基于WISE平台培养小学高年级学生科学探究能力的探索

陈连锋 孙磊 刘静

一、研究背景与问题提出

2017年教育部颁布了新一轮的《义务教育小学科学课程标准》中，培养学生的科学探究意识和能力已然被列为重要的课程目标。其中指出让学生“体验科学探究的基本过程，培养良好的学习习惯，发展科学探究能力”，课标中还提出科学探究的八要素：提出问题、作出假设、制订计划、搜集证据、处理信息、得出结论、表达交流、反思评价。美国《国家科学教育标准》指出学生科学研究的概念：科学探究指学生用以获取知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家研究自然界所用的方法而进行的各种活动。李雁冰在“科学即基于证据的解释”这一新型科学观的指导下，将科学探究归纳为五个学习特征，分别为：形成问题、获取证据、形成解释、评价解释、交流解释。不同学者对科学探究归纳的描述方式都不尽相同，但其本质都指向了几个学习要素。课标中提出的要素比较全面，更贴近学生的科学探究，本文后续论证是以《义务教育小学科学课程标准》提出的八要素为指导展开的。

科学教学中实验探究活动主要有教师的演示实验探究活动和学生的操作实验探究活动。这两类实验中，教师在进行演示实验时，受实验器材、教室环境和光线以及教室内学生人数的影响，后面的学生往往不能清晰地看到实验的步骤、过程和结果，这样会导致他们对实验探究的方法、内容掌握不深刻，久而久之，他们的学习兴趣和探究能力也随之下降。那么，学生的探究实验能很好地克服演示实验的弊端吗？其效果并不尽然。因此，在大力倡导提升科学素养培养科学探究能力的今天，如何克服科学教学的困境，借助教育技术，为学生的学习创设情境、让每个学生有充分的机会参与科学探究的过程，提升学生的科学探究能力、问题解决能力以及知识的运用，是目前科学教学面临的一大挑战。

由美国伯克利大学TELS团队研发的WISE（Web-based Inquiry Science Environment）平台给师生提供了一个基于网络的科学探究环境。WISE平台以建构主义为指导思想，将知识的建构建立在学生自主发展的基础上，通过友好的学习环境，鼓励学生建构所需。它是一个囊括了科学、生物、物理、地理科学、生命科学以及自然科学领域的平台。WISE开发了一个用户和课程管理系统以及一个虚拟的学习环境。通过平台教师可以不受时空约束获得学习的反馈信息，及时调整教学内容、方法策略。学生可按照自己的速度进行学习，打破课堂四十分钟的约束，让教学更有针对性，學习更具个性化。

二、基于科学研究能力的WISE项目分析

“牛顿小车”是通过制作、建立模型、虚拟仿真帮助学生理解能量守恒，探究小车运行过程中的能量转化为目标的学习项目。该项目属于WISE平台中物理领域的学习项目。该项目共包括：什么是牛顿小车、第一轮设计、让牛顿小车更强大、第二轮设计、反思五个活动。每个活动又分为若干步骤，学生在这些步骤的提示和教师的指导下进行学习。“牛顿小车”项目与《义务教育小学科学课程标准》提出的科学探究八要素之间的对应如下：

三、WISE项目实施与效果分析

本研究在西安市某小学五年级某班（男30人，女22人）进行“牛顿小车”项目的实施。通过准实验研究法、问卷法，研究学生在WISE平台支持下对科学知识的理解和把握情况以及科学探究意识和探究能力提升效果。

（一）实施过程

通过分析课程标准提出的内容和目标方面的要求，结合WISE平台提供的项目，以参考教学的进度以及学生在科学学习中对“能量转化”这一抽象概念难以把握的实际；考虑学生第一次参与WISE平台支持下科学学习这一情况；WISE项目的设计是依据美国课程标准和国外学生的学习情况设计的这一事实；基于项目的学习有别于平时科学课堂授课方式这一问题；“牛顿小车”项目原本学习对象是七年级学生，但是小学科学“能量”章节教学内容抽象，学生难以深入把握这一困境，笔者将“牛顿小车”项目中的提示语稍作修改以贴近学生利于他们理解和接受，增加了在线讨论栏，以便学生在遇到问题时，得到同伴互助和教师指导，其余均保留了WISE平台的步骤。

调整后教学进度安排如图1。

（二）结果分析

参考相关文献以及“牛顿小车”项目的内容，鉴于提出问题需要一定的情境性，在项目学习过程中结合学生的学习效果进行分析，学生的表达交流能力在项目学习时以及最后的汇报环节会有体现，本次问卷共设计8道题目，分别从做出假设、制订计划、搜集证据、处理信息、得出结论、反思评价六个方面考察学生的探究能力。在项目学习前和项目学习后分别发放给学生填写，以分析通过学习学生探究能力的改变。本次前测、后测各发放问卷57份，各回收57份，回收率100%。第4题多选对比不选的选项B，其余单选题目均对比最佳选项，得到前后测结果如上图：

问题1搜集证据。数据只是证据的一部分，大部分学生能够理解它们之间的区别，少数学生在学习之前认为“数据”与证据就是一回事，笔者发现在项目学习过程中，认为数据就是证据的学生，只使用平台的截图工具搜集数据，后面受到班级其余同学潜移默化的影响，也开始运用自己的平板电脑拍照片和过程性视频，并且将实验数据认真记录。最后的汇报环节，看其余组分享的证据，学生的证据搜集观念和表现都得到了很大提升。问题2、5制订计划。控制变量设计实验一直是学生的薄弱环节，因此，在项目学习中教师专门针对此进行讲解，且WISE平台也提供了虚拟实验供学生探究，学生之后制订计划的能力也有了大幅提升。问题3得出结论，这一题目不仅考查学生的数据读取和分析能力，更考查他们的探究意识。问题4考查做出假设，他们分析哪些因素会影响小车的距离并接下来的步骤验证，学生在做假设时只思考因素，而并不对此做初步的判断。问题6做出假设、得出结论。通过探究以及后期的数据，总结小车在运行的过程中的能量变化情况，从而对比假设与结论是否一致；问题7是处理信息，前测中有部分学生不能将给出的数据与小车的状态对应，也就是他们不能根据探究结果解释这一现象。问题8后测题目考查反思评价。综上所述，本次学习之后，学生搜集证据的意识提高，同时，借助平台提供的虚拟实验，学生做出假设、处理信息、得出结论方面做得也比较好。最重要的是在探究活动结束后，他们经过做记录、填写报告、交流评价等，像科学家一样思考和探索。

四、展望与探讨

仅仅一次自主探究活动，可能只是在短时间内或者小范围内帮助学生提高自身探究能力。能力的形成需要一个长期的过程，只有在不断实践和尝试中才能巩固。科学课是培养学生探究能力的最佳沃土，但是WISE平台提供的探究项目都是独立的，与教材内容不能同步；且平台中只有少数几个适合小学阶段学生学习的项目；而且WISE平台提供的项目并不是针对我国学生的学情而开发的，更没有考虑不同地区、不同学校学生的实际。再者，已有的项目学时比较多，学习时间长、跨度大，在小学低年级学生中难以组织开展，建议开发一些趣味性强、难度低、耗时短的项目供小学中低年级学生学习。此外，教师在运用WISE平台时，可根据实际对项目做必要的调整和修改，也可以自主地开发一些适合本科目学习的内容，以更好地借助平台帮助学生提升探究意识和探究能力。

WISE平台最大的优势就是提供了供学生反复探究的虚拟实验，能够最大限度地发挥学生学习的自主性。但同时，小学阶段学生处于从具体形象思维向抽象逻辑思维过渡的阶段，他们的思维还是以具体形象思维为主，因此，在借助WISE平台学习时还应该注意虚实结合。最好能在平台提供虚拟实验的基础上，再让学生实际动手操作或借助于具体实物，从而让学生获得直观的感受和认识。

作者单位 陕西省西安市莲湖区远东第二小学