二、问题解决模式
    近年来,许多研究者主张基于问题解决的学习(problem based learning),认为这是一条建构主义学习的基本思路。在科学教学中,通过问题解决来建构知识的有途径是采用问题解决教学模式。这一教学模式的基本思路是:把学习置于复杂的、有意义的问题情境中,通过让学习者合作解决真实的问题来学习隐含于问题背后的科学知识,形成解决问题的技能,并形成自主学习的能力。这种教学模式的典型过程是:学生以小组为单位,开始解决一个实际问题;为了解决问题,学生往往需要获得一些必要的专业知识,然后相互交流所获得的知识,并讨论如何运用所获得的知识来促进问题的解决;如果在讨论的过程中,小组发现还需要研究另外一些新的学习议题,学生们就需要反复循环地产生学习议题,分头查找资料,小组讨论交流,直到问题得以解决;问题解决后,学生们还需要对自己的学习过程进行反思和评价,总结所获得的知识和技能。[3]

    具体地说,这种教学模式在实施过程中大致包括以下环节:(1)组织小组。作为一个小组,在探索问题之前,学生们要相互认识,为合作学习建立基本的原则,创设良好的氛围。(2)开始解决问题。教师为学生提供一个实际问题,让学生分头去收集资料,或通过实验、假说等探索活动来获取解决问题的要点。(3)小组讨论。小组成员再次集中,沟通他们所学的东西,据此生成解决问题的假说,分享各自的研究成果。(4)活动汇报。各小组利用各种形式来报告自己的研究结论及结论产生的过程,如运用数学分析、图表、口头报告、戏剧表演等。(5)反思评价。学生有意识地反思问题解决的过程,考虑这个问题与以前所遇到的问题的共同点与不同点,教师要帮助他们概括和理解新知识的应用前景。在学生们评价自己的学习成果的同时,也要对自主学习与合作性问题解决活动进行反思,这对于促进高级思维技能的发展是很有意义的。总之,基于问题解决的学习过程有两条相互交织的重要线索:一是分析问题、形成假说、检验假说和修正假说的过程;二是学习要点的形成及由此引发的查询与探索活动,这是围绕着问题解决活动而进行的更丰富的求知活动。前者是问题解决活动的中心线索,通过问题解决来促进学生对知识的理解,后者则围绕着问题解决活动实现不同学习途径的整合。
    三、探究学习模式
    建构主义主张科学教学应以多样化活动为平台,开展探究性学习(inquiry learning)。以科学探究作为科学教学的中心环节,恰恰反映了科学教育的本质。

    引导学生开展探究性学习活动的思想由来以久,早在20世纪50年代,美国教育家萨其曼和施瓦布(J.R.Suchman & J.J.Schwab)等已经对探究性学习进行了深入的研究,他们从不同角度证明了教学过程中“探究活动”的重要性。萨其曼注重实践,主张“探究方法的训练”模式,重点是帮助学生认清事实,建立正确的科学概念,并形成假说以解释新事物和新现象。施瓦布则试图把“探究的科学”与“探究的教学”结合起来,并从理论上揭示了探究性教学的本质和特征在于儿童通过自主地参与获得知识,掌握研究自然所必需的探究能力;同时,形成认识自然的基础———科学概念;进而培养探究未知世界的积极态度。[4]
    如何引导学生开展探究性学习活动?一个有效的策略是采用探究教学模式。探究教学的主要目的是使学生通过探究知识的发生过程,掌握科学的思维方法,以培养学生的探究能力和科学研究能力。它的指导思想是,按照科学研究的一般程序设计教学过程,就是按照提出科学问题、收集事实资料、做出科学假说、进行实验验证、得出科学结论的程序进行课堂教学设计,其核心是让学生通过自我探索、收集科学资料,并阐明把这些资料转化为科学结论以解决问题的途径与方法。探究教学的一般程序是:(1)发现问题。在教师指导下,根据教学目标,寻找与教学内容密切相关的、可以激发学生兴趣的材料,创设问题情境,向学生提出将要研究的领域,引导学生发现问题并提出问题。(2)收集资料。教师引导学生集中对要解决的关键性问题进行研究,根据已确定的问题,或由学生共同讨论,或阅读教材,或观察、实验等,以收集整理与问题有关的信息资料。(3)提出假说。在分析整理资料的基础上,形成假说并提出验证假说的实验设计方案。(4)得出结论。由个人或小组共同实施方案(讨论研究,实验验证等),最后,对问题形成一个合理的解释,得出结论。或提出新问题,重新设计实验,用不同方法组织资料,解释资料,再一次进入探究过程。
    以上探究学习与教学活动的一个显著特点是,科学探究源于发现和提出问题,学生的学习是一个自主发现并解决问题的过程。正是通过这种探究学习活动,激发了学生的探究动机和好奇心,从而促使学生通过问题、假说、实验、分析、结论等环节建构相应的知识。总之,建构主义主张这种基于多种活动的探究性学习,本质上就是让学生象科学家那样,发现问题、提出问题、探索问题、解决问题,从而自主建构知识结构。

    四、情境学习模式
    建构主义主张基于丰富资源的情境性学习(situated learning)。情境学习的倡导者们(J.S.Brown ,A.Collins &P.Duguid)认为,知识是具有情境性的,知识是活动、背景和文化产品的一部分,知识正是在活动中,在其丰富的情境中,在文化中不断被运用和发展着。[5]由此,情境性学习主张学习应着眼于解决生活中的实际问题,应在具体情境中进行,应借助于丰富的学习资源,应把所学的知识与一定的真实任务情境挂钩,应让学生合作解决问题。情境教学具有以下特点:首先,学习的任务情境应与现实情境相类似,以解决学生在现实生活中遇到的问题为目标;其次,教学过程应与现实中问题解决过程相类似;第三,科学科目的教学应创设有丰富资源的学习情境,其中应包含许多不同情境的实例和有关的信息,以便学习者根据自己的兴趣、爱好去主动发现、主动探索。
    基于情境学习的教学设计、教学策略有多种,比较典型的是美国Vanderbilt大学认知技术课题组(简称CTVG)1990年启动开发的贾斯珀系列(Jasper series),并提出了抛锚式教学模式(Anchored instruction)。这一模式是指创设含有真实事件或真实问题的情境,学生在探究事件或解决问题的过程中自主地建构知识的意义。由于抛锚式教学要以真实事例或问题为基础(作为为“锚”),所以有时也称之为实例教学或基于问题的教学,这种教学特别强调具体情境对知识建构的作用,所以又称之为情境性教学。这一教学模式的一般程序是:(1)创设情境。使学习能在与现实情境基本一致或相类似的情境中发生。(2)确定问题。在上述情境中,选择与当前学习主题相关的真实性事件或问题作为学习的中心内容。选取出的事件或问题就是“锚”,这一环节的作用就是“抛锚”。(3)自主学习。由教师向学生提供解决问题的有关线索,让学生通过自主探索解决问题。(4)协作学习。开展讨论、交流,通过不同观点的交锋、补充、修正,加深学生对当前问题的理解。(5)效果评价。包括学生个人的自我评价和学习小组对个人学习的评价。[6]
    抛锚式教学的主要目的是使学生在一个完整、真实的问题情境中,产生学习的需要,并通过学习共同体成员之间的互动、交流即协作学习,凭借学习者主动探索、亲身体验,完成对知识的意义建构过程。总之,抛锚式教学是使学生适应真实生活,学会独立识别问题、提出问题和解决问题的一种十分有效的途径。

    五、概念转变学习模式
    建构主义认为,学习是学习者通过原有认知结构与从环境中接受的感觉信息间的相互作用,进而建构信息的意义的过程。学生在学习科学课程之前,头脑中并非一片空白。他们通过日常生活的各种途径,已经形成了对客观世界中各种事物的看法,并在无形中形成了自己特有的思维方式,人们一般称这些看法和思维方式为前概念或原始概念(prescientific conceptions,alternative conceptions)。这些前概念大多是不够全面、不够深刻的,有的则完全与科学概念相悖,因此,人们一般把前概念称之为错误概念(misconception)。例如,根据对日常生活中自然现象的观察,许多学生错误地认为“重的物体比轻的物体下落速度更快”,有的认为“没有力便没有运动”,“地球是一个平面”,“会飞的动物一定是鸟,因而蝙蝠是鸟而鸡则不属于鸟类”等等。由于这些错误观念貌似正确且根深蒂固,从而严重妨碍了学生对理科知识的学习。
    如何使学生抛弃错误概念形成科学概念呢?西方一些研究科学教育的学者根据建构主义思想,提出了概念转变学习(conceptual change learning)理论,认为学习就是学生原有概念的转变、发展和重建,就是学生的前科学概念向科学概念的转化过程。[7]因此,教学的主要任务就是帮助学生像科学家那样去理解事物。发生在学生头脑中的观念转变如同科学发展中的范式转换那样,因此,必须让学生自主发现自己的原有经验与新发现的现象或事实之间的不一致或矛盾冲突,从而反思和修改自己的原有经验和认识,提出或接受(重建)科学的观念(新解释、新假设、新概念)。这是学习者自主建构的过程,是“同化”与“顺应”的统一的过程。在这一过程中,学生才能自主建构起新观念(新解释、新假设、新概念),才能形成科学的认知结构。

    如何促进学生的概念转变呢?德赖弗(R.Driver,1989)[8]借助于概念转变学习理论作为设计建构主义教学的基础,提出了概念转变学习的建构主义教学模式,这一模式的一般程序是:(1)定向。教师创设特定的探究性问题情境,为学生的自主探究学习定向。(2)概念引出。引导学生用自己的不充分的思想(错误概念)尝试解释问题,从而引出学生对此主题的先前概念。(3)概念重建。此阶段是建构主义教学程序的核心组成,包括三个环节:①澄清与沟通:学生经由小组讨论、对比、解释彼此先前概念的异同,并与教师的意见交换、沟通,呈现可能的认知冲突,进行同化与顺应。②建构新的想法:依据上述的讨论,学生可比较不同的现象、理论解释与验证的形式,以发展概念或转变概念。③评价:经由实验解释或自我思考与探究,学生可能找到新概念的含意,并知觉到旧有概念的不足。这一环节可以通过实验、讨论、澄清和交换概念,揭示和解决冲突情境,建构新概念,并作出恰当评价。(4)概念应用。学生应用新概念解决新情境问题。(5)反思概念变化。通过将新概念与自己先前已有概念的比较,反思概念转变学习的过程。

    六、社会文化模式
    近年来,西方一些科学教育专家以建构主义为指导思想,倡导一种新的科学教育模式。这种模式要求把科学史、科学哲学和科学社会学(history,philosophy and sociology of science缩写为HPS)的有关内容引入中小学科学教育,以期促进学生对科学本质的理解,培养他们的科学精神和创造力,这就是所谓的HPS教育。[9]学生在这种情境中的学习可称之为基于HPS的学习(HPS based learning)。这一模式把学习放在广阔的社会文化背景中,体现了人文主义精神,故也可称之为社会文化模式。

    重构科学知识体系,就必须采用一种内容更丰富的“大科学课程”模式。[10]这一模式主要不是将大量的内容或某些学科知识内容的简单相加,而是从社会、历史、哲学等角度对自然科学内容进行重新编排。如在这种“大科学课程”模式指导下编排的中学物理课程,应是学生们不仅可以学习到物理学课程中的概念、命题、公式、定理等原来分科物理课程能够学到的东西,而且可以使他们学到有关科学史、科学社会学、科学哲学等方面的内容,认识到物理学知识的发展也是受到社会因素和个人因素影响的。

    如何实施这种“大科学课程”?英国科学教育学者孟克(M.Monk)和奥斯本(J.Osborne)在总结科学教育的历史经验的基础上,借鉴建构主义理论,提出了把HPS内容融合到科学教育的新的教学模式,即HPS教育模式。这一模式的一个基本前提是,所学的课题必须是科学史上某一科学家曾经研究的自然现象,如落体变化、植物的向光性、食物的消化等等。这一模式的教学程序包括以下6个环节。[11](1)演示现象。教师上课伊始,就给学生演示某一自然现象。学生通过观察现象,由此产生一个需要解决的问题。例如,为什么植物的茎具有向光性?必须指出的是,一开始向学生揭示的某一自然现象必须是以往科学家在历史上进行理论研究的一个现象,这既能引起学生的好奇心,又能促使学生利用科学史资源进行进一步的探究。(2)引出观念。教师启发学生就这一自然现象提出自己的观点(解释)。为了促使学生提出各种不同的观点,可采用“头脑风暴法”(即由发散性思想产生的各种方法),促使学生各抒己见,标新立异。(3)学习历史。在这一环节,教师的做法是:①介绍早期科学家关于这一现象的思想与实例,作为学生研究的参照系;②举例说明当时其他科学家的不同观念;③引导学生讨论或探索这些观念产生的背景、条件,使学生认识到科学认识的历史(时代)制约性。总之,学习历史不仅可激发学生的想象力,同时,科学史的介绍还可以使学生以一种移情的方式,设身处地地体验以往科学家的探究与思考。(4)设计实验。教师将学生分组,要求学生从多种观点(或观念)中选择某种观点,设计实验进行检验。这一环节也能激发学生的想象力和创造力。这一环节应使学生认识到:①对同一自然现象可能有不同的解释;②可以用实验检验这些观点(假设)。(5)呈示科学观念和实验检验。由教师讲解当代的科学观念,即介绍教科书上对这一自然现象的解释,从而为学生实现观念转变提供契机和可能。这一环节还需要学生对自己的观念和解释进行实验检验,由实验现象的观察、资料的收集与整理,最终得出结论,形成科学观念,即实现由原有的错误观念向科学观念的转变。(6)总结与评价。通过总结与评价,帮助学生更深刻的理解科学的探究本质,历史上科学家的探究过程和科学观念。
    从上述的教学过程可以看出,这一模式有以下几个显著特点:(1)将科学史与科学哲学的学习与当前的科学概念和理论的学习有机地融合在一起;(2)整个教学过程是一个问题解决的探究过程,因而有利于培养学生的解决问题能力和创新能力;(3)充分发挥了学生的主体性,促使他们主动学习和建构知识;(4)使学生认识到科学家和常人一样也会犯错误;(5)通过探究活动实现观念转变学习,形成正确的科学观念。

参考文献:
[1]美国科学促进会.科学教育标准(草案)[M].北京:科学普及出版社,2001.
[2]顾建民,王沛民.以问题为中心的教学创新模式[J].外国教育研究,1999,(3)
[3]刘儒德.基于问题学习对教学改革的启示[J].教育研究,2002,(2).
[4]钟启泉.现代教学论发展[M].北京:教育科学出版社,1988.
[5] J.S.Brown,A.Collins,& P. Duguid(1989).Situated cognition and culture of learning (From internet).
[6]何克抗.建构主义的教学模式、教学方法和教学设计[J].北京师范大学学报(社会科学版),1997,(5).
[7]宋秋前,邵伟康.西方理科教学中学生错误观念的揭示与矫治[J].外国教育研究,2002,(4).
[8] Driver,R.(1989).Changing conceptions.In P.A.,Ed.,Adolescent development and school science[M].(pp.77-79).Lon-don:Falmer Press.
[9]丁邦平.HPS教育与科学课程改革[J].比效教育研究,2000,(6).
[10]石中英.知识转型与教育改革[M].北京:教育科学出版社,2001.
[11]丁邦平.科学元勘与科学教学改革的两种模式[J].全球教育展望,2001,(11)