中學(xué)生科研能力培養(yǎng)的實(shí)踐
——以數(shù)理化學(xué)科為例

吳天祥，鄭富

(1.保定市田家炳中學(xué)，河北保定 072350；2.河南大學(xué),河南開封 475001)

近年來，相當(dāng)一部分本科學(xué)生存在科研能力不足的問題，在畢業(yè)論文質(zhì)量下降和論文寫作問題中得以突顯出來。一般而言，學(xué)生科研能力在中學(xué)階段初步培養(yǎng)、本科階段重點(diǎn)強(qiáng)化、研究生階段基本形成。對中學(xué)生科研能力現(xiàn)狀進(jìn)行深入剖析，直面問題核心，明確基于學(xué)科的科研能力培養(yǎng)原則及實(shí)踐路徑已刻不容緩。

一、對中學(xué)生科研能力現(xiàn)狀的剖析

（一）發(fā)現(xiàn)問題和提出問題的能力

河北師范大學(xué)的李爽經(jīng)研究得出：教育學(xué)研究生科研問題意識普遍不強(qiáng)[1]。西南大學(xué)的潘慶定義了科研問題意識包括懷疑與質(zhì)疑精神、善于發(fā)現(xiàn)問題、善于表述問題和善于提出問題等四個方面[2]。結(jié)合該定義與中學(xué)生的學(xué)習(xí)情境，中學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)指對自身所學(xué)知識及經(jīng)歷上的矛盾、不合理、模糊之處的發(fā)現(xiàn)；提出問題，指圍繞自身所發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合學(xué)科從而明確提出一個可解決的具體問題。但在中學(xué)生教育階段，為了替學(xué)生節(jié)約時間，不論是學(xué)習(xí)或是生活，學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問題及提出問題，一般都由教師及家長代勞，學(xué)生僅負(fù)責(zé)對他人所發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行思考，并且練習(xí)快速、正確地解決非自身發(fā)現(xiàn)的問題，也就是刷題。久而久之，教師及家長“善意”的支持及幫助，反而逐漸“斬斷”了學(xué)生及孩子發(fā)現(xiàn)問題和提出問題的意識及能力。

（二）獲取信息和利用信息的能力

在每日經(jīng)受海量信息沖擊和碎片信息干擾的現(xiàn)代社會中，人們?yōu)榱诉m應(yīng)社會的發(fā)展趨勢，需要在有限時間內(nèi)、大量信息中，有效地獲取信息、評估信息、鑒別信息、利用信息[3]。許多中學(xué)生，為了求快而將自己的信息獲取方式簡化為“百度”“作業(yè)幫”，在整個信息獲取過程中，并未經(jīng)歷完整的信息獲取歷程。在取得信息后，中學(xué)生沒有根據(jù)信息的性質(zhì)、范圍、出處進(jìn)行甄別分析；在進(jìn)行總結(jié)之前，中學(xué)生沒有對信息進(jìn)行分類、儲存、利用，只是挑選幾個看似可用的材料就直接進(jìn)行。時間一長，這就形成了中學(xué)生信息獲取渠道單一、信息識別能力不足、信息利用能力缺乏的普遍現(xiàn)象。

（三）科學(xué)論證與科學(xué)表述的能力

科學(xué)論證能力，指學(xué)生運(yùn)用證據(jù)對所研究的科學(xué)問題進(jìn)行描述、判斷、預(yù)測和解釋，以及建立證據(jù)與觀點(diǎn)之間的關(guān)系，或反駁他人觀點(diǎn)時所需的穩(wěn)定的心理調(diào)節(jié)機(jī)制[4]?？茖W(xué)表述，則是以包含論證的四個基本要素，包含主張、證據(jù)、理由、反證，并以最少的語言傳達(dá)最大量信息的能力。在對中學(xué)生科學(xué)論證能力進(jìn)行調(diào)查中，筆者發(fā)現(xiàn)多數(shù)學(xué)生對科學(xué)論證的結(jié)構(gòu)不大了解，不能很好地運(yùn)用所學(xué)知識解釋物理、化學(xué)現(xiàn)象中的問題，在進(jìn)行科學(xué)表述的過程中，像是在羅列知識點(diǎn)，缺乏論證能力。

二、中學(xué)生科研能力培養(yǎng)的實(shí)踐步驟

（一）源于學(xué)科知識

中學(xué)生科研能力的培養(yǎng)離不開教師及家長的支持，故源于學(xué)科知識，在平時學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)、日常作業(yè)或試題中發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行探索，將可以讓學(xué)生兼顧知識的學(xué)習(xí)及能力培養(yǎng)，更易于得到周圍力量的支持。

（二）規(guī)范研究過程

1.找出學(xué)科知識的限定并調(diào)整

在平時的中學(xué)生學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生早已習(xí)慣接受式學(xué)習(xí)，故對于課本知識大多采取直接理解并記憶。對中學(xué)生而言，最好的探究材料，無非是早已經(jīng)歷前人探究完成，并且已編入課本中的內(nèi)容，再逐項(xiàng)剔除其限制(包含前提、缺一不可、范圍)的探究過程中，學(xué)生將會逐漸明晰直至深入理解。例如，高中物理中，對于汽化熱的定義是“某種液體汽化成同溫度的氣體時所需的能量與其質(zhì)量之比，叫這種物質(zhì)在這個溫度下的汽化熱”。限定詞為液體、同溫度、能量與質(zhì)量比，那就可以調(diào)整為固體、不同溫度、能量與質(zhì)量乘積。

2.提出多個問題

在提出問題的過程中，為了保有問題的可選性及提出問題本身的開放性，所以必須依據(jù)調(diào)整內(nèi)容提出至少三個問題，才能讓學(xué)生有所選擇。例如，“某種固體汽化成同溫度的氣體也叫汽化熱嗎”“液體變成氣體一般是需要加溫的，所以能直接變成同溫度的氣體嗎”“液體汽化成同溫氣體所需的能量與其質(zhì)量乘積是什么”。

3.撰寫信息獲取計劃

在選定問題后，學(xué)生需要依據(jù)問題的屬性，制定好信息獲取計劃：①選擇可信度高、符合自己需求并且具備獲得信息源條件的渠道。②選取能達(dá)到自己目的的信息。③排除邏輯不通、前后矛盾的信息。④選取對自己最有用、發(fā)表時間最近、最多人引用的信息。⑤將所選信息按性質(zhì)、主題、信息渠道進(jìn)行編號分類，并建立索引目錄。

4.選取有研究價值的問題

每個人的時間及精力都是有限的，不可能對每一個問題都進(jìn)行深入研究，所以只能選取研究價值最高的問題投入資源。一般而言，問題的普遍性、影響力大小、是否適合自己水平、自己是否具有解決問題的專業(yè)資源、工具、材料等，都可以作為自己選取問題所考慮研究價值的范疇。例如，對中學(xué)生而言，在觀察“鹽是不是會因?yàn)榧訜岫兂蓺怏w”的研究問題中，每位學(xué)生的家里都有鹽、鐵勺、瓦斯?fàn)t，也就是大家都具有足夠的研究工具、材料，故該問題對中學(xué)生而言，就是研究價值高的研究問題。

5.進(jìn)行書面論證

其指學(xué)生提出一個科學(xué)問題或觀點(diǎn)，使用事實(shí)證據(jù)、理論依據(jù)、推理和反駁形成支持自己主張的證據(jù)，其中必須以清晰、詳細(xì)、精確的科學(xué)語言說明核心概念、研究設(shè)計、研究過程的調(diào)整次數(shù)及方式、研究結(jié)果。

三、中學(xué)生科研能力培養(yǎng)的實(shí)踐案例

為避免科研能力的培養(yǎng)選題過度聚焦課外拓展而造成僅是少數(shù)尖子生的“專利”，并協(xié)助更多的學(xué)生能更好地打下“學(xué)科基礎(chǔ)”，本研究的實(shí)踐案例選題皆聚焦于具普適性的學(xué)科基本概念、基本定理、基本公式。

（一）數(shù)學(xué)

選取高一數(shù)學(xué)中的函數(shù)模型定義進(jìn)行實(shí)踐，因?yàn)楹瘮?shù)知識主要針對日常生活中普遍存在的成本最低、利潤最大、產(chǎn)量最高、效益最好、用料最省等實(shí)際問題進(jìn)行歸納轉(zhuǎn)化，并且是跨越初高中的數(shù)學(xué)知識，因此該范圍主題是學(xué)生既熟悉也實(shí)用的。

依據(jù)函數(shù)模型提出“函數(shù)模型如何判斷”“函數(shù)模型中的單調(diào)性、奇偶性及周期性”“函數(shù)模型的物理意義”三個問題，并對這三個問題的解決進(jìn)行選取，發(fā)現(xiàn)函數(shù)模型中的單調(diào)性、奇偶性及周期性問題是多數(shù)高中學(xué)生初學(xué)函數(shù)時的難點(diǎn)，具有普及性，該研究具有較大的影響力，因此暫定研究該問題。

在信息獲取計劃中，決定以課本、高中數(shù)學(xué)知識清單、知網(wǎng)論文為三大可掌握的研究材料。其中，課本主要看定義說明、典例與圖表；知識清單重點(diǎn)看知識解讀、定義、典例；知網(wǎng)論文重點(diǎn)搜尋“中學(xué)函數(shù)”。在進(jìn)行材料研讀后，發(fā)現(xiàn)函數(shù)的單調(diào)性、奇偶性、周期性涉及指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、一次及二次函數(shù)、反比例函數(shù)與三角函數(shù)的概念，具有足夠大的知識跨度，適合進(jìn)行數(shù)學(xué)研究，因而調(diào)整研究選題為“函數(shù)的單調(diào)性、奇偶性、周期性的圖形變化”，在進(jìn)行研讀后，提出一個觀點(diǎn)“函數(shù)的圖形常用于變化描述中，單調(diào)性表示上升或下降、奇偶性表示對稱的方式、周期性表示循環(huán)的方式”。

在高中數(shù)學(xué)知識清單中，見到增函數(shù)及減函數(shù)的比較圖中，增函數(shù)為上升、減函數(shù)為下降，并且發(fā)現(xiàn)定義中的三個必要條件，一是在一定區(qū)間內(nèi)，二是任意兩組x與y中，三是較大的x所對應(yīng)到的必是較大的y，都要符合全部上升或全部下降的規(guī)律；在常見函數(shù)的奇偶性比較表中指出反比例函數(shù)都為奇函數(shù)、二次函數(shù)的b=0時為偶函數(shù)，并發(fā)現(xiàn)其圖形確實(shí)分別為原點(diǎn)對稱及y軸對稱；y=Asin(ωx+φ)函數(shù)以五點(diǎn)法作圖后，是一種會由起始位置開始上下波動，并回到起始位置的間諧運(yùn)動，從圖上可知該運(yùn)動是一種循環(huán)的方式。

在提出反證的過程中，發(fā)現(xiàn)單調(diào)性無法推翻，并且發(fā)現(xiàn)了三個必要條件都是缺一不可的，沒有一定區(qū)間的限制就可能同時存在增減函數(shù)，沒有任意兩組及xy的必然對應(yīng)關(guān)系則違背函數(shù)的映射概念；以各種符合條件的反比例函數(shù)及二次函數(shù)進(jìn)行列表法作圖，或是將函數(shù)中的sin改為cos或tan都無法推翻原論點(diǎn)。

（二）物理

選取高一物理的牛頓三大定律進(jìn)行實(shí)踐，是因?yàn)樵摱沙霈F(xiàn)在高中物理學(xué)習(xí)的開始，并且涉及高中物理的必修一、選修1-1、選修2-2、3-4。在生活中，力學(xué)又是物理中最直觀、最常使用到的知識，不論是走路、騎自行車、開車，幾乎所有的交通工具，都離不開牛頓的三大定律。因此，該范圍主題是學(xué)生從初中開始既熟悉，并且也實(shí)用的。

依據(jù)牛頓三大定律提出“跳高的受力分析”“在固定的力作用下，是否質(zhì)量無限小時，加速度就無限大”“胖子對瘦子彼此各揮出一拳，并且力氣一樣大，會怎么樣”，并對這三個問題的解決進(jìn)行選取，發(fā)現(xiàn)“跳高問題”是貫穿初高中的物理問題，并且在生活里能輕易見到，該問題比較直觀，并且具有普遍性，該研究具有較大的影響力，因此暫定研究該問題。

在信息獲取計劃中，以高中數(shù)理化概念公式定理手冊及知網(wǎng)論文為研究材料，其中前者主要看定義及典型例題，后者主要看定義、總結(jié)、實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容，在進(jìn)行材料研讀后，發(fā)現(xiàn)牛頓三大定律在高一涉及運(yùn)動的描述、勻變速直線運(yùn)動、曲線運(yùn)動、機(jī)械能守恒定律，都是宏觀情況下的觀察，對學(xué)生而言比較容易理解，也比較有意思。因而調(diào)整研究選擇為“對跳高與胖瘦兩人揮拳情境中，綜合所涉及的五個相關(guān)知識，進(jìn)行整合性敘述”，并且在研讀材料后，提出了一個觀點(diǎn)“在以地面為參考系，運(yùn)動員70kg的跳高運(yùn)動中，起跑處至起跳處為5m，其中跑了2s暖身的初速為3m/s，之后加速至15m/s，共產(chǎn)生了6m/s2的加速度，而下踩的力為自身質(zhì)量乘以重力單位70×10=700N，接著以朝跳高桿略傾30度起跳，做斜拋運(yùn)動。下踩力700N及慣性力為向前的70×6=420N構(gòu)建向量平行四邊形，算出合力為斜上的1120N過桿，跳至最高點(diǎn)為離地兩米時的勢能為700N×2m=1400J，落到離地50cm的軟墊上的動能為1400-700N×1.5m=350J，完成了機(jī)械能守恒的勢能向動能的轉(zhuǎn)換。

在通讀完高中物理材料后，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確的運(yùn)動描述必包含運(yùn)動方向、參考系、時間及位移；勻變速直線運(yùn)動指考慮初速及末速，以勻加速或勻減速方式，沿著一條直線進(jìn)行運(yùn)動；曲線運(yùn)動是指運(yùn)動軌跡是曲線的運(yùn)動。依據(jù)“拋”的方式不同分成平拋或斜拋運(yùn)動、軌跡為圓周或圓弧的叫作圓周運(yùn)動；機(jī)械能守恒定律是在只考慮重力或彈力做功的系統(tǒng)中，動能與勢能可以相互轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移，并且機(jī)械能的總和是不變的。

在提出反證的過程中，發(fā)現(xiàn)并未提及起跑至起跳時的時間，但提出了跑了2s暖身的初速度，在2s暖身的過程中也是勻加速直線運(yùn)動，算出加速度為1.5m/s2，代入勻變速直線運(yùn)動公式后0.5×1.5×22=3m<5m，代表暖身距離足夠，再將剩余距離2m代入公式后，得到耗時約為0.12s。將下踩力700N依據(jù)牛頓第三定律的作用力=反作用力，確實(shí)可以構(gòu)建出向量平行四邊形，其余計算也都沒有問題，僅能說明該選手具有強(qiáng)大的肌肉爆發(fā)力，但無法推翻該觀點(diǎn)。

（三）化學(xué)

選取化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)以及化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡進(jìn)行實(shí)踐，因?yàn)檫@一部分在初中研究化學(xué)反應(yīng)速率與高一第六章化學(xué)反應(yīng)與能量中都有涉及，并且計算反應(yīng)熱焓變也是高考的必考項(xiàng)之一。此外，該章的內(nèi)容比較容易應(yīng)用到生活實(shí)際中，例如在泡咖啡時為什么涼水沒有熱水化得快，或者有些放熱反應(yīng)為什么會消耗能量的問題。

依據(jù)這一章節(jié)內(nèi)容提出“熱化學(xué)方程式與化學(xué)方程式是否有區(qū)別？”“吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)的區(qū)別”“影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”等三個問題，并對這三個問題的解決進(jìn)行選取。發(fā)現(xiàn)化學(xué)方程式與熱化學(xué)方程式是有區(qū)別的，并且影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素有四種以及吸熱放熱反應(yīng)的判斷，是中學(xué)生在熱效應(yīng)這一章節(jié)的基礎(chǔ)，具有廣泛性與普遍性。這幾個問題同時也緊扣之后較難的一些化學(xué)問題，如蓋斯定律等。

在信息獲取計劃中，以高中化學(xué)課本人教版與化學(xué)學(xué)霸提分筆記為研究材料，其中以課本定義為基礎(chǔ)，以教輔的重點(diǎn)標(biāo)注解讀為輔助，發(fā)現(xiàn)化學(xué)方程式?jīng)]有氣體與沉淀的符號，應(yīng)標(biāo)明焓變以及狀態(tài)符號，在進(jìn)行計算時，須注意化學(xué)計量數(shù)可為分?jǐn)?shù)，化學(xué)計量數(shù)與H需同時加倍；在吸放熱反應(yīng)能量變化中，吸熱反應(yīng)能量增加，放熱反應(yīng)能量減少，且吸熱反應(yīng)焓變大于零，放熱反應(yīng)焓變小于零，吸熱成鍵放熱斷鍵；影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素有壓強(qiáng)溫度、濃度以及催化劑。

結(jié)合概括內(nèi)容，提煉了“化學(xué)反應(yīng)速率，可以通過自身因素影響”的觀點(diǎn)。在化學(xué)提分筆記中，通過核心知識歸納發(fā)現(xiàn)影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素，有外界條件的影響和自身的因素，而自身的因素是主要因素，故反應(yīng)物本身的性質(zhì)是影響化學(xué)反應(yīng)速率的決定因素。通過實(shí)驗(yàn)：準(zhǔn)備AB兩組實(shí)驗(yàn)，材料有水杯、氯化鈉和水，準(zhǔn)備盛有相同體積水的水杯（保證外界因素不變運(yùn)用控制變量法），然后分別在AB水杯里放入相同質(zhì)量的氯化鈉，A組為小顆粒，B組為塊狀，最終發(fā)現(xiàn)A組反應(yīng)的速度更快。于是總結(jié)出化學(xué)反應(yīng)速率與物體的狀態(tài)，也就是內(nèi)部因素有關(guān)。運(yùn)用反證法，不論是將氯化鈉改為泥土或是糖，都無法推翻這個原論點(diǎn)，證明該觀點(diǎn)成立。

在中學(xué)生科研能力的練習(xí)中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生的“難度感受”下降、“學(xué)習(xí)興趣”上升，并且加深了學(xué)生自身對于數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)的理解，同時也建立了學(xué)生的科研模型，為其科研能力的培養(yǎng)打下良好基礎(chǔ)。

在研究選題過程中，學(xué)生經(jīng)歷了研究方向的初選、研讀材料、調(diào)整研究選題，并且能以整體性觀點(diǎn)，基于自身感興趣的問題實(shí)踐角度看待高中數(shù)學(xué)及物理，在提升自身的數(shù)學(xué)及物理的跨章節(jié)直觀感受上有很大提升，仿佛瞬間打通了高一數(shù)學(xué)、物理的“任督二脈”般，覺得定理、公式都被興趣給“串”了起來。

在進(jìn)行觀點(diǎn)提煉及概括內(nèi)容的過程中，學(xué)生不斷依據(jù)選取范圍中的內(nèi)容，進(jìn)行逐字逐句修改，數(shù)學(xué)及物理的表述能力得到了極大提升。在反證過程中，要對自己提出的觀點(diǎn)找到漏洞，進(jìn)行反證，雖然答案都是“無法推翻”，但在嘗試推翻的過程中，學(xué)生深度思考所涉及的知識點(diǎn)，對知識的理解深度又加深了很多。