教学时光

突出科学探究——科学课程的重要理念

刘炳升，华东师大版科学副主编，教授，博导

    在《科学（7-9年级）课程标准》中，科学探究占有重要的地位。“突出科学探究”作为课程的基本理念之一；科学探究被列入课程的重要目标；内容标准中明确地提出了科学探究的目标和要求，并且在各分科领域的内容标准中提出了探究活动的建议；在课程实施的建议（包括教学、教材编写、评价和课程资源建设等）中，科学探究也是其中的一项重要内容。

什么是科学探究？为什么在科学课程中要突出科学探究？科学课程中的探究与科学家的探究有什么共同点和区别？对初中学生而言，科学探究的目标是哪些？如何在课程实施中设计、指导和评价科学探究活动？这些对我们来说都是陌生的和需要认识的重要问题。

一、从科学家的探究谈起

科学家的探究，也就是科学家运用科学的方法、通过探索的途径去发现人们尚未认识的科学事物及其规律的过程。科学发现的历史也就是科学探究的历史。没有探究就不会有发现，也不能确认理论的正确性和不断扩展人们对自然的认识。举一个科学史中的典型事例——海王星的发现来说明这种观点：

1781年发现天王星。

1820年发现天王星的观测数据与应用牛顿万有引力计算得到的运行轨道出现偏离，于是问题提出了，天文学家围绕这一问题展开了探究；

1830年后科学家们提出了种种假说，如“木星、土星引力影响”说、“观测误差”说、彗星撞击“灾变”说、“未知卫星”说等，它们都因证据不足或收集到否定证据而一一被排除，“未知行星”假说提出，并被不少天文学家所接受。其中，英国的亚当斯和法国的勒威耶独立运用数学方法对收集到的数据进行艰难的研究。

1845年，亚当斯计算出新行星的质量和轨道参数，并请求格林尼治天文台和剑桥大学天文台帮助寻找新行星，可惜没有引起权威的重视。

1846年9月，勒威耶将自己独立研究的结果寄德国柏林天文台恳请伽勒帮助寻找新星。同年9月23日晚伽勒发现了这颗新的行星，后被命名为海王星。

海王星发现后，天文学家在对其观测中又发现它存在“摄动”现象，于是又提出了一个“未知行星”假说，直到1930年，在天文照像技术的支持下发现了又一颗行星——冥王星。

同在19世纪后期，天文学家还发现水星近日点进动有异常现象，即使考虑金星、地球、木星的引力影响，仍有不可忽视的偏差，勒威耶提出“未知行星”假说，但始终找也不到这颗新星。直到爱因斯坦广义相对论提出，对水星近日点的进动才作出完满的解释。水星近日点的进动成了支持爱因斯坦的广义相对论的证据之一。

在科学史中，有着无数灿烂辉煌发现的诗篇，无论是海王星的发现、魏格纳大陆漂移说的建立，还是阴极射线的确认和电子的发现等等，其探究过程都充满着艰巨性和创造性，洋溢着科学精神，渗透着科学的思想和方法。科学需要探究。从这些事例中，我们可以领悟到科学的本质特征。它们说明，自然界是可以被认识的，科学是认识自然最有效的途径，科学对自然现象有解释和预见的功能，科学是一个开放的系统，科学知识具有相对的稳定性并不断发展和进步，科学强调和尊重经验事实对理论的检验。从过程的意义来看，科学的本质就是探究，是不断地追求真理和不断地修正错误，是不断地创新。

二、为什么在科学课程中要突出科学探究

从培养科学家来说，强调科学探究式的学习无疑是完全必要的，但对基础教育而言，是否需要那么突出科学探究呢？

首先我们从普通公民解决问题的角度来看，作为一个现代社会的公民，要解决日常生活和工作中的种种问题，科学探究是有效的途径和方法。从我们平时遇到的诸如肚子疼了、自行车胎瘪了、手电筒灯泡不亮了、门铃不响了，以至烧鸭汤时鸭块啃不动，是煮的时间过长、过短、火过大还是过小等等，都涉及到一个类似科学探究的过程，科学探究式的学习能帮助我们学会生活。同时我们看到，科学探究在社会科学和生活的各个领域都有广泛的迁移性，考古中、侦探破案中、以及与科学有关的的社会决策中，都需要科学探究。如我们社区要不要把绿地改为高楼、我们的乡镇要不要办一个造纸厂等等问题的解决，都有一个科学的过程和方法的问题。也就是说，无论是做科学家还是做一般的公民，都需要科学探究。

发展学生的科学素养离不开科学的学习过程。科学的核心是探究，教育的重要目标是促进学生的发展，科学课程应当体现这两者的结合，突出科学探究的学习方式。应给学生提供充分的科学探究机会，让学生通过手脑并用的探究活动，体验探究过程的曲折和乐趣，学习科学方法，发展科学探究所需要的能力并增进对科学探究的理解。

科学探究式的学习，对于学生保持对自然的好奇心、理解科学的思想观念、形成科学态度、情感、价值观，有不可替代的作用。许多重要的科学素养的目标，离开科学探究的学习过程是无法真正感受、领悟和理解的。科学探究还是一种理解科学知识的重要策略，因为科学探究中需要知识，通过探究的过程能有效实现对知识的意义建构和深层次的理解。

三、科学探究的目标

科学探究式学习的核心目标是提高科学素养，具体目标是提高学生科学探究所需要的能力和增进对科学探究的理解。

从科学家的探究和作为公民所需要的探究中，我们可以提炼出一些共同的过程的基本特征：

1．科学探究需要发现问题和提出问题，围绕问题去解决问题，过程中又会出现新的问题。问题贯穿于探究的始终。

2．科学探究需要事实和证据。问题经常在现象（事实）的观察中被提出，对问题可能答案作出的猜测和假设（科学上的假说），需要事实和证据的证实或证伪。收集和处理事实证据也贯穿于探究的始终。

3．科学探究需要作出科学解释。猜测、假设（假说）是一种解释，处理事实证据需要提炼出解释，评价后常常需要修正和发展解释。科学解释是人们的一种认识，作出解释需要运用原理和方法。

4．科学探究需要评价。对问题要作出评价，是否是科学的问题，是否是新的问题，是否是有价值的问题，是否是可探究的问题等。对猜想、假设（假说）要进行评价，是否有根据，方法是否合理等。对证据需要评价，对由证据提炼出的解释也需要评价。评价贯穿于探究的始终。

5．科学方法渗透于探究的过程中，如观察、实验、调查、逻辑思维和非逻辑思维的各种方法，尤其是创造性的科学方法。

上述科学探究的基本特征着眼于科学的发展性，由此提出着眼于学生发展的科学探究式学习的目标，该目标以培养创新意识和实践能力为核心，具体是：

①发展提出问题的能力，增进对提出问题意义的理解。

②发展提出猜想和形成假设的能力，理解假设对科学探究的作用。

③发展收集信息和处理信息的能力，理解收集、处理信息技术科学探究的意义。

④发展制定计划、进行技术设计和观察、实验的能力，认识技术设计的重要性。

⑤发展形成科学解释、评价过程与结果的能力，理解科学探究需要运用科学原理、模型和理论，理解科学探究需要创造性的思维能力。

⑥发展交流和合作的能力，认识合作和交流对科学发展的意义。

四、指导探究式学习应有什么样的观点？

学生进行的科学探究与科学家的探究有相似的一面，也有不同的一面。科学家探究的目的是为了发现人们尚未认识的科学事物及其规律，而学生探究式学习的目的主要是为了提高自身的科学素养；探究的对象常常是人类已经认识而对学生是未知的事物；学生探究过程中有教师的指导。

探究活动的设计应当符合学生的心理特点，注意从学生熟悉的事物出发，设计学生喜爱的活动。通过激发学生的兴趣和动机，调动学生探究的积极性和主动性。提倡用自制教具和“随手取材”进行探究活动，注意将课内与课外、校内与校外的探究活动结合起来，努力开发并鼓励学生参与开发各种层次、以小型为主的探究性活动。

探究是一种多侧面、多形式的活动，无论何种形式，关键要体现科学探究的思想和基本特征。有些探究活动只包含了探究的部分要素和特征，有的探究活动要求学生参与探究的全过程。

案例1  哪一支蜡烛先熄灭？

目标：应用燃烧中的化学现象和气体的密度知识，学习做出科学假说（猜想）和进行科学思维的方法。

活动与步骤：

预备知识：燃烧中的化学现象，气体的密度。

1． 问题：两支蜡烛，一高一低，点燃以后，用一只透明罩盖在蜡烛上，问哪一支蜡烛先熄灭？请你做出判断，并说明你做出判断的依据是什么？

2． 按上述题意进行实验，看一看，实验的结果能否支持你的判断？

3． 请对你的探究过程作进一步的评价，想一想哪支蜡烛先熄灭与哪些因素有关？你是否都考虑到了，能否收集更多的证据来支持你进一步的考虑？

4． 交流讨论：你的探究过程、你对该问题的解释和体会。

说明：

本案例中，究竟是高的蜡烛先熄灭还是低的蜡烛先熄灭？需要我们做出一种判断，这种判断可能是正确的，也可能是错误的，在没有得到事实的检验以前，只能是一种假设。为了使提出假设的可靠程度大一些，思考的时候，应当力求有科学的根据，也就是要寻找某些已知的知识，并把问题情境中的事实搞清楚，以作为解决问题的出发点，然后进行科学的推理，即运用逻辑的方法得出预想的结论。例如，有的学生是这样思考的：蜡烛熄灭的原因是缺氧，缺氧的原因是燃烧中产生CO₂，而CO₂气体比空气重（即密度大），因此CO₂气体下沉，由此可以推出低的蜡烛先熄灭。但在一定条件下，实验的结果却是高的蜡烛先熄灭，与学生的预测正好相反，原因在哪里呢？这就需要我们做出批判性的思考，考虑做出判断的前提有没有错，考虑推理的过程和方法有没有错。实际上，在学生的思考中，“CO₂气体比空气重（即密度大）”是值得怀疑的。因为学生忽视了这一命题的条件，即，温度必须相同，而实验中CO₂是在燃烧中产生的，它的温度比周围空气的温度高得多。除此之外，哪一支蜡烛先熄灭，还和罩子的大小有关，为寻求支持，还需要更多的证据，并运用理论作出全理的解释。这一活动对提高学生探究能力和对探究的理解是很有帮助的。

探究活动的指导和开放程度可以不同。科学探究中每一个要素的目标和整体的目标都是分层次的。如提出问题，按照问题的来源，我们可以把它分为三个由低到高不同的层次：①学生根据教师、教材或其它途径给出的问题进行探究；②学生从所提供的问题中得到启发而提出新的问题；③学生自己提出问题。层次越低教师的指导性越强，层次越高探究开放的程度越大。探究活动的设计应当根据多种因素来把握指导与开放的程度。这些因素是教学的具体目标、教学内容的性质、学生的特点和资源的情况等。应随着学习的进展，使开放的程度逐渐提高。

案例2  阳光透过树荫成像的探究

目标：

1．  通过探究活动认识小孔成像的原理；

2．  学习科学探究的方法。

活动与步骤：

1． 提出问题：

观察阳光透过树荫产生的现象，你看到什么现象？能提出什么问题？

（见到许多圆形的光斑，这种光斑是从哪里来的？也见到一些非圆形的光斑，这种光斑又是怎样形成的？）

2． 进行猜想和预测：

① 可能透光的孔近似为圆形，从而使影子的边缘近似为圆形，如果透光的孔为非圆形，那么形成的光斑也就是非圆形；

② 可能是太阳光透过小孔形成的光斑（像），孔的大小可能会影响光斑的形状。

究竟哪一种猜想是正确的呢？

3． 收集事实证据

学生分2-3人一组，观察阳光通过纸片上的小孔在屏上所成的像。

让阳光通过纸片上各种不同形状的小孔（三角形、方形、菱形、梯形等），观察所成的像。

让阳光通过纸片上各种不同形状的大孔（三角形、方形、菱形、梯形等），观察所成的像。

4． 得出结论和解释

通过分析所收集的事实，可以归纳出小孔所成的像都是圆形，与孔的形状无关，而当孔大到一定程度，圆形消失，得到与孔形状相似的光斑。

用光的直进原理可以解释上述结论：即，太阳面上的一个发光点透过小孔在屏上形成一个光斑，所有的发光点都形成与自己对应的光斑，从而组合成一个太阳的像。

5． 评价

能否用其他的事实来证明上面的结论呢？

用蜡烛代替太阳光做小孔成像的实验，证实结论是正确的。

能否根据上面的结论能否测出太阳的直径呢？

用直尺量出小孔到屏的距离l和太阳像（即光斑）的直径d，已知太阳到地球的距离L为一个天文单位长度，由小孔成像的理论可以推出

由测量结果可算出太阳的直径。

6． 报告与交流

报告说明结论是如何得出的，有哪些事实支持这一结论，应用这一结论可以估测太阳的大小，还可以利用小孔成像的方法来观察日食过程中的食相变化。

说明：该案例反映了探究活动全过程的设计，从观察阳光透过树荫产生的现象出发，提出科学问题，步步深入进行主动的探究，使学生更好地领会探究的科学思想和方法。该案例还说明了探究和知识的关系。为什么小孔能够成像而大孔不能成像？要回答这个问题就必须应用光的直进的原理。应用本探究得到的结论，还可以估测太阳的直径。本活动可以使学生领悟科学具有解释和预见的功能。

探究活动应当强调学生的直接体验，但获取证据的方式是多样的。某些问题和证据可以来自于教师的演示实验，也可以让学生从各种渠道收集有关资料，进行分析、思考，提出自己的观点和看法，这样做同样可以培养一些重要的科学探究能力。在探究活动中，教师应当关注学生主体地位的确定和合作学习的展开，探究活动设计的计划不可能一成不变，应当根据具体情况，善于抓住机会，发现有价值的事件，做出动态的指导。

案例 我们对月球的认识

某教师进行“月球和月相”的教学，对两个不同的班级采用了不同的方式。

方案1。上课前，教师向学生布置课题“人类是怎样认识月球的？”请学生自己收集有关资料，再分组讨论，然后全班交流。学生们从课外读物中、互联网上收集了有关的信息，在交流会上分别从古代人类对月球的观察和想象中的神话故事、伽利略用望远镜观察月球揭开月球神秘的面纱、牛顿对地球和月球的研究、现代人们用哈勃望远镜对月球的观测发现、以及阿波罗号的登月探索等方面介绍了人类对月球探索的历程。在教师的帮助下，应用了图片、电视录像资料和计算机多媒体资料，收到了很好的效果。

方案2。上课前，教师向学生布置课题“我对月球有哪些认识？有哪些证据支持我的认识？”请学生联系自己平时对月球的观察做好准备，再分组讨论，然后全班交流。月亮对学生可以说不陌生，从小到大不知道见过多少次，但从科学探究的角度来认识它却是十分欠缺的。各个组在讨论时都会提出许多拿不出证据或说不清楚的“认识”，在交流时学生提出了许多问题。通过全班初步交流后，教师根据了解的情况决定对提炼出来的问题再作一次小组讨论。这些问题可以是：

①月球是运动的，有哪些证据？

②月球有围绕地球公转的运动，证据是哪些？

③月球的公转自西向东，你是怎么知道的？

④月球有自转，支持这个论点的证据是什么？

⑤月球的公转周期是27。3日，而月相变化的周期是29，5日，为什么不相同？

⑥月亮的圆缺有什么样的规律？你见过“日月同辉”的景象吗？怎样从照片上区别月相和月食？

⑦阿波罗号登月飞行给人类认识月球提供了哪些新的证据？

⑧我们还有哪些问题至今没有足够的证据作出回答？

在小组讨论期间，学生可以再进行一些观察，再收集一些信息，并做一些模拟解释的实验，再进行全班交流和总结。

上述两种方案各有特点，前者以人类对月球的探究为线索，让学生自己去收集资料，通过讨论和交流达到教学的目标，后者不仅要求提出对月球的认识，而且要求提出支持认识的证据，根据学生的情况进行动态引导，从而更好提高学生科学探究的能力。

还应当认识探究是一种让学生理解科学知识的重要的学习方式，探究的过程应当体现学生认识上的意义建构，但不是唯一的学习形式。探究需要较多的时间和较大的空间，不可能将所学的知识都用探究的方式来获得。在科学教学中，要求运用各种教学方式和策略，以形成优化的教学模式。

科学探究的思想影响科学学习的目标、内容、学习方式、学习评价和资源开发，这是一个新的课题，需要广大教师和社会各方面的关注，并在教学实践中不断发展对科学探究的认识。