大中學生科學探究能力的培養(yǎng)

【專家介紹】

何光宏（1970-），研究員級工程師，重慶大學物理實驗教學示范中心主任，教育部高等學校大學物理課程教學指導委員會大中物理教育銜接工作委員會常委，教育部高等學校大學物理課程教學指導委員會大學物理實驗專項委員會西南地區(qū)工作委員會委員。主要從事傳感器技術和物理實驗教學與研究，主持了多項省部級教改項目。

摘? ?要：科學探究能力培養(yǎng)是物理教育關注的重點和難點。對科學探究內涵和要素理解的差異，導致教學實踐中出現(xiàn)了一些困惑。探討了現(xiàn)代科學研究方法的核心精神和科學探究能力的要素，根據(jù)我國高中生和低年級大學生的科學探究能力特點，給出了在中學和大學開展科學探究能力培養(yǎng)的建議。

關鍵詞：科學探究；核心精神；要素

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（202３）5-0001-4

當今世界各國越來越重視學生科學探究能力的培養(yǎng)，美國、英國等從上世紀50年代開始強調科學教育，倡導探究式教學。我國從本世紀初開始在基礎教育中強調科學探究能力培養(yǎng)，《普通高中物理課程標準（實驗）》和《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下分別簡稱“實驗版課標”和“新課標”）均將科學探究列為物理課程的核心素養(yǎng)之一［1-2］。隨著大學教育改革的深入，大學物理和大學物理實驗等公共基礎課程也開始探索科學探究能力的培養(yǎng)途徑［3-5］。由于科學探究教育在我國開展的時間較短，可供借鑒的經(jīng)驗不多，加上長期以來受教師主導的、以知識傳授為目的的接受式教學方式影響，實際教學實踐中出現(xiàn)了一些需要進一步探討的問題，比如，接受式教學怎樣在科學探究能力培養(yǎng)中發(fā)揮作用？具有哪些性質的內容適合科學探究教學？課堂上怎樣合理安排探究式教學活動？

上述問題源于對科學探究內涵的認識差異，因此有必要對其進行討論，在此基礎上針對高中生和低年級大學生科學探究能力特點，結合我國高中和大學的實際情況開展科學探究能力培養(yǎng)的討論。

1? ? 科學探究的內涵

1.1? ? 科學推理與實驗相結合是現(xiàn)代科學研究的精神核心

物理學作為一門基礎學科，不僅是自然科學諸多學科的理論基礎，也為人類認識自然提供了認識論和方法論工具。近代科學誕生之前，人們主要采用“觀察-歸納”和“觀察-演繹推理”兩種方法進行科學研究。歸納法對觀察到的自然現(xiàn)象進行分類、歸納并得出規(guī)律，這是一種從特殊到一般的認識過程，其結論和前提之間并無邏輯上的必然聯(lián)系；演繹推理法從一般性的科學原理出發(fā)，通過邏輯推理得到針對特定情形的結論。如果推理所依據(jù)的科學原理錯誤，或者科學原理的成立前提出現(xiàn)偏差，將會得到錯誤的結論。歐洲的科學哲學深受亞里士多德思想影響，認為如果精心設計實驗，過度操縱自然條件，就不是真正在做科學［6］，因此這個階段所進行的觀察主要是對自然現(xiàn)象的觀察，幾乎沒有現(xiàn)代意義上的實驗?？傮w而言，這時的研究方法是先驗的，“總是先有一個先入為主的命題，具體的結論則從這些先驗的命題中演繹而來?！保?］

伽利略強調實驗在科學研究中的作用，認為科學理論必須源于實驗并接受實驗的檢驗。但是，他并不單純使用實驗方法，而是開創(chuàng)性地把科學推理與實驗相結合，其科學研究基本方法框架如圖1所示，在對自然現(xiàn)象進行一般觀察的基礎上提出科學假說或科學猜想，然后設計一個可控的實驗獲取、分析定量觀測證據(jù)，檢驗推論，根據(jù)檢驗結果對假說與猜想進行修正，或者形成在一定條件下適用的理論。

需要指出的是，圖1中的“實驗”不僅包括在實驗室進行的實驗，也包括理想實驗。理想實驗是伽利略獨創(chuàng)的科學創(chuàng)新方法［7］，它是把在實際中難以滿足的實驗條件進行理想化，按照實驗模型在頭腦中開展的思想推理過程，其目的是從邏輯角度看由假說能推理出什么結果。比如，伽利略用“落體佯謬”理想實驗，從亞里士多德的“重物比輕物下落快”原理推理出了“重物比輕物下落慢”悖論，否定了亞里士多德的論斷。他在實驗中觀察到，物體從斜面下滑時，斜面傾角越小其減速越小，然后把斜面和平面理想化為無摩擦的光滑面，通過理想實驗推理出了物體在無摩擦無阻力的光滑水平面上滑動時速度應保持不變，得到了慣性原理。牛頓為揭示萬有引力而想象的能從山巔上以不同速度發(fā)射炮彈的大炮，愛因斯坦為說明同時相對性而想象的“愛因斯坦火車”，都是理想實驗的典型代表。質點、剛體、點電荷、單擺、彈簧振子等物理模型也是理想實驗的產(chǎn)物。

科學推理與實驗相結合的研究方法極大促進了后來的科學研究，愛因斯坦對此評價道：“伽利略的發(fā)現(xiàn)及其對科學推理方法的運用是人類思想史上最重要的成就之一，標志著物理學的真正開端。這個發(fā)現(xiàn)告訴我們，基于直接觀察的直覺結論并不總是可靠的，因為它們有時會引向錯誤的線索”［8］。

1.2? ? 科學探究能力的要素

美國《國家科學教育標準》從科學研究和科學教育兩個角度給出了科學探究的定義，“科學探究指的是科學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，科學探究也指的是學生們用以獲取知識、領悟科學的思想觀念、領悟科學家們研究自然界所用的方法而進行的各種活動?！保?］新課標從科學探究過程的角度進行了定義，科學探究是“基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力?！保?］兩者的切入角度、描述方式不同，但均體現(xiàn)了科學推理與實驗相結合的現(xiàn)代科學精神。

實驗版課標給出了科學探究的“提出問題、猜想與假設、制訂計劃與設計實驗、進行實驗與收集證據(jù)、分析與論證、評估、交流與合作”7個要素［1］，新課標給出了“問題、證據(jù)、解釋、交流”4個要素［2］，結合其他文獻資料，本文將科學探究要素簡單歸納為圖2所示的5個要素。

問：發(fā)現(xiàn)并提出科學問題。這里的科學問題指的是在觀察和實驗的基礎上，在與已有知識的比較中產(chǎn)生的、可以通過實驗驗證的問題。比如，對于自由落體運動，“物體的下落規(guī)律是什么”是一個由觀察而產(chǎn)生的簡單問題，僅僅表達了對隱藏在現(xiàn)象背后的未知物理規(guī)律的好奇，但不是一個可以進行探索的科學問題。如果結合已有的知識，將問題轉化為“物體自由下落的速度或距離與下落時間是什么關系”，這就變成了一個可以通過實驗進行定量探究的科學問題。

問題意識和問題能力是科學探究的核心。能不能提出高質量的問題，取決于對已有知識的批判性理解程度和高度。麥克斯韋在學習法拉第的《電學實驗研究》時，雖然深為法拉第的力線思想所折服，但他并沒有迷信且止步于此，而是在批判性學習中發(fā)現(xiàn)了法拉第著作欠缺數(shù)學描述的不足。為解決這個問題，他在《論法拉第力線》中用數(shù)學方法對法拉第的力線進行了描述，此后沿著這個思路繼續(xù)研究電與磁之間的數(shù)學聯(lián)系，為經(jīng)典電磁理論奠定了基礎。

猜：猜想，假說?？茖W家的科學研究活動，探尋的是未知的規(guī)律，需要在已有知識和經(jīng)驗的基礎上，綜合運用邏輯推理、類比、歸納甚至直覺等思維方法，對未知規(guī)律進行大膽猜想和假設。從伽利略的自由落體規(guī)律到牛頓的萬有引力定律，以及電磁感應定律的發(fā)現(xiàn)和原子模型的建立，物理學的重大發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，無不建立在科學家的大膽猜想和假說基礎上。猜想不是毫無根據(jù)的憑空臆想，它是在對問題和現(xiàn)象深刻分析的前提下，對已有物理模型的揚棄，體現(xiàn)了科學家的創(chuàng)新思維能力和勇于突破固有認識模式的想象力。

驗：實驗，驗證，體現(xiàn)了證據(jù)意識。實踐是檢驗真理的唯一標準，猜想和假說是否正確，需要接受科學實驗的檢驗。要通過實驗收集證據(jù)，就要具備良好的實驗能力，如設計合理實驗方案、正確收集實驗數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)并得出結論等。此外，科學研究并不總是一帆風順的，實驗中會遇到各種挫折和失敗，因此要有不畏失敗的勇氣，持續(xù)保持嚴謹認真、求真求實的科學態(tài)度。

評：評估和反思。從多個角度評估實驗方案、數(shù)據(jù)和結論的合理性，在此基礎上反思猜想和假說并及時作出修正。相對于實驗操作本身，對實驗結果的評估和反思，需要對現(xiàn)代科學的基本原理有高水平的理解。比如，弗蘭克和赫茲在合作研究元素的電離電勢時發(fā)現(xiàn)，只有電子動能每增加4.9 eV時，電子和汞原子才可能發(fā)生非彈性碰撞，這個數(shù)據(jù)與當時理論預言的汞的電離電勢4.84 V非常接近，因此他們認為4.9 V是汞的電離電勢。玻爾從原子模型的量子化躍遷假說出發(fā)，重新評估和反思了弗蘭克和赫茲的實驗結果，認為4.9 V不是汞的電離電勢，應該是與汞原子兩個能級之間的躍遷相對應的電子加速電壓。對同一實驗結果的兩種解釋大相徑庭，但正是這種從多個角度的反思，推動了量子理論的進步。

表：表達，交流。撰寫規(guī)范的研究報告；以口頭或書面的方式準確地表達、反思和交流科學探究過程。

2? ? 高中生和低年級大學生科學探究能力現(xiàn)狀

張軍鵬和劉東方對中學生的科學探究能力水平做過定量評估［10-11］，而對低年級大學生科學探究能力定量評估的文獻較少。根據(jù)國內一些高校物理基礎課老師對學生科學探究能力的觀察，結合前述兩篇文獻的結果，大體可以歸納出當前高中生和低年級大學生的科學探究能力特點。

善于回答問題，不善于提出問題。如果老師給出一道已經(jīng)從實際情境中加工過的問題，學生基本知道怎樣回答。但是，如果要求學生自己從具體情境或背景材料中凝練出能夠探究的科學問題，則往往不知所措或不知所云。

有一定的推理猜測能力。面對開放性適中的問題，基本能夠綜合運用邏輯推理、類比、歸納甚至直覺等思維方法，使用一定的物理模型對問題給出猜測性的觀點。

實驗能力有待提高。大部分學生有初步的證據(jù)意識，能夠在老師的指導下完成實驗，記錄實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)，有基本的數(shù)據(jù)分析能力和一定的誤差思想。但是，獨立設計實驗方案和完成實驗的能力較差，特別是動手操作能力較差，一些本應在高中階段掌握的儀器（如游標卡尺、螺旋測微器等）甚至都不會正確使用；不重視數(shù)據(jù)的真實性，存在拼湊實驗數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。

不善于從不同角度評估實驗方案、數(shù)據(jù)和結論的合理性，缺乏從實驗結論反思實驗原理或猜想的主動意識。這可能與驗證性實驗較多有關，驗證性實驗目的是證實原理并加深對原理的感性認識。另外，大部分驗證性實驗都有詳細的實驗方案，學生很少有機會對不同的實驗方案進行比較。

在“表”的方面相對表現(xiàn)較好。能夠撰寫基本規(guī)范的實驗報告，可以與同學或老師圍繞某一主題進行交流和溝通，但在表達的準確性上有待提高。

3? ? 教學建議

3.1? ? 根據(jù)中學和大學的特點確定目標

高中和大學最大的區(qū)別是面臨的環(huán)境不同。高中面臨高考升學的直接壓力，在現(xiàn)有考試評價體系下，主要通過書面答題的方式考查學生的核心素養(yǎng)。在此大背景下，中學比較注重課堂理論教學，注重對知識的理解和掌握，一般采用傳統(tǒng)知識傳授式教學方式，學生的物理知識基礎較扎實，有正確的物理觀念和較強的科學思維能力。但由于“講實驗、背實驗”等不符合實驗教學規(guī)律現(xiàn)象的存在，導致學生“驗”的能力較差，動手操作能力普遍偏低，在大學物理實驗中拼湊和抄襲實驗數(shù)據(jù)，欠缺嚴謹認真、求真務實的科學態(tài)度。

大學物理和大學物理實驗是面向低年級大學生開設的公共基礎課，在培養(yǎng)學生初步科學探究能力的意義上與中學的目標一致。大學沒有高考升學壓力，面臨的環(huán)境相對寬松，實驗條件和實驗資源優(yōu)于中學，有條件進行科學探究能力全要素培養(yǎng)。但是，大學生來自全國各地，各地高考考試方案不同，學生的物理基礎差異較大。

因此，中學和大學應立足各自特點，取長補短，協(xié)同進行科學探究能力培養(yǎng)。中學要發(fā)揮課堂理論教學的優(yōu)勢，創(chuàng)新教學方式，探索“問、猜、評、表”能力培養(yǎng)途徑；課內與課外相結合，補充“驗”的短板，增強學生基礎實驗能力，特別是動手能力。比如，使學生課外以小組合作的方式熟悉游標卡尺、螺旋測微器、秒表等基本器材的使用，課堂上老師對學生的掌握情況進行點評和指導。加強課外探究實驗建設，全要素培養(yǎng)科學探究能力。課外探究實驗的數(shù)量不一定要多，但質量要高，要滿足“題目有適當挑戰(zhàn)度，結論有一定開放性”的原則，比如讓學生分析研究物體的形狀、密度等對其下落運動的影響等。大學要立足學生科學探究能力現(xiàn)狀，面向不同基礎的學生開設相應的通識課，加強實驗課程建設彌補學生實驗能力低的短板，加強課外自主實驗建設，完善科研訓練計劃、學科競賽等拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)機制，全要素鍛煉學生的科學探究能力。

3.2? ? 正確理解科學探究過程和能力要素

科學探究能力的核心是科學推理與實驗相結合的現(xiàn)代科學精神，要素只是其外在表現(xiàn)形式。每次教學活動目標可以只針對一個或幾個能力要素，不一定每次都要經(jīng)歷完整的探究過程。比如，理論教學中適當穿插一些物理學史，使學生了解概念和知識的形成過程，養(yǎng)成正確的科學知識觀。通過創(chuàng)設情境引導學生提出科學問題并進行猜測性解釋，通過演示實驗、仿真實驗或者給定的實驗數(shù)據(jù)培養(yǎng)學生分析數(shù)據(jù)、得出結論、評估和反思的能力。再如，給出兩物體碰撞前后的運動視頻，指導學生獲取并分析物體位置隨時間變化的數(shù)據(jù)，計算碰撞前后物體速度、動量和動能的變化，討論動量和動能是否守恒、守恒或不守恒的原因是什么等問題。

3.3? ? 探究式學習與接受式學習相結合

探究式學習和接受式學習既相互區(qū)別又互為補充，是矛盾的統(tǒng)一體，都服務于科學探究能力培養(yǎng)。要精心選擇探究的內容，太簡單和容易理解的內容沒有探究的意義，遠超學生能力的內容會挫傷學生的探究興趣，探究內容的難度要符合學生的認知水平。一節(jié)課上探究實驗不宜過多，探究的目的是核心精神的培養(yǎng)，不能為探究而探究。對于一些簡單易理解的知識、難度較大的知識、適宜由科學推理推導的結論，可以采用接受式學習方法。

4? ? 結束語

科學探究能力培養(yǎng)是大學和中學教育長期關注的重點和難點，雖然在我國已經(jīng)有近二十年的發(fā)展，但與注重知識傳授的傳統(tǒng)教育理念相比，仍然是一個新生事物，需要在教學理念、教學方式、教學評價等方面繼續(xù)進行研究和探討。

參考文獻：

［１］中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準（實驗）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２００３．

［２］中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準（２０１７年版２０２０年修訂）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０２０．

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［９］美國國家研究理事會．美國國家科學教育標準［Ｍ］．戢守志，譯.北京：科學技術文獻出版社，１９９９．

［１０］張軍鵬．理科學生科學探究能力現(xiàn)狀的調查與思考［Ｊ］．課程·教材·教法，２００３，23（１１）：４３－４６．

［１１］劉東方．中學生科學探究能力表現(xiàn)及現(xiàn)狀測查［Ｊ］．東北師大學報（哲學社會科學版），２０１８（５）：１７８－１８４．

（欄目編輯? ? 廖伯琴）