实施对提升小学生科学素养的作用。

2 实验对象和内容的选择

本研究的实验对象是广州市体育东路小学五（3）班的学生（共30人），确定如表1所示的部分教学专题作为实验教学内容。

“种植外星植物”、“生态瓶”、“维护生态平衡”三个专题是小学科学的重要内容。“种植外星植物”内容侧重于将引导学生根据问题情境提出研究的问题，并根据问题设计对比实验，学会如何从收集的数据中，分析整理信息，从而得出正确的结论；“生态瓶”帮助学生探索在封闭条件下建立良性生态系统的方法，再用于实际生活的研究，从而培养学生的科学探究能力，帮助孩子们形成爱护动物、珍爱生命的意识；“维护生态平衡”引导学生认识自然界的生态系统是一个和谐的整体，需要很长时间才能形成，其中任何一个环节受到破坏，生态系统都可能会失去平衡。

3 微世界的设计与开发

本研究中所使用的微世界的设计理念是为小学生提供模拟真实世界现象的发现式与探索式的学习环境，通过操作微世界中的元件或命令进行模拟实验活动，促进小学生主动探究进行科学发现学习，从而激发小学生主动参与解决问题的能力。

“种植外星植物”这一专题是根据小学五年级《科学》上册（教科版）中“生物与环境一”单元中“设计种子发芽”、“种子发芽实验”、“从实验中获得信息”三个专题内容所涉及的知识点进行设计的拓展内容，该软件在课堂上为学生提供一个虚拟科学实验研究环境，通过探索三种养料A、B、C中，哪种是外星植物“小菱花”生长需要的养料，并找出该养料的最佳分量范围，从而帮助“小菱花”生长得最好，以打破宇宙高度，操作界面如图1。

“制作生态瓶”微世界是针对小学科学五年级内容“生物与环境（二）”中有关生态瓶的内容，主要目的是让学生在构建、观察、改变“微型生态系统”的过程中，加深对生态系统及生物圈的理解，明确非生物、植物、动物之间的依赖关系，软件操作界面如图2。

在“维护生态平衡”微世界软件中，呈现了一条由“草”、“兔子”、“狐狸”三种生物组成的食物链，学生可以通过操作软件开展对比实验，观察这一生态系统50年里草原生物数量的变化，软件操作界面如图3。

4 总体行动方案

（1）将微世界应用于小学科学课堂，探索微世界的使用策略与方法，并制定第一轮行动计划；（2）实施第一轮行动；（3）观察并收集数据，分析效果；（4）反思第一轮行动结果并总结；（5）改进教学，细化策略与方法并制定第二轮行动计划；（6）实施第二轮行动；（7）收集并分析数据，观察结果；（8）反思第二轮行动结果，并改进：（9）以同样的模式进行第三轮行动研究。

四 研究过程、结果与反思

1 第一轮行动方案、过程、结果与反思

本轮行动研究的主要目的是探索微世界的使用方法与策略。作为一种计算机模拟软件，微世界为学生提供了一种模拟真实实验的虚拟环境，因此需要让教师和学生熟悉和适应利用微世界开展科学学习，克服因真实实验和虚拟实验之间的差异造成的困难。

在本轮行动研究中，教师根据教学的需要，在不同的教学环节为学生提供了较为有针对性的支持策略。首先，在开展科学实验探究前，教师利用微世界的演示功能给学生创设了问题情境，并联系旧知识，帮助学生提出研究的问题：接着，教师使用“任务驱动式教学”将微世界中的科学实验分解为两个任务，要求学生借助实验方案和其它辅助工具来完成一定任务，在整个实验探索过程中，教师还采用了搭建“脚手架”、同伴辅导、提供辅助工具（如Excel）、反思等策略。

笔者通过课堂观察、课后对教师和学生的访谈发现，学生对微世界这一新的学习软件充满了好奇和兴趣，并且大部分学生在明确了任务要求后，很快就能熟练操作微世界；学生能够明确实验研究方案的重要性，多数学生能够认真阅读并填写实验方案，但也有不少学生在实验探索过程中不作记录：部分学生利用了Excel进行数据处理，通过分析直观化的图形来得出自己的结论。图4（a）、（b）是学生利用Excel处理的收集到的实验数据所得到的“小菱花”生长曲线图。

但是，通过调查和观察，发现还有以下一些问题有待解决：（1）学生对微世界的“热情”过高，导致他们忽视了对教学目标、教学问题等重要信息的理解，少数学生甚至将操作微世界当做玩游戏，直接影响了教学目标的达成。（2）教师对学生的指导还不够到位。主要体现在两个方面：一是未能把握学生进行科学发现学习的关键环节给予及时和恰当的指导；二是未能对所有学生进行指导，导致学生间学习效果差异较大。针对以上两方面的问题，我们认为可以尝试采取以下措施对微世界支持的小学科学发现学习教学策略加以改进：

（1）在开始实验操作前，对学生的操作权限加以控制，不让学生动手操作微世界，由教师引导学生明确了教学目标和探究任务、提出研究问题、形成了假设并制定了实验计划后，再给予学生操作的权限。

（2）教师加强对教学关键环节的把握，并针对关键的教学环节进行精心的设计，引导学生的概念转变和思维发展。同时，采用同伴辅导和小组协作相结合的策略加强学生之间的互助和协作，最大限度地照顾到学生的水平差异。

2 第二轮行动方案、过程、结果与反思

本轮行动研究的主要目的是细化微世界支持的小学科学发现学习活动过程中各个环节的教学策略，即知识解释支持策略、实验探索支持策略和反思支持策略，并通过课堂观察、课后反思、调查和访谈等方式收集信息，进一步总结三种教学策略的具体应用方法，并及时发现存在问题从而加以改进。

在本轮行动研究中，教师在教学的关键环节，设计了较有针对性的教学策略。在提出问题和形成假设的阶段，教师提供的知识解释支持策略主要包括了讲授法、案例教学法、概念图支架等，为了帮助学生能够理解所要探究的科学问题，教师除了直接讲授，还提供了相关的案例供学生观摩学习，同时还让学生学会利用概念图工具对相关的科学知识进行分析和梳理，训练学生的思维能力，从而建构有关的科学概念。在实验探索阶段，教师分别针对设计实验、检验假设和分析实验三个关键环节为学生提供了相应的实验探索支持策略，包括：搭建“脚手架”、操作示范、提供辅助工具等。

本轮行动研究中，笔者发现：大部分学生已经适应了微世界支持的小学科学发现学习活动，开始将注意力转移到“我要利用微世界来发现”，因此更加重视实验研究方案的阅读和填写，部分学生能自己积极主动地寻找辅助工具进行数据记录和分析。由于本轮行动研究中教学内容所涉及的知识较为复杂，学生在操作微世界和理解实验研究方案的过程中还存在一定的困难。

通过访谈教师发现，在实际教学中，问题提出和假设形成阶段在整个课堂中处于很关键的地位，需要充分引起学生探究的积极性，在明确问题基础上开展实验的探索。因此，除了在教学过程中要为学生提供知识解释支持策略、实验探索支持策略和反思支持策略外，还应考虑在最初的教学环节中，加入任务驱动策略，通过提出任务、分析任务、解决任务等步骤，使学生积极投入探究过程。

通过访谈学生发现，学生主要在两方面还存在着较大的困难：一是不知道如何根据研究问题进行猜想和假设，较难根据分辨猜想和假设选择相关信息：二是不知道应该如何对收集的证据进行推理和解释，从而形成正确的结论。虽然教师在设计教学时，已经针对这两方面的困难提供了相关的学习支持，但还有待于进一步深入分析和解决。

本轮行动研究对教学策略进行细化并改进了相应的实验研究方案，较第一轮行动研究有了较大的改进。但也发现以下问题，针对这些问题，提出改进措施。

（1）发现问题

学生在形成假设和得出结论两个环节还存在着较大困难，需要教师提供更有针对性的教学策略和方法的支持。

（2）改进措施

发挥小组协作探究的优势，利用“同伴辅导”使学生之间互相帮助和促进。

3 第三轮行动方案、过程、结果与反思

本轮行动研究的主要目的是总结微世界支持小学科学发现学习的教学策略的操作过程及方法，分析微世界支持小学科学发现学习教学策略对学生的科学素养发展所起的作用。

在本阶段的教学实验中，主要针对前两个循环中出现的问题进行观察分析，重点关注所提出的教学策略在促进学生开展科学发现学习活动中的有效性。

通过执教教师的反思，可以发现：（1）各种策略的运用有助于学生开展科学发现学习活动，也促进了学生科学素养的发展；（2）教师认为微世界很适合于支持小学科学中部分难以在课堂中完成的科学实验探索，大大提高了学生参与科学探究的积极性，增加了学生体验科学探究过程的机会。

学生对微世界的使用表现出极大的兴趣，访谈发现，学生在科学知识的掌握、科学探究能力、情感态度价值观的发展方面取得了较大的进步。主要表现在：（1）能够应用课堂上所学的知识去解释生活中的科学现象或解决生活中的实际问题；（2）完整地体验了科学探究的过程，增强了动手操作的能力；（3）极大提高了对科学探究的兴趣，并愿意与他人合作和交流。

五 总结与评价

通过三轮行动研究，总结出微世界支持小学科学发现学习的教学策略的实施过程如图5所示，并得出如下结论：

1 微世界支持小学科学发现学习的教学实施步骤包括“明确探究任务――建构问题空间――制定实验计划――开展微世界探索――形成结论――反思评价”六个环节

微世界支持的小学科学发现学习的实施步骤分为：明确探究任务、建构问题空间、制定实验计划、开展微世界探索、形成结论和反思评价。学生在实验探究过程中必须是一名参与者和行动者，实验方案和操作都应尽可能由学生来完成，让学生真正成为知识的探索者。教师在开展教学时，首先要通过设计真实的任务情境帮助学生明确实验探究任务。在科学发现学习活动过程中，教师要引导学生不断地设计实验、开展微世界探索、收集数据，并猜想背后的规律，直到实验数据能够支持所猜想的规律，最终进行总结和反思。教师可通过简单的讲解和示范让学生迅速了解微世界的操作方法和注意事项，以减少学生在实验探索过程中所遇到的困难。

2 微世界支持小学科学发现学习的教学策略包括任务驱动策略、知识解释支持策略、实验探索支持策略、反思支持策略和多元评价策略

通过对微世界支持的小学科学发现学习的教学试验的归纳总结，得出微世界支持小学科学发现学习的教学策略包括了任务驱动策略、知识解释支持策略、实验探索支持策略、反思支持策略和模糊评价策略。在微世界支持的小学科学发现学习中，学生始终是进行探究和发现的主体和中心。在微世界操作中，但由于受到背景知识、思维水平等各面的限制，小学生在利用微世界进行科学发现学习时会遇到各种各样的困难。为了更好地帮助学生激活有关背景知识、提出问题和假设，教师可利用情境、协作、会话等学习环境要素，充分发挥学生的主动性、积极性和创造性，指导学生自主完成实验设计、微世界探索和实验分析与总结，并能对整个学习过程进行有效的计划、监控和调节。

3 微世界支持小学科学发现学习的教学策略的实施对小学生的科学素养发展有促进作用

通过研究发现，微世界支持小学科学发现学习的教学策略的实施对小学生掌握科学知识、提高科学探究能力、培养情感态度价值观三个方面有促进作用。从学生的知识掌握情况来看，发现在《生物与环境》单元测试中学生的成绩平均水平均较高，且相对集中，处于最佳状态；通过对学生开展科学探究过程的评价，发现大部分学生在科学探究过程中表现较好，能够顺利有效地完成微世界支持的小学科学发现学习；通过对学生情感态度价值观的评价，发现学生对使用微世界进行科学发现学习充满了积极的兴趣，愿意与他人合作和交流，尊重事实、知道要用数据说话，并逐渐意识到要养成观察和记录的习惯。

综上所述，微世界支持的科学发现学习中，为了帮助学习者克服困难，促进科学思维的发展，不仅要从技术应用的维度考虑相应的教学策略，更加应该从支持学习者开展科学发现学习的认知过程的角度来考虑设计有效的教学策略。如何根据科学实验课的具体需要恰到好处地选择微世界并设计相应的教学策略是值得进一步深入研究的问题。