用数据阐释串起科学实践——以“生态系统稳定性”教学为例

陈 虎 肖思汉

用数据阐释串起科学实践
——以“生态系统稳定性”教学为例

陈 虎 肖思汉

美国近年发布的科学教育标准用“科学实践”取代了“科学探究”，在全球范围内引发了新一轮的科学教育变革。如何在中国的本土课堂上践行这一变革，并回应其挑战？本文运用互动分析的方法考察了教师在“生态系统稳定性”一课上的活动设计与话语调度,发现在这节课上，数据阐释作为核心实践，串起了其他的科学实践活动；教师通过反复激活新的科学实践和反复引导学生回到数据阐释的话语调度，维持了学习活动的一贯性。

科学教育 科学实践 数据阐释 课堂教学 生态系统

一、背景与问题

自1996年美国《国家科学教育标准》将“探究”确立为科学教育的核心活动之后，全球的科学教育都奉“探究”为圭臬，言必称“科学探究”。然而，由于探究这一概念本身过于宽泛，而学术界又并未在操作层面对其进行严格的界定，科学教师在课堂上实践这一概念就遇到了很大的困扰［1］。第一，探究往往被独立为常规讲授之外的一个“单元”，与它所涉及知识的学习过程割裂开来；第二，探究往往被等同于“实验”，变成一种对照“说明书”（如教材上的实验步骤）完成既定流程的固化程序；第三，探究被理解为一种完全由学生主导的活动，从而沦为一种低效的“合作”（例如花两个课时在小组内讨论项目海报的设计）。真正类似于科学家生产知识的探究活动，在一线课堂上仍然是十分少见的［2，3］。

在2011年发布的《新一代K—12科学教育标准框架：实践、交叉概念及核心观念》中，美国科学教育界试图解决这一问题，用“科学实践”这一概念取代“科学探究”，并提出了八项科学实践活动：提出问题，发展与运用模型，计划与实施探究，分析与阐释数据，运用数学与计算思维，建构解释，基于证据进行争论，以及获取、评估与传播信息［4］。这八项实践活动明确了“科学探究”的内涵，但又导致了更多的问题：这些实践和知识点是什么关系？在每一个知识点的学习中都需要进行这些实践吗？它们之间又是什么关系？教师与学生在这些实践中的角色各自是如何定位的？

预见到美国新一轮的科学教育改革对我国科学教育的影响，以及可能会出现的上述种种困惑，笔者试图以“生态系统稳定性”一课的教学为例，呈现科学实践在课堂上的一种可能的开展方式：用数据阐释串起其他的科学实践活动。笔者将首先介绍选取的个案样本与研究方法，随后从教学活动与教师话语两个层面，对这个案例中蕴含的科学实践及其关系进行分析，最后讨论这个案例给我国科学教育革新及课堂教学的启示。

二、样本与方法

（一）研究样本

笔者选取的个案来自初二年级生命科学学科中“生态系统稳定性”一课，所用的主要数据来源是课堂实录视频，总共42分钟，由两台摄像机完成拍摄。辅助数据来源是教师的教案与课件，用来对分析结果进行效度检验。此外，第一作者作为任课教师，具备“地方知识”与“局内人视角”，进一步保证了分析的效度［5］。笔者选择这节课，主要出于三个原因：①“生态系统稳定性”是已学知识（如生物与环境、生态系统的结构与功能等概念）的综合应用，对于帮助学生形成良好的生态观，起到了至关重要的作用；②这一知识也是理解之后即将学到的内容（如城市生态）的基础，例如，只有深入理解了生态系统的稳定性，才能够理解有关城市生态与环境保护的种种规范背后的科学性；③本节内容非常重要，同时也是教学的难点，因为对于学生来说，“生态系统”这一概念过于抽象，而“稳定性”中的变量关系又过于复杂，有点远离日常生活，学生难以对其产生直观的感受和经验，从而难以理解。因此，笔者选择这节课进行个案分析，能够充分地展现“数据阐释”在串起科学实践活动中发挥的重要作用。

（二）研究方法

在个案研究的框架里，笔者采用互动分析的方法对数据进行分析［6］，具体来说，采用埃里克森的“自上而下”的分析取径［7］。首先反复观看样本视频，对当时的课堂情境与活动有一个整体的认识，然后在教学板块、主题单元和参与结构三个层面上划分课堂活动，理解“数据阐释”这一核心活动在整个课堂中的角色与功能，随后关注教师的话语，识别其中反复出现的话语模式，重点考察教师怎样通过话语调度推进各个层面上的课堂活动，最后把分析结果重新置回42分钟的课堂全景中，对笔者的观点进行审视与检验。

三、分析与结果

（一）活动层面

从设计思路来说，笔者期望首先通过一个数据模拟软件，模拟一个生产者充足、没有其他生物竞争的理想状态，然后在一定区域内随机生成一定数量的山猫与野兔，模拟其捕食与繁殖的结果。学生对结果进行统计，从而观察山猫与野兔的种群数量在不同水平时数量变化的趋势，并根据实验获得的模拟数据绘制两个种群的数量变化曲线，探究它们的相互关系，感受山猫与野兔数量之间的动态平衡是由生态系统自我调节的结果，感受种群数量的大小对生态系统稳定性的影响等，进而思考人类行为与生态系统稳定性的关系。在教学过程中，教师用如下几个问题引导讨论。

（1）你们从实验数据中可以获得什么信息？

（2）山猫与野兔的种群数量的变化是否有规律？

（3）为什么各小组的初值一样，但曲线还是有差异？

（4）假如实验的次数还能增加，你能画出这组曲线的后续变化趋势吗？为什么？这说明山猫与野兔的种群数量变化有怎样的特点。

（5）你是否能用数据说明山猫和野兔的数量达到动态平衡是如何实现的？生态系统自动调节的能力与哪些因素有关？

（6）用哪组实验数据比较，能说明种群数量在哪种情况的生态系统更容易失去稳定性？这些数据说明种群数量的大小是否与生态系统稳定性有关？为什么？通过这个问题的讨论，可以给我们在保护生态系统上有怎样的启示？为什么？

（7）计算机模拟软件不可避免地存在一些缺陷。你能想到我们的模拟有什么不科学的地方吗？

（8）假如有人觉得野兔可怜，而将山猫清除出这块栖息地，野兔的数量会怎样变化？能用实验数据支持你的观点吗？野兔的这种数量变化说明它所处的生态系统稳定性是否会受到影响？这说明人在生态系统中活动时应该采取怎样的态度。

从结构来说，“生态系统稳定性”这节课可以分为四个教学板块：情境导入、小组实验、全班讨论和总结回顾，其中的主体部分是全班讨论，共25分钟，占近60%的时间。每个教学板块由多个主题单元组成，每个主题单元又包含不同的参与结构。教师可进一步识别出每个主题单元中的科学实践。这节课的整体过程见表1（见下页）。

从表1可见，在作为教学主体部分的全班讨论板块，“分析与阐释数据”这一科学实践贯穿全程，在每一个主题单元都有出现。更重要的是，在这节课里，数据阐释发挥着联结性活动的角色，串起了其他的科学实践。下文用一个片段加以说明。

在讨论计算机模拟的不科学之处时，教师首先让学生们“回到大家的图上”，也就是回到各自的数据上，这句话表明了接下来的讨论仍将基于数据。然后，教师问学生是否能看出这些图中有不科学的地方，这一提问看似简单，但蕴藏了三个实践活动的元素：①学生需要对现象（即图表）提出自己的问题；②他们需要在多个图像之间寻找共同或不同之处，即发展与运用模型；③如果发现了不科学的地方，他们需要对其做出分析与阐释。两名学生分别回应，提出了自己的看法：“山猫的繁殖率和野兔的数量应该没有关系”和“山猫逼急了可能会自相残杀”。教师并不认为这两位学生指出的问题是不科学的地方，因此通过反复理答说服他们，这是一种基于证据的争论实践。随后，教师说：“我来做一个提示，请大家看图，这个图中有个大问题，山猫的种群数量，它的极值是超过野兔的，每一张图都是，这可能吗？”这一提问引入了一个新的科学实践活动，即运用数学与计算思维，学生需要理解“极值”这一数学概念所表征的物理变量及其关系，从而预测物理系统的行为并检验这种预测［4］。

从上述例子可见，数据阐释作为这节课的基本活动，不但起到了引发与推动全班讨论的作用，还联结了提出问题、发展与运用模型、建构解释、运用数学与计算思维、基于证据进行争论等多个科学实践活动，具有核心的地位。然而，活动层面上的教学设计，归根结底要在课堂互动的层面，也就是师生之间一言一语的话语建构来实现［8］。因此，下文将从话语层面进一步考察数据阐释如何联结其他的科学实践活动。

（二）话语层面

用某一实践活动串起其他实践活动，在活动设计层面或许并不困难，但如果要落实在课堂上，就会面临一个困境（或者说是实践中的疑虑）：在一节课的容量里，有可能进行这么多的活动吗？是不是每一节科学课都需要包含所有的八项实践？如何在涵盖不同实践的前提下，维持学习活动的一贯性？笔者发现，教师的话语调度是促成数据阐释联结作用的关键，在很大程度上破解了上述困境。没有话语调度，教学设计就无法在课堂活动中实现，八项科学实践在具体的课堂活动中就会变成一盘散沙。

表1 “生态系统稳定性”一课的整体过程（来自录像数据）

具体来说，笔者发现两种相互关联的话语调度模式：①反复激活新的科学实践（下文简称“激活”）；②反复引导学生回到数据阐释（下文简称“引导”）。前者是指教师不断引导学生进入新的科学实践活动；后者是指教师在激活这些活动中，不断引导学生重新回到数据阐释这一核心活动中来。这两者单独出现，都不足以起到有效调度的作用。而笔者认为，教师将两者关联在一起，便起到了在不同实践活动中调度学生的作用，从而通过数据阐释，有效地串起了其他的实践活动。

囿于篇幅，笔者仅用一个典型片段阐述这两种话语调度。这个片段发生在“讨论曲线变化的规律”主题单元（表1）。教师此前已经请两个小组的学生各自陈述了实验结果，现在希望学生在各组汇总的实验图中发现两个种群数量变化的规律。在下文的关于这一主题单元讨论的课堂实录中，斜体部分表示“激活”的话语，下画线部分表示“引导”的话语，圆括号表示师生互动中的非言语行为（如眼神、手势等），方括号表示除数据阐释之外的实践活动。

教师：山猫和野兔的种群数量之间有没有规律？它的变化有没有规律？［发展与运用模型；建构解释］

学生：有。

教师：谁能说说看，它有什么规律？它们两者之间有什么关系？［发展与运用模型；建构解释］（手指向学生1）

学生1：我认为是这样子的，当……如果说野兔没有，山猫是一定会灭绝的，因为野兔……

教师：比如说，你这样，你说一下你说的是哪张图？

学生1：我说的是，呃，601。

教师：601，好。

学生1：野兔没有的话，山猫一定会灭绝，因为山猫是依靠野兔维生的，野兔没有的话，它没有吃的就会死。

教师：嗯。

学生1：但是，按我们的实验2，就是602看的话呢，如果山猫没有的话，野兔就不仅不会灭亡，而且还会成倍增长，直到环境容纳不了为止，因为野兔没有天敌山猫的捕捉，没有限制地繁殖下去了，所以它会成倍地增长。

教师：很好，请坐。

教师：（转向学生2）你的观点和她相比呢？［基于证据的争论］

学生2：我的观点和她的是有一定区别的。

教师：好，你是哪张图？一起来看一下。

学生2：603。

教师：是这个图吧。（在大屏幕上打开图603）

学生2：我觉得两个动物的生长，跟另一方动物的减少有关系。

教师：你能具体到例子里说说吗？哪一段？［基于证据的争论］

学生2：从4开始，野兔的数量骤降。

教师：野兔的数量跟什么有关？［发展与运用模型；建构解释］

学生2：山猫，山猫的数量上去了。

教师：跟山猫数量的增长有关，好。我们综合两个同学的观点，不重述。我想问大家，这些图就在面前，你们觉得这些图能不能呈现他们的规律？

部分学生：一定程度上可以。

教师：很好。

在以上实录所呈现的课堂互动中，教师首先提问“种群数量的变化有没有规律”，这是在分析与阐释数据的框架中，激活发展与运用模型和建构解释的实践。也就是说，学生需要做的不仅仅是阐释他们手中的数据（即实验图），还需要在多个图中找到某种共同的规律（即发展模型），并解释其原因。学生1以“我认为”开始回答，表明这是个人观点，而教师立即要求她指出个人观点的依据，即“我认为”的数据支持，这是在引导学生重新回到阐释数据的实践中来。同样，在转向学生2时，教师并没有简单地重复提问，而是通过引导学生2比较前面的观点，试图激活争论（即不同观点的互动）的实践活动；但在激活之后，教师又立即询问学生2所依据的实验图，试图把讨论引导到数据上来。然而，学生2虽然指出了自己的实验图，却并没有进入“分析与阐释数据”的实践中来，他仍然用“我觉得”引出一个较为宽泛的观点。这时，教师再次引导学生2“具体到例子里说说”。学生2的第二次回答以“从4开始”起头，这标志着他开始阐释自己的数据。因此，教师多次的引导，不仅激活了不同观点，而且通过具体数据来体现观点，这便是运用话语调度，实现了“基于证据的争论”和“分析与阐释数据”两个科学实践的联结。

四、讨论与总结

笔者以“生态系统稳定性”教学为个案，呈现和论述了多个科学实践活动是怎样在活动设计层面和教师话语层面同时开展和相互联结的。回归到教师的一个共性问题：如何在课堂上开展科学实践活动？笔者认为，若要深入思考这一问题，还需要在已有研究和分析的基础上，进一步理解案例的几个要素。

（一）教师应确定核心实践活动

一节课只有42分钟，想从“提出问题”开始，直到“传播信息”，完成所有的科学实践活动，是不现实的。更重要的是，并非每一个知识点或每一个学习单元都需要涵盖八项实践。因此，教师需要依据学情与知识特点，确定某一项核心实践活动。例如，有学者认为“基于证据的争论”应该是科学教育的核心实践［9］，也有学者认为“发展与运用模型”可以作为核心实践［10］。

（二）核心实践活动应该是“公开可见”的

在这篇案例中，学生通过网络，将自己小组得到的实验图上传至教师电脑，并显示在大屏幕上，全班可见，这是数据阐释之联结性的关键。倘若每个学生都只能看到自己的实验图，那么教师的反复引导（如“你说一下你说的是哪张图”“你能具体到例子里说说吗”）就失去了意义。恩格尔（Engle）和科南特（Conant）论述了争论的公开可见对于组织科学讨论的重要性［11］。案例表明，数据的公开可见对于科学教学同样重要。

（三）话语调度是组织实践活动的关键

课堂教学不仅停留在活动层面，而归根结底会落脚在师生互动之中［12］。在这种互动中，教师如何通过话语来调度教学，就成为教学设计是否能落实的关键［13］。在这篇案例中，教师通过反复激活新的实践和反复引导学生重新回到数据阐释，实现了多个实践活动的紧密组织。笔者认为，为了理解与开展科学实践活动，促进对科学教学的反思，无论是研究者还是教师，都应该更多地在话语层面关注学习与教学过程。

［1］ Ford M J.Educational implications of choosing “practice”to describe science in the Next Generation Science Standards［J］. Science Education，2015，99（6）：1041-1048.

［2］ Barrow L H. A brief history of inquiry： from dewey to standards［J］. Journal of Science Teacher Education，2006，17(3)： 265-278.

［3］ Hayes M T. Elementary preservice teachers’ struggles todefne inquiry—based science teaching［J］. Journal of Science Teacher Education，2002，13（2）：147-165.

［4］ National Research Council. Conceptual framework for new science education standards［M］. Washington, DC：National Academy Press，2011.

［5］ 陈向明．质的研究方法与社会科学研究［M］．北京：教育科学出版社，2000．

［6］ Jordan B， Henderson A. Interaction analysis： foundations and practice［J］. Journal of the Learning Sciences，1995，4（1）：39-103.

［7］ Erickson F. Handbook of complementary methods in education research［M］. Mahwah, NJ： Lawrence Erlbaum Associates，2006：177-192.

［8］ 肖思汉，刘畅．课堂话语如何影响学习——基于美国课堂话语实证研究的述评［J］．教育发展研究，2016（24）：45-54．

［9］ Kuhn D. Teaching and learning science as argument［J］. Science Education，2010，94（5）：810-824.

［10］ Lehrer R，Schauble L. Modeling natural variation through distribution［J］. American Educational Research Journal，2004，41（3）：635-679.

［11］ Engle R A. Conant F R. Guiding principles for fostering productive disciplinary engagement： explaining an emergent argument in a community of learners classroom［J］. Cognition and Instruction，2002，20（4）：399- 483.

［12］ 钟启泉．“课堂互动”研究：意蕴与课题［J］. 教育研究，2010（10）：73-80．

［13］ 肖思汉， Sandoval W A．如何将科学探究的主体还给学生──基于课堂互动分析的经验研究［J］．课程·教材·教法，2014，34（7）：48-54．

陈 虎 上海市复旦大学第二附属中学 200433

肖思汉 华东师范大学课程与教学研究所 200062