科學(xué)探究意義辨析及案例解讀*

高嵩

(山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 山東 濟(jì)南 250014)

科學(xué)探究是我們進(jìn)行課程改革的重要內(nèi)容，但是對于科學(xué)探究如何定義及實施，卻是隨著時代的發(fā)展而變化的.在不同的歷史時期，人們對“科學(xué)探究”的理解是不同的，如杜威、布魯納等人，他們關(guān)于科學(xué)探究的論述，都是基于當(dāng)時的歷史與社會環(huán)境，要解決的是當(dāng)時科學(xué)教育中出現(xiàn)的問題.因此，今天的課程改革，就不能僅將前人的只言片語視為圭臬，而是應(yīng)站在現(xiàn)實的角度，領(lǐng)悟歷史的遺產(chǎn)對于當(dāng)今科學(xué)教育的啟示.本次席卷全球的課程改革從90年代初期啟動，至今已有20余年，但從實際課程實施來看，教師并未將科學(xué)探究很好地貫穿于科學(xué)教育.調(diào)查表明，當(dāng)提到“科學(xué)探究”時，教師更關(guān)注的是如“活動”、“過程”、“動手”等外在表現(xiàn)，認(rèn)為學(xué)生動手操作，將必然地導(dǎo)致科學(xué)的本質(zhì)的理解和知識的獲得；或者有教師認(rèn)為自己并不知道科學(xué)家是如何進(jìn)行研究的，因此,在探究中不能給予學(xué)生合適的指導(dǎo)；更多的教師認(rèn)為科學(xué)探究投入的時間、精力與結(jié)果不成比例，效率低下.其實，這些觀點都是由于教師對科學(xué)探究理解的片面化而造成的.因此,我們將基于現(xiàn)實，追問當(dāng)下科學(xué)探究的本質(zhì)如何，并通過展示兩個科學(xué)教育中的科學(xué)探究的實例，以澄清在課程實施中教師對于科學(xué)探究的錯誤認(rèn)識，從而幫助教師真正將科學(xué)探究貫徹于科學(xué)教育的過程中.

1 科學(xué)探究的涵義辨析

1.1 “科學(xué)”與“探究”

仔細(xì)研讀各課程標(biāo)準(zhǔn)的表述會發(fā)現(xiàn)，人們往往是在不同的語境下使用“科學(xué)探究”這個詞的，如在我國初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中，就有著這樣的幾種表述[1]：

(1)科學(xué)探究是一種過程，“讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法”；

(2)科學(xué)探究是一種教學(xué)方法或?qū)W習(xí)方法，“注重科學(xué)探究，提倡教學(xué)方式多樣化”；

(3)科學(xué)探究是一種活動，如“通過參與科學(xué)探究活動，學(xué)習(xí)擬訂簡單的科學(xué)探究計劃和實驗方案”；

(4)科學(xué)探究是學(xué)習(xí)的目標(biāo)，如“科學(xué)探究既是學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)，又是重要的教學(xué)方式”

(5)科學(xué)探究是學(xué)習(xí)的內(nèi)容，如“《標(biāo)準(zhǔn)》中的‘內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)’由科學(xué)探究和科學(xué)內(nèi)容組成”；

(6)科學(xué)探究是一種能力，如“發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力，科學(xué)探究能力和解決實際問題的能力”；

(7)科學(xué)探究是一種理念，如課標(biāo)要求“科學(xué)探究應(yīng)滲透在教科書和教學(xué)過程的各個方面”.

由以上的種種表述可以看出，課程標(biāo)準(zhǔn)并不是將科學(xué)探究作為一種刻板的定義而給出的，而是在不同的語境中有著不同的意蘊，既有形而上的理念、目標(biāo)，也有形而下的活動、方法，但無論哪一種表達(dá)，都具有兩個要義，即“科學(xué)”與“探究”.

科學(xué)，是科學(xué)探究的前提.將“探究”前冠以“科學(xué)”時，是提示我們要保證探究一定是“科學(xué)”的.當(dāng)我們衡量一件事物是否科學(xué)的時候，被分析的對象來自于3個層面,即科學(xué)的知識、科學(xué)的行動，以及科學(xué)的情感.首先，是科學(xué)知識.科學(xué)的最終目的是尋求對自然界及人類社會的具有普遍性和真理性的解釋，其結(jié)論是可以被檢驗的，因此，在進(jìn)行科學(xué)教育的過程中，應(yīng)幫助學(xué)習(xí)者主動發(fā)展和構(gòu)建自己的學(xué)科知識體系，以構(gòu)成自己的自洽的知識體系,可以用科學(xué)的言語解釋事物的發(fā)展變化，而非進(jìn)行空想和臆斷.其次，是科學(xué)的行動.當(dāng)我們的活動被認(rèn)為具有科學(xué)性時，意味著在活動主體與客體互動的過程中，主體不斷針對客體的現(xiàn)實做出判斷，并選擇驗證判斷的方案，如觀察、測量、實驗、說明、推理等等，以保證思維及其成果符合邏輯思維的基本規(guī)律以及經(jīng)驗證據(jù)的充分和可靠.第三個方面是科學(xué)的情感，科學(xué)受到文化和社會價值觀念的影響，當(dāng)下呼吁科學(xué)活動不應(yīng)盲從或屈服于權(quán)威，而應(yīng)有根據(jù)地懷疑已有的成就，提倡一種內(nèi)在的追求真理興趣，而非以科學(xué)作為謀利的手段.

探究，是科學(xué)探究的承載形式.當(dāng)人們提到“探究”的時候，根據(jù)其語境特征可以分為外顯的探究活動和內(nèi)隱的探究意識.根據(jù)建構(gòu)主義理論可知，人們對于事物的認(rèn)識，既非起源于一個有自我意識的主體，也不是起因于業(yè)已形成的,會把自己烙印在主體之上的客體，連接主客體的是結(jié)構(gòu)，而結(jié)構(gòu)隨著活動的展開在不斷發(fā)展變化.若新的結(jié)構(gòu)更加合理，則主體認(rèn)識客體的能力就會增強，反之，則會削弱.然而,結(jié)構(gòu)是具有個體性的，因此，主張在教學(xué)中學(xué)生可以有更多的機會進(jìn)行平等、自由地反思和交流，在現(xiàn)實中則表現(xiàn)為主體的表述、疑問和通過活動尋求證據(jù)，與他人交流等活動，當(dāng)學(xué)生在學(xué)習(xí)中呈現(xiàn)這樣一系列針對自己的理解而展開的活動時，就可以認(rèn)為他正在進(jìn)行著“探究性”的學(xué)習(xí).因此，提倡在教學(xué)中師生都應(yīng)具有盡可能教學(xué)探究活動的意識，并在教學(xué)過程中真正實施.

1.2 科學(xué)探究的意義及目的

正是由于“科學(xué)探究”有著諸多的哲學(xué)意蘊和現(xiàn)實意義，當(dāng)提到“科學(xué)探究”的時候，人們便賦予它豐富的內(nèi)涵，由此在各種語境中使用“科學(xué)探究”一詞就可以理解了.在科技發(fā)展及科學(xué)教育領(lǐng)域，科學(xué)探究都有著重要的作用，因此，人們更關(guān)注的是應(yīng)如何來“做”科學(xué)探究，將科學(xué)探究看作一種活動，于是這就有了美國國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)對科學(xué)探究的兩種描述，即“科學(xué)探究指的是科學(xué)家們用以研究自然界并基于此種研究獲得的證據(jù)提出種種解釋的多種不同途徑”和“科學(xué)探究也指的是學(xué)生們用以獲取知識、領(lǐng)悟科學(xué)的思想觀念，領(lǐng)悟科學(xué)家們研究自然界所用的方法而進(jìn)行的各種活動.”[2]當(dāng)然，在科學(xué)教育中，“科學(xué)探究”更多的是指后者，即將科學(xué)探究視為一種科學(xué)教育的方式，關(guān)心的是如何將探究的“做”與探究的“學(xué)”聯(lián)系在一起，希望學(xué)生在探究過程中,在內(nèi)心中重新思考或回溯建立物理規(guī)律的過程，體驗知識產(chǎn)生的過程，從而獲得知識，并且還能領(lǐng)悟到科學(xué)家所表現(xiàn)的其他東西，如科學(xué)思想和科學(xué)方法.因此，科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)中提出要利用科學(xué)探究的方式來進(jìn)行學(xué)習(xí)的目的有兩個：

(1)人們希望知識的獲得，研究問題能力的提高，以及科學(xué)的情感、態(tài)度、價值觀的建立等，可以通過探究來達(dá)到；

(2)探究必須是科學(xué)的，探究的過程必須符合科學(xué)行為規(guī)范.學(xué)生在進(jìn)行科學(xué)探究的過程中習(xí)得科學(xué)行為規(guī)范.

1.3 科學(xué)探究應(yīng)用于科學(xué)教育的特征

利用科學(xué)探究的方式進(jìn)行科學(xué)教育，在課程實施中遇到的最大困難就是教師不知如何操作.因此,國內(nèi)外學(xué)者提出了一些模式，如阿特金和卡普拉斯提出的學(xué)習(xí)環(huán)模式；喬伊斯提出的科學(xué)探究模式;Wise和Okey提出的探究-發(fā)現(xiàn)法模式;以及我國科學(xué)課教師普遍采用的基本基于課程標(biāo)準(zhǔn)提到的7項元素的科學(xué)探究模式,等等.無論哪種模式，當(dāng)試圖以一種固化的步驟進(jìn)行科學(xué)探究時，人們發(fā)現(xiàn)“科學(xué)探究”就會顯得教條和無聊，這是因為探究本身就是一種情境化、個性化的活動，思維的活躍與自由平等的交流是科學(xué)探究的特質(zhì)，因此，無論是我國課程標(biāo)準(zhǔn)或美國的科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)都強調(diào)不要將科學(xué)探究程序化、教條化.為了明確科學(xué)探究的意義，給教師的課程實施提供一個行動指南，美國國家研究理事會科學(xué)、數(shù)學(xué)及技術(shù)教育中心提出了科學(xué)探究應(yīng)整體或部分地具有以下幾個特征：

(1)學(xué)習(xí)者圍繞科學(xué)性問題展開探究活動；

(2)學(xué)習(xí)者獲取可以幫助他們解釋和評價科學(xué)性問題的證據(jù)；

(3)學(xué)習(xí)者要根據(jù)事實證據(jù)形成解釋，對科學(xué)性問題做出回答；

(4)學(xué)習(xí)者通過比較其他可能的解釋，特別是那些體現(xiàn)出科學(xué)性理解的解釋，來評價自己的解釋；

(5)學(xué)習(xí)者要交流和論證他們所提出的解釋[3].

由此，在課程實施中，不應(yīng)糾結(jié)于科學(xué)探究有幾個步驟，而應(yīng)關(guān)注學(xué)生是否可以針對情境提出科學(xué)的問題，提出的解釋及獲取證據(jù)的措施是否具有科學(xué)性，在與其他人交流的過程中，其證據(jù)、解釋和判斷是否正確、合理.下面從對“摩擦力”一節(jié)的課堂教學(xué)案例的分析中進(jìn)一步明確科學(xué)探究的本質(zhì)含義.

2 科學(xué)教育中科學(xué)探究的案例分析

2.1 案例描述

在明確了本節(jié)課要研究的主題是“摩擦力”之后，教師請學(xué)生在座位上利用自己的方式感受摩擦力，并想辦法減小和增大摩擦力，然后向同伴說明如何操作的.

學(xué)生甲通過拖動自己和同桌的書桌時的感受，證明摩擦力與物體的重力有關(guān)，重力越大，摩擦力越大；

學(xué)生乙以手推桌面為例，按桌面的力大小不同，在摩擦中受到的摩擦力也不同，來說明摩擦力應(yīng)該與手按壓桌面的力的大小有關(guān).而這個結(jié)論也可以解釋剛才的那個情境，因為越重的物體對地面的壓力越大.既然都是研究摩擦力，它們應(yīng)該用統(tǒng)一的方法去說明.

學(xué)生丙用自己的手以不同的速度摩擦桌面時的感受不同，說明摩擦力與物體運動的速度有關(guān).

學(xué)生丁以用一個手指和用整個手掌去按桌面感受到的摩擦力大小不同，說明摩擦力與物體的面積有關(guān).

……

學(xué)生紛紛表達(dá)自己的意見，并對同學(xué)的回答做出評價，展開討論，但都不能有效地說服別人.教師表揚了學(xué)生這種實事求是的精神，指出科學(xué)家們在做出判斷的時候絕不會僅僅憑自己的感覺，因為每個人的感覺或許會不同，還要通過較為精確的測量來說明問題.實驗室能提供的測量力的工具為彈簧測力計，那么,在現(xiàn)有條件下，如何證明剛才的猜想呢？

學(xué)生們一時間難以將彈簧測力計與剛才的情境結(jié)合起來，教師提示在實驗臺上還有小滑塊，是否可以用彈簧測力計測量滑塊在桌面上受的摩擦力呢？學(xué)生受到啟發(fā)，開始分別設(shè)計實驗.

有的學(xué)生設(shè)計了研究摩擦力與壓力間關(guān)系和摩擦力與接觸面粗糙程度關(guān)系的實驗，得到了“壓力越大，接觸面越粗糙，摩擦力越大”的結(jié)論.

也有學(xué)生進(jìn)行了其他實驗，將滑塊側(cè)著放，以研究摩擦力與接觸面大小間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)側(cè)放時滑塊受到的摩擦力較小，因此,提出了“接觸面越小摩擦力也越小”結(jié)論.另有學(xué)生要研究摩擦力與速度的關(guān)系，但是當(dāng)快速拉動彈簧測力計時，示數(shù)突然變大，然后指針又彈回去，他們認(rèn)為摩擦力與速度有關(guān)，但是感到很難將這種現(xiàn)象用話語表達(dá)出來.

教師與學(xué)生一起分析這些實驗過程和結(jié)論是否合理.在實驗結(jié)果上，對于第一組結(jié)論，學(xué)生一致認(rèn)為是正確的，其他同學(xué)也做出了類似的結(jié)論，而且還可以從最初所做的小實驗中得以印證.但是對第二組認(rèn)為摩擦力與接觸面積相關(guān)的結(jié)論提出了疑義，有學(xué)生發(fā)現(xiàn)實驗所用滑塊的底面與側(cè)面粗糙程度也不同，摩擦力變化也許是因為粗糙程度的變化引起的.而對第三組的結(jié)論學(xué)生們爭議最大，但是誰也不能說服誰.在辯論中，學(xué)生逐漸認(rèn)識到，要說明影響摩擦力大小的相關(guān)因素，每次實驗只能說明一個因素的影響，因此，其他量要保持不變，否則什么也得不出來.比如，將滑塊側(cè)放的時候，接觸面間的粗糙程度和接觸面積都改變了，這樣就很難說清楚摩擦力大小變化的真正影響因素是什么.第二個方面就是在研究這個因素對摩擦力的影響時，其本身不能忽大忽小地變化，如用彈簧測力計快速拉動滑塊，滑塊的速度在變，摩擦力也在變，這樣就說不清楚速度的大小對摩擦力大小的對應(yīng)關(guān)系，這樣，應(yīng)以不同的恒定速度拉動物塊.由此，學(xué)生意識到接觸面積與運動速度大小對摩擦力的影響還需要進(jìn)一步的研究.

2.2 案例說明

當(dāng)教師希望用科學(xué)探究的方式進(jìn)行教學(xué)時，常常遇到這樣的困難，首先，學(xué)生如何能認(rèn)識到科學(xué)的問題；其次，這項活動是否能真正促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)；第三，學(xué)生活動是否科學(xué).筆者與很多一線教師進(jìn)行交流，他們認(rèn)為除非學(xué)生事先讀了教科書，否則，學(xué)生是難以合適地提出問題并進(jìn)行研討的.因此，真實的教學(xué)過程就不是按照提出問題、猜想與假設(shè)、制定實驗計劃、收集數(shù)據(jù)、分析與論證、評估和交流與合作的過程，而是如本案例展示的那樣，最初是身體的感受，伴隨著活動的展開，學(xué)生將由機體的感受與儀器(彈簧測力計)的指示建立起一一對應(yīng)的關(guān)系，將具體的描述轉(zhuǎn)變?yōu)槌橄蟮谋磉_(dá)，并為最終規(guī)律的建立奠定了基礎(chǔ)，學(xué)生認(rèn)識每提升一個層次，都會有相應(yīng)的問題(或?qū)ΜF(xiàn)象的描述)與之對應(yīng)，因此，學(xué)生對與摩擦力相關(guān)的現(xiàn)象也就認(rèn)識的越深刻，對問題的表述也就越清楚，不斷有新的問題提出，并且指向性也越強，學(xué)生對問題的描述也越合理，各個要素逐漸變得清晰.比如，本案例中，最終學(xué)生提出了“摩擦力是否與接觸面的粗糙程度有關(guān)”，“物體運動的速度是否會影響它受到的摩擦力”這樣明確的問題.

關(guān)于利用科學(xué)探究進(jìn)行教學(xué)的有效性及必要性已從實踐與理論諸方面進(jìn)行了深入的研究和證明，但是教師如何保證學(xué)生的探究學(xué)習(xí)也是有效的？提供案例的教師感到，當(dāng)學(xué)生通過參與并對于問題有了清晰的認(rèn)識之后，學(xué)習(xí)的積極性和活躍性大為增強，并且也樂于將自己的觀點與學(xué)友共享.而學(xué)生討論過程中表述方式各異，有利于學(xué)生從各個角度思考問題，并最終形成了對所學(xué)知識的良好的認(rèn)知結(jié)構(gòu).并且，讓人滿意的是，學(xué)生討論過程中，為了使得其成果更好地為他人接納，力求陳述自己的觀點、展示自己證據(jù)的時候做到“科學(xué)”；意識到在科學(xué)探究的過程中觀察、測量，以及有條理地記錄數(shù)據(jù)的必要性；在下結(jié)論的時候會注意結(jié)論與過程及證據(jù)的契合性；同時，同伴間會適時地規(guī)范語言的描述和探究的行為.

通過這個案例，說明當(dāng)科學(xué)探究真正在課堂上發(fā)生的時候，能夠有效促進(jìn)學(xué)習(xí)的發(fā)生，并有利于提升學(xué)生的科學(xué)技能和科學(xué)精神.當(dāng)然，學(xué)生的探究活動得以順利進(jìn)行，與教師周密的準(zhǔn)備和適時的引導(dǎo)分不開的，活動器材的配備、討論話題的引導(dǎo)、活動的程序，都會體現(xiàn)出教師的授課藝術(shù)和專業(yè)水平.

3 教學(xué)中進(jìn)行科學(xué)探究的幾點要義提示

當(dāng)下課程改革提出的“科學(xué)探究”，既非杜威提倡的在日常生活中進(jìn)行的科學(xué)方法教育的探究，也非局限于學(xué)科結(jié)構(gòu)內(nèi)的少數(shù)精英的探究，其目標(biāo)是提升全體學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，因此，在兼顧共性與個性的前提下，如何使得學(xué)生構(gòu)成一個圍繞同一問題展開討論，并使得每個學(xué)生都形成對某一類自然現(xiàn)象的科學(xué)解釋才是根本.通過前面的理論分析和案例展示，在科學(xué)教育中利用科學(xué)探究的方法要注意這樣兩個方面.

(1)探究過程是非線性的.問題、操作和方法是科學(xué)探究的三個基本要素，而問題處于核心地位，同時這三者之間不是孤立的.在科學(xué)探究開展的過程中，也不是按照提出問題，選擇方法，進(jìn)行操作，問題解決的時序進(jìn)行的，而是隨著探究活動的逐步展開，主體對認(rèn)識對象的認(rèn)識逐步深入，會不斷有新的問題產(chǎn)生，在問題的引導(dǎo)下，學(xué)生需要對現(xiàn)狀進(jìn)行判斷、推理，選擇方法.認(rèn)識主體對于情境的認(rèn)識程度決定著他選取怎樣的方法，進(jìn)行怎樣的操作.因此，雖然許多人期望能夠有一種可以照著做的程序來實施科學(xué)探究，但科學(xué)探究的情境性和發(fā)展性決定了這是一個沒有確定程序的過程.教學(xué)過程是否進(jìn)行了科學(xué)探究，不在于是否做了實驗，是否包含著幾個要素，而在于過程的內(nèi)涵是否符合科學(xué)探究的標(biāo)準(zhǔn)，也正因為如此，各國課程標(biāo)準(zhǔn)都沒有給出科學(xué)探究的確切定義.

(2)要根據(jù)探究的內(nèi)容選擇合適探究目標(biāo).前面案例展示的是一個典型的、面向規(guī)律的科學(xué)探究教學(xué)過程，即探究的目標(biāo)是獲取某一定律或原理.而在課程標(biāo)準(zhǔn)中還有一類科學(xué)探究——面向解釋的探究科學(xué)，其目標(biāo)不是要形成一種理論，而是一種解釋，其結(jié)論是開放的，如對農(nóng)諺“下雪不冷化雪冷”的解釋.在教學(xué)過程中往往只關(guān)注了第一類探究，而忽視了第二類探究.但正是第二類探究由于形式更自由，內(nèi)容更廣泛，能夠更好地提升學(xué)生科學(xué)聯(lián)系生活、聯(lián)系社會的意識，提升其批判意識更有意義.當(dāng)然，在當(dāng)下許多教師反映課時緊、教學(xué)任務(wù)重、學(xué)生的興趣并不統(tǒng)一等現(xiàn)狀，因此,可以考慮利用校本課程或課外活動的方式，在常規(guī)課堂之外為這些具有探索精神的學(xué)生提供研究的機會.

(3)科學(xué)探究并非唯一的科學(xué)教育手段.我們要明確科學(xué)探究是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué),提升科學(xué)素養(yǎng)的有效途徑，而非唯一途徑.當(dāng)下有些教師積極響應(yīng)課程改革的理念，于是言必稱探究，產(chǎn)生了科學(xué)探究是學(xué)習(xí)科學(xué)的唯一途徑的錯誤認(rèn)識.但是學(xué)習(xí)科學(xué)，要使學(xué)生可以有效利用科學(xué)理論分析解決生活、生產(chǎn)的問題，學(xué)生仍舊需要進(jìn)行諸如操作性的、程序性的訓(xùn)練，一些科學(xué)的表述，學(xué)生仍需通過教師的講解才可以領(lǐng)會，通過反復(fù)記憶，對于科學(xué)理論的表達(dá)才符合規(guī)范.因此，如何將科學(xué)探究與其他方式更好地結(jié)合，通過多種教學(xué)方式的結(jié)合，使得學(xué)生時時處于一種充滿了探究的樂趣，不斷感受到自己科學(xué)能力的提升，并樂于投身于對隱藏在紛繁復(fù)雜的自然現(xiàn)象的表象之下規(guī)律探索的事業(yè)中去，并樂于為提升人們的生產(chǎn)能力，改善人們的生活水平而努力.這才是我們在當(dāng)下討論“科學(xué)教育中的科學(xué)探究”的意義所在.

參考文獻(xiàn)

1 中華人民共和國教育部.全日制義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn).北京：北京師范大學(xué)出版社，2001

2 National Academy of Sciences.National Science Education Standards.Washingten. DC, 1999.23

3 國家研究理事會科學(xué)、數(shù)學(xué)及技術(shù)教育中心.《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》科學(xué)探究附屬讀物編委會.科學(xué)探究與國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)——教與學(xué)的指南.北京：科學(xué)普及出版社，2010.9,24