科學(xué)課必須重視科學(xué)本質(zhì)教育

李健

認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)是學(xué)生發(fā)展科學(xué)核心素養(yǎng)的重要方面。小學(xué)科學(xué)教師對科學(xué)本質(zhì)有深刻理解，有助于幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中理解科學(xué)本質(zhì)，提升科學(xué)素養(yǎng)，發(fā)揮學(xué)科育人的價(jià)值。在實(shí)際教學(xué)中，如何幫助學(xué)生認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)，落實(shí)課程標(biāo)準(zhǔn)對發(fā)展學(xué)生科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的要求，需要我們加深對科學(xué)本質(zhì)的理解，對教學(xué)路徑、策略進(jìn)行深入思考與審視。

認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)

什么是科學(xué)本質(zhì)？我國研究者根據(jù)哲學(xué)上對“本質(zhì)”的定義，認(rèn)為科學(xué)本質(zhì)是指科學(xué)本身所固有的、決定科學(xué)性質(zhì)、面貌和發(fā)展的根本屬性。美國科學(xué)促進(jìn)協(xié)會在《面向全體美國人的科學(xué)》一書中，將科學(xué)本質(zhì)觀概括為科學(xué)世界觀、科學(xué)探究觀、科學(xué)事業(yè)觀三個(gè)基本維度。從系統(tǒng)論視角將三個(gè)基本維度對應(yīng)為：科學(xué)知識的本質(zhì)、科學(xué)研究的本質(zhì)和科學(xué)的社會建制問題三個(gè)方面。

關(guān)于科學(xué)知識的本質(zhì)，需要理解科學(xué)知識的確定性和相對真理性，知道科學(xué)知識是對自然事物及現(xiàn)象基于證據(jù)的解釋，并且在新發(fā)現(xiàn)的證據(jù)下可以不斷修正完善，也能用于對未知現(xiàn)象的預(yù)測。

關(guān)于科學(xué)探究的本質(zhì)，需要認(rèn)識到科學(xué)探究是可以采取不同的、可以重復(fù)的實(shí)證方法，結(jié)合批判性、創(chuàng)造性、直覺、想象等邏輯與非邏輯思維進(jìn)行科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程。有研究者認(rèn)為，科學(xué)探究的過程比科學(xué)的結(jié)論更有用，因?yàn)榭茖W(xué)結(jié)論是暫時(shí)的、個(gè)體的，只有科學(xué)方法是可以遷移的。

關(guān)于科學(xué)的社會建制問題，《面向全體美國人的科學(xué)》一書指出：“科學(xué)是一項(xiàng)復(fù)雜的社會活動，科學(xué)由學(xué)科內(nèi)容組成、由不同機(jī)構(gòu)研究，科學(xué)研究中有著普遍接受的道德規(guī)范，科學(xué)家在參與公共事務(wù)時(shí)既是科學(xué)家也是公民?！?我們需要建立對科學(xué)與技術(shù)、科學(xué)與社會等關(guān)系的認(rèn)識。

科學(xué)本質(zhì)觀視角下的小學(xué)科學(xué)教學(xué)，教師不是以教會學(xué)生確定性的科學(xué)常識為目的，而是要提供條件和創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生在真實(shí)環(huán)境中，獲取對周圍事物及現(xiàn)象更多的直接經(jīng)驗(yàn)，激發(fā)他們在探究過程中產(chǎn)生好奇，并提出問題，同時(shí)引導(dǎo)他們使用多種科學(xué)探究方法，獲得對世界的解釋及探究的方法，促進(jìn)探索自然世界更深層興趣的產(chǎn)生。有關(guān)科學(xué)本質(zhì)的課堂教學(xué)方法一般認(rèn)為有科學(xué)探究法和科學(xué)歷史法。

本文以《電和磁》一課為例，結(jié)合科學(xué)探究法和科學(xué)歷史法，探索在具體課例中促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)，幫助他們發(fā)展核心素養(yǎng)的路徑和策略。

體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)

環(huán)節(jié)一：以科學(xué)歷史聚焦問題

導(dǎo)入：人類今天的生活已經(jīng)離不開電能，但是人類大量使用電能卻不到200年。這一切，源自1820年科學(xué)家奧斯特在實(shí)驗(yàn)中用電路靠近指南針時(shí)的一個(gè)偉大發(fā)現(xiàn)。讓我們看看這是怎樣的一個(gè)發(fā)現(xiàn)。

科學(xué)家是兒童的榜樣。以人類生活離不開電能進(jìn)行引入，呈現(xiàn)科學(xué)家奧斯特及其發(fā)現(xiàn)的重要性，可以調(diào)動兒童與生俱來的好奇心和求知欲。

教師選擇與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的科學(xué)歷史事件作為背景材料呈現(xiàn)給學(xué)生，使他們的未知與已知產(chǎn)生認(rèn)知失衡，激發(fā)他們的探究興趣，促使他們產(chǎn)生了學(xué)習(xí)動機(jī)。

環(huán)節(jié)二：以科學(xué)現(xiàn)象形成假設(shè)并驗(yàn)證

探究1：觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提出科學(xué)問題。

操作：連接電路，靠近靜止的指南針，觀察指南針有什么變化，斷開電路再觀察指南針有什么變化。重復(fù)操作與觀察，思考奧斯特當(dāng)年究竟觀察到了什么現(xiàn)象。

思考：交流觀察到的現(xiàn)象。由這些現(xiàn)象能提出什么科學(xué)問題？你對這個(gè)問題有什么解釋？

電和磁是學(xué)生已經(jīng)有所理解的能量知識，200年前的科學(xué)家也力圖探尋這兩種能量之間的關(guān)系。教學(xué)中通過通電導(dǎo)線能讓指南針動起來這個(gè)活動，教師引導(dǎo)學(xué)生聚焦于這個(gè)新奇的科學(xué)現(xiàn)象，并與已有認(rèn)知產(chǎn)生沖突，這與科學(xué)家當(dāng)年觀察與思考如出一轍，激發(fā)了學(xué)生探索電與磁關(guān)系的學(xué)習(xí)動機(jī)。教學(xué)中，教師注重引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)現(xiàn)象做出解釋，深入思考現(xiàn)象與什么事物有聯(lián)系，有怎樣的聯(lián)系，從而形成學(xué)生自己的推測：通電導(dǎo)線產(chǎn)生磁或通電導(dǎo)線變成鐵一樣的材料。

學(xué)習(xí)的過程，可以看作是一個(gè)試圖解決我們已經(jīng)知道的與我們想知道的之間的不協(xié)調(diào)過程。教學(xué)中教師通過真實(shí)的情境再次有效地制造了認(rèn)知沖突，這個(gè)情境中的兩個(gè)對比現(xiàn)象，有利于引導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生科學(xué)問題：通電導(dǎo)線為什么能讓指南針偏轉(zhuǎn)？學(xué)生對這個(gè)問題充滿了好奇。教師鼓勵學(xué)生基于對磁的理解，有根據(jù)地大膽想象，為他們提出假說搭建“腳手架”。學(xué)生從現(xiàn)象中提出科學(xué)問題，借助已有認(rèn)知，通過分析論證產(chǎn)生兩種科學(xué)假說。這樣教學(xué)，讓學(xué)生經(jīng)歷并理解科學(xué)探究中科學(xué)問題及假說的產(chǎn)生過程，使他們對科學(xué)問題與科學(xué)假說有了初步的理解。

探究2：設(shè)計(jì)并驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

思考：通電導(dǎo)線產(chǎn)生磁或通電導(dǎo)線變成鐵一樣的材料，這是我們對問題的推測性回答，該如何驗(yàn)證我們的假設(shè)？

教師引導(dǎo)學(xué)生參與設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，基于對磁的認(rèn)識，分析論證驗(yàn)證假說的方法：如果是產(chǎn)生磁，應(yīng)該也有兩個(gè)磁極，靠近指南針應(yīng)該有兩種現(xiàn)象，可吸引，也可排斥;如果是變成像鐵那樣的材料，靠近指南針應(yīng)該只有一種現(xiàn)象，即只能被吸引。

實(shí)驗(yàn)：教師協(xié)助學(xué)生將導(dǎo)線繞成線圈裝置，為他們的實(shí)驗(yàn)搭建腳手架，有利于學(xué)生觀察、推測可能出現(xiàn)的現(xiàn)象。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，觀察并記錄通電線圈靠近指南針的情況：用通電線圈的兩端分別靠近指南針一端，或用通電線圈一端分別靠近指南針的兩極。

探究活動過程是學(xué)生自主建構(gòu)的過程。對學(xué)生而言，他們往往容易滿足動手實(shí)踐的樂趣，忽視探究過程中的目標(biāo)，對解決問題需要收集相關(guān)證據(jù)以及分析證據(jù)的邏輯關(guān)系往往認(rèn)識不清，導(dǎo)致活動后無法形成新的認(rèn)知。所以，教師引導(dǎo)學(xué)生參與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過程中，要特別關(guān)注所設(shè)計(jì)的活動及使用材料的結(jié)構(gòu)性，讓他們明確實(shí)驗(yàn)的目的和解決問題需要收集的證據(jù)，初步建立觀點(diǎn)與證據(jù)之間要協(xié)調(diào)一致的意識。

動手是學(xué)生喜歡的學(xué)習(xí)方式之一，但是他們往往容易被材料、被操作過程等其他因素干擾而失去目標(biāo)，偏離研究的主題。這個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生參與論證與設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，建立實(shí)驗(yàn)與假說之間的緊密聯(lián)系，觀察什么現(xiàn)象、現(xiàn)象反映什么結(jié)論，邏輯關(guān)系清楚，目標(biāo)明確。這個(gè)環(huán)節(jié)也幫助學(xué)生經(jīng)歷并認(rèn)識到：科學(xué)探究是嚴(yán)密的邏輯思維與實(shí)證方法的結(jié)合，假說是否正確，需要觀察及實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，這樣就將科學(xué)探究本質(zhì)的教育融入具體的教學(xué)活動中。

環(huán)節(jié)三：以實(shí)驗(yàn)證據(jù)解釋現(xiàn)象

解釋：在實(shí)驗(yàn)中觀察到什么現(xiàn)象？能解釋通電導(dǎo)線讓指南針動起來的現(xiàn)象嗎？

學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，用各種方法收集到解釋假設(shè)的證據(jù)，繼而開展交流論證。學(xué)生以小組為單位，根據(jù)獲取的信息，對提出的假說進(jìn)行證據(jù)支持下的解釋，并與其他小組的分析解釋進(jìn)行“碰撞”，確認(rèn)或修正、完善自己小組的解釋。

在前面的探究活動中，學(xué)生把所觀察到的現(xiàn)象與已有認(rèn)知相結(jié)合，可以使解釋推理時(shí)有理（能與磁鐵發(fā)生作用的情況只有兩種：吸引像鐵一類物質(zhì)的屬性和磁與磁之間同極相斥、異極相吸的屬性）、有據(jù)（實(shí)際現(xiàn)象是通電導(dǎo)線與指南針一端相吸引，與另一端相排斥），證實(shí)了通電導(dǎo)線產(chǎn)生磁。

有研究者認(rèn)為，科學(xué)本質(zhì)的顯性化課程設(shè)計(jì)需要強(qiáng)調(diào)基于證據(jù)的科學(xué)推理及其在科學(xué)理論建構(gòu)中的關(guān)鍵作用。教學(xué)中，學(xué)生的解釋有理有據(jù)，他們會意識到自己的觀點(diǎn)需要證據(jù)支持。這樣教學(xué)，可以培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識。本課教學(xué)從科學(xué)假說的形成、基于假說的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與證據(jù)收集，到解釋現(xiàn)象產(chǎn)生的原因、形成科學(xué)發(fā)現(xiàn)的整個(gè)過程都凸顯了科學(xué)推理，對學(xué)生理解科學(xué)探究本質(zhì)起到了較好的促進(jìn)作用。

環(huán)節(jié)四：以科學(xué)歷史延伸問題

談話：奧斯特發(fā)現(xiàn)通電導(dǎo)線會使磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象以后，他又進(jìn)行了三個(gè)月的實(shí)驗(yàn)和研究，終于證實(shí)了電能夠產(chǎn)生磁。同學(xué)們也經(jīng)歷了這一偉大發(fā)現(xiàn)的誕生過程，這一發(fā)現(xiàn)為人類從此大規(guī)模地開發(fā)和利用電能打開了大門。

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧體驗(yàn)科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)探究的過程，分享成功的喜悅。

延伸：我們研究發(fā)現(xiàn)電可以產(chǎn)生磁。請大家思考，關(guān)于電產(chǎn)生磁這種能量，你有什么新問題？

本課是研究電磁現(xiàn)象的初始課。在以前的學(xué)習(xí)中，學(xué)生對磁及其屬性已經(jīng)獲得了相關(guān)的認(rèn)識，此時(shí)讓他們對電產(chǎn)生磁這種特殊的能量進(jìn)行思考，既能滿足他們的好奇心，也有助于他們對電磁這種能量提出新的探究性問題，從而促進(jìn)他們開展科學(xué)探究活動，幫助他們系統(tǒng)、全面地獲得電磁能量的知識。

教學(xué)從引入問題開始，到問題解決結(jié)束，將科學(xué)知識的背景、與科學(xué)本質(zhì)相關(guān)的學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合。教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施，生動地展現(xiàn)了科學(xué)發(fā)展過程的真實(shí)情景及其社會影響，彰顯了科學(xué)發(fā)展過程中所蘊(yùn)含的科學(xué)本質(zhì)要素。

促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)應(yīng)當(dāng)幫助他們在探究周圍世界的過程中，激發(fā)探究興趣和提出新問題。本課教學(xué)不以問題解決作為終點(diǎn)，而是以產(chǎn)生新的科學(xué)問題為目的。通過引導(dǎo)學(xué)生提問，評估他們對電磁現(xiàn)象的理解，體現(xiàn)了單元起始課對激發(fā)學(xué)生持續(xù)、連貫地參與科學(xué)探究的重要價(jià)值。

對體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的思考

隨著《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》的頒布，如何引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)，越來越受到廣大科學(xué)教師的重視。與科學(xué)本質(zhì)相關(guān)的課程資源開發(fā)、教師對科學(xué)本質(zhì)的理解、在課堂教學(xué)中凸顯科學(xué)本質(zhì)是促進(jìn)學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀發(fā)展的重要路徑。

1.挖掘科學(xué)史資源，教學(xué)設(shè)計(jì)關(guān)注科學(xué)本質(zhì)的顯性體現(xiàn)

重視科學(xué)史資源，把科學(xué)的思想觀念、典型事例、演變發(fā)展過程融入科學(xué)課程與教學(xué)之中，已成為當(dāng)代科學(xué)教育改革與發(fā)展的一大特點(diǎn)。發(fā)揮科學(xué)史在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的作用，使學(xué)生在受到科學(xué)方法、科學(xué)精神、科學(xué)態(tài)度和人文精神等方面的陶冶中，提升創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，進(jìn)而提升科學(xué)素養(yǎng)，已在目前的小學(xué)科學(xué)教材和教學(xué)設(shè)計(jì)中，逐漸受到關(guān)注，但相關(guān)的課程內(nèi)容并不多見。我們應(yīng)當(dāng)挖掘適合兒童理解科學(xué)本質(zhì)的科學(xué)史事件，把它們作為教學(xué)資源，將事件的發(fā)展過程融入科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)中，將難以認(rèn)識和內(nèi)化的科學(xué)本質(zhì)在課堂教學(xué)過程中顯性化實(shí)施，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)。

2.提升教師對科學(xué)本質(zhì)的深刻理解

有研究者認(rèn)為，教師對教學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識，顯著地影響著課堂教學(xué)內(nèi)容的選擇、目標(biāo)的確立、過程的設(shè)計(jì)及教學(xué)方法的決策，進(jìn)而使課堂教學(xué)影響學(xué)生對知識的理解。還有研究者根據(jù)對我國科學(xué)教師的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)：目前應(yīng)該從我國的傳統(tǒng)文化與科學(xué)性質(zhì)關(guān)系的角度，以教學(xué)實(shí)踐中的實(shí)際問題為出發(fā)點(diǎn)，對科學(xué)教師進(jìn)行“科學(xué)性質(zhì)”的培訓(xùn)。這些研究表明，關(guān)注教師個(gè)人的科學(xué)認(rèn)知系統(tǒng)發(fā)展是實(shí)現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的重要路徑之一。通過各種培訓(xùn)，促進(jìn)科學(xué)教師對科學(xué)本質(zhì)的深刻理解是解決科學(xué)教學(xué)體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)觀的重要策略。

3.轉(zhuǎn)變教學(xué)方式，幫助學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)

教無定法，貴在得法。在本課教學(xué)中，教師仍然有“講科學(xué)”“教科學(xué)”的問題。事實(shí)上，即使課講得很好，許多學(xué)生實(shí)際理解的東西也比我們認(rèn)為他們理解的東西要少。教師要積極轉(zhuǎn)變教學(xué)方式，以學(xué)生為中心，以學(xué)習(xí)為中心，在科學(xué)教學(xué)中運(yùn)用關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)的教學(xué)方法，努力實(shí)現(xiàn)“課堂革命”。教師要幫助學(xué)生從自然界的問題開始，采取小組合作學(xué)習(xí)的方式讓他們積極參與，引導(dǎo)他們把注意力放在收集和使用證據(jù)上，教師要把求知與發(fā)現(xiàn)的過程結(jié)合起來，幫助學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)，發(fā)展科學(xué)核心素養(yǎng)。

（本文系“新科學(xué)課程提升小學(xué)生創(chuàng)造力的實(shí)踐研究”課題研究成果之一，課題批準(zhǔn)號：2017-WT-08。）

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