促進科學本質(zhì)理解的內(nèi)隱—外顯探究教學設計開發(fā)與實施

摘 要：深入理解科學本質(zhì)（Nature of Science， NOS）是科學素養(yǎng)的核心組成部分，對學生掌握物理學科的核心素養(yǎng)至關重要。文中分析了內(nèi)隱與外顯方法在培養(yǎng)學生對NOS理解方面的優(yōu)勢和局限，并提出了促進學生理解科學本質(zhì)的教學設計原則。這些原則包括將科學探究作為教學的主線，采用基于反思的外顯教學指導，以及與真實情境的連接。接著簡要說明了結(jié)合內(nèi)隱和外顯探究的教學設計過程，并以“拋體運動的規(guī)律”為例進行了闡述?；诖诉^程，研究實施了對科學本質(zhì)的教學、學習與評估，確保了它們之間的一致性，從而增強了科學教育的連貫性。

關鍵詞：核心素養(yǎng)；科學本質(zhì)；科學探究

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

一、引言

培養(yǎng)具備科學素養(yǎng)的學生是科學教育的長期目標[1]，而對科學本質(zhì)（ Nature of Science， NOS）的深刻理解構(gòu)成了科學素養(yǎng)的核心部分[2]。同時，發(fā)展學生的物理（及科學）學科核心素養(yǎng)是提高科學素養(yǎng)的關鍵路徑。義務教育物理（包括科學）課程標準和高中物理課程標準強調(diào)，科學態(tài)度與責任包含科學本質(zhì)、科學態(tài)度和社會責任等，這些都是在理解科學本質(zhì)及其與科學、技術、社會、環(huán)境的關系基礎上形成的，這也是學生掌握學科核心素養(yǎng)的標志[3][4]。因此，設計適當?shù)慕虒W活動來促進學生對科學本質(zhì)的理解，對于實現(xiàn)科學教育的長期目標以及培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)都至關重要。

科學本質(zhì)通常被視為科學的認識論特性，或科學知識及其發(fā)展中固有的價值觀和信念[5]。學生應理解科學本質(zhì)的以下要點：科學知識是嘗試性和基于經(jīng)驗的；是理論負載的，雖然部分建立在對自然界的觀察（經(jīng)驗性）上，但也融入了人類的想象力和創(chuàng)造力；科學是在更廣泛的文化背景下進行的人類活動，觀察和推理之間存在關鍵區(qū)別；科學探究并非遵循單一普適方法；科學定律與理論的功能和關系[6][7]。所謂促進學生理解科學本質(zhì)，意味著加深他們對上述各方面的認識。

已有研究將提高學生對科學本質(zhì)理解的方法主要分為內(nèi)隱方法和外顯方法[8]。內(nèi)隱方法通過科學過程技能的教學或參與科學探究活動來促進學生對科學本質(zhì)的理解。有證據(jù)顯示，科學探究技能與科學本質(zhì)信念在某種程度上呈正相關[9]。例如，Valente等人通過讓學生沉浸于真實的科學環(huán)境，通過質(zhì)疑和理解探究經(jīng)歷來提升他們對科學本質(zhì)的理解[10]。Schwartz等則通過將學生置于科學探究的實踐環(huán)境中，促使他們在研討中深化對科學本質(zhì)的理解[11]。外顯方法則涉及特定于理解科學本質(zhì)各方面的教學活動，或結(jié)合歷史和科學哲學元素的教學活動。例如，Wong等人通過分析SARS研究中科學家的訪談和相關紀錄片，開發(fā)了教學材料，幫助學生在反思中加深對科學本質(zhì)的理解[12]。Kim等人通過將科學史內(nèi)容整合到教學中，引導學生反思記錄材料中的科學本質(zhì)問題，以此增進對科學本質(zhì)的理解[13]。

外顯方法通過聚焦科學史的基本特征，使用計劃性的學習內(nèi)容來提高學生對科學本質(zhì)的理解，但它可能不足以提供充分的探究背景來教授大量的科學知識[14]。另一方面，內(nèi)隱方法通過模擬專業(yè)科學家的方法和實踐來構(gòu)建知識，將對科學本質(zhì)的理解視作探究活動的自然結(jié)果[15]，但它往往缺少針對科學本質(zhì)的計劃性教學內(nèi)容?？紤]到這兩種方法各有優(yōu)劣，眾多研究者推薦將內(nèi)隱和外顯方法結(jié)合使用，以更全面地增強學生對科學本質(zhì)的理解[16]。因此，本研究的目標是通過融合內(nèi)隱與外顯方法的探究教學設計，來促進學生對科學本質(zhì)的深入理解。

二、整合內(nèi)隱與外顯的探究教學設計原則與假設

承上所述，鑒于已有研究指出外顯方法在提供探究背景方面存在不足，而內(nèi)隱方法則缺乏針對科學本質(zhì)的計劃性學習內(nèi)容，我們認為結(jié)合科學教學的特征，整合內(nèi)隱與外顯方法的探究教學設計應遵循以下原則。

首先，科學探究應作為教學的主線。科學探究涉及運用諸如觀察、質(zhì)疑、假設或數(shù)據(jù)分析等科學過程技能，并將這些技能與科學推理相結(jié)合來發(fā)展科學知識。如Lederman指出，將科學探究視作科學知識生成的過程，具有極高的價值。這是因為這種觀點內(nèi)在地體現(xiàn)了科學的本質(zhì)特征（NOS）[17]。然而，盡管許多研究者嘗試進行這種概念化探究行動，實際上在學校環(huán)境中實施的科學探究活動卻往往基于過分簡化的真實科學研究過程模型，這些模型不僅未能準確反映科學實踐，有時甚至會扭曲科學的本質(zhì)[18]。為了使學生能夠以更真實的方式進行科學探究，Park反思了物理學家實際研究的主要特點和程序，提出了一個包含研究動機、科學探究技能與研究結(jié)果的科學探究模型?？茖W探究的動機可以源于對現(xiàn)有理論的質(zhì)疑、對沖突的認識或新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)；在提出科學探究問題后，可以利用數(shù)據(jù)、新假設及其他理論等資源來解決問題；通過實施這一循環(huán)或反向路徑，可能會闡明現(xiàn)有理論，發(fā)現(xiàn)新數(shù)據(jù)或?qū)嶒灧椒ǎ踔磷C偽先前的理論[19]。本研究將結(jié)合另外兩個原則，并以增進學生對科學本質(zhì)的理解為目標，選擇更為合適的科學探究路徑。

其次，基于反思的外顯教學指導。實際上，如前所述，代表內(nèi)隱方法的探究活動假定學生通過參與科學探究活動而自然形成對“科學本質(zhì)”的理解，但卻缺乏有關科學本質(zhì)的計劃性學習內(nèi)容，這使得這類方法在實踐中被反復證明難以有效促進學生對科學本質(zhì)的理解[20]。Abd-El-Khalick和Lederman認為，學生對科學本質(zhì)的理解需要在科學教學中得到明確的闡述和“規(guī)劃”，而不是作為科學探究的副產(chǎn)品。所謂明確的方法并不是通過講授來促進學生對科學本質(zhì)的理解，而是強調(diào)學生通過反思他們所參與的活動來認識科學本質(zhì)的各個方面（例如，觀察與推理之間的關鍵區(qū)別）。學生通過這種外顯的反思性討論，使得在科學探究活動中難以覺察的科學本質(zhì)方面變得“可見”，從而促進了他們對科學本質(zhì)的理解[21]。在本研究中，我們將在學生參與的旨在發(fā)展科學知識的科學探究活動中整合基于反思的外顯教學指導，以有計劃地促進學生對科學本質(zhì)內(nèi)容的理解。

最后，聯(lián)系真實情境。盡管基于反思的外顯指導與科學探究活動的結(jié)合取得了一定的成功，這種成功卻是有限的，部分研究者將其歸因于科學本質(zhì)的教學通常在特定情境下進行?？茖W教育者對于學生應如何理解科學本質(zhì)已有一定共識，但僅僅要求學生記住“科學是理論化的”“涉及人類的想象力和創(chuàng)造力”等觀點，并不足以實現(xiàn)對科學本質(zhì)的深刻理解。只有在科學史、社會科學問題等背景下，科學本質(zhì)的觀點才能被充分理解，其有效性才能在學生討論中得到體現(xiàn)[22]。簡而言之，科學研究發(fā)生在復雜的認知、認識論及社會實踐環(huán)境中，因此聯(lián)系真實情境意味著科學學習環(huán)境的設計應圍繞科學研究的知識交流和實踐來制定[23]。在本文中，我們采用聯(lián)系真實情境的原則來彌補僅依賴于基于反思的外顯指導活動的科學探究成效與學生理解科學本質(zhì)之間的鴻溝，從而幫助學生更全面地理解科學本質(zhì)。

三、內(nèi)隱外顯探究教學設計過程

促進科學本質(zhì)理解的單元教學設計依賴于對以下三個問題的回答：首先，學生當前對科學本質(zhì)的理解狀況如何，期望目標是什么，以及二者之間存在哪些差異？其次，采取何種教學策略可以有效地彌補這些差異？最后，教學策略是否成功地促進了學生對科學本質(zhì)的成熟理解？這些問題的回答將直接影響教學設計的構(gòu)建，確保教學活動能夠有效地針對學生的需求，促進他們對科學本質(zhì)的深入理解[24]。

在前期的研究中，我們通過使用VNOS-C問卷對學生的科學本質(zhì)觀進行調(diào)查。結(jié)果顯示學生對科學本質(zhì)的理解包括以下12個不同的方面。（1）技術和方法的改進會導致理論的變化；（2）科學是科學家通過多次實驗得到的真理，用于解決實際問題；（3）由于實驗過程無法重現(xiàn)，無法證明數(shù)據(jù)的準確性，科學家對同一數(shù)據(jù)集得出不同結(jié)論；（4）科學理論與科學定律不同，理論和定律之間存在等級關系，理論包含若干定律，而多個理論構(gòu)成一個理論體系；（5）科學家如何獲得原子結(jié)構(gòu)的知識；（6）科學通過客觀方法揭示已存在的世界，并通過實驗方法驗證觀點；（7）科學家通過結(jié)合實驗現(xiàn)象來證明他們對原子結(jié)構(gòu)的假設；（8）實驗的總體結(jié)構(gòu)或具體過程和目的；（9）實驗作為一種發(fā)現(xiàn)科學知識的手段，也可用于檢驗或驗證科學知識的準確性；（10）科學是探索自然界事物發(fā)展規(guī)律的客觀方法；（11）理論作為理解或預測科學知識的方式；（12）科學發(fā)展與社會文化價值相互融合，科學促進文化發(fā)展，同時社會性質(zhì)和文化價值也影響科學[25]。

學生對科學本質(zhì)的理解涵蓋了幼稚、成熟及混合（即介于幼稚與成熟之間）的觀點。根據(jù)先前的研究結(jié)果，部分（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、部分（6）、（8）、部分（9）、（10）、（11）被認為是較幼稚的；部分（1）、（7）、（12）被認為是較成熟的；而部分（6）和（9）被視為混合觀點。實際上，幼稚的觀點和混合觀點都被視為非成熟的觀點。因此，除了（7）和（12）之外，學生對科學本質(zhì)的其他各個方面的理解被視為不成熟的。需要指出的是，這些調(diào)查結(jié)果是基于參與我們研究的學生群體得出的。這些不成熟的理解揭示了學生當前對科學本質(zhì)理解的實際情況與期望目標之間的差異，這些差異將作為我們教學設計的出發(fā)點。

教學策略的設計與開發(fā)應依據(jù)前文提到的教學設計原則，應首先以科學探究為核心?？茖W探究作為學生理解科學的途徑，讓學生在此過程中根據(jù)他們的先驗知識，運用科學思維（如推理、論證等）盡可能無偏見地構(gòu)建對自然世界的科學解釋。此外，當學生基于證據(jù)構(gòu)建科學解釋，同時解釋自然現(xiàn)象發(fā)生或持續(xù)發(fā)生的原因時，不僅有助于形成科學知識，同時也能促進學生對科學本質(zhì)的理解[26]。

根據(jù)Park的研究，科學探究的動機可以源自于對現(xiàn)有理論的不足之處的認識、對理論內(nèi)部沖突的發(fā)現(xiàn)，或是對新現(xiàn)象的覺察。對于學生而言，這些動機可能表現(xiàn)為意識到自己已有知識的不足、察覺到其知識體系內(nèi)的矛盾，或是面對現(xiàn)有知識無法解釋的現(xiàn)狀。這三種動機為教學策略的設計提供了情境依據(jù)。正如前所述，將教學活動與真實情境聯(lián)系起來，是設計促進學生對科學本質(zhì)理解的重要原則之一。因此，在科學探究的動機設計中考慮這些因素，有助于確保我們的教學策略能夠緊密結(jié)合真實的情境，從而有效地促進學生對科學本質(zhì)的深入理解。

基于反思的外顯教學指導旨在有意識地引導學生關注科學本質(zhì)的各個方面，如科學知識的嘗試性等。在本研究中，我們首先識別并指出科學探究過程中的具體步驟，這些步驟反映了科學本質(zhì)的相關方面。接著，要求學生就這些方面撰寫反思報告，從而實施外顯教學的指導。這不僅促進了學生對科學本質(zhì)各方面的理解，也為評估學生是否獲得了更成熟的科學本質(zhì)理解提供了依據(jù)。下面我們以“拋體運動的規(guī)律”教學為例，試說明上述過程。

四、促進科學本質(zhì)理解的“拋體運動的規(guī)律”教學設計

拋體運動是指在給定初速度下，物體僅受重力加速度作用下（忽略空氣阻力）沿一條確定路徑運動的現(xiàn)象[27]。學生對拋體運動存在諸多錯誤概念，例如拋體最初沿拋射方向移動，只有在施加推力后重力才開始作用，導致物體落地；從移動的載體上（例如飛機等）掉落的物體不會受到任何推動力，因此往往會直接掉落；下落的物體比靜止的物體受到更大的重力，靜止的物體可能不受重力[28]。這些誤解體現(xiàn)了學生進入課堂前的先驗概念，為教學情境設計提供了依據(jù)，也是開發(fā)教學策略以培養(yǎng)學生對科學本質(zhì)理解的出發(fā)點。

基于這些誤解，我們可以將它們與實際教學情境相結(jié)合，作為科學探究動機的來源。通過這種方式，教學策略不僅旨在糾正學生的錯誤概念，還旨在通過探討這些具體問題，幫助學生理解科學知識發(fā)展是一個基于實驗證據(jù)和邏輯推理的動態(tài)過程，進而促進他們對科學本質(zhì)的深入理解。

首先，學生的錯誤概念主要圍繞拋體運動的路徑和受力情況。為了解決這個問題，我們可以采用空投物資的情境來引入問題。以錯誤概念的推理過程作為生成替代假設的基礎，教學過程可以按照這樣設計。

“據(jù)新華社報道，受臺風‘杜蘇芮’影響，從7月29日開始，北京市迎來連續(xù)強降雨過程，位于北京市西部的門頭溝區(qū)部分區(qū)域發(fā)生山洪災害。北京市門頭溝區(qū)成立應急物資空投工作專班，針對山區(qū)村落進行物資投放（ http：∥www. news. cn/ 2023-08/ 03/ c_1129785447. htm）。對于物資的投放來說，投送的著陸位置非常重要?！?/p>

其次，在上述真實情境的基礎上，我們可以利用學生的日常經(jīng)驗，如水平跳躍（見圖1），來引入問題。通過這樣的實際例子，幫助學生推測著陸位置與投放的高度和水平距離之間的關系。然后，可以提出一個科學探究的問題：“空投高度與水平距離之間的關系是什么？”

基于上述情境，利用學生的錯誤概念，我們可以圍繞科學探究問題形成以下聲明：

（1）空投高度與水平距離之間的關系在路徑上呈現(xiàn)為曲線關系，猜測可能是多項式關系。這一聲明反映了學生基于日常觀察到的拋體運動（如拋球）所形成的可能的直觀認識，即認為物體移動軌跡是曲線形的。

（2）鑒于認為從移動的載體（如飛機）上掉落的物體不會受到任何推動力，直接下落，因此推測空投高度與水平距離之間不存在關聯(lián)。

（3）認為拋體最初沿拋射方向移動，只有在施加一定的推力后，重力才開始作用，因此兩者之間可能呈現(xiàn)折線關系。

學生可能會基于他們的錯誤概念提出多樣化的假設，這些假設不必正確，甚至可能是錯誤的，關鍵在于這些假設能夠通過學生收集的證據(jù)進行證偽。這正是探究實驗的關鍵一步：要求學生設計數(shù)據(jù)收集和分析方法來證偽他們提出的假設。

數(shù)據(jù)收集的過程與常規(guī)的實驗課程相似，學生從特定的初始位置平拋小球，記錄小球的縱坐標和橫坐標值。然而，與常規(guī)實驗課不同的是，這里沒有提前給定的正確假設來驗證。我們只有一系列待驗證的假設，這些假設可能正確也可能錯誤，等待通過實驗數(shù)據(jù)來推翻或支持。因此，數(shù)據(jù)分析方法的設計需要基于前文提出的假設。

從上述學生提出的假設中，我們可以看到，通過收集數(shù)據(jù)來嘗試性地建立空投高度（H）與水平距離（x）之間的關系，可以為所有假設提供驗證或證偽的依據(jù)。因此，我們假設H與x之間可能遵循多項式關系，即H =a+bx+cx2+dx3+ex4+……。接下來，通過對收集到的數(shù)據(jù)進行曲線擬合分析，可以檢驗這一假設。

在進行曲線擬合時，如果發(fā)現(xiàn)擬合結(jié)果中三次項及更高次項的系數(shù)接近于0，這表明H與x之間的關系更符合二次函數(shù)關系。這樣的分析結(jié)果會推翻假設（2）和假設（3），因為假設（2）認為空投高度與水平距離之間不存在關聯(lián)，而假設（3）認為兩者之間可能是折線關系。

基于上述過程，學生成功構(gòu)建了空投高度與水平距離之間的定量關系，解答了科學探究問題，并在其知識范圍內(nèi)為我們的真實情境中的物資投放問題提供了定量解決方案。從程序上來看，上述過程是科學探究的結(jié)束，但需要注意的是，它也是培養(yǎng)學生對科學本質(zhì)理解的重要起點。

為了加深學生對科學本質(zhì)的認識，特別是科學知識的嘗試性等方面，我們可以設計一系列的思考題或反思活動。例如，我們可以引導學生思考以下問題，并鼓勵他們以書面形式表達自己的理解和反思。

（4）在實驗過程中，我們基于物資投放的著陸位置問題提出了科學探究問題，并針對該問題提出了若干假設。在后續(xù)的實驗過程中，一部分假設被推翻，而另一部分得到了證據(jù)的支持。請大家就這一過程——基于科學問題嘗試性地給出假設，然后基于證據(jù)來推翻或支持這些假設——分享你對科學研究嘗試性的理解。

（5）在我們的實驗過程中，無論是提出假設還是尋找證據(jù)來支持或推翻這些假設，我們都在強調(diào)證據(jù)的重要性?；谶@一過程，談談你對科學研究中證據(jù)角色的認識。

我們可以在明確引導下，針對實驗過程中涉及到的科學本質(zhì)的不同方面幫助學生進行反思，實現(xiàn)對科學本質(zhì)的理解。同時，學生的反思內(nèi)容也為我們評估他們是否獲得了更為成熟的科學本質(zhì)理解提供了證據(jù)。這體現(xiàn)了基于反思的外顯教學指導原則。

五、結(jié)論與討論

對科學本質(zhì)的深入理解是構(gòu)成科學素養(yǎng)的關鍵部分，并且是判斷學生是否掌握了物理學科核心素養(yǎng)的重要標志之一。因此，本文首先回顧并分析了現(xiàn)有研究中應用的內(nèi)隱和外顯方法在培養(yǎng)學生對科學本質(zhì)理解方面的優(yōu)勢與局限?；谶@些分析，我們提出了促進學生對科學本質(zhì)理解的教學設計原則，強調(diào)以科學探究為教學主線，結(jié)合基于反思的外顯教學指導和真實情境的聯(lián)系。接著，我們概述了結(jié)合內(nèi)隱與外顯方法的探究教學設計過程，并通過“拋體運動的規(guī)律”（主要聚焦于平拋運動規(guī)律）作為實例，詳細闡述了這一教學過程。

在上述教學過程中，學生對科學本質(zhì)的理解現(xiàn)狀是我們教學設計的起點。例如，針對學生在“科學知識是嘗試性的”等方面的幼稚認識，我們進行了明確的指導；接下來，教學活動以科學探究為主線，根據(jù)Park的理論，在本研究中，科學探究的動機主要來源于新現(xiàn)象和新規(guī)律的發(fā)現(xiàn)。在科學探究問題被提出后，我們主要遵循了提出假設并基于實驗測試這些假設的探究流程。學生通過這一活動獲得了對真實情境中的現(xiàn)象的理解；最終，通過基于反思的外顯教學指導，我們不僅將學生的注意力明確地引向了科學本質(zhì)的各個方面，而且通過他們的反思內(nèi)容來評估他們對科學本質(zhì)的理解，從而實現(xiàn)了教學、學習和評估的一致性。值得強調(diào)的是，本研究中提出的科學探究假設的關鍵在于其可證偽性；不可證偽的假設不會引導學生設計有效的數(shù)據(jù)收集與分析方法，從而使科學探究無法順利進行。

最終，我們認識到，不能僅僅聚焦基于學生錯誤概念構(gòu)建的假設或僅僅關注學生在科學探究課堂中的活動。我們更應深入探討的是，在學生參與的科學探究過程中，科學本質(zhì)的哪些方面得到了體現(xiàn)，以及在探究過程中討論這些方面的意義是什么。基于這樣的考慮，學生在我們提供的情境中進行科學探究時，不僅能對比科學思維、科學觀念以及科學本質(zhì)的相關方面之間的異同，而且在更深層次上，將“科學思維”（本研究中主要體現(xiàn)為科學論證）、“科學本質(zhì)”以及“概念內(nèi)容”緊密聯(lián)系起來，從而提升科學教育的連貫性。這樣的方法不僅促進了學生對科學過程的深入理解，還增強了他們對科學知識形成和發(fā)展過程的認識。當然，該教學設計的開發(fā)與實施也存在一定的不足，如對學生反思內(nèi)容的文本分析會耗費教師的大量精力等。

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（責任編輯：邢西深）