科学课堂中探究式教学质量研究：一项关于中小学探究式科学教学的系统性视频研究

主要作者与研究机构

本研究由丹麦哥本哈根大学科学教育系的Magdalena Kersting、挪威特罗姆瑟大学教育系的Solveig Karlsen、奥斯陆大学教师教育与学校研究系的Marianne Ødegaard、Marit Kjærnsli，以及挪威内陆应用科学大学的Mai Lill Suhr Lunde等多位学者合作完成。论文发表于《International Journal of Science Education》2023年第45卷第17期，页码为1463至1484页。

研究背景与目的

本研究的核心科学领域是科学教育，具体聚焦于探究式教学（inquiry-based teaching）的质量评估。在科学教育研究与实践中，探究式教学已被广泛采用，许多国家的课程政策都在推动其在课堂中的实施。其背后的理念在于，让学生像科学家一样工作，能够增强学生的学习自主性并提升教学质量。然而，学术界对于何为“探究”以及何为“质量”并未达成共识。更为关键的是，部分来自国际大规模评估项目（如PISA和TIMSS）的研究结果揭示了一种曲线关系，即更频繁的探究活动并不必然带来更好的科学成绩。这一发现凸显了研究探究式教学“质量”而非“数量”的必要性。然而，传统的评估方法，如学生和教师的自我报告，往往存在感知偏差，且分析单元（如学生或学校层面）可能不恰当。为此，学者们呼吁采用如视频观察等更具定性的视角，以深入探究探究活动的理想数量与质量。

本研究正是响应了这一呼吁，旨在通过提出一个可操作的观察框架，系统分析20个挪威中小学课堂的探究式教学实践，从而更好地理解影响探究式教学质量的因素，并探讨教师如何借此在科学课堂中赋能学生（empower students）。研究设定了两个核心研究问题：第一，所观察的中小学课堂中探究式科学教学的质量有何特征？第二，探究式科学教学与学生参与（student participation）的质量之间有何联系？

研究设计与方法

本研究属于大型教育研究项目“科学教学与学生影响”（Linking Instruction in Science and Student Impact, LISSI）的一部分。该项目旨在通过混合研究方法，全面理解不同类型教学与科学教学质量和学生产出之间的关系。本文聚焦于该项目首轮课堂观察的视频数据。

研究对象与数据收集 研究团队在挪威10所小学和10所初中课堂中进行了视频录制，涉及约450名学生。其中，四年级学生约160名，八年级学生约290名。每个教室安装了两台摄像机，分别对准教师和学生，并配备了两个麦克风。此外，还在两名学生头部安装了摄像头以捕捉小组活动。观察周期为每间教室一至四周，最终共收集到73节科学课的录像。所有参与者、家长及教师均签署了知情同意书，研究获得了挪威研究数据中心（Norwegian Centre for Research Data）的伦理批准。

核心研究工具：观察手册的研发 为将教学质量操作化为可观察的指标，研究团队通过三个步骤开发了一个观察手册（observation manual）。首先，团队识别的现有课堂观察工具，如PLATO协议、EQUIP协议等，提取共同特征。其次，选取并调整相关类别，使其适配科学教学的特定要求。最后，通过多轮试点和专家讨论，对手册中的类别进行修正，以提升效度和信度。

该手册构建了一个包含三大支柱与五个教学维度的理论框架。其中，三大支柱为“行动力”（power to act）、“知识”（knowledge）和“学习环境”（learning environment）。本研究聚焦于“行动力”支柱下的两个核心维度：“探究”（inquiry）和“促进学习参与”（facilitating student participation）。在“探究”维度下，又细分为五个可评分的类别：准备阶段（preparation）、数据收集（data collection）、巩固阶段（consolidation）、自由度（degrees of freedom）以及科学本质（Nature of Science, NOS）。每个类别的评分范围均为1到4分，1分代表几乎无证据，4分代表有持续且强有力的证据。例如，在“准备阶段”，得3-4分的标准是提出可研究的问题或假设，而得1-2分仅限于激活已有知识。在“数据收集”阶段，得3-4分需要针对问题进行数据收集与系统记录，而1-2分则可能缺乏文档记录。“巩固阶段”得高分需要学生从数据中得出结论并关联理论知识，低分则仅为简单描述。

数据分析流程 数据分析采用Mangold Interact软件进行。编码工作由七名受过专门培训的研究人员完成，其中20%的视频材料由两人独立编码以检验评分者信度，科恩卡帕系数（Cohen’s kappa）超过0.6，信度良好。分析的第一步是将所有教学视频切割为15分钟的片段，并根据观察手册对每个片段进行编码。为研究探究式教学的整体质量，研究者确定了以“课时”而非15分钟片段作为进一步分析的基本单元。随后，根据每节课在准备、数据收集、巩固三个探究阶段获得的最高分数，将所有课时划分为三种类型：“无探究”课（no inquiry）、“有探究元素”课（elements of inquiry）和“探究”课（inquiry）。这一分类为后续的质量特征分析与比较奠定了基础。

主要研究发现

对研究问题一的回应：探究式教学的质量特征 研究首先从整体上描述了探究活动的分布情况。结果显示，约25%的四年级和八年级课时被归类为完整的“探究”课。此外，初中阶段有更多课时包含“探究元素”，这表明初中生的探究活动持续时间可能更长。

在“准备阶段”的质量方面，研究发现大部分探究相关的课时得分仅为2分，这意味着教师大多只是激发学生好奇心或激活其已有知识，但很少引导学生自己提出研究问题、假设或规划研究步骤。没有一个课时在“让学生基于自己的问题规划探究”这一指标上获得满分4分。

“数据收集阶段”的质量则普遍较高。在超过80%的探究相关课时中，学生都有数据收集活动。约有一半的课时获得了3分，表明学生能基于一个研究问题收集并适当地记录数据。引人注目的是，在四年级的探究课时中，有相当一部分获得了4分，说明小学生更频繁、更系统地对数据进行系统化和分类。相比之下，八年级获得4分的课时较少，这揭示出小学阶段在系统性收集和记录数据方面表现更优。

“巩固阶段”的结果显示，初中阶段对该环节更为重视且质量更高。在八年级的探究相关课时中，有三分之二获得了3或4分，意味着学生在讨论中能从数据中得出结论，并将其与科学理论知识相联系。而在四年级，只有约一半的课时达到3分水平，且这些结论往往未能与理论建立连接。此外，小学阶段有半数课时的巩固质量较低，仅仅是对观察结果的简单描述，并未基于证据进行论证。

在贯穿各探究阶段的“自由度”方面，研究发现大部分探究活动给予学生的自由选择空间有限。在绝大多数获得2分的课时中，教师主导了大部分决策。仅有极少数课时达到了3分，让学生负责两项探究活动的决策。未观察到任何学生完全自主进行所有探究活动的课时。值得注意的是，当学生使用书籍、互联网等二手资料时，其拥有的自由度高于从事实际操作和实验。对比分析表明，在无探究的课堂中，约有一半的课时学生完全没有选择自由，这从反面印证了探究式教学确实为学生提供了更多自主选择的机会。

关于“科学本质”（NOS）的教学，研究发现教师在探究相关课程中会更频繁地涉及NOS议题，但仍不够普遍和深入。在无探究的课程中，超过90%的教学在NOS上得分较低。在探究相关课程中，约有三分之一的教学获得了3分，表现为教师明确提及了至少一个NOS方面，并将其与课堂内容清晰关联。例如，教师会强调科学模型建立在观察之上，或研究者需要通过调查获取证据。然而，没有一节课达到最高分4分，即由师生共同对科学本质进行深度反思和讨论。

对研究问题二的回应：探究教学与学生参与的联系 为探究这一问题，研究对比了“无探究”、“有探究元素”和“探究”三类课程在“促进学习参与”维度下各指标的得分。研究结果清晰地表明，探究式教学与学生参与质量的提升存在显著正相关。

在“课堂话语”（classroom discourse）方面，探究型课堂获得高分的比例显著更高，表明学生更多地参与到开放式的科学问题讨论中，师生间相互倾听、阐释并发展对方的科学观点。

在“教师角色”（teacher role）方面，几乎所有的探究型课堂都获得了满分4分，意味着教师在探究课中持续、有效地组织学生的互动与对话。相反，在无探究的课堂中，教师往往是课堂的中心，偶尔才会组织学生间的交流。

在“学生参与”指标上，课堂探究程度越高，学生主动参与的质量也越高。探究课上，学生更多地深度参与讨论、调查和其他活动，并表现出更清晰的任务专注度。同时，探究课中的“实践工作”（practical work）不仅频率更高，而且质量也更好，其实践活动被更明确地与科学概念的学习紧密联结。

研究结论、意义与价值

本研究的重要学术贡献在于，它通过对挪威20个中小学科学课堂视频的系统分析，为探究式教学的质量特征提供了细致入微的实证刻画，并清晰揭示了探究式教学与学生高质量参与之间的内在联系。研究的核心意义在于，它回应了学界长久以来对于关注探究式教学“质量”而非“数量”的呼吁，填补了国际大规模评估中缺乏对课堂实际过程深入观察的空白。研究发现为教师教育和专业发展提供了具体、可操作的启示。研究指出，教师可以通过一系列具体策略来提升探究教学的质量，从而赋能学生。这些策略包括：在准备阶段，引导学生从“好奇”走向“提出可研究的问题和假设”；在数据收集阶段，即使是使用二手资料，也应强调系统的记录与分析；在至关重要的巩固阶段，特别是小学，应投入更多时间引导学生将数据与科学理论相连接，进行基于证据的论证；整体上，教师需要审慎地给予学生更多的“自由度”，并采取更直接明确的方式来教授“科学本质”，从而增强学生的体验和认知。

该研究的最终价值落脚于“赋能”（empowerment）这一教育目标。它认为，高质量的探究式教学能够增强学生的“行动力”（power to act）和能动性，使其能够设定目标、运用知识产生积极影响，从而实现一种变革性的成长。研究提供的详细观察指标，为教师和教育工作者反思和改进自身的探究教学实践提供了有力的工具。

研究亮点与局限

本研究的首要亮点在于其研究方法的创新性与严谨性。它采用了系统性视频研究的设计，通过开发一套基于理论框架且具有高信度的、包含精细可观察指标的观察手册，将抽象的教学质量概念成功地操作化，克服了依赖师生自陈报告的研究方法的局限。其次，研究的独特之处在于其对探究过程的解构式分析，并非笼统评价，而是分别对“准备”、“数据收集”、“巩固”等不同阶段以及“自由度”、“科学本质”等跨阶段特征进行精细评分，从而精准定位了不同学段（小学与初中）在各个具体环节上的质量差异和提升空间。这一发现本身，即小学生数据收集更系统而初中生巩固更深入等现象，为分学段、分环节的教学改进提供了新颖且关键的洞见。

当然，也应认识到本研究的局限性。作为一个定性的视频研究，其样本量（20个课堂）相对较小，且学校选择并非完全随机，这限制了研究结果向更广泛群体的统计概括。此外，研究中被划分为“探究”和“有探究元素”的课时总数不算多，因此我们在看待各类别下得分分布的百分比时需保持谨慎。研究主要采取了以教师为中心的视角，对学生个人的动机、能力等因素对教学效果的交互影响考虑有限。尽管如此，该研究作为对大规模定量评估的有力补充，为理解科学课堂中探究实践的丰富性与复杂性提供了不可多得的深刻见解。