假如用一个词来表达50年来科学教育的重大变革，那它一定是“探究”。美国的学习环教学正是在这一大背景下形成的一种教学方法。它主要分为三个阶段：探索（exploration）、术语介绍((term introduction)及概念应用(concept application) [1]。这种教学方式被证明在帮助学生建构概念和概念系统以及发展有效的推理能力方面是有效的。这主要是因为这种教学方法使学生运用“假如―那么―所以”的推理方式以验证自己的假设和参与自己的知识建构过程。

一、学习环教学的理论基础

教育的改革离不开教育理论的指导，学习环教学就是在当代认知心理学的指引下发生和发展起来的。认知心理学认为学习新的概念不只是纯粹的吸收过程，从这种意义上来说，概念学习可以被认为是一种建构，因为新概念知识（陈述性知识的部分）的获得部分依赖于产生和检验猜想的技能（程序性知识的部分）。由于在产生和检验猜想中获得技能,这使得概念建构较为容易。这种观点与皮亚杰一致，他认为学习决定于发展（皮亚杰，1964），认知的发展受到三个基本过程的影响：同化、顺化和平衡。同化原本是一个生物学的概念，在认知发展理论中，同化是指个体对于外界刺激的过滤和改变的过程。顺化是指有机体调整自己内部结构以适应特定刺激情境的过程。同化和顺化伴行，当个体遇到不能用原有认知来同化新的刺激的时候，便要对自身的认知结构进行改变或重建，以适应环境。可见，就本质而言，同化主要是指个体对环境的作用；顺化主要是指环境对个体的作用。平衡则是指个体通过自我调节机制使认知发展从一个平衡状态向另一个较高平衡状态过渡的过程。

根据皮亚杰的认知发展理论，学生获得新的概念的过程首先是要形成认知冲突，意识到自己原有的认知不能解释面对的现象，从而进行探究。这就形成了学习环教学的第一个阶段－探索；通过探究学生掌握了新的材料从而产生新的认识（顺化），这就形成了学习环教学的第二阶段－术语介绍（获得新概念）；第三阶段－应用，是使学生在不同的情境中应用新概念解决新问题，从而进一步加强学生对新概念的认识。通过这样三阶段的学习，学生就经历了一个平衡－失衡－再平衡的过程，从一个平衡状态过渡到另一个较高的平衡状态，使认知得到发展。

学习还教学的基本内容和主要类别如下：

（一）基本内容

学习环教学分为三个主要阶段：这三个阶段最早分别称为探索（exploration），形成新概念（invention）和发现（discovery）（Karlus and Their,1967），后来更多的称为探索(exploration)、解释(explain)、拓展(expand)（Trowbridge and Bybee,1990），再后来又被称为探索（exploration）、术语介绍(term introduction)、概念应用(concept application)（Lawson,1995）[2]。

在探索阶段，在这一过程中学生对新的对象、事件、环境进行探索。

第二阶段术语介绍，在这一阶段整理和分析探索阶段收集的数据，教师教授新的术语。包括教授与探究主题相关的概念，如代谢、冷血动物等。这些术语可能由教师教授或从课本、录像或其他媒体上获得。

第三，概念应用阶段，学生用新学到的概念或推理方法去解决新的问题。例如，在介绍了冷血动物之后，应用阶段将需要判定其他类型的动物代谢类型。概念应用对于拓展新概念的应用能力和范围是必须的。没有这些应用学生对概念的掌握将依旧停留在教学的样例之上。此外应用对于理解能力较弱的或缺乏有关体验的学生有很大帮助。

（二）主要类别

学习环教学方法可以被分成三种类型，描述型（descriptive），经验－诱发型(empirical-abductive)和假设－预期型(hypothetical-predictive) [2]。三种类别的基本区别是在于学生应用数据描述趋势或验证备择假设方面。三种类别代表了从描述到假设检验的一个连续的阶段。它们对学生的主动性，知识水平和推理技能提出了不同的要求。对于学生的推理能力描述型学习环教学一般只要求描述模式（例如，排序，分级及保持恒定）。而假设预期学习则要求较高等级的模式（例如，区分和控制变量，比例，组合，概率和相关关系的推理）。经验－诱发模式教学介于两者之间，它需要描述的模式，也需要探究－预期模式。

在描述型学习中，学生在一个特殊的背景（探究）下发现和描述经验的模式。教师教给学生一个名词（术语介绍），然后要学生在另一个情景下对这一模式加以辨认（概念应用）。这种类型就称作描述型模式。因为学生只需要描述他们所观察到的而不需要解释。描述型学习只需要回答“什么”的问题而不需要提出“为什么”的问题。

在经验－诱发型学习环教学中，学生需要发现和描述一个经验性的模式（探究），但他们需要为这一模式提出可能的解释（形成备择假设）。这需要利用经验诱导、引发（类比推理）。在老师的指导下，学生通过分析他们观察得到的数据以判断假设是否与事实一致（应用）。

第三种类型的学习环教学，假设－预期型，一开始就提出探究性问题，学生对此问题提出不同的假设，然后设计并实施实验验证他们的假设预期（探究）。分析实验结果使一些假设被拒绝而一些假设被接受。此后一些新的术语被教授给学生（术语教学）。最后相关的概念和推理模式被应用到其他情景下（应用）。

二、教学的基本要点

这一教学方法的目的是：在教学中要让学生了解足够多以前的观点，促使他们去分析讨论和证实它们。当预期基于它们以前的观点时，将导致认知的冲突。这将为学生建构新的更具解释力的概念以及提高推理技能提供机会。核心教学要求是利用学习环教学方法达到这一目的。

以下是学习环教学的基本要点，目的是通过教学设计以提高学生的陈述性和程序性知识。

1.需要提出或展现问题，这些问题的解答需要学生基于以前知识和观念（概念或概念系统）或处理问题程序的预期。

2.这些预期或操作程序所得到的结果将是含糊的或是自相矛盾的。这将迫使学生能够讨论和反思早先的观点或处理程序。

3.可供选择的观点或更具成效的处理程序将被提出。

4.新的观点被应用于形成新的预期，新获得的数据将有利于就得观念的改变和新的观念的形成。

三、学习环教学的优点

（一）有利于学生认知的发展

如前所述，学习环教学符合学生认知发展的规律，有利于学习者建构新的概念。那么真正实施的效果如何呢？自从1960年代学习环教学提出以来，至今对它的教学效果进行了数以百计的研究。例如，一个早期的研究，Renner et al.(1973)评估了一年级学生的基本技能，应用学习环教学教授“物质”这一教学单元时。使控制组学生先阅读一些相关资料。经过六周学习，虽然实施学习环教学的学生没有事先阅读有关资料，但他们在字的理解，听力，匹配，拼音及数量方面仍显示出显著地好于控制组。Renner et al.(1973)还比较了在科学学习中应用学习环教学与用书本进行教学的学生，四年后他们发现在五年级，学习环教学的学生的水平在若干技能方法方面显著好于仅从书本学习科学的学生[3]。（例如，观察，分类，测量，实验，解释和预期）。可能更重要的是，经过斯坦福成就测验，经过学习环教学的学生在数学应用、社会科学研究技能及阅读理解方面显著好于控制组学生。这一结果非常重要，因为它显示学习环教学能促进学生一般智力的发展。

（二）有利于学生推理能力的发展

在学生探究的过程中学生需要提出问题，作出假设和预期、设计实验、分析实验结果。要完成好这些任务，学生需要具备严格的归纳和演绎推理能力。通过大量的科学方法训练，无疑学生的归纳和演绎推理能力将得到大大的提高。

有足够的证据表明学习环教学对于教授科学概念和提高推理能力，从一年级直到大学都是非常有效的。不仅如此，Benford(2001)发现大学学生推理能力的水平与中学期间应用学习环教学的教师的技能显著相关[4]。

（三）有利于培养学生的科学精神

学习环教学以培养学生的研究能力为重要目标之一，注重证据及科学方法的训练。在科学教育中实施学习环教学，可以使学生从小就在探究中获得求真精神的熏陶，可以使学生从小就自主探究自然本来面目而不是仅仅接受别人现成的观点。在这样的环境中成长，能使学生的科学精神得到潜移默化的提升。

以上学习环教学的优点，非常符合我国目前进行的新课程改革的要求。借鉴学习环教学的思想和方法，对于推进我国正在开展的课程改革具有重要意义，但顺利实施学习环教学也需要克服诸多困难。

四、学习环教学的难点

（一）需要学生有一定的探究基础

对学生科学素养的培养是循序渐进的过程，如果学生缺乏探究的相关经验，就不能自主进行难度加大的探究，教师需要对学生进行更多的帮助。从基本的实验技能到实验方法都需要一一指导。只有当学生具备一定的探究经验之后，才能进行较为开放的实验探究，开展具有完整意义的学习环教学。

（二）需要高素质的教师队伍

在进行学习环教学的过程中，教师要设置教学情境、促使学生质疑、引导学生提问、鼓励学生大胆猜想、指导学生小心求证、听取学生的结果分析，组织学生进行成果交流。这些过程首先需要教师有亲身经历，并有丰富的实践，这样才能有效的指导学生进行科学探究。然而，遗憾的是基于我国的教育体制，现在的中小学教师在他们成长的过程中多数并没有接受正规的科学方法训练，更没有科研的经历。因此，有效的开展学习环教学，首先要大力提高教师的科学素养。

（三）需要充足而灵活的教学时间

历来生物实验教学课时间长，难组织。让学生进行自主探究，时间更加难以控制。例如一些需要长时间进行户外的调查和观察的课题教师就很难开展。另一方面如果学生没有足够的时间进行思考和实验，那么探究将流于形式，表面热闹但收不到实际效果，这将与开展学习环教学的本意背道而驰。因此，如何安排好时间，有效组织教学是实施学习环教学的另一大困难。这个问题对于教师来说，需要大力提高组织实施相关教学的能力。

（四）需要科学有效的评价标准

最重要的是，目前我国的教学评价标准尚不能对学生的能力进行科学有效地评价，高考的导向作用，迫使学校只重视知识的传授而忽视能力的培养，阻碍学习环教学在学校的实施，这一问题同样也是新课程改革顺利实施的重大障碍。如何科学有效地评价学生的学业水平和能力需要大家共同努力。

总之，学习环教学是一种基于探究的教学方式，是在总结探究教学成果的基础上形成的一种较为成熟的教学模式。学习环教学的关键是使学生进行有意义的探究，通过这些活动提高学生的探究能力（如思维技能）和帮助学生建构有意义的概念（如扩散和渗透作用）。它在实际教学中取得了良好的教学效果。成为美国众多生物教师认可和期望掌握的一种有效教学方式。但要成为一名熟练的进行学习环教学的教师需要时间和努力。不过，对于一名熟练的，教学经验得到学生和教师赞赏的教师，一旦他开展了学习环教学他将不再回头。