摘要科学教育将目标指向培养公民的科学素养，科学发现学习这一学习方式能有效促成科学教育目标的实现。当前，国外对科学发现学习的研究已涉及认知机制、过程步骤、环境设计开发，国内的研究也包括理论、实践等方面。科学发现学习环境的使用总是差强人意，究其原因是设计开发时忽略了对环境的概念设计，应当运用学习者中心设计方法对科学发现学习环境进行概念设计。
关键词科学发现学习 研究现状 概念设计
中图分类号：G442 文献标识码：A
Survery of Scientific Discovery Learning
WANG Lu, CAO Li
(School of Journalism and Communication, Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu 225002)
AbstractThe goal of science education is the training of scientific literacy, scientific discovery learning is the efficient way. The research of abord involes cognitive mechanism, procedure, the design and develop of environment, the research of china involes theory and practice. But the use of scientific discovery learning environment is barely satisfactory, the reseaon is the ignore of concept design, so it"s wise to concept design the scientific discovery learning enviornment with the learner-centered design method.
Key wordsscientific discovery learning; the recent research; concept design
1 科学发现学习的提出
当前，科学知识的“爆炸”式增长，及其带来的人类社会的深刻变革，使得提升国民的科学素养和创新能力彰显出越来越重要和紧迫的现实意义。在此背景下，传统的通过教师的直接讲授方式让学习者识记大量的科学概念、定律和理论的教学方法就显得不合时宜了。20世纪以前，杜威指出，学生需要学习的不仅是科学知识体系，更重要的是科学探究过程和方法。20世纪中期，布鲁纳带头掀起世界性的课程改革运动。与此同时，受当时科学哲学的影响，芝加哥大学的施瓦布以“科学的结构是不断变化的”为前提，主张把科学的可变性渗透到课程中，并采用探究教学来教授“作为探究的科学”，探究学习一词便是他于1964年首次提出的。“科学发现学习”(Scientific Discovery Learning)是指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。①学习者通过模拟科学家进行科学研究的方式进行学习，从而掌握科学知识结构，并体验科学探究的过程与方法。
结合计算机模拟技术的发展，基于网络的探究式学习环境成为实施科学发现学习的有效途径。当前主流的科学探究学习环境包括WISE、Co-Lab、CoVis、Simquest、Interactive Physics等，这些学习环境采用了以学习者为中心的设计方法，为了支持学习者进行科学发现学习，提供了大量的支架，表现为一系列工具。
2 科学发现学习的研究现状
2.1 国外研究现状
目前，国外对于“科学发现学习”的研究集中在认知机制、过程步骤、环境开发等方面。
从认知机制看，科学发现学习属于特定领域内定义良好的问题解决活动。在大多数的问题解决活动中，问题解决活动只在一个问题空间中展开。而在科学发现学习活动中，学习者需要不断地设计实验、收集数据，并猜想数据背后的规律，直到实验数据能够支持所猜想的规律。因此，这里学习者的问题空间包括两个子空间：一是学习者设计的实验在记忆中的映射，称为实验空间(experiment space)；二是由学习者猜想的所有可能存在的规律构成的假设空间(hypothesis space)。Klahr 和Joolingen 等人提出了科学发现的双重搜索理论(Scientific Discoveryas Dual Search，简称SDDS)。②③在SDDS的基础上，ESDDS进一步将假设空间分为了变量空间和关系空间。
从过程步骤看，发现是同化概念和原理的心理过程，包括观察、分类、测量、描述、推理等活动；探究是确定问题、建立假设、设计实验、收集数据、作结论的过程，除了发现的各种活动外，它还包括预测、实验、控制变量、实验、解释数据、及交流等活动。④对于科学发现学习的过程，不同的研究者在不同时期的观点各有侧重，如：Van Joolingen 和 de Jong 早年将它描述为一系列细节过程，如“归纳出一个变量”、“推翻假设”等；Quintana则提出应包含“产生假设”、“过程管理”以及“反馈、评价”。目前比较常用的是de Jong等提出的，将科学发现的过程定义为“分析问题”、“产生假设”、“实验”（设计实验、预测、数据阐释）、“得出结论”和“评价”等五个阶段，贯穿这些阶段的还有用于计划和引导学习过程的“学习管理或控制”工具。⑤
由于现实世界中的种种限制与计算机仿真技术的发展，越来越多的研究者正着眼于设计与开发基于仿真技术的科学发现学习环境。已知的科学发现学习环境包括：Simquest 、WISE 和Co-Lab等。因为科学发现学习是个复杂的过程，学习者会遇到各种困难与挑战。因此，上述科学发现学习环境，大多从过程模块和辅助工具两方面对学习者提供指导与支持，如WISE的“支架式的知识整合理论框架”（SKIF）、⑥Co-lab的“过程导航”(Process Coordinator)和Simquest的“假设编辑器”(Hypothesis Scratchpad)等。
2.2 国内研究现状
国内并没有明确提出“科学发现学习”的概念，而是用“发现学习”、“探究学习”体现科学发现学习的思想。在相关文献中主要分为两类：理论类和实践类。
理论类，一是从学习方式的角度将发现学习、探究学习、研究性学习进行比较。二是强调学习方式的变更对教与学各方面的要求，要求老师以学习者为中心，在教学方法和策略上采用探究式、发现式、研究式教学；同时将科学探究与科学知识、情感态度价值观等并列为主体的评价方面等。还有文章着重描述采用探究、发现思想在激发学生动机、培养学生创造性思维、提高科学素养方面具备作用，这种教育思想一定程度上也帮助了特殊教育的展开。
实践类则是在日常教学中运用发现、探究的思想进行教学的案例，大多集中在数学、化学、物理、生物、自然领域，参与探究的学生多为幼儿、小学、初中阶段。在具体的实施时，大致包括：发现问题、猜想与假设、制定计划、进行实验、收集证据、表达与交流、评价反思以及应用。
不难看出，国内对于科学发现学习的研究还停留在理论浅层探讨、实践留于形式的层面。结合计算机模拟技术的发展，以科学发现为核心的学习环境逐步得到大家的重视，在国内也涉及对此类学习环境的使用、设计和开发。使用上包括在现有学习环境中创设项目，如应用Jeroo微世界进行教学。设计层面上，有研究者设计了一个电磁学网上学习环境，作者通过对物理电磁学部分内容的理解，开创了一个学习环境的设计层面的理解。对于已开发的科学发现学习环境，包括浮力探究环境、潜水艇原理等。
3 存在的问题及解决关键
3.1 当前对科学发现学习研究中存在的问题
国内外对于科学发现学习的研究在理论上已日趋完善，在科学发现学习环境的设计开发上，已有的学习环境着重于支架性工具的运用。应当承认，这些设计尚处于零散的状态，学习者在使用软件学习后虽完成了问题的解决，却无法体会科学发现的精神，无法掌握科学发现技能、形成科学发现态度。
Palh和Beitz的普适设计方法学中将产品设计过程分为明确任务阶段、概念设计阶段、具体化设计阶段和详细设计阶段，每个阶段有自己的策略、规则和原理。软件系统作为特殊的产品，也应当经历任务分析、概念设计、具体设计等阶段。其中，概念设计产品概念设计是产品设计中最重要的关键阶段。这主要表现在以下几个方面：首先，据资料显示，概念设计阶段投入的费用虽然只占产品开发总成本的5％，却决定了产品总成本的70％以上；⑦其次，概念设计决定了产品的基本特征、性能和主要框架，在概念设计结束后，设计的主要方面就被决定下来了；更重要的是，概念设计阶段自由度较大，所受的约束较少。但在概念设计的应用领域，目前仍主要停留在机械电子、建筑、艺术领域，在教育领域仍没有明确的运用。科学发现学习系统的开发更是忽略了概念设计阶段，直接导致了科学发现系统的理论与实际开发相脱节，支架的设计与开发相当零散。
3.2 科学发现学习环境的概念设计
对于“概念设计”的研究，可以追述到1984年，Palh和Beitz在《Engineering Design》中第一次提出概念设计名词，并将它定义为“在确定任务之后，通过抽象化拟订功能结构，寻求适当的作用原理及其组合，确定出基本求解途径，得出求解方案，这一部分设计工作叫做概念设计。”⑧自此，许多学者开始用这一名词定义设计方案的初始阶段。Rao M则定义为：“概念设计是在全面考虑各种设计约束的条件下，以设计目标为输入，以产品概念设计方案为输出的系统所包含的工作流程，它是决定产品最终质量、市场竞争力及企业获利的关键因素。”⑨
对于科学发现学习环境的概念设计，Soloway等人提出了学习者中心的设计方法（LCD，learner-centered design）。该方法区分了学习者与用户、学习活动与工作任务的差异，提出科学发现学习环境设计的核心在于为学习活动提供脚手架，以支持学习者的建构式学习活动。⑩学习者中心设计的概念早在1994年就已提出，Quintana等人提出LCD过程应该包括：（1）描述和特征化目标学习者，他们所要进入的实践以及他们的学习目标；（2）标识出学习者在进入特定实践时可能需要支持的领域；（3）发展支架途径，这些途径都概念化并在软件中执行，支架用来支持早前定义的需求。因此，运用LCD对科学发现学习环境进行概念设计的过程应当包括：（1）特征化目标学习者；（2）描述科学发现学习的任务；（3）分析学习者在科学发现学习过程中所遇到的困难；（4）设计科学发现学习环境中的可消退性支架；（5）得出科学发现学习环境的概念模型。
注释
①Jong, T.de & Joolingen, W.R. van. Scientific discovery learning with computer simulations of conceptual domains[J]. Review of Educational Research. 1998(68).
②Klahr D, Dunbar K. Dual space search during scientific reasoning[J]. Cognitie Science. 1988: 12.
③Joolingen, Jong. An extended dual search space model of scientific discovery learning[J]. Instructional Science.1997:25.
④Leslie W.Trowbridge, Rodger W.Bybee, Janet Carlson Powell. Teaching Secondary School Science. Prentice-Hall Inc.,7thEdition, 1996:207.
⑤Jan Elen,Richard Edward Clark,Joost Lowyck,European AssociationHandling Complexity in Learning Environments:Theory and Research [M]. Elsevier. 11830 Westline Industrial Drive, St. Louis, MO 63146. 2006-07-11.
⑥黄都.促进知识整合的科学探究环境设计——基于对WISE网络探究平台的评介[J].全球教育展望,2004(7).
⑦Hyeon H J,Parsaei H R,Wong J P.Concurrent engineering：The Manufacturing Philosophy for the 90’s[J].Computer Industry Engineering.1991.21(1-4):34-39.
⑧Palh G,Beitz W. Engineering Design [M]. The design council, 1984.
⑨RAO M, et al. Integrated distributed intelligent systems in manufacturing [M]. London: Chapman & Hall,1992.
⑩Robert Keith Sawyer.The Cambridge Handbook of the Learning Sciences[M].Cambridge University Press,2006.
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