WISE项目移植于我国科学教学的实践探索

张新华　刘美博　容梅

摘 要：科学探究学习已成为我国科学课程改革的核心。WISE为方便在課堂教学中实施科学探究学习活动提供了一个基于网络技术的学习环境，但将国外的基于技术的学习环境引入我国的科学课堂将会出现怎样的问题？本研究以“全球气候变化”项目为例在广州的两所学校进行了教学应用研究。研究首先将课后专家点评作为数据，采用扎根理论中开放式编码的方法，分析实施WISE科学课程时存在的问题，其后以分析学生前后测的成绩来检验学习效果。本研究发现将WISE系统应用于我国科学课堂的教学会存在三个方面的问题：教学方法问题、教学内容问题和技术平台的问题。作者认为网络环境下的教学方法是其中最为重要的问题，对WISE系统和基于技术的探究式教学模式在我国中小学科学教学中的成功应用有着重要的影响。本研究亦将为STEM教育在中国的发展提供参考。

关键词：WISE；科学教学；科学探究学习；本土化；教学方法

中图分类号：G434 文献标志码： A 文章编号：1673-8454（2018）10-0023-07

一、研究背景

当今世界各国之间的竞争归根结底在于科技和人才的竞争，近年来各国都加强了科学教育的力度，对传统的科学教育课程标准以及教学方法进行了反思。传统的科学教学以传授科学概念为主，学生被动接受科学事实及描述事实的术语，这种教学很难把学生培养成为21世纪具有科学素养、会解决问题、会思考、会交流的合格公民。各国新课程标准都开始强调科学教育，并把探究式学习作为科学课程的核心。例如，美国国家科学教育标准与评价委员会经过四年的研究，于1996年推出了美国国家科学教育标准，此标准的一个突出特点就是对于科学探究能力的强调。我国2001年颁布的《全日制义务教育科学课程标准（实验稿）》中明确提出，“探究既是科学学习的目标，又是科学学习的方式，亲身经历以探究为主的学习活动是学生学习科学的主要途径”[1]。2017版的《小学科学课程标准》更是将“倡导探究式学习”作为“课程基本理念”，提出“探究式学习是指在教师的指导、组织和支持下，让学生主动参与、动手动脑、积极体验，经历科学探究的过程，以获得科学知识、领悟科学思想、学习科学方法为目的的学习方式。”小学科学课程倡导以探究式学习为主的多样化学习方式，通过创设学习环境，为学生提供更多自主的学习空间和主动探究的学习机会；强调做中学、学中思，通过合作与探究，逐步培养学生发现问题和提出问题的能力、收集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析问题和解决问题的能力，以及交流与合作的能力等，发展学生的创造性、批判性思维和想象力；重视科学与人文的结合，培养学生基本的科学伦理精神和热爱科学的品质[2]。

然而，科学探究学习的实施并非易事。在科学探究学习的实施过程中，无论是学生还是教师都将面临各种挑战。2009年由中国科技部和教育部发起的重大研究项目“中小学科学探究学习与创新人才培养实验研究”，对各个学科如何实施和推进科学探究学习进行了深入的调查和研究，发现中学教师在实施科学探究学习中的诸多疑惑和困难。比如，如何在有限的课时中进行科学探究？如何设计科学探究主题活动？如何对科学探究主题活动给予有效的指导等[3]。此外，教师对探究式教学的理解，对具体的学科内容知识的掌握，以及对教学环境条件的了解等都会对探究式教学的成功实施产生影响[4]。

应用技术支持探究式教学是解决教师和学生所面临的各种挑战的方法之一[4]。为此，美国加利福尼亚大学伯克利分校Marcia.C.Linn主持的科学教育和教育技术研究团队在美国国家科学基金会NSF（National Science Foundation）的资助下开发了WISE（Web-based Inquiry Science Environment）探究式教学支持平台[5]。WISE构建了一个基于网络的科学探究学习环境，为学习者在其中了解真实世界、分析各种现代科学观点、亲历科学探究过程等，提供各种探究工具，如绘图、图表、概念图、讨论、反思笔记等，从而促进学生以小组协作和自主探究式学习科学知识，培养科学问题的探究能力、合作能力。WISE对于教师也提供了易操作的学习记录、学习测试和分析等工具，教师可以通过系统来监督学生的学习情况，管理学生的学习活动，以及对学生提交的答案进行反馈。WISE研究团队和其他相关领域专家合作，开发了50多个免费的开放式科学探究学习项目[6]，包括地球科学、生命科学、化学和物理等学科的课程教学资源，这些项目大多都整合了评判、比较、设计等WISE经典项目元素，此外，系统提供的著作工具可以让教师或其他研究人员方便地自行设计项目或对现有的WISE课程项目二次加工。WISE平台的实际教学应用已有15年的时间，在美国、德国、挪威、新西兰、日本、丹麦等国家的中小学得到使用，积累了大量的实验数据和经验，并取得了诸多研究成果。WISE平台经过十多年的教学应用与发展已趋向成熟[6]。

将西方先进的探究式教学技术平台和课程资源引入我国中小学科学教育之中，对推进我国探究式教学的实践和研究将会产生积极的作用。尽管我们知晓WISE系统已经多年，但是通过文献调研不难发现，国内关于WISE的研究多数还停留在对平台的探索阶段，并没有学者真正对WISE在课堂教学实践中应用情况进行研究和分析。2015年初，华南师范大学WISE项目研究小组在多伦多大学Jim Slotta教授的支持下，建立了中国的WISE服务器（wise.scnu.edu.cn），进行了平台系统的汉化，同时也完成了“全球气候变化”这一探究项目的翻译工作。同年4月，在广州某中学的地理课堂首次开展了WISE的课堂教学实践活动。本文将以一个WISE项目为例对在我国中小学移植WISE平台和课程的过程中遇到的问题进行探讨，并分析这一项目应用的效果，以期为WISE项目成功应用于我国中小学科学课堂提供宝贵的经验。

二、文献综述

（一）国内相关研究

通过关键词搜索等方式查找2000年以来国内公开发表的学术论文，并归纳整理出关于WISE的研究主要分布在以下几个研究领域：

1.WISE平台的介绍

国内关于WISE平台的介绍主要包括WISE的发展历史、WISE基本框架、WISE功能模块、知识整合环境、WISE项目的特征等。例如，2004年黄都在《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》一文中对WISE的功能、结构、设计理念、项目特点进行说明评价，认为WISE具有很高的应用价值，同时应当慎对网络在科学探究中的功能和作用以及科学探究中的证据[7]。2008年熊耀华等在《基于网络的探究性学习环境WISE及其启示》一文中对WISE进行简单介绍，并对WISE中的物理课程项目进行分析，指出良好的网络探究环境是能够持续开展物理探究性学习的基本保障[8]。

2.网络探究平台的设计与开发理论探讨

2008年付志文等在《中小学科学探究学习平台的设计》中评论了WISE作为科学探究平台的优缺点，以及WISE对中小学科学探究平台开发具有的借鉴意义[9]；2010年况姗芸在《WISE科学探究平台对我国研究性学习平台建设的启示》[10]中横向比较WISE与其它的网络探究平台，指出国内网络科学探究平台与WISE之间存在的差距：WISE在平台资源库项目的品质、探究认知工具的种类、探究式教学的管理与调控的方式、多元反馈与评价的功能实现、平台开放性程度方面有着非常明显的设计理念和技术上的优势。WISE作为国外科学探究平台与国内其它科学探究平台相比有巨大的优势，尽管WISE系统存在着一些缺点，但是其价值还是受到了极大的肯定，WISE平台无疑是进行科学探究式教学所需的技术支持的最佳选择。

3.WISE的教学启示

2010年吴伟等在《国外物理探究教学案例及其启示：以WISE为例》中对美国基于WISE的物理教学案例进行分析，强调技术在科学探究式教学中起到的作用[11]；2012年张笑欢在《WISE网络教育平台项目资源案例简析》中对WISE经典项目进行分析，并根据WISE项目的特点提出三点将WISE项目应用于教学的建议：（1）设计问题引导探究；（2）细化探究任务，合理呈现证据；（3）开展多样化的活动形式，采用小组互评，教师鼓励的评价形式[12]。2015年趙建华等通过分析“全球气候变化”WISE项目的设计探讨了利用数字探究学习环境开展科学教育的特征：（1）创设有意义的情境，激发学生的探究兴趣；（2）自主探究与合作学习相结合，必要时教师提供指导；（3）探究活动注重结果，但更注重过程；（4）有利于学生科学素养的培养[13]。可见，我国学者在初步了解WISE系统的基础之上，已经开始肯定WISE在我国课堂应用的积极意义，并且已经开始构想如何将WISE真正的引入课堂。然而，这些研究始终停留在理论分析和构想阶段，并没有真正在科学课程的课堂教学中实施。

4.WISE项目设计与应用情况

2013年，高明提出了信息技术环境下科学探究项目设计的基本方法，设计了一个基于WISE的高中生物科学探究项目，并以此开展了教学实施，通过对课堂教学活动中的观察、项目实践后对师生的调查，验证了设计的有效性[14]；2015年董锡和刘中礼提出了“基于WISE初中地理自主·合作学习”策略和模式，总结了老师实施WISE教学需要的教学步骤和注意事项[15]。这些学者通过实际开展基于WISE的教学实验，分别从项目设计、教学模式设计、科学教育的特征等角度对WISE的应用进行了初步的实践探索。然而上述研究都是教师个人的教学反思，没有经过严谨的手段对WISE项目的有效性和教学中的问题进行研究。

从2004年到2015年，我国学者通过初步了解WISE平台，对比国产相关平台，对WISE的教学应用进行了构想，并通过初步的WISE教学应用试验，进一步发现了WISE平台的优越性，认可了其在科学教学中的作用。虽然这些研究的最终目标都是想把WISE应用到我国的科学教学之中，切切实实地改善科学课堂教学的现状。但是，WISE课程项目并没有真正成功应用于中小学的科学教学之中，WISE课程项目本土化实践以及推广应用的过程当中还存在着相当多的问题，有待我们去发现和探索。

（二）国外教材中国本土化经验

国外有很多优秀的教材、教学资源被引入中国，并应用于教学。这个过程类似于我们将WISE课程项目翻译过来并在我国进行教学应用，因此我们可以从诸多的国外教材本土化实践案例中得到WISE课程在国内进行项目应用的经验。

1. 《博采英语》的本土化改造

2001年清华大学出版社外语分社与国外多家大型出版公司联系，经过周密的考察和调研，确定引进美国汤姆森学习出版集团的《博采英语》作为国内高等院校英语专业与研究生英语教材。由于《博采英语》第一版是直接将原版英语教材投入应用，许多教师反馈在使用该教材进行教学的过程中出现了如下几个问题：（1）由于原教材的编写是针对在美学习英语、母语为非英语的人员，因此其中的一些任务场景在中国难以操作或实现；（2）《博采英语》的内容不是按照中国教育部制定的大学英语专业课程教学要求而编写的，因而与中国英语教学的实际目标有一定差距；（3）教材中课后练习的设计，并没有考虑中国学生参加英语专业四级、八级考试的需求；（4）教材中部分具有时效性的学习素材与学生的生活实际脱节，不利于学生的理解与课堂活动的组织。针对以上这些现象，学者们从五个方面开展了课本的本土化改编工作：（1）广泛调研，收集意见；（2）总结分析，提出方案；（3）外方确认，授予版权；（4）制定会议，确定项目；（3）严格实施，按时出版。在以上原则的指导下，研究者成功出版了《博采英语》的第二版[15]。

2. 《新视线意大利语》教材本土化改造

《新视线意大利语》是一套专门为母语为非意大利语的学习者编写的教材。这套教材出版多年，广为意大利语教学界认可，在全世界范围有一定影响。该教材在引入中国后被本土化改造，被成功应用于中学生的意大利语课堂教学，编者总结了成功的本土化经验，提出来本土化改造的原则：（1）保留原版特色风貌；（2）对素材资料优化组合；（3）对资源的立体化建设；（4）更适合中国教学需求；（5）最优化的成本控制[16]。

对国外的优秀教学资源进行本土化改造是一个循序渐进的过程，需要按照一定的方案步骤和改进的原则。WISE的翻译过程是语言翻译和本土化并重的过程，除了语言翻译，课程项目需要作一些文化方面的调整。比如，我们在翻译“全球气候变化”过程中，介绍保护水资源等内容，将一些视频资料改为国内的视频网站资源，在探究项目中增加了中美饮食习惯的差异比较分析等内容。然而，本土化改造是否成功，必须到教学实践中进行检验，教学应用中出现的问题会给研究者提示改进的方向，制定相应的策略。进行广泛调研并收集意见，是教材本土化改造的关键。

三、研究方法

本研究包括两轮实验，分别在两所不同的学校进行。在第一轮实验结束后研究者采用扎根理论中的开放式编码的分析方法，分析了专家小组访谈的内容，归纳总结在我国中小学移植西方国家的科学探究教学平台和课程时存在的各种问题。在第二轮实验中，研究者采用时间序列的准实验研究法，通过对学生进行前后测的方法来检验学生的学习效果。

（一）实验介绍

第一轮的研究实验在广州市一所中学进行，由一名经验丰富的地理教师进行授课，在该校的多媒体网络教室，52名初一学生两个人一组一台电脑进行学习，教学内容选取的是WISE汉化版“全球气候变化”课程项目的第1课时（45分钟）。

实验前的准备：在线注册教师账号；在后台导入学生信息，统一注册学生账号，并通过教师账号生成的课程编码，让学生进入同一课程学习单元；根据班级座位习惯，将相邻学号的同学两人分为一组；机房电脑安装Firefox火狐浏览器，并提前对网页浏览速度、网站运行效果进行了测试。

与科组老师的沟通：对任课教师科组全体人员进行了一次关于WISE平台基本功能的培训。培训后，科组老师认真研究了“全球气候变化”主题探究项目的内容，并提出了初步修改意见，主要是一些页面显示效果的问题，以及对项目设计的理解，项目研究小组根据科组老师的建议对WISE课程页面进行了初步的修改。

公开课前的演练：在正式的公开课之前，选取同年级的两个班进行了两次试教。每次试教后，研究人员组织科组老师进行评课。第一次试教，主讲教师在课程导入之后，完全让学生在课堂上通过WISE网络课程平台进行自主学习和探究，因此课堂很安静，老师很轻松。第二次试教，教师针对学生学习可能遇到的难点，特别是一些跨学科的概念，例如“全球气候变化”中原本物理学科学习的“热辐射”等概念在WISE课程提供的动画课件辅助演示下，进行了详细的讲解，还带领学生一起完成WISE项目中的一些测试题。在第一次的试教中，教师的教学指导作用没有充分發挥；第二次试教仅仅将WISE平台作为课堂演示的辅助工具，WISE对科学探究教学活动的支持功能体现不够。经过两次试教，主讲教师对WISE平台和探究式教学的理解不断加深。

在正式实验教学的实施过程中，我们邀请了实验学校主管教学的校领导、国内地理科学教育与研究专家，特别是“全球气候变化”领域研究的专家、教育技术学专家、广州越秀区教研员、地理学科特级教师等教学和内容专家前来观摩教学过程。在教学实验结束后，邀请上述专家对本次教学进行点评，研究者对点评的全过程进行了录像。

在第一轮的实验结束后，研究者根据专家在评审中对“全球气候变化”WISE项目学科内容方面的意见，修改完善了“全球气候变化”WISE项目。之后在广州市的另一所中学进行了第二轮的研究实验。在这一轮的实验中，课堂教学同样选取了在多媒体网络教室进行，由一名经验丰富的地理教师授课。40名初中学生两个人一组一台电脑进行学习，完成了“全球气候变化”WISE汉化版课程项目的全部内容，授课时间为4课时，共180分钟。在正式开始上课前同样经过了与第一轮一样的实验前的准备以及与科组老师集体备课与沟通的过程。

（二）WISE“全球气候变化”课程项目介绍

“全球气候变化”科学探究项目的主要内容是让学生学习了解与全球变化这一问题相关的科学知识，讨论“全球气候变化”是自然进程还是人为活动引起的[6]。本项目一共有九个小节，分别为：①初步设想；②地球的气候真的在变暖；③来自太阳的能量；④反射光；⑤大自然的温室效应；⑥你的行为；⑦关灯可以起到作用吗？⑧我们的思考；⑨附加学习：垃圾对温室效应产生影响吗？（如图1所示）。在实际的教学实施中，各学校可以根据自己的教学时间安排等实际条件的限制，选择相关内容和步骤实施教学。

（三）数据收集和分析方法

本研究的第一组数据来自于第一轮研究实验结束后，教学和内容专家以及教师自己对教学内容和教学活动的点评。在课堂教学实施完成后，我们立即召集参加教学观摩的教学和内容专家以及讲授教师本人参加小组访谈，对教学内容和教学活动进行点评。小组访谈采用开放式访谈的方式，只设定了一个访谈的中心议题，没有设定访谈提纲和问题，由参加访谈的人员根据自己在教学观摩中发现的问题，自由进行说明和讨论。小组访谈的中心议题是：本次WISE“全球气候变化”科学探究项目教学实施中存在的问题。

在开始数据分析时，我们首先将专家点评内容的录音一字一句地转录为文字，共11788个字。在文字转录过程中，我们不断地将文字材料与原始资料进行对比，最终确保文字材料和音频资料的一致性。之后，运用扎根理论研究方法（Grounded Theory）中的开放式编码（Open Coding）[18]方法，通过对原始数据的持续不断的比较（Constant Comparison）[19]和归纳来分析转录的文字。

扎根理论研究法是一种系统地收集和分析数据的过程和技巧，其目的是创建或发现理论以解释某个真实的社会现象或问题[18][20][21]。它是一种归纳式的定性研究方法，在社会科学研究领域中被广泛运用。扎根理论方法有如下几个特征：（1）扎根理论研究者在开始某个研究的时候思想中并没有一个预想的理论，他们通过理论抽样的方法选择研究对象；（2）数据的收集和分析是一个互相交织的过程，通常反复采用数据“收集-分析”、“再收集-再分析”的方法；（3）数据分析的基本单位是“概念”，由概念构成“分类”（categories）；（4）数据分析所产生的“分类”必须是基于对数据的持续、深入、充分的比较之上，且相互之间要有联系；（5）有一个高级抽象的核心分类，其它分类围绕此核心分类以某种方式联系起来；（6）书写分析备忘录以详细说明数据、产生的分类和分析思维，这是数据分析不可分割的重要手段[18][21]。在扎根理论方法中，数据的分析和持续比较通常有三个阶段：（1）开放式编码阶段，即对资料按最小分析单元分割并进行编码以产生尽可能多的“概念”，将每个“概念”与所有可能的“分类”进行对照比较，以确定每一个概念所属的分类并形成初级分类；（2）轴向编码，即将初级分类与它们的属性进行整合，以形成更加高级抽象的分类；从这些高级分类中选择确定一个核心分类，并将其与其它高级分类用某种方式联系起来；（3）选择性编码，即创建并书写理论阶段；通过文字或图示的方式说明核心分类和其它分类之间的关系，以解释所研究的现象[21-23]。

然而，在实际研究的数据分析过程中，研究者并不一定要完全采用上述的全部三个数据分析的阶段。如果研究的目的只是形成分类，那么可以只进行开放式编码分析[18]。因此，在本研究中我们采用开放式编码的方法，通过对原始数据的持续不断的比较，首先生成了58个具有独立含义的概念。通过对这58个概念的进一步归类并选取对本研究有重要意义的内容，我们最终确定了影响WISE项目移植我国科学教学实践的三类主要问题。在此数据分析的过程中，我们将转录的文字材料导入Nvivo文字资料库中，借助软件对转录文字加标签并对标签进行归类，如图2所示。

本研究的第二组数据来自于第二轮研究实验。在第二轮研究实验结束后，研究者导出了WISE平台中存储的学生学习数据，并选择其中的前后测数据进行分析。前后测的题目内容相同，包含有3个多项选择题和2个开放式问答题。多项选择题每题计5分，开放式问答题每题计10分。参加本轮研究的学生共有40人，最后WISE系统成功收集了37人的数据。在导出这37名学生的前后测成绩后，研究者采用配对t-检验（Paired Samples t-Test）的方法对数据进行了处理，以比较学生前后测成绩的差异。

四、研究结果

通过对专家小组访谈数据的分析，我们总结出将国外WISE项目移植于我国中学地理科学教学的过程中存在的主要问题是：教学方法的问题、教学内容的问题和平台技术的问题。

（一）教学方法的问题主要表现在教师的教学方法并没有真正体现出科学探究教学方法的基本特征，学生在日常课堂教学中不适应探究式的学习方法等；

（二）教学内容方面的问题主要表现在因为翻译表达而造成的语言文字表述不准确的问题，教学事例严谨性不够，缺少本土化的、更接近广东学生生活经验的教学案例等；

（三）技术平台的问题主要包括系统响应时间长，教师对WISE系统功能操作不熟悉等问题。

表1详细显示了数据分析的结果。

对学生的前后测成绩进行配t-检验分析，结果表明学生后测的平均成绩（M=23.5）显著高于学生前测的平均成绩（M=18.7），其中t（36）=3.8，p<0.01，d=0.63。根据Cohen 1988[24]的研究，前后测的成绩差异呈现出较大的影响效应。

五、结论与讨论

本研究通过在广州两所中学实际应用在国外发展已经比较成熟的WISE系统和项目，探索了在我国科学教学中移植WISE项目的问题及其教学效果。研究发现，影响WISE项目在我国成功应用的问题主要有三个方面：教学方法的问题、教学内容的问题和平台技术的问题。学生前后测的成绩表明，通过WISE项目的学习学生可以获得有关气候变化的知识。

而我们认为在上述影响WISE在我国成功应用的三个问题中，教学方法是最重要的问题。教学方法的问题主要体现在教师和学生对科学探究学习方法的不适应。追根求源，还在于教师对科学探究教学概念的理解不到位，在课堂教学中不知道如何实施探究式教学，所以没有更好地引导学生进行更深入的科学探究学习。因为科学探究教学与中国传统科学课堂的教学模式有着较大的差别，所以老师没有办法完全放开手给学生探究，学生也没有太多探究的意识。在某种程度上，地理教师只是将WISE项目当成电子版的教科书来使用，这远远没有实现真正的探究式学习，也没有体现出WISE平台和项目的价值。事实上，在我们同时进行的另外一个研究中，通过对教师知识水平的测试以及对课堂教学的观察发现参与我们正在进行的几项WISE应用研究的教师对探究式教学的理解非常欠缺，并没有掌握探究式教学的理论与方法，更没有实际应用探究式教学的经验。所以，在我国科学教学课堂中实现真正的科学探究学习还需从革新教师的教学方法开始。而这需要首先改变教师的传统教学观念；其次，在职前和在职教师的培训中要重视提高教师对科学探究教学的理解，加强探究式教学的理论学习，增加教师实际使用探究式教学方法的经验。

尽管在研究中我们通过前后测对学生的学习进行了初步的考察，但这还不够深入。接下来的研究我们将分析学生在WISE系统中的学习情况，考察学生在WISE系统中的学习行为，研究WISE系统对学生获取科学知识、培养科学思维和科学实践能力的影响等。同时，我们还将研究技术支持的科学探究学习和WISE教学应用相关的教师专业发展问题。

WISE项目能夠帮助学生通过科学探究的方式，获得跨学科的知识和技能。因此，在国外的先进科学教学理念、教学模式和教学技术的指导下，在我国成功实施WISE项目不仅能够促进科学探究学习模式在我国中小学科学课堂教学中的实际应用，还能够对中国STEM教育的发展起到积极的推动作用。

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（編辑：郭桂真）