MBI教学模式在科学探究活动设计中的应用——以“植物如何能向光生长”为例

张春雷（华东师范大学教师教育学院 上海 200062）

提倡探究性学习的初衷是还原学生的主体地位，并让学生学习和体验科学实践的过程和方法。完整的科学教育不仅包括学习现有的科学知识，还应包括对科学实践过程及科学本质特征的认知。但由于教师对科学本身的认识的局限，再加上僵硬的“科学方法”不能很好地反映科学实践过程和科学的本质特征，教学实践中常出现形式化的“探究”活动，这不仅容易让学生对科学探究产生错误的认识，有时甚至影响其对核心概念的学习。因此，本文结合案例探讨了一种更能反应科学真实面貌的教学模式——基于模型的探究（modelbased inquiry，MBI），并讨论了其在生物学教学中的应用前景及可能面临的困难。

1 倡导科学探究的初衷

科学探究一直是科学教育课程改革所倡导的重要内容之一。最新版的初中和高中生物学课程标准都明确将“科学探究”作为重要的课程内容和关注点［1-2］。其他学科例如化学、数学和物理学也特别鼓励和提倡探究性学习。原因在于学生探究未知知识的过程与科学家探究未知世界的过程具有一定的相似性。在此过程中，学生不仅能学习科学知识，还能从中体验和学习科学实践的真实过程和树立正确的科学观。大量的教育研究结果显示，无论性别或学业成就高低，科学探究对学生都是有积极意义的。即便是以标准化考试做评测指标，无论是初中还是高中，只要教师切实地将探究教学的理念和要点落在实处，教师引导下的探究（guided inquiry）教学效果都要优于传统验证性实验 教学［3］。

2 科学探究的内涵

什么是科学探究？《全日制义务教育生物课程标准（实验稿）》（本文简称“课程标准”）认为，生物学课程中的科学探究是学生积极主动地获取生物科学知识，领悟科学研究方法而进行的各种活动。科学探究通常涉及：提出问题、做出假设、制定计划、实施计划、得出结论、表达和交流。《美国国家科学教育标准》中对科学探究是这样描述的：科学探究指的是科学家用于研究自然界，并基于此种研究获得的证据提出种种解释的多种不同途径。科学探究也是指学生用以获取知识，领悟科学的思想观念，以及领悟科学家研究自然界所用的方法而进行的各种活动［4］。科学探究不仅是科学家探索世界的基本方法，而且是科学知识产生和发展的重要途径。按照主体的不同，科学探究可分为科学家为探索未知世界而进行的探究和学生为获取现有的科学知识、体验科学实践过程而进行的探究。本文的科学探究主要指学生的科学探究活动。

3 科学探究在实践操作中存在的问题以及归因

在新课程改革和外部教育环境的推动下，教师更加注重和更多地实施探究性教学。尽管如此，一线教学中的科学探究性教学现状仍然不容乐观，高质量的探究性教学仍然缺乏，而且很多探究性教学存在形式大于内容的现象［5］。这一方面与教师的教学观和教学知识有关，另一方面也与教师对科学探究及科学本质特点的把握不准有关。实际上，线性的、刻板的探究流程往往会导致探究活动的形式化和表面化，无助于学生真正的科学探究能力的养成。虽然课程标准中为教师提供了科学探究的一般步骤，但是探究活动可以说形式多样，它并没有固定的活动形式。有的探究活动的程序是结构化的，学生很清楚每个程序的操作；有的是非结构化的，它的程序根据探究的内容和目标而变化［6］。国外大量的研究也表明科学探究能力是一种具有复杂结构的高层次能力，对科学探究能力的培养不能简单化和程式化［7］。再有，教师把握不好什么内容值得探究、什么内容不值得探究，甚至以牺牲知识为代价制造“活跃”的探究假象也是造成探究教学质量不高的重要原因之一。如何帮助教师识别有探究价值的内容，并且真正落实高质量的科学探究？ 基于模型的探究作为一种学习和教学的模式就非常值得一线教师尝试和参照。

4 MBI 教学模式兴起的背景与其内涵

科学教育除了让学生理解和构建系统的科学知识之外，还应该让学生理解科学知识的产生过程及科学的本质特征。这也是新课程强调科学探究、STS（科学-技术-社会）和科学本质观的原因之一。然而，以往的教学实践中人们经常忽略科学实践和科学本质的价值，只呈现给学生冰冷的科学知识系统，而省略了科学知识背后科学家火热的思考、曲折的研究历程及该过程所彰显的科学本质特征，这呈现给学生的实际上是不完整的科学。正是在这一背景下，Windschitl 等［8］特别提倡基于模型的科学探究，并认为它最有希望取代所谓“学科方法”成为新时代科学教师的教学范式。原因在于模型的构建与修正实际上是科学研究者最为普遍而重要的一种实践方式。科学模型主要涉及3 类模型：概念模型、物理模型和数学模型。而且一个重要模型往往对应的是该领域中的核心概念或原理，构建、验证和完善模型的过程能更贴切地展现科学知识发生、发展的过程。科学家基于模型的科学实践活动也正好能体现科学本身的诸多特征，例如科学知识的可检测性、可修正性，科学是推测性的、具有解释力、能产出新的推论或预期等。因此，MBI 更有希望向学生展现更真实、更完整的科学图景，这也是为什么这种教学模式受到大量科学教师及科学教育研究者的青睐和关注的原因。

与一般的探究活动不同，MBI 是围绕着因果模型展开的，步骤包括建立模型、检验模型、修正模型。MBI 更有利于反应科学的全貌——科学知识、科学实践过程、科学本质。MBI 要求学生针对一个现象建立解释性的因果模型，并要收集证据检验模型的某个预期，然后基于收集的证据对模型进行完善甚至否定，并接受同行（或同伴）公开的质疑和研讨。在这个过程中，学生既可学到科学知识（模型本身的内容），又可学习和体会科学知识是如何产生（构建模型的过程）和发展（检验和修正模型的过程）的，能对科学的本质特征有更深刻的理解和认识。

5 MBI 教学模式的操作流程和示例

MBI教学模式共包括4 个环节：1）选择核心的科学概念原理及自然现象；2）揭示学生原有的概念和经验；3）让学生进行实验活动并理解活动意义；4）督促学生基于证据进行解释和交流。本文以“植物如何能向光生长”为例，具体展示该教学模式的4 个环节，以及该教学模式是如何帮助学生学习核心概念、体验和认识科学实践过程和科学本质的。

5.1 选择核心的概念原理及相关现象 首先，教师需要选择一个能充分展现某个核心概念或原理的自然现象作为学生探究的对象和教学活动出发点。教师选择的现象首先应是真实的，且能激发学生探究的兴趣，同时也要能充分反映学科中某个重要的概念或原理的应用。

学生或许不曾留心观察和思考，但是植物向光生长的特性随处可见，且这一现象背后蕴藏着植物激素调节的过程和原理。学生要建立植物向光生长的因果模型解释这一现象，并最终形成“植物生命活动受到植物激素的调节”这一重要概念。建立该因果模型，学生需要以下支撑性子概念：

·某种信号分子（生长素）在特定部位产生；

·植物可将这种信号分子（生长素）从产生部位运输到作用部位；

·这种信号分子（生长素）可在作用部位影响植物体（细胞）的生长；

·外界刺激（如单侧光）会影响这种信号分子的作用过程。

基于以上考虑，向光生长这一现象是符合要求的，教师完全可抛出这一现象作为探究的对象和教学活动的起点。

5.2 揭示学生原有的概念和经验 虽然学生对植物向光生长的现象非常熟悉，但绝大多数学生是熟视无睹的。部分学生可能有一些想法，至少他们很可能体验或了解类似的现象，例如，昆虫具有趋光性、含羞草受到触碰会垂下叶子，或者他们可能学过“动物通过激素调节自身生命活动”。建构主义理论认为学生的新概念总是要建立在已有概念或经验的基础上，因此揭示学生已有概念和经验就显得格外重要。最直接的方法就是询问学生相关的想法、知识或举出相关或类似的现象。这是教师开展教学的宝贵资源，也是学生认知和构建新知识的起点。

教师可鼓励学生大胆想象“有哪些可能的机制存在就可使植物发生向光生长的现象”。例如，学生提出假设：所有植物细胞都有感光功能，光强则生长慢，光弱则生长快，这样背光侧生长快于向光侧，就发生了向光弯曲。也有学生类比昆虫的向光性，认为植物也许具有类似的感光器，感光器把信号传递给植物，使得植物发生向光生长。教师可通过提问引导学生思维，例如，感光器可能在植物体的哪个部位？ 又使植物哪个部位的生长速度发生了改变？ 信号是如何传递的？ 针对这些问题，学生可有不同的假设，并建立他们最初的解释模型。学生需要思考：基于他们的模型可做出哪些推测，收集什么样的证据就能支持或否定他们的模型，如何设计这样的实验等。

5.3 让学生进行课堂活动并理解活动意义 为了检验自己的模型是否正确，学生需要基于自己的模型提出可检验的模型推论。例如，假如所有植物细胞都能感光，且光照抑制生长，则植株在单侧光刺激下，应该发生均匀性弯曲，切除植株任何部位后向光生长依然能发生。教师可根据学生提出的因果模型相似度进行分组，并向每个小组（3～5人）提供“向光生长模拟”软件，利用计算机模拟软件，学生可自己设计实验并记录模拟的实验结果（图1），然后依据结果对自己的因果模型进行判断和修正，必要时还可做新一轮的模拟实验，直至获得满意的模型为止。当然，真实的生物学动手实验和数据要优于计算机模拟实验和模拟数据，但由于教学时间的限制，本教学活动采用了计算机模拟的方式帮助学生检验自己的模型。

图1 植物向光生长的计算机模拟程序界面

5.4 督促学生基于证据进行解释和交流 在此环节中，学生要构建最终能解释植物向光生长的因果模型，并以示意图、概念图或实物模型等可视化的方式表达，而且这个模型的各个部分都要有相应的证据支持。教学中，教师要注重追问学生的证据逻辑是否合理，他们模型的哪些部分得到了证据支持、哪些实际上没有得到支持，同时也鼓励学生相互质疑和拷问、吸取其他小组模型中合理的要素、利用各种信息源构建最终的因果模型。这些信息源包括学生日常生活观察到的事实、学生已有的自然科学概念或理论、科学家曾经做过的实验及结果和教材上的描述等。在各个小组公开的辩论和交流中，因果模型不断得到检验、修正和完善，学生不仅有机会学习关于“生长素作为植物激素如何调控植物幼苗向光生长”的科学知识，而且可体会更真实的科学实践过程和科学的本质特征，领略完整的科学图景。

6 MBI 教学模式的应用前景

MBI 教学模式有其优势也有其局限。其优势主要体现在以下几个方面：1）能体现科学本质特征和展示科学的全过程；2）利用视觉化的模型呈现辅助思维过程、便于学生表达交流；3）以学生已有知识和经验为基础构建新知识，符合认知规律；4）有利于发展学生的科学探究能力、想象力和创造力；5）围绕核心概念原理和相关现象展开便于一线教师教学实践中探究的科学内容和现象，避免无意义的虚假探究。一线教师不仅可参照该教学模式的4 个环节设计教学活动，同时也可更好地组织和实施探究活动，提高学习效果。

MBI 教学模式也有其局限性。在适用范围上，MBI 更适用于课程的核心概念和原理，特别是需要学生构建模型解释现象的内容。此外，MBI 对教师的专业要求更高，教师要对探究过程可能出现的问题和困难做更充分的准备。MBI 的教学用时较长，且需要一定的教学条件或教学资源的支撑。

尽管如此，MBI 仍然是被教育研究者和一线教师寄予厚望的科学探究模式，是教师避免虚假探究、设计高质量探究教学活动的良好参照，同时也是学生发展核心素养、构建生命观念、发展科学思维、体验科学实践和认识科学本质的重要途径，值得科学教育研究者和一线教师借鉴、尝试和研究。