强化儿童科学思维的综合途径：科学推理的直接指导与教师言语支持的训练外文翻译资料

强化儿童科学思维的综合途径：科学推理的直接指导与教师言语支持的训练

Joep van der Graaf, Eva van de Sande, Martine Gijsel amp; Eliane Segers 荷兰奈梅亨拉德布大学行为科学研究所；

荷兰恩施赫德特温特大学教学技术系；荷兰恩施赫德撒克逊应用科学大学教育与教育学院

摘要： 以探究为基础的课程已被证明可以提高儿童的科学思维（即推理能力和领域知识）。尽管实证研究表明研究性学习需要指导，但研究来自两种尚未跨越的途径：科学推理的直接指导和语言支持的教师培训。我们通过比较基础对照、直接教学、言语支持和组合教学四种情况，研究了这两种教学方式分别或组合对儿童科学思维的强化作用。以301名四年级学生为被试，研究了以探究式教学为基础的科学推理能力、词汇和领域知识（远近迁移）的教学效果。结果表明，两种方法都强化了科学推理能力的不同组成部分，且它们的组合对科学推理能力、词汇和领域知识最有效。只有在提供了这两个指令的情况下，才能加强特定领域的知识获取。因此，可以得出结论，每种类型的教学有独特的贡献，儿童的科学学习，这些指示相互补充。因此，我们的研究显示，以探究式教学为基础的系列课，在进行科学推理的直接指导和以口头支持为框架时最有效。

文章历史2018年9月10日收到2019年3月9日接受

关键词:科学思维；研究性学习；直接教学；言语支持；小学；干预

在二十一世纪技能的总称下，发展科学思维被认为是STEM教育（科学、技术、工程和数学）的主要目标（Fischer等人，2014）。科学思维结合了科学推理的一般能力（即科学探究的阶段：提出问题、设计实验、得出推论和结论）和对科学具有特定领域的知识（Klahr、Zimmerman和Jirout，2011）。尤其，科学推理对于儿童通过探究获得STEM领域特定知识是必要的（Andersen amp; Garcia Mila，2017）。探究学习是在课堂上教授STEM的一种常见方式（经济合作与发展组织[OECD]，2014），研究一直表明，探究式学习中的教师指导至关重要（Alfieri、Brooks、Aldrich和Tenenbaum，2011；Kirschner、Sweller和Clark，2006；Lazonder和Harmsen，2016）。然而，如何在加强儿童科学思维方面最好地实施教师指导，目前还没有真正的共识。通过直接指导让孩子们明确地思考如何设计和进行实验的方法目前教被推崇（Dunbar amp; Klahr，2012）。另一种方法是，教师提供有助于提出问题和得出推论的学术语言（如Barber、Catz和Arya，2006年）。帮助儿童从探究性学习中获得最佳收益最好的方法是将这两个方法的优点结合起来，而到目前为止，这两个方法是分开研究的。在本研究中，我们探讨了如何通过实施直接指导、言语支持或与基线相比较的组合方法来提高探究式系列课对儿童科学思维的有效性。

一、科学推理能力的直接指导

科学推理的核心能力与探究周期的整体阶段一致：建构假设、实验和基于证据得出结论（Klahr，2000）。建构假设是从一个研究问题中创造出一个假设的过程，这个过程可以通过各种推理过程，如类比推理和从理论转向可检验假设的演绎推理。实验包括设计和进行实验，以获得回答研究问题的证据。结论可以从证据中通过逻辑推理和归纳推理得出。

实验是科学推理的一个组成部分，它最有可能为儿童提供有效的探究式学习的基础（Zimmerman，2007）。举一个例子，具有更好实验能力的儿童通过探究获得特定领域知识的能力更强（Edelsbrunner，Schalk，Schumacher，amp;斯特恩，2015）。实验是研究性学习的核心，因为通过建立和进行实验，孩子们学习了如何提出可研究的问题，以及如何从实验的证据中得出结论。设计多变量无约束实验的策略称为变量控制策略（CVS）（Chen amp; Klahr，1999）。该策略指出，为了研究单个变量（焦点变量），必须操纵该变量，同时保持其他变量（即控制变量）不变。在没有指导的情况下，儿童往往会同时操纵多个变量（Wilkening amp; Huber，2004）。这可能是因为他们倾向于产生效果，而这些效果往往符合他们自己的预期（Dunbaramp;Klahr，2012）。

研究表明，小学高年级的儿童在经过一次短期训练后，CVS技能可以得到提高。相比于在自由探索条件下没有对实验技能进行指导的儿童，接受这种指导的儿童在探究能力方面表现出更强的改善。（Wagensveld、Segers、Kleemans和Verhoeven，2015）。

这一结果正如1120 J.VAN DER GRAAF等人通过审查72份直接简历说明所展示的（Schichow、Croker、Zimmerman、Houml;ffler和Hauml;rtig，2016）。此外，Lorch、Lorch、Freer、Calderhead和Dunlap（2017）表明，通过如此短的直接指导，CVS可以在教室范围内进行教学，而且这种培训的效果甚至可以在两年半后保持。他们的CVS指令使用了好（即有效）和坏（即无效或混淆）实验设计的工作示例（参见Lorch等人，2014年对方法的广泛描述）。

二、教师的言语支持训练

加强儿童科学思维的另一种方法是，教师通过明确支持儿童的学术语言使用，丰富儿童的推理过程，例如，帮助他们提出问题，并在推理时引出他们的论点和想法。随着时间的推移，孩子们可以将这种框架式推理内在化，从而加强他们自己的科学思维（Mercer，2013）。这背后的基本原理可以在科学和语言的相互交织关系中找到：语言为创造复杂和抽象的表征提供机会，它帮助孩子们表达他们的所见所闻，然后让他们讨论（Mercer，2013）。此外，科学课的特点是学术词汇和复杂的语法结构，儿童需要使用一系列广泛的语言工具，如提问、解释、预测和推理（例如，Mercer、Dawes、Wegerif和Sans，2004）。事实上，一些研究人员证明，语言能力强的儿童在CVS习得等科学任务中表现更好（Van der Graaf、Segers和Verhoeven，2016年）以及在CVS策略向新领域的转移方面，比语言能力较弱的儿童更具优势（Wagensveld等人，2015年）。

鉴于儿童的语言能力和科学能力之间的强烈相关性，一些研究人员提倡以语言为导向的科学教育（如Barber等人，2006）。有人认为，在教授科学的同时集中语言可能有利于学习科学和语言（Vitale amp; Romance，2012）。事实上，有强有力的迹象表明，识字和科学教育可以在课堂上结合起来，促进两者的发展（Clark amp; Lott，2017）。语言的不同方面在科学教育中得到了有效的整合：阅读（Vitale amp; Romance，2012）、写作（Nam，Choi，amp; Hand，2011）和话语（Mercer et al.，2004）。在所有整合教学中，一个关键的组成部分是教师的口头教学策略。研究表明，由于缺乏自我效能感，教师不会在科学情境中单独使用这些策略（Van Aalderen Smeets，Walma Van der Molen，amp; Asma，2012），但教师培训使在职小学教师能够在课堂上运用言语支持策略（Smit、Gijsel、Hotze和Bakker，2018）。

教师的语言策略是所有综合教学的重要组成部分。为了诊断儿童的语言和探究能力并对其做出反应，教师需要积极使用和推广专业科学语言，引导儿童解释并提供反馈，与学生互动讨论探究过程。这些要求完全符合《加强国际科学教育杂志》第1121期《有效研究性学习的元分析》中关于研究性学习指导的建议（Alfieri等人，2011）。研究表明，可以有效地培训教师运用这些语言支架技术，从而提高儿童的合作和理解能力（Gillies，2004）。此外，关于语言促进策略的教师培训可能会提高儿童对学术词汇的使用（Henrichs amp; Leseman 2014）。然而，目前尚不清楚儿童在科学推理和特定领域知识方面的学习收获是什么。

三、本研究

综上所述，探究式系列课是一种理想的教学方法，可以教孩子们科学推理，让他们在STEM中获得特定领域的知识（OECD，2014）。然而，儿童在没有指导的情况下很难应用其科学推理能力（Alfieri等人，2011年；Zimmerman，2007年），因此很难进一步发展这些能力并获得STEM领域的知识（Lazonderamp;Harmsen，2016年）。事先直接指导以及在儿童询问过程中持续的口头支持都有利于发展和应用科学思维。很容易认为两者结合可以促进科学思维的教学，但这种结合以前从未在一次干预中进行过研究。

因此，本研究旨在将科学推理能力的直接教学研究与言语支持的教师培训研究联系起来。我们调查了两种干预措施对科学知识和多种科学推理能力的综合效果，并将其与每种干预措施和基线（对照）组的独特贡献进行了比较。直接教学包括围绕实验和CVS使用的交互式教学，但也涉及假设构建和证据评价部分。教师培训包括关于探究周期的指导以及如何在STEM教育中的探究学习中提供口头支持。教师们被要求实施丰富的语言环境（例如，强调学术词汇和语言来构建孩子的思维），激发孩子们的精细反应，并提供充分的反馈。

图1 时间框架和条件概述

在随机对照试验设计中，对两种指导的有效性进行了测试，共分为四组：仅直接指导组、仅口头支持组、组合条件组和仅课程系列（基础对照）组（见图1）。请注意，基线组因此是一个仅查询组。作为随访，孩子们在测试后几周接受了测试。

本研究探讨了以下研究问题：直接教学、言语支持以及二者的结合对探究式系列课的效果有何影响，这些效果通过儿童的a）科学推理能力、b）词汇和c）领域特定知识：远近迁移来评估的吗？我们期望直接指导小组在科学推理方面有更多的改进，主要是在科学推理的实验部分（如Chenamp;Klahr，1999），而对其他部分则改进较小。另外，在以探究为基础的系列课程中获得的特定领域知识也有望得到改进。鉴于语言在言语支持条件中的作用受到关注，我们预计，与基础条件相比，儿童在科学推理和词汇方面的进步会更大（Henrichsamp;Leseman，2014）。我们期望组合后的条件在所有领域都显示出收获，因为它们都被处理过，并探讨了组合是否会产生促进效应。从长期来看，我们也预计这一组的结果会得到最好的巩固。

四、实验方法

（一）实验参与者

荷兰的某个靠近研究机构的便利样本学校同意参与。总共有12间教室（10所学校）参与了这项研究，有301名参加的儿童（164名女孩和137名男孩）在小学四年级，并说荷兰语。这些儿童平均年龄为9岁零5个月（SD=6个月），一般来自中等偏上的班级，如他们父母的教育所示（6.9%的儿童接受过基础教育（ISCED 0-2级），42.7%的儿童接受过高中教育（ISCED 3-4级），50.4%的人受过高等教育（ISCED 5-8级），与全国平均水平相比，分别为26.6%、41.3%和27.9%（欧盟统计局，2017年）。为了确保样本的异质性，教室里的所有孩子都参与了这项研究。父母积极同意孩子参加。

(二)实验设计

我们进行了随机对照试验设计，包括前测（T1）、直接后测（T2）和长期试验（T3）（见图1）。后续测试在探究式系列课程五周后进行。教室被随机分配到四个条件中的一个。这些条件不同于探究式系列课之前的教学：儿童教学（CI）与否，教师培训（TT）与否。所有儿童连续四周接受探究式系列课程，每周两次，每次一小时，中间有一周假期。对儿童进行科学推理、词汇、领域知识的远近迁移等方面的评估。4.3. 材料

（三）实验材料

（1）干预材料

a) 探究式系列课 探究式系列课程包括六节探究式科学课程（每节约60分钟），主题为（坚固的）结构。以探究为基础的课程系列的灵感来源于先前研究中开发的类似主题课程系列（Gijsel、Vrielink和Kiers，2016）。探究式教学系列的主要目标有三个：增加儿童的领域知识，培养他们的科学能力和发展儿童的语言能力。为了教授“什么决定了结构的坚固性”，在课程中使用实际材料调查了四个主题（即变量）。这些变量是：材料、形状、轮廓和连接。

为了确保孩子们能够运用所有的科学推理成分进行练习，课程是按照探究周期安排的。在第一课中，我们向孩子们介绍了立体结构的主题和设计问题，搭建立体桥。第二节和第三节课开始于与手头的主题（材料、形状、轮廓和联系）的对抗和探索，然后是问题和假设的产生。例如，在第二节课中，通过课堂讨论向孩子们介绍了哪些类型的情景模式以及这些模式具有哪些特征。接下来，老师引导讨论如何怎样的轮廓能使结构更坚固。然后，孩子们开始了一个小组的简短调查，他们折叠自己的纸轮廓（管状轮廓和四边形轮廓）。他们提出了一个关于坚固性的假设，并建立了一个实验设计，在这个设计中，两种型材的承载能力都进行了比较。然后，孩子们进行实验。然后写下结论，最后进行课堂讨论。工作表指导孩子们在整个调查周期的各个阶段。之后，在第四课，孩子们起草了他们的桥梁，这是建立，介绍和讨论在第5和第6课。在最后一节课中，学生被转移到了其他结构中。

b) 儿童教育 这种直接教学的目的是通过学习变量控制策略（C

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