小学科学课程与ICT文献综述

[摘 要] 本文献主要回顾了自1989年以来小学科学课程的发展以及在科学课堂中应用ICT的研究。文章讨论了ICT对小学科学课程中教师与学习者的角色关系、教师的专业知识、程序技能和科学内容之间的平衡、形成性评价的应用等方面所产生的影响。此外,还提供了一套目前ICT被应用于促进优秀科学教学方式的批判性评估。最后,作者提倡要对ICT的各种应用以及它们对促进小学科学课程中儿童的学习有何种促进潜能开展系统研究,并为那些旨在促进儿童小学科学学习经验的软、硬件开发者提出了建议和启示。

[关键词] 小学科学课程;科学素养;ICT应用

[中图分类号] G434 [文献标识码] A [文章编号] 1672―0008(2010)02―0044―09

一、文献介绍

这篇文献综述关注的是自1989年科学课被列为英格兰与威尔士小学课程的必修课、核心课程以来,小学科学课程的发展。在一篇关于小学科学必修课的第一个10年综述的文献中,Wynne Harlen(1998)认为当时的关注点主要是:建构主义学习中教师的角色、教师的专业知识、程序技能与科学内容之间的平衡,以及需要对形成性评估有更深刻的理解和应用。她预测说,在下一个10年,对小学科学课程的学习与教学首先可预知的变化就是ICT的影响。

本篇综述将会讨论小学科学课程中ICT在Harlen(1998)所提及的相关方面所产生的影响,并且提供了一个关于目前ICT被用于促进优秀科学教学方式进行鉴定性评价的方式。它将会反映在5岁大的儿童目前需要学习哪些科学和ICT内容,以便使他们能够在20岁的时候成为一个具有科学素养和计算机素养的人。Yapp(2003)认可此种观点,并且提出小学教育应该教授给儿童更多的语言、科学与技术知识和自信、文化敏感性和媒体意识。培养儿童团队工作、创造力、创新能力和学习如何学习等技能,非正式学习与正式学习同等重要(Yapp,2003)。

关于科学素养的构成以及在学校中应该教授哪些科学本质(Nature)等问题存在很多争论(Murphy et al.,2001)。科学素养一词有多种用法,可以作为一个定义、一个标语、一个隐喻(Mybee,1997)。作为一个定义,“科学素养”一词指的是为了描述和帮助讨论或者用于表述动作程序的具体化(Scheffler, 1960);当被用作一个标语口号时,“科学素养”往往用于团结科学教育工作者,作为科学教育背后的一个单一目标。当作为一种隐喻时,往往是指接受了很好、很深的科学教育,与仅仅理解一些科学术语相对应。

Bybee(1997)提出了一个宽泛的框架,通过描述某种开始阈值(thresholds)以确认科学素养的程度(见图1)。在此框架下,一个个体可能会同时表现出几种层次的素养,主要取决于当时的境脉、观点和主题。

虽然“科学素养”这一术语在美国应用已经有40多年的时间,但是在英国应用并不普及。Hurley(1998)提出科学素养在英国被理解为对科学的公众理解。在本报告中,术语“科学素养”是指无论要获取何种科学信息和知识时,都必须要获得的最少的科学知识和技能。所以,对小学的孩子们来说,科学素养指的是获得一个科学的基础知识和理解,比如一系列程序技能的发展、各种科学概念的习得以及某种特别态度的形成等所必须的知识或技能。此外,孩子们还应该具备国家指定课程所列举出的目标中要求所需的知识和技能。所以,在Bybee的框架中,小学生的科学素养主要集中表现在带有概念层面要素的功能性的科学素养方面。

在过去的15年中,有关“应该教授什么科学”得到了广泛的讨论。1985年,美国科学促进协会(The American Association for the Advancement of Science,AAAS)发表了一个长期规划以改革科学、数学和技术教育――称为“2061计划项目”。之所以这样称谓,是因为项目的组织者考虑到1985年哈雷彗星接近地球,而1985年刚刚步入学校的孩子在2061年将再次见到哈雷慧星接近地球,他们会见证这76年间科学和技术的所有变化(Nelson 1998)。这个项目明确列出了在科学、数学和技术领域,下一代应该知道的最重要的内容是什么,以及应该做什么――即什么可以使他们具备科学素养。一些指导原则如下:①科学素养的组成,某种科学事实的知识、概念和理论,科学的心智习惯的练习,科学本质的理解以及其与数学与技术的联系,科学对个体的影响以及科学在社会中的角色;②对学生来说,需要时间来获得科学素养的实质性知识和技能,目前科学课程中竭力想包含的全部材料可能会大幅度减少;③有效的科学素养教育要求每个学生必须要经常主动的、像科学家们做自己的工作一样的方式进行自然地探究。

当前美国的科学课程被认为是“冗长和营养不良的” (Nelson,1998)。一套规定的特殊的K-12学习目标(基准)要推荐的是“科学素养基准”(AAAS,1993)。这个素养基准通常被认为是向其姊妹篇“科学为了全体美国人” (AAAS,1990)中所提及的成年人的素养标准的方向发展。

在英国,人们还意识到在学校科学课程中过分强调内容,大量的内容与提供其相关信息和意义的境脉相脱离。更深层次的问题包括在培养5岁以上学生的科学能力发展方面缺少比较一致认同的框架模型,科学(课程)评估主要倾向于正式考试中的成功(Reiss, Millar & Osborne,1999)。在一个2年的研究“Beyond 2000” (Nuffield Foundation,1998)列出了关于落实英格兰与威尔士国家科学课程的10项建议。实质上,它是在建议课程应该重新设计,要加强与现在课程相对的公众科学素养的成份,因为现今的课程主要是面向将来要成为科学家的一小部分人设计的。

二、小学中的科学

(一)小学科学是什么,又为什么重要

小学科学主要涉及三方面内容:能量与力、材料以及有生命的东西(生物)。它们分别是物理、化学和生物学的基础。虽然这些均有很宽的研究领域,但是,小学科学关心的不仅仅是知识,还有科学的方法以及这些方法在每个儿童身上应用的效果。在小学科学课程中,孩子应是积极主动的,其操作活动和心智活动都能得到发展;孩子应是焦点,应关注孩子所经历的世界方面以及孩子表现出兴趣的某些内容。

科学课是目前小学课程的三个核心科目之一,其它两门核心课程是英语、数学。小学科学课程有三个目标:培养科学的程序技能;培养概念习得;发展特别的态度。程序技能包括:①发现――学生运用全部五种感官选择出信息的一种基础技能;②交流――通过如写作、口头语言、图表、表达软件等媒体将发现和观察到的东西讲清楚的能力;③测量――测量主要包括尺寸、花费时间、面积、速度、重量、温度、容量体积的比较。比较是测量的基础;④实验――儿童经常通过试误的方法进行实验。实验通常意味着用细致的、可控制的方式进行实践性的调查;⑤时空关系――培养时间和空间观念。儿童要学习判断时间花费的时间以及物体所占据的空间和面积;⑥分类――儿童需要根据物体的相似性和差异性对其进行识别、挑选以及排列;⑦解释数据――理解和解释孩子所搜集到的信息的能力;⑧定义(make)假设――假设通常是解释某一特殊时间或发现的一种可推理的“猜想”。它不是一种对事实的陈述;⑨推论――基于搜集到的信息和细致的研究,儿童能够根据他(她)的发现作出相适应的结论;⑩预报――以观察测量到的可信的、常规的信息为基础,对调查结果进行预测;{11}控制和操作变量――在测试中谨慎地控制条件,以保证测试的公正性和结果的有效性。

尽管我们期望儿童能够获得这些技能,但是一定要知道这些技能中的任何一项都不可以被孤立地教授或习得,需要在很多的科学活动中发展。小学科学学习中培养的概念主要有:①时间,生命循环;②重量,生命体的相互依赖性;③长度,变化;④体积,适应性;⑤能量,材料的特性。儿童会逐渐通过实践、科学活动获得上述概念。

科学也可以促进儿童性格的发展。能够通过“动手做”和基于发现的调查等活动实现的、教师和社会高度重视的特别态度包括:

英格兰与威尔士小学科学国家指定课程文件在学习计划(Programmes of Study )中用四部分解释了这些技能、概念和态度:SC1――科学问询,SC2――生命过程和生物,SC3――材料及其属性,SC4――物理过程(DfEE,1995)。技能部分定义为:规划实验工作、获取证据以及考虑证据。北爱尔兰与苏格兰的课程文件Programmes of Study又有所不同。北爱尔兰的小学科学课程文件Programmes of Study缩减为两个要达到的目标:AT1――用科学和技术进行探究和调查;AT2――知识和理解(DEN1,1996),技能部分是计划、执行和制作、解释和评价。在苏格兰,科学课程是环境学习国家指导纲要的一个组成部分(SOED,1993)。技能是这样分类的:计划、搜集证据、记录和表达、解释和评价,并形成有根据的看法。

(二)儿童如何获得这些技能、概念和态度

就儿童的生活方式来说,这些过程可能意味着发现――看、听、摸、尝试和闻;询问一些可以通过发现和直接尝试就可以解决的问题;根据他们对事件已经知道的内容预测他们认为将要发生什么;设计简单的测试以搜集证据;通过观察和测量搜集证据;记录各种形式的证据信息,如图画、模型、表格、图表、图形、录音带以及数据日志等;对观察和测量进行分类排序;用他们自己的语言将它们的经验和观点讲出来或者写出来;在他们自己的观察和测量中寻找模式;用他们搜集到的证据解释他们发现的模式。

在这个过程中教师有非常重要的作用,可以通过以下方式得以体现:帮助学生提出问题并且做出假设;鼓励学生预测和说出他们认为将会发生什么;鼓励更加细致、近距离的观察;帮助儿童观察了解他们的测试是不公正的,或者如何更加公正;鼓励学生什么时候测量是有用的;帮助学生发现记录最有用证据的方式,以便他们能够从他们的观察中发现模式;鼓励儿童思考它们的经验,与他人一起谈论、描述和解释他们的经验;帮助学生明白他们所发现的东西的用途和价值。

三、关于儿童科学学习的研究

过去30年来,关于儿童科学学习的研究主要受到了英国小学科学课程教学的影响,尤其是在科学课成为所有5-16岁的儿童都必须要接受必修课程教学后影响更多。英格兰与威尔士国家指定课程、苏格兰5-14岁国家指导纲要与北爱尔兰课程均在1980年代末、1990年代初颁布。这些文件都首次提出了在小学阶段应该教授科学哪些方面的内容。关于小学科学课程的教学内容和教学方法的决策主要借鉴、应用了一些重要研究项目中所提供的一些证据。绩效评估单位 (APU)在1970-1980年代调查了11、13、15岁儿童的科学知识,列出了这些儿童应该在科学中要做什么的纲要。其他的两个项目也有影响。SPACE (Science Processes and Concepts Exploration) 项目 (1990-1998)调查了儿童的科学观念与意识,STAR (Science Teaching Action Research) 项目研究了与程序技能相关的课堂实践。Harlen(1998,p25)曾经讨论过这些项目的影响。总之,它们――与其他国际项目一起――产生了对儿童自己科学观念研究的兴趣,并且倾向于将建构主义方法引入科学学习。

(一)建构主义与儿童的相异构想

建构主义扎根于心理学、哲学、社会学和教育学。其核心观点就是人们的学习是“建构的”――学习者以先前的知识为基础进行建构。因而,学习是一个积极的、而非消极的过程。建构主义对科学教学有重要的教育启示,它唤起人们对传统的、功利性的实践产生质疑,将学习者放在学习过程的中心。在过去30年的时间中,建构主义方法在科学教学中得到流行和逐步推广。

建构主义教学方法是建立在心理学家和教育学家的工作基础之上的,如卢梭、杜威、皮亚杰、布鲁纳、维果茨基(Rousseau, Dewey, Piaget, Bruner & Vygotsky)等,他们均相信在成长的过程中,儿童在构建他们的经验,儿童是学习过程的中心。卢梭提出课程设置应该围绕儿童的兴趣,儿童学习的最好方式就是通过直接经验、活动和发现,教师就是起一种促进作用。杜威也强调“动手做”经验在儿童学习中的重要性。他相信儿童自然、自发的活动可以直接作为教育目标,给儿童问题让他们解决是最有效的学习方式。皮亚杰和布鲁纳的工作主要是对“认知建构主义”范式的贡献。维果茨基的工作更多的是关于“社会建构主义”,认知建构主义指的是由皮亚杰提出的在儿童基于已有的经验进行建构意义的过程中认知发展要经历的阶段。布鲁纳的研究以皮亚杰的认知发展阶段为基础,并假设儿童是以螺旋的方式建构他们已知内容――他认为儿童可以学习什么没有限制。

社会建构主义强调同伴和教师在儿童学习中的重要作用,维果茨基提出“最近发展区”概念,描述学习什么与在他人的帮助下可以做什么以及学习什么之间的差距。根据维果茨基的观点,教师的角色不仅仅是“促进者”,而且还是儿童参与问题解决活动过程中的指导者、鼓励着和支持者。

建构主义的学习观认为儿童是带着相异构想(alternative framework)(早已形成的观点和思维方式)走进教室的。学习不仅取决于社会、学校和教师为他们创设的学习环境,还取决于他们的前期知识、态度和期望。学习者已拥有了一个和科学家不一样的词汇表,如动物、花、生活、力和能量等。

在一项有关5-7岁儿童概念形成的研究中,Murphy(1987)记录了来自33所学校的280个儿童关于25个科学常用术语的反应。这些孩子被要求描述一个词汇(不是应用该词汇),然后让班内其他的孩子猜测出正确的词汇。表1就呈现了这些反应中的一小部分。

有很多证据能够证明这些相异构想(alternative framework)的存在,即便在一些研究科学达到或者超越一定程度水平的个体中也依然存在。Wandersee, Mintzes 和 Novak (1994)在他们一篇有关科学中的相异构想研究综述中引证了一些例子。比如,电影“神秘宇宙(A Private Universe)”就揭示出哈佛大学毕业生关于“太阳系”的一种持久的基础性错误理解(Pyramid Film & Video, 1988)。在生命科学界一个熟悉的例子就是关于植物营养的。Wandersee (1983)曾经对1400名被试做了一项调查,其中有60%的中小学生和50%的大学生说植物是从土壤中获得它们的大部分养料的。

Millar和Driver (1987)指出了教师在介绍科学概念中的重要作用。他们重申了这样一种观点,即学生在科学学习中遇到的一些困难都有其特定学科领域的根源。儿童和学生可以通过死记硬背学习,记住足够多的信息以通过考试;或者他们可以通过训练能够识别某些特殊模式或者系统化的表征方式,从而能够以恰当的方式做出反应。但是,这种学习方式既不能够使学习者对材料有足够的理解,进而在教室外应用之;也不能够使其达到向其他学习者解释某种现象所需的理解水平。当诸如探究、调查以及问题解决之类的活动能够协同开展,并伴以有效的教师对话时,它们就可以引发对科学概念的理解。与“操练”型的基于计算机的学习相比,加强这些由建构主义路径提出的活动类型,才会对小学的科学课堂最为有利。

针对在小学科学中的建构主义教学方式也有各种批评。其中引用最多的就是:一些研究报告建议教师要确认儿童的相异构想,但是在关于“如何发展这些观点,进而使教师们的教学变得更加科学”的特殊策略方面,几乎没有向教师提出什么建议,尤其是在课堂中,针对每个概念可能会有近30个相异构想。Harlen(1996)认为在一个班级中,发现所有孩子的思想观点,从而来设计适与之相适应的活动是非常困难的。而且,传统观念在教师、学校委员会、校长和家长头脑中根深蒂固,很难改变。

因而,建构主义教学方法在课堂中实施执行常常会遭到许多阻力和障碍。Cohen 等人 (1996)认为从国家指定课程(National Curriculum)的发展来看,学习的建构主义观点全部都回到了过去(Turned it’s back),因为国家指定课程中前提假设是认为所有的孩子都按相同的顺序在学习。Solomon(1994)认为建构主义不适合在绝大多数课堂中发生的学习方式。同时,Hanlen(1996)也报告说,实际上,日常生活中大多数事情都没有遵循科学的观念。Keogh 和Naylor(1996)通过对“动手做(hands-on) ”的方法进行分析,发现学生在计划和解释他们的发现方面用的时间很少或者没有用时间,建议“用脑想(minds-on)”的方法也应该应用,它可以使学生通过将概念与他们自己的经验联系在一起,从而更好的理解概念的内涵。Osborne(1997)曾经提出一个挑战性的问题:“做科学是学习科学的最好方式吗?”

尽管有以上的批评,建构主义的教学方式应用于小学和小学后的科学教育中,在世界范围内还是被广泛采纳和提倡。实际上,南澳大利亚课程标准和义务框架(从出生到12岁)就应用了“学习的概念就是源于建构主义的学习理论”作指导,形成的新的课程框架(CSACSA,2000)。

(二)儿童对科学的兴趣和态度

儿童对科学的兴趣,对于有效的科学学习来说也是一个关键因素,尤其需要培养儿童根据好奇心和有条理地探究解决科学问题的信心。当儿童进入小学后学校(post-primary school)时,他们将会拥有7年的学校学习的经验,会形成自己对科学的态度。

Murphy 和Beggs等(2003a)曾经针对小学儿童的科学态度做过一项大范围调查,发现在对科学的喜爱程度方面,绝大多数年龄大的学生(10-11岁)明显不如年龄小一点儿的学生(8-9岁)态度积极,尽管大的学生在处理科学问题的能力方面拥有更多的信心。

年龄对学生态度的影响远远大于性别对态度的影响。然而,女孩在科学兴趣方面表现得更积极,且在科学课程如何影响她们的环境意识和如何保持健康方面拥有极大的热情。男孩和女孩在喜欢的主题方面也有一些明显差异――一般来说,女孩喜欢生命科学领域的主题,而男孩更喜欢物理科学领域的主题。在尝试提升小学孩子的科学经验方面,Murphy, Beggs和Carlisle(2003,待发表)报告说,增加科学实践和调查工作的量,尤其是让儿童应用ICT学习,对于提升学生对科学的兴趣和喜爱有积极、显著的效果。他们还论证了受年龄和性别的影响,儿童的科学态度有明显下降的趋势。

电子工程师协会(1994)做的一项研究表明:在英国10-14岁之间的儿童,他们对科学的兴趣水平有下降的趋势。Osborne, Driver 和 Simon(1998)发现对学校科学教育的积极态度在11岁和11岁之前达到顶峰,自后急剧下降,在女孩中表现更为明显。他们透露说,科学态度和兴趣在小学早期得到培养,并且被带到中学和成年期。

关于16岁后学生科学理解力比较低的问题,在近半个世纪一直受到关注。个别研究者曾经提出:引发这种现象的部分原因是因为当学生还很年轻的时候,他们就“厌烦”了学校中的科学。绝大多数研究者同意学生对学校科学的兴趣的削弱发生在9-14岁之间(比如Hadden & Johnstone,1983, Shibeci,1984),尽管他们一般对科学保留着积极态度并且知道科学在日常生活中的重要作用。

对学校科学兴趣下降的问题是国际性的。人们也提出了一些原因来解释这种现象,包括小学和小学后学校教育的转变,以内容驱动为特征的科学课程,学校科学教育意识到的困难效率低下的科学教学方式,以及与家庭和社会相关的一些因素。希望ICT在小学科学课程中的应用,能够增加学生的兴趣和动机、儿童的好奇心和对理解的渴求,能够促进他们的科学学习。

(三)教师的专业知识

在最近10年,其他关于儿童科学学习的研究集中在小学教师的角色方面。一些研究发现将问题指向小学教师不具备足够的科学知识背景以及在科学教育中缺乏信心方面,诸如Harlen等(1995)的研究。一些研究批评小学科学课程中某些领域的知识内容的水平问题,Murphy,Beggs等(2001)指出:即便是第三层次的学生,包括那些11-16岁已经完成学校义务科学教育的学生以及一些16岁以后在科学课程中达到合格标准的人,在考试中也不能够正确回答某些面向11岁儿童要求的小学科学课程主题。

当与国家考试重点关注内容知识联系在一起时,这些问题可能也就促成了在小学的最后两年经常将科学当作事实或者“知识体”来教授的现象。教师认为需要保证学生能够记住考试要求的知识内容,以帮助他们为考试做准备。在这个阶段,对学习科学的建构主义理论和科学探究的关注就降低了。Ponchaud (2001)指出:在英国,影响小学教师不能够很好地进行科学教学的更深层次的压力可能还与最近政府颁发的文化与计算方面的法案有关,导致在一些学校的时间表中将科学课安排在下午很短的时间。在关键阶段二(代表7-11岁的儿童)的前几年,教师对科学理解的缺陷导致对科学术语的不正确应用的迹象是比较明显的;过分强调知识的获得,而以损失概念的发展为代价。

Harlen(1997)还关注一些报告学生在某些概念领域中存在困难的国际上的发现。她在对大量研究发现进行总结的基础上得出结论:学生的困难主要源于小学教师没有给予充分的解释。非常有意思的是,所有发表的证据几乎都引用了物理科学中的困难,包括在Murphy 和 Beggs(2003a)的研究中,当儿童被问及她们的观点时,“花”作为科学中最难的内容被提到得最多。这可能取决于关注的是“对部分的学习”,而非对过程的学习。Osborne和 Simon(1996)证明当一个科学家在教授学生时,学生对“我们如何看”的解释做得相当好。

我们提倡改变小学课程内容,以便使教师能够进行令人兴奋的、可以理解的教学。小学教师应该与学生一起对蒸发、重力这些现象进行观察和描述,而对小学后科学不进行任何解释。对生命科学与介绍相关抽象的花和身体部分(比如卵子、肩胛骨)相反,要向小学的儿童介绍植物、动物等生物,用一些具有挑战性的例子刺激他们的兴趣和好奇心。本篇报告的作者认为不能够向小学的孩子教授他们的老师都认为很难的科学内容。

小学教师期望ICT能够帮助他们进行科学教学。实际上,在一个Becta (British Educational Communications and Technology Agency)的科学CD-Rom路展中,教师被要求评价哪些资源可有效示范的。针对面向关键阶段二的儿童(7-11岁)发行的CD-Roms的评论包括以下几个问题:“最适合个别化应用而不适合整班应用”,“需要通过工作表单引导学生使用”,“应用时需要细节知识”,“与学生有限的交互”。评价结果通常显示出:在软件的设计和开发阶段没有对课件产品进行充分的形成性评价,所以导致软件不适合于目标受众而是适合于开发者。

(四)小学科学课程及其评估

目前的小学科学课程以及课程的教学和评价方式受到一些批评,诸如将儿童科学学习仅局限为知识的学习而非作为要求发明创造的探究方法的学习。Ponchaud (2001)认为科学探究在一些小学被忽略了。他指出教师应该利用小学课程的灵活性而设计长时间的实验,而这些在时间表被固定的小学后学校将会变得比较困难。Campbell (2001)和 Ponchaud (2001) 也发现,当被问到他们喜欢在科学课上做什么时,小学生最常见的回答是“做实验”和“发现新东西”。 Bricheno (2000)也证明了小组实践工作和用ICT在促进科学学习积极态度形成方面的重要作用。Murphy和Beggs (2003a)研究也发现在科学课中最喜欢做实验。其原因包括:做实验很有趣;他们找到了一些东西;他们按自己喜欢的方式学习。一个11岁的男孩评论说,在做实验的时候,它能够为他自己做事,能够帮助他记住“新东西”。一个同样大的女孩也说,与仅仅将这些内容写下来相比,实践科学是理解内容的较好的方式。一个8岁的孩子也认为做实验能够“激发思维”。所以,孩子们正在告诉我们实践性的、实验性的科学课对他们的学习是如何重要。

(五)ICT在促进儿童科学学习中的作用

最近有关脑的研究指向了学习的“网络模型”,比如Greenfield (2000)的报告。这些模型将计算机的“思考”、“学习”方式与问题解决联系在一起。它们认为大脑的行为表现与计算机很类似,要不停地加强神经元之间的联系以提升让电信号可以通过的路径的数量。当我们思考的时候,电子活动模式就会通过与我们以前学过的内容建立联系,从而进入到大脑皮层(cerebral cortex)周围的复杂路径。将明显不相关的观点建立起联系(比如行星运动和苹果落地)的能力是早期科学学习的核心,用术语说就是创造力和理解能力。当学生探究材料、物理或生物现象的时候,他们的大脑中会发生物理变化。大脑中发生这种物理变化可以帮助解释35年前奥苏贝尔的断言:“影响学习的唯一重要的因素就是学习者已经知道的东西”(Ausubel,1968)。

这种学习模型预示:主动学习(如建构主义教学方法所提倡的)时,儿童沉浸于知识建构中,可以使神经元之间建立更普遍的联系,从而促进科学学习。ICT的应用可以促进在小学开展更多的建构主义教学。应用建构主义方式进行科学教学时,教师面临的主要问题之一就是在开展每一个新的科学主题之前要考虑30个学生个体的不同的、独特的观点和经验。

McFarlane (2000a)图解展示了ICT应用于儿童科学技能发展的关系(见图2)。

图解看起来好像比较“陈旧”,因为没有提及PowerPoint和交互式白板,而这两项技术成为近3年来大多数课堂中都要使用的常规技术。与特定的ICT应用不同,ICT与小学科学课程整合的方法可能要更多的关注一下普遍因素,比如内容软件和内容无涉软件(content-free software),数据记录,信息处理以及控制技术。

O’Connor (2003)提出了一种将ICT应用于小学科学课堂的方法,该方法植根于建构主义教学。“在这里儿童是他自己发展的”,她描述了多媒体作为一种“辅助建构知识” 而非“从中学习” 的工具如何被最有效的应用。她认为对于内容无涉软件(content-free software)的有效应用可以使儿童控制他们自己的学习,并通过描述一个10-11岁的儿童创作PowerPoint作品,以展示和交流他们对电子线路理解的案例来例证说明。

四、目前ICT在小学科学中的应用

(一)ICT在小学科学中的作用

ICT包含与信息和通讯相关联的一系列技术,比较流行的关于课堂中ICT硬件和计算机设备概念包括一个或多个多媒体台式计算机或笔记本,以及数码相机、打印机、扫描仪、CD刻录机、数字投影仪、交互白板、遥控设备以及在科学教室中的数据记录仪(Data Loggers)和数字显微镜等。在计算机硬盘和附件(通常如软盘、CD-Roms等)中装有一系列的软件。这些机器可以联网或与Internet连接,也可以不联网。这些设备是如何促进小学科学课程的学习与教学的,尤其在科学技能、概念和态度的培养方面,这些内容在上面已列出,总结见表2:

ICT在小学科学课程的调查(技能和态度)以及知识方面(概念)都可以起到支持促进作用,近期关于科学学习越来越多的方法――尤其是社会建构方法论――强调口头交流和写作交流一样重要,是儿童构建意义过程中至关重要的因素。ICT的应用可以极大提升儿童在某些层次水平参与体验有效交流的机会。然而,交流仅是ICT在小学科学课程课堂中应用的一种形式。Ball(2003)将ICT在小学科学教育中的应用分为四类:作为一种工具,作为一种参考资源,作为一种交流手段,作为一种探究工具。

与有关如何应用ICT支持某个特殊主题的报告不同[诸如,《小学科学教育评论》(Primary Science Review)2003年1、2月刊发表的ICT主题文章],目前有关在小学科学教学中应用ICT的系统性研究做得很少。可能我们现在谈论这些还为时尚早,因为小学科学仅仅是英国国家指定课程的一部分,仅有10年多一点的历史,故而在颁布课程以前那些合格教师绝大多数都没有在最初的教师(师范)教育中接受过科学教学或者仅仅接受过很少的INSET科学培训。所以,在对应用ICT促进“好”的小学科学教学形成概念之前,很多老师还没有掌握如何有效地开展科学课程的教学。研究者也很少深入课堂开展系统地实地调查研究。

所以,在接下来的部分,我们就从有关在各种小学科学境脉下的ICT应用报告中挑选出一些例子进行比较。作者主要从两种视角进行解读:一是以中小学教师教育工作者的角色与与科学背景各异的师生合作的视角,二是从AZSTT(Astra Zeneca Science Teaching Trust)资助的研究项目的视角。该项目中科学专业的实习教师与任课教师一同规划、教学和评估科学课程。尽管在AZSTT项目中没有强调ICT的应用,但是我们调查了学生和教师在项目管理、计划、教学的各个阶段应用ICT的信心。调查数据显示,在此项目中学生应用ICT的信心有显著提高,而教师却没有。我们猜测,通过参与,学生在科学课堂的境脉中更有机会来发展他们的ICT技能,而教师更多的关注他们科学知识和技能的发展。还有一个类似的项目,该项目中 ICT(而非科学)作为团队工作的核心,其结果也是教师在科学教学中应用ICT的信心得到提升。

(二)ICT作为一种工具

1.电子制表软件

在小学科学中,电子表格主要用于数据录入、做表、制作图表、形成公平测试和探寻模式的本质要素。小学水平的儿童通常被要求使用电子表格,而非自己创建,能够专注于科学的某些方面(Bell,2003)。然而,Poole(2000)警示说小学生没有经历诸如选择坐标刻度、决定表达数据模式的最好的图表类型等预先准备阶段。他建议关键是培养学生处理和解释数据的能力,所以应用ICT做图应该与教授图表技能一并成为教学计划的一部分,将电子表格的应用看做表2中技能、概念和态度的总结一部分。但是,在小学科学中应用电子表格的附加价值好像就仅是加快了数据可以用图表表征的速度。这也提出了一个实际问题,因为如果学生们不能够自己画图,他们可能经历测量和他们图表表征间的“概念鸿沟”。然而,McFarlane (2000b)认为应用电子表格的图表应用功能可以让数据处理练习的重点放在表征和解释方面,而不仅是简单的建构。

2.数据库

Ball(2003)相当轻视数据库在小学科学中的应用价值,尤其是考虑到由学生收集到的数据和样例通常不适合数据库有效审核这一事实时更是如此。Feasey和Gallear (2001)提供了一些在小学科学中应用数据库的案例指导方针,并且列举了二个例子。第一个例子是10岁的孩子正在搭建一个有关花的数据库,搜集的数据好象与此年龄阶段的孩子理解不相符(花粉囊的长度、细丝的长度、心皮的长度)。这就引发了问题:这种练习的价值是培养小学生的科学理解能力呢,还是培养儿童ICT技能的需求?第二个例子也是一个类似的活动,要求儿童创建一个他们班级的数据库。这个练习更贴近生活,而且它能让学生比手工更快地创建条形图和柱状图作解释。

我发现小孩子(6-7岁大的儿童)应用数据库的一个例子。该案例中儿童与科学专业的教育硕士学生一同工作,他们能够审核一个已经准备好的有关恐龙的数据库。孩子们非常着迷的发现这些巨大的恐龙中有一些是食草动物,他们被激励提问问题并且想找出更多。在这种境脉下,儿童将数据库作为一种探究的工具。

像这样运用数据库工作可以直接提升儿童的分类技能,间接地可以提升他们的推论能力。他们概念性的知识可以被潜在的提升,这主要取决于数据库的境脉。比如用一个“叶子”的数据库进行辨认叶子,可以帮助培养学生对叶子结构的高层次理解,而这对他们以后的生物学学习是有价值的。

3.数据记录仪

数据记录仪是一个在各个层次的实验科学中非常通用的ICT工具。Higginbotham (2003)描述了一个场景,6-7岁的儿童在拿着温度传感器“玩”,发现他们可以通过观察屏幕找出传感器是放在热水中还是冷水中――他们有效地解释着图表数据。然而,Ball(2003)认为一些小学教师没有足够的信心在他们的科学课上有效应用数据记录仪。从我自己帮助学生教师易化数据记录仪的经验来看,我将会加上这些内容:某些传感器不够“结实(robust)”而不能够在日常课堂中应用。传感器可能在一个场景中工作性能良好,而在下一个工作场景中就全不能用。在小学科学中应用传感器的潜在价值就是发展观察、测量、实验、时空关系、解释数据、推论、预测和控制以及管理变量。时间和变化的概念也可以通过数据记录过程得到发展,态度中的好奇心也可以,如果是按小组方式开展工作,儿童们会用他们的方式学会合作。

(三)ICT作为参考资源

1.CD_Roms

在小学科学课堂中应用最普遍的ICT参考资源就是CD_Roms,包括从百科全书资源(比如Encarta)到ASE的科学年鉴CD_Rom(包含了非常丰富的与科学相关的活动)(参见Sutton,2003)。CD_Roms可以像书一样分类存储。鉴于此,学校和一些机构都有CD_Roms“银行”以供使用。北爱尔兰大学学院的将来要教授小学科学的科学专业的师范生评价了一些在小学中最流行应用的一些CD_Roms。表3总结了一些学生的观点,可能对开发者和教师在设计、使用CD_Roms的时候都有帮助。

学生的意见强调关于CD_Roms作为参考资源的不同应用教学法观点。从小学科学的目标是培养儿童技能、概念和态度的视角看,应用CD_Roms既可以促进学生的学习,也可以抑制学生的学习。开发者在这方面起到很关键的作用,他们要确保提供一个学习经历,Bybee通过课件高度激发儿童的学习动机,进而能够使得特定技能、概念和态度得到发展。例如,如果导航晦涩和缺乏清晰教学,该CD_Roms会被教师和学生立即“关掉”。所有软件的开发应该包含一些由目标受众参与的形成性评估阶段。

2.Internet

Internet在小学科学中既可以用于参考资源,也可以被用作交流的手段。在小学课室中链接不到Internet的问题影响了其在小学课程中的应用。但是教师可以下载某些优秀资源供学生使用。儿童在家里将Internet作为一种参考资源使用的方式也很普遍。实际上,儿童应用Internet好像比教师还多。一项有关1,500多名小学生和100多名小学教师(2001年11月)的调查报告说,平均反应差异显著,23%的学生经常使用Internet,而同比教师仅有13%。然而,在从来不使用Internet方面没有显著差异――54%的学生和55%的教师。在此项研究中,有13%的小学生还反映说他们在做作业过程中经常使用计算机(Murphy & Beggs, 2003b)。

Internet可以为小学科学的学习和教学提供丰富的资源。Feasey和Gallear(2001)在ASE文本“小学科学与信息通信技术”中没有包括关于Internet应用的章节,可能是因为那个时候小学课堂中应用Internet还很有限。Cockerham(2001)曾经制作过一个资源,名叫Internet科学,详细介绍了一系列的面向7-11岁儿童的活动。这些活动大部分是由基于儿童导航的理解问题和相关站点的链接构成的。这些活动可以帮助儿童在特定内容领域的概念发展,具有激发好奇心的潜能,以及由于连接和特定URLs的有效性,还可能对发展学生的毅力态度产生很强的影响。最近英国教育传播与技术局Becta(2002)颁发了一个在小学科学中应用网络资源的指导纲要。但是,作为一个科学学习调查研究的促进物,它没有像基于网路的学习那样有广泛的应用。

一个有关小学科学应用Internet的例子是北爱尔兰在2002年3月开展的一项遍及几百所学校的调查研究。有5000多名儿童参加了“科学年”项目,在其中他们用Internet登陆并分析他们的数据。儿童(也可能是教师)向一个准备好的数据库中填写“R”或“L”表明他们在完成下列任务的时候用哪一边:写名字和将一个网球扔进箱子(用左手或右手的习惯);踢网球和用一个腿单脚跳(用左脚或右脚的习惯);在一个包厢中确认安静的声音(用左耳或右耳的习惯);通过一个纸板筒看朋友(用右眼或左眼的习惯)。儿童可以就他们的数据如何填写到整体的程序中以及分析的及时更新方面,获得即时的反馈。研究结论是“用左手还是右手的习惯”与“左右脚习惯”、“左右耳习惯”、“左右眼习惯”没有直接关系。

(四)ICT作为交流手段

1.e-mail和在线论坛

在小学科学的学习与教学中应用e-mail受到限制,因为并不是所有的教室都可以连接网络。但是,对学生来说,与其他学校(无论是地区范围的还是世界范围的)的学生交换多种经验和信息,E-mail的应用潜能还是很大的。目前对全球环境议题开展教学的困难在于学生感到对环境问题无能为力,因此也就不能改变他们的行为以缓解这些问题(Murphy, 2001)。与世界其他地方的儿童开展更多的交流,能够使学生有更多的同情心,能够在一个环境境脉下对更多的思考他们的行为暗示。

应用e-mail也具有促进儿童在小学科学中的交流技能的潜能,特别是在让儿童能够与他们的同伴直接地、非正式地交流有关科学内容的时候。在此项工具能够大范围应用之前,小学教室的联网情况要有大幅度发展。

2.数码相机、演示文稿和交互白板

与显而易见的e-mail和Internet愈来愈多的应用不同,数码相机、演示文稿和交互白板也被证明是帮助儿童发展交流或其他技能的重要的“多面手”。 Lias和Thomas (2003)描述了一个他们在儿童元学习中应用数码照片的例子。由8-9岁儿童组成的班用他们自己的照片开展科学活动,描述他们做了什么,他们为什么做的原因,他们发现了什么以及为什么。儿童对照片(在一个交互白板上展示)的使用(response)产生了很多自信和流畅的描述,而且不需要太多的督促和支持,这在以前的活动中是很少有的。此外,他们的反应也更细致、更完整。几个月后进行测试,当再次向儿童展示照片时,他们对活动的回忆以及对相关科学概念的理解都有明显提升。Lias和Thomas (2003)的目标是用数码照片扩展这些工作,帮助学生批判性的评估自己的进步,确认方式以提升他们所做的工作,识别他们学到的哪些东西是有用的。

象PowerPoint、交互白板等展示工具也为儿童夯实知识、承担学习责任、做学习的主人、进行高水平的批判性思考,与同伴、老师和更多的听众交流自己的学习等方面提供了很好的机会。O’Connor(2003)列举了一个由儿童开发的关于电的幻灯片一的例子,说明了ICT是如何成功与小学科学整合和链接的。

从技能、概念和态度视角看,演示工具在促进儿童小学科学学习方面有非常大的潜能。通过准备一个演示,儿童需要做很多事情,包括与规划的各方面进行交流、做实验、反复叙述(rehearsing)假设、描述方法、讨论他们的记录程序。他们可能还要解释数据,推断和得出结论,还有可能要求他们向他们的同伴“介绍关于他们工作的故事”。合作、毅力(坚持性)、原创性、责任感、独立思考、自我批评、开放的心态等态度因素也都能够被培养。他们必须要交流他们关于科学概念的理解,还有可能要回答一些在这些方面获得信息较少的同伴所提出的问题,这就使建构主义学习以其最高级的方式进行(Vygotsky,1978)。我要提出的是,如O’Connor(2003)所报告的,在小学科学学习中,儿童可能在表征科学信息方面最能从ICT的课堂应用中受益。

(五)ICT作为探究的工具

1.控制技术

ICT可以以一种实验或者探究的方式应用,让儿童在一种安全和可以获得支持的境脉下共组让儿童在一种安全和可以获得支持的境脉下工作(Dorman,1999)。儿童可以应用诸如“流浪者”、“小精灵”这样的ICT装置作为一种调查研究的工具。Dormant(ibid)声称通过这种方式,学习就“不再是计算机辅助教学的简单模型,而是转向了计算机扩展思考的方式,计算机成了辅助思考的工具”(Papert,1980)。他举了一个例子来说明这一点。儿童(3/4岁)围坐成一个圆圈,玩“流浪者”,他们可以相互送“流浪者”。一个孩子秘密的涉及了一个程序操纵机器人,一个孩子秘密的设计了一个程序操纵机器人,在它到达这个孩子的对面之前就发出哗哗声,然后走回来。很快,其他的孩子们也给“流浪者” 编程,让它执行各种形式的电子舞蹈(Dorman,1999)。孩子们开始认真的合作,相互学习,以便能够从这个机器人身上得到更多的快乐。

2.模拟器和虚拟现实

可能在当今小学科学课堂中应用ICT最少被应用的就是模拟器和虚拟现实。TTA指导纲要中列举了一个有关在小学科学中应用模拟器的例子(TTA,2003)。教师用一个程序模拟不同尺寸的降落伞下降的速度,安排学生以小组的方式用一个多星期的时间在教室的计算机上用这个程序,强调学生们要在实验前预测他们虚拟实验的结果,并且要求每一个小组就他们在应用该程序的过程中学到的内容写一份简要的协作报告。教师并不是想要将“虚拟实验室”工作替代现实活动,而是认为在计算机上做实验是帮助学生用他们学过的空气阻力知识来预测和做假设的一个很好的方式。学生们可以获得即时反馈,加深他们在空气阻力是如何起作用的方面的学习。

(六)ICT与小学科学整合的案例研究

教师培训局(The Teacher Training Agency)制定过有关ICT在小学科学中应用的清晰地指导纲要和范例材料,主要面向的是导师和培训低年级师范生的新教师培训协会(TTA,2003)。他们引用了此领域的3个案例研究例证了他们的指导:①分组和变换材料(6/7岁); ②他们学校中的环境和无脊椎动物(8/9岁); ③力(10/11岁)。每一个案例研究都显示出课程文件与课本和计算机资源所给的背景信息及说明联系在一起。比如说第一个案例:

“在教室里有2台计算机连接了彩色打印机,学校有一个独立的ICT区域,装备有10网的计算机和一个很大的、可供全班看的展示屏。教师有一些用计算机工作的经验,并且可以得到学校ICT协同工作者的支持。教师还可以在规划此项工作的时候得到学校科学科的协同工作者的支持……教师还与工作在其他学校的一个也是教授同一单元内容的同伴就此项目进行了讨论。他们同意在他们班级的学生中建立e-mail交流。”

这个案例研究根据调查一步步执行下来,指示教师针对不同的ICT设备在用什么、怎么用以及什么时候用几方面做决策,比如,教师发现Internet和CD_Roms没有提供比她用的书本资源那么多的有用信息。

尽管带有明显地理想化和宽泛化色彩,案例研究确实提供了一个关于ICT在小学科学中应用方式的很有用的信息资源。与学生反映有关的意见和教室条件的限制,可以为软件开发者在为小学科学设计课件时提供非常有价值的见解。

五、探究ICT促进小学科学学习的特定领域

在本篇文献综述中,提出的一些问题直接指向了小学科学和ICT研究之间的差距。比如有关小学教师的科学知识部分,就提出小学科学教育的内容对教师来说太难了,更不用说学生了。需要在决定哪些科学内容是适合小学孩子学习方面进行更多的研究。显然,如果儿童在小学没有被正确的教导,那么他们在接受小学后教育时就会对某些科学主题产生更多的困惑,这些困惑可能比他对该内容的了解还多。这将会导致在中学产生更多的学习与教学问题,比学习那些他们以前从没有学习过的内容时产生的学习与教学问题还要多。

关于ICT促进儿童科学学习的作用,提出的主要问题是应该如何应用ICT,以帮助科学教学中建构主义的教学方法。尤其在关于什么类型的应用可能会提升科学学习的哪些不同方面的研究非常缺乏。内容无涉软件(content-free software,不涉及内容,与内容无关的软件)在帮助儿童建构和交流思想方面是非常有效的吗?如果是这样,哪种应用软件是最适合建构思想的?哪种应用软件是最适合交流观点的?以及这些软件该如何应用呢?还有比如,表征演示软件能否促进这两个过程?

在本文献综述所涉及的内容中,有一些信息是面向软件、硬件设计者的。软件设计者需要与目标受众(包括儿童和老师)开展更密切的接触,至少在形成性评价阶段应该如此。如果在课件制作的规范说明和设计等早期阶段就有教师参与,那就会更有益。在许多面向小学科学应用而设计的软件中,教学法方面的因素非常缺乏。在本报告第四部分,一个由师范生(student teachers)对一些出版发行的小学科学CD_Roms的评价表明有如下问题:内容对目标年龄的群体来说太难;不同能力水平没有差别;没有充足的学生交互;评价因素缺乏,如没有“第二次机会”设置;没有对实验结果的解释。

如果在生产过程中,多一些向这个领域的教学法专家咨询,或者在每一个阶段多一些由目标群体进行评价,这些问题可以很容易被发现。本报告的作者提出一套开发者在向专题领域的专家咨询时都必须要说的一般教学法观点,适合于所有的课件开发。

本文献综述提到的对硬件开发者的启示也是很多的。在前面提出了数据记录仪的观点。在小学和中学应用的数据记录仪应该具有非常好的稳健性(robust)。遥控数据记录仪将是比较理想的,如果能够提供可靠的可复写数据就更好了。从作者自己的经验看,这一代的数据记录仪在这一点经常是很欠缺的。

[资料来源]

本文系由Colette Murphy为英国Futurelab撰写的一个文献综述。原文出自Futurelab网站,对该文的编译符合原版权拥有者(ISBN: 0-9544695-2-6,Futurelab,2002)Futurelab的开放存取政策,该译文已经明确标明原作者、出处及版权信息。特此对原作者及Futurelab表示感谢。读者查阅原文可访问以下网址:www.省略.uk/。

[作/译者简介]

Colette Murphy,英国贝尔法斯特女皇大学教育研究所资深讲师,学习与教学研究部负责人;教授教育学研究生证书(PGCE)课程中的学习理论、生物学科学,以及科学教育、认知心理学、学习与教学中的ICT评估等课程,研究兴趣主要集中在生活与工作、协同教学与协作生成性对话、科学教育等方面。贾义敏,华南师范大学教育信息技术学院,主要研究兴趣为学习科学与技术、教育技术学基本理论和网络课程资源(jiaym@scnu.省略)。

Literature Review in Primary Science and ICT

Colette Murphy1Translated by Jia Yimin2

(1. Graduate School of Education,Queens University, Belfast;

2. Future Education Research Center, South China Normal University, Guangzhou Guangdong 510631)

【Abstract】 This review focuses on the development of primary science since it was first introduced in 1989 as a compulsory, core subject in the primary curriculum in England and Wales. It considers the impact of ICT in primary science in relation to the role of teacher and learner, teachers’ subject knowledge, the balance between process skills and science content, and the application of formative assessment. It also provides a critical evaluation of ways in which ICT is currently being used to promote good science teaching. It calls for specific and systematic research into various applications and their potential for enhancing children’s learning in primary science. Finally it suggests implications for software and hardware developers which are aimed at enhancing children’s learning experience in primary science.

【Keywords】 Primary science; Science literacy; ICT

本文责编:陶侃