科學(xué)教學(xué)中的探究與實(shí)踐

符國(guó)鵬 王益萱

探究實(shí)踐作為《義務(wù)教育課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中的核心素養(yǎng)之一，分別指在科學(xué)、技術(shù)與工程領(lǐng)域形成的兩種能力，“探究”和“實(shí)踐”是并列關(guān)系。然而，在國(guó)際科學(xué)教育的發(fā)展過(guò)程中，卻出現(xiàn)了從“探究”向“實(shí)踐”的轉(zhuǎn)向，二者為迭代關(guān)系。為什么會(huì)有這樣的轉(zhuǎn)向？這需要從“探究”中存在的問(wèn)題，以及“實(shí)踐”如何解決這些問(wèn)題說(shuō)起。

“探究”的問(wèn)題

科學(xué)探究在教學(xué)的實(shí)施中主要存在兩個(gè)問(wèn)題：一是定義過(guò)于寬泛，二是手段與目的錯(cuò)位。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，探究被全球科學(xué)教育改革奉為圭臬，鼓勵(lì)教師通過(guò)探究促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)和過(guò)程的理解。然而，在2004年發(fā)表在《科學(xué)教育》（Science Education）期刊的一篇文章中，來(lái)自黎巴嫩、美國(guó)、以色列、委內(nèi)瑞拉、澳大利亞和中國(guó)臺(tái)灣的學(xué)者分享了各自國(guó)家和地區(qū)對(duì)探究的定義與實(shí)施。這篇文章起初打算以國(guó)際視角為探究教學(xué)中的共性問(wèn)題提出啟示。在分享了現(xiàn)狀之后學(xué)者們意識(shí)到，各個(gè)國(guó)家和地區(qū)對(duì)探究這一概念的詮釋天差地別（如探究是實(shí)驗(yàn)、是調(diào)查、是動(dòng)手活動(dòng)、是發(fā)現(xiàn)知識(shí)、是跨學(xué)科），要達(dá)到的目的也多種多樣（如為了學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)、了解科學(xué)本質(zhì)、學(xué)會(huì)歸納、生成概念、學(xué)會(huì)調(diào)查研究、培養(yǎng)合作、調(diào)研能力等），所謂的“共性問(wèn)題”根本不存在，對(duì)教學(xué)的啟示更無(wú)從談起。作為科學(xué)探究領(lǐng)域最有影響力的文章之一，它的貢獻(xiàn)在于讓科學(xué)教育工作者意識(shí)到，“探究”這個(gè)概念如果太寬泛，以至于多種教學(xué)行為和教學(xué)目標(biāo)都被涵蓋在這個(gè)概念之下——即大多數(shù)教學(xué)行為都可以被稱為探究，探究可以用來(lái)達(dá)到幾乎所有的教學(xué)目的——那么這個(gè)概念就會(huì)失去其繼續(xù)引導(dǎo)課程、教學(xué)、評(píng)估的能力。

探究遇到的第二個(gè)問(wèn)題是手段與目的錯(cuò)位。探究被引入科學(xué)教育的初衷之一，是希望學(xué)生能夠體驗(yàn)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)新知識(shí)的過(guò)程。然而，科學(xué)家與科學(xué)教師使用探究的目的是不同的：科學(xué)家使用探究是為了產(chǎn)生與發(fā)現(xiàn)新知識(shí)，科學(xué)教師很多時(shí)候是幫助學(xué)生掌握“舊”知識(shí)。換言之，由于探究這種手段在科學(xué)領(lǐng)域的主要功能是發(fā)現(xiàn)新知識(shí)，導(dǎo)致在科學(xué)課堂中探究也極容易成為學(xué)習(xí)“舊”知識(shí)的手段，讓驗(yàn)證知識(shí)成為探究的終點(diǎn)。例如，在開(kāi)展“水的沸點(diǎn)”探究活動(dòng)時(shí)，教師很容易止步于讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到水沸點(diǎn)的數(shù)值，或是培養(yǎng)學(xué)生“會(huì)使用溫度計(jì)”這樣的技能上。然而，用一整節(jié)課的時(shí)間去驗(yàn)證一個(gè)已有的結(jié)論或是學(xué)會(huì)一項(xiàng)簡(jiǎn)單的技能，可能并不是最好的利用課堂時(shí)間的方式。在這個(gè)探究活動(dòng)中，如果教師能夠鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)不同的小組對(duì)溫度計(jì)會(huì)有不同的讀數(shù)，討論為什么會(huì)產(chǎn)生讀數(shù)的差異（氣壓、水的純度、溫度計(jì)的讀數(shù)、操作的不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)龋?，以及如果學(xué)生是科學(xué)家，他們應(yīng)該用什么樣的方式處理這些誤差并確定水的沸點(diǎn)。這時(shí)，探究的目的就不僅僅是幫助學(xué)生學(xué)習(xí)或驗(yàn)證“舊”的知識(shí)，而是通過(guò)探究的過(guò)程，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到在科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程中使用了哪些方法去統(tǒng)一多樣化的數(shù)據(jù)，這些方法有哪些優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，以及在認(rèn)識(shí)到這些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)之后，應(yīng)當(dāng)如何去看待科學(xué)這個(gè)學(xué)科。即不是通過(guò)探究來(lái)學(xué)習(xí)“科學(xué)知識(shí)”，而是通過(guò)探究來(lái)學(xué)習(xí)“科學(xué)是什么”。

從“探究”到“實(shí)踐”

針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題，科學(xué)教育領(lǐng)域的學(xué)者認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)在教學(xué)中從“探究”向“實(shí)踐”轉(zhuǎn)變，以更好地實(shí)現(xiàn)當(dāng)今科學(xué)教育的主要目標(biāo)。一方面，實(shí)踐比探究更加具體，科學(xué)探究是發(fā)現(xiàn)知識(shí)的整個(gè)過(guò)程，而科學(xué)實(shí)踐則是這個(gè)過(guò)程中的具體行為，這就解決了探究在概念上的寬泛性問(wèn)題?？茖W(xué)哲學(xué)和心理學(xué)領(lǐng)域的研究共同發(fā)現(xiàn)，探究的過(guò)程主要由三大步驟組成：實(shí)驗(yàn)（包括觀察、測(cè)量、測(cè)試、數(shù)據(jù)收集等）、生成假設(shè)（包括生成理論假設(shè)、建構(gòu)模型、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、提出解釋、創(chuàng)造性思維等）和證據(jù)評(píng)估（包括批判、反駁、論證等）。這三個(gè)步驟中的具體行為（如生成問(wèn)題、建構(gòu)模型、開(kāi)展調(diào)查、基于證據(jù)開(kāi)展論證），即是科學(xué)實(shí)踐。

仍以“水的沸點(diǎn)”為例，如果教學(xué)活動(dòng)的名稱是“探究水的沸點(diǎn)”，那么這個(gè)活動(dòng)的目的指向就較為模糊。如果把教學(xué)活動(dòng)拆分為“影響水的沸點(diǎn)的因素有哪些”（生成研究問(wèn)題/假設(shè)），“從不同角度觀察溫度計(jì)并記錄數(shù)據(jù)”（通過(guò)觀察得到數(shù)據(jù)），“根據(jù)觀察結(jié)果討論數(shù)據(jù)產(chǎn)生差異的原因”（基于證據(jù)生成解釋）等實(shí)踐操作，每個(gè)活動(dòng)就會(huì)指向一種具體的科學(xué)實(shí)踐能力，從而避免教學(xué)活動(dòng)僅停留在知識(shí)驗(yàn)證或工具使用上。

另一方面，自20世紀(jì)末以來(lái)，科學(xué)教育的主要目標(biāo)從培養(yǎng)精英轉(zhuǎn)向了提高公民科學(xué)素養(yǎng)，讓大眾具備基本的對(duì)科學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解，熟悉科學(xué)、相信科學(xué)，關(guān)注和支持科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，愿意參與和科學(xué)相關(guān)的社會(huì)問(wèn)題的討論?？茖W(xué)教育的側(cè)重點(diǎn)也從幫助學(xué)生精?？茖W(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)向幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)是什么或者為什么要相信科學(xué)?？茖W(xué)實(shí)踐，即科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程中的生成假設(shè)、觀察、測(cè)量、批判、論證等具體的、有學(xué)科特色的行為，保障了科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性和可信度。讓學(xué)生體驗(yàn)、經(jīng)歷科學(xué)實(shí)踐，幫助學(xué)生熟悉科學(xué)知識(shí)產(chǎn)生的過(guò)程，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)是什么，繼而相信科學(xué)并支持科學(xué)。此外，學(xué)生在開(kāi)展科學(xué)實(shí)踐的同時(shí)也能體會(huì)到科學(xué)知識(shí)產(chǎn)生過(guò)程中可能存在的偏見(jiàn)（如理論假設(shè)中存在的個(gè)人偏見(jiàn)或政治文化因素會(huì)影響科學(xué)問(wèn)題的選擇），從而認(rèn)識(shí)到科學(xué)的局限性。因此，相較于“探究”，“實(shí)踐”更加具體，且與新時(shí)期科學(xué)教育的使命更加契合。

教學(xué)中的側(cè)重

教師在開(kāi)展科學(xué)實(shí)踐類活動(dòng)時(shí)，可以把教學(xué)目標(biāo)或教學(xué)側(cè)重點(diǎn)放在程序性知識(shí)和認(rèn)識(shí)論知識(shí)的習(xí)得上。程序性知識(shí)是指關(guān)于測(cè)量的知識(shí)（如天平的使用、觀察的手段、分類的依據(jù)等），保證可重復(fù)性的機(jī)制（如多次測(cè)量的誤差范圍、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性），變量的概念，呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的手段（圖、表等），實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（控制變量、隨機(jī)分配、實(shí)驗(yàn)對(duì)照等）和實(shí)驗(yàn)方法的選擇等。學(xué)生在科學(xué)實(shí)踐中可以通過(guò)設(shè)計(jì)、動(dòng)手操作、得出結(jié)論等行為，實(shí)現(xiàn)對(duì)程序性知識(shí)的掌握，了解和熟悉科學(xué)知識(shí)產(chǎn)生的過(guò)程。

認(rèn)識(shí)論知識(shí)是指關(guān)于科學(xué)知識(shí)本身的特點(diǎn)，即什么樣的知識(shí)才能被稱為科學(xué)知識(shí)，科學(xué)知識(shí)產(chǎn)生和驗(yàn)證的過(guò)程有哪些特點(diǎn)。這些特點(diǎn)包括了科學(xué)知識(shí)是由實(shí)證證據(jù)支撐的（如觀察、測(cè)量得到的數(shù)據(jù)），科學(xué)中常用的論證邏輯（如歸納、演繹、推測(cè)、類比、模型），科學(xué)中的價(jià)值取向（客觀、準(zhǔn)確），科學(xué)知識(shí)與其他知識(shí)的區(qū)別（如與經(jīng)驗(yàn)的區(qū)別，與藝術(shù)的區(qū)別），科學(xué)家群體和社會(huì)價(jià)值觀對(duì)科學(xué)知識(shí)的影響（如同行評(píng)議、科學(xué)倫理）。學(xué)生雖然能夠通過(guò)科學(xué)實(shí)踐隱含地感受這類知識(shí)，但是需要教師在教學(xué)中明確地把科學(xué)實(shí)踐中學(xué)生的體驗(yàn)與認(rèn)識(shí)論知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，才能進(jìn)一步提升科學(xué)實(shí)踐的教學(xué)效果。

如前所述的例子中，教師讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證水的沸點(diǎn)后，可以進(jìn)一步讓學(xué)生在科學(xué)實(shí)踐的過(guò)程中強(qiáng)化程序性知識(shí)，如從測(cè)量的角度和學(xué)生討論在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中科學(xué)家如何對(duì)待和處理誤差，如何標(biāo)準(zhǔn)化外界環(huán)境（如大氣壓強(qiáng)）。在聯(lián)系認(rèn)識(shí)論知識(shí)上，教師可以進(jìn)一步解釋100℃與0℃是科學(xué)家人為做出的規(guī)定，是先有了水的沸點(diǎn)和凝固點(diǎn)，才把水的沸點(diǎn)定義為100℃，水的凝固點(diǎn)定義為0℃，而不是用攝氏度去測(cè)量水的沸點(diǎn)與凝固點(diǎn)。換句話說(shuō)，科學(xué)其實(shí)是幫助人類理解世界的一種方式，科學(xué)家使用理論（對(duì)攝氏溫度的規(guī)定）去解釋大自然中的現(xiàn)象（水在一個(gè)大氣壓下的沸點(diǎn)與凝固點(diǎn)）。隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，科學(xué)家可能會(huì)提出新的理論，用新的視角去解釋自然中的現(xiàn)象，我們看世界的方式也會(huì)隨之發(fā)生變化。雖然科學(xué)知識(shí)不是真理，并且具有一定的主觀性，但科學(xué)家通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，大量的證據(jù)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C所得出的結(jié)論，是值得我們?nèi)ハ嘈挪⒅С值摹?/p>

科學(xué)實(shí)踐不是科學(xué)教育中的萬(wàn)能藥，它有優(yōu)勢(shì)也有短板。它的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)讓學(xué)生“做科學(xué)”，體驗(yàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，習(xí)得關(guān)于科學(xué)的程序性知識(shí)和認(rèn)識(shí)論知識(shí)，讓學(xué)生熟悉科學(xué)、相信科學(xué)、支持科學(xué)；它的短板在于相較于其他教學(xué)手段，科學(xué)實(shí)踐的設(shè)計(jì)和實(shí)施需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力，如果僅僅用科學(xué)實(shí)踐來(lái)對(duì)已有知識(shí)進(jìn)行鞏固和驗(yàn)證，是對(duì)這種教學(xué)方式的誤用。發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，以科學(xué)實(shí)踐傳遞“科學(xué)是什么”是教師應(yīng)當(dāng)做出的選擇。

（2023上?？萍拣^科普智庫(kù)創(chuàng)新平臺(tái)開(kāi)放課題“國(guó)內(nèi)外非正式科學(xué)教育多元主體的創(chuàng)新實(shí)踐及模式研究”）