对科学探究过程的理解及反思

对科学探究过程的理解及反思

[摘要]新一轮基础教育课程改革要求，学校教育要面向全体学生，使每个学生得到全面的发展。大力倡导在教学过程中开展探究性教学，其核心是让学生通过类似科学研究的过程来理解科学概念和掌握科学知识的本质，培养学生的探究能力。本文介绍了探究学习的概念，重点论述了探究学习的全过程，并总结了探究教学应注意的问题，帮助我们更好地开展科学教育。

[关键词]科学探究；探究教学过程；探究教学

国家基础教育改革的一项重要举措就是将科学探究引入到课程标准中来，科学探究不仅是科学学习和科学教学的重要方式，而且是构成基础科学教学的重要内容。希望学生可以“通过‘做科学’(即科学探究)来学科学”，在这一过程中“学生们可以把科学知识与观察、推理和思维结合起来，从而可以能动地获得对科学的理解”[1]。然而，对什么是探究教学、应当怎样展开探究教学等问题，目前还存在不同的看法和争论。本文结合对多篇有关探究学习的文献的研究，对探究教学所涉及的一些问题进行初步的探讨。

1.科学探究

1.1提出背景

在20世纪初，美国传统教育的弊端导致教育脱离儿童生活经验，纯知识的灌输遏制学生的创新思维的培养。著名实用主义教育家杜威提出了以儿童为中心，“做”中“学”，重视对儿童进行科学教育的过程和方法的教育方法。摆脱以往百科全书式的教学方式。他主张教学应遵循以下步骤：设置疑难情景，确定问题，提出假设，制定解决间题的方案并实施等。仔细研究便可发现，这与我们今天所提倡的探究教学有着密切的联系。杜威提出的这种含有探究思想的教学方式，对美国科学教育产生了深远的影响，也为探究教学的提出莫定了基础。

20世纪中叶，著名生物学家、教育家施瓦布在多年研究的基础上，提出了探究式的教学方法。探究式教学的提出是建立在学科结构观上的。他说：“知识，包括科学在内，并非是真理的集合，而是待于证明和不断被修正的系统。科学知识不是固定不变的。”这表明，学科的结构处于不断的变化之中。因此把科学知识当作绝对的真理教给学生是不符合学科结构的特点的。学生应通过探究活动开展学习，根据探究结果对所学知识提出科学的解释。施瓦布提出的探究式教学，促使人们思考教育中存在的问题，积极探索怎样使学生深人理解知识，怎样提供更多的机会让学生体验科学的过程等。因此探究目标的设计就显得尤为重要[2]。

1.2基本概念和内涵

为了界定基础教育的科学领域，很多学者将其分为两大类：一是把科学探究描述为科学家所做的工作，二是把它看作教与学的过程。美国《国家科学教育标准》对探究的定义上认可了这种划分，它明确提出：科学探究指的是科学家们用以研究自然界并基于此种研究获得的证据提出种种解释的多种不同途径；科学探究也指的是学生们用以获取知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动[3]。

探究学习是通过对科学探究的模拟来实现的。科学探究,又称科学研究,是人类认识自然的一种方式,它遵循一定基本程序,采用一系列方法,通过发现问题、提出和检验假设、表达和交流等活动,来揭示大自然的奥秘,推动科学发展。在探究学习时,学生模拟科学家采用的探究程序和方法,通过提出和解决与他们生活经历有紧密联系的各种科学问题,积极地参与到知识的获得过程中去。与科学探究相对应,探究学习遵循以下典型程序或模式:形成问题、搜集数据、提出假设、检验假设、交流结果[4]。因此,不管探究学习呈现哪种形式,活动种类如何多

样,其本质特征是:教师不把构成教学目标的有关概念和认识策略直接告诉学生,取而代之,而是创造一种适宜的认识和合作环境,让学生通过探索发现有利于开展这种探索的学科内容要素和认知策略[5]。

2.科学探究的基本特征

学生的探究和对探究的理解，最终是表现在课堂上的美国国家研究理事会给出了课堂上科学探究的基本特征及其变体，如表1所示

表1科学探究的基本特征及其变体[6]

从表1中，我们可以发现，课堂上科学探究的基本特征主要包括以下几点：（1）学生投入于有科学指向性的问题；（2）学生非常重视与问题有关的证据；（3）学生根据获得的证据形成对问题的解释；（4）学生将自己的解释，与科学家的解释即科学知识相联系；（5）学生交流并评判他们所作出的解释。

每一个基本特征分别有四种变体。这些变体反映了学生自我指导程度的不同层次。基于指导的探究（guide-inquiry）可以将学生的学习聚焦于科学概念的发展，而更为开放的探究（open-inquiry）可以为学生的认知发展和科学推理提供更好的机会。在科学学习中，学生应该有机会参与各种不同形式的探究。[7]

在课堂上，根据探究对象的不同以及学生个体的不同，上述不同形式的探究都有着存在的意义和价值。如果教师可以为学生的科学探究提供各种“脚手架”，那么学生的学习进程会更为流畅，[8]这是基于指导的探究的重要作用。“脚手架”从提供到淡出（fading）的过程，代表着学生对探究理解的深入，也代表着开放式探究随之出现的可能。

3．科学探究的过程

对于科学探究的过程，国内外的不少研究者都提出了各自的观点。如，特罗布里奇、拜比尔和鲍威尔等人( Trowbridge, Bybee &Powell, 1996) 认为，科学探究的基本程序包括形成问题、建立假设、设计研究方案、检验假设、表达或交流结果等。《美国国家科学教育标准》提出，科学探究的过程主要包括：观察；提出问题；查阅书籍和其他信息资源来寻找已有知识；利用各种工具搜集、分析并解释数据；做出答案、解释或预言；交流结果。美国国家研究理事会(2000) 认为，科学探究包括形成科学研究问题、收集数据、建立假设、检验假设和交流结果。《英国国家科学课程》将科学探究过程划分为制定计划、获取并表达证据、思考证据、评价四步。我国《全日制义务教育科学课程标准(实验稿)》(2001) 提出，科学探究

包括提出科学问题、进行猜想和假设、制定计划和设计实验、获得事实与证据、检验与评价、表达与交流。此外，还有一些学者认为，科学探究包括了猜想与解释、实验与操作、明显地看到操作结果、记录获得的信息、结论与交流等；[9]或者认为提出科学问题、进行假设或猜想、制定研究方案和收集数据、得出结论并做出解释、对研究方案进行评估、交流和推广科学探究的六个基本步骤[10]等等。

尽管对于科学探究过程的认识仁者见仁、智者见智，研究者们依据不同标准对科学探究过程进行了不同的划分，但综合而言，他们对于科学探究的一些基本过程，如提出或形成问题、建立假设、制定研究方案检验假设、得出结论、评估、交流结果等的认识却较为一致。因此，根据已有研究成果，结合自己的研究，我们认为，科学探究主要包括观察和提出问题、形成假设、收集证据检验求证、得出和解释结论、评估、交流与推广六个步骤（见图1）。

图1：科学探究的过程

3.1观察和提出问题

观察是科学探究的基石。通过观察可以发现自然世界中未知的各种事物和现象，从而提出问题，确立探究的主题。因此观察和提出问题是密不可分的。但是，并不是所有的观察都能导致提出问题。很多时候，我们会深陷于“已知的幻觉”之中，也就是说，当你“掌握”某些知识的时候，会使你所看到的现象符合自己理解的事物模型并从中得到解释。正如德国文学家歌德所说的：“我们只看到我们所知道的”。因此，在科学探究中，个体要经常审视自己知识的界限，发现自己已有知识的局限和矛盾，探寻运用自己的理论所无法解释的难点，从而确立需要探究的事实。从某种意义上讲，科学探究就是要寻找一扇由已知通向未知的“大门”，推动“已知的幻觉”的不断扩张。[11]

科学探究始于问题的提出而止于问题的解决，而好奇心又是问题提出的心理基础，为了使问题呈现出来，教师必须创设能够引发学生好奇心的问题情境。另一方面，问题要有一定的空间，即问题要落在“最近发展区”，以保证使大多数学生在课堂上都处于思维活跃状态。问题空间有多大，探究的空间就有多大。结合某个问题与日常生活中的联系，引起学生想知道问题的答案，从而提出问题。而这样的问题不是学生一下子就能想明白的，必须通过学生合作、讨论、教师引导才能很好地完成。[12]这就给了学生极大的探究空间，促使学生主动地去探究问题的答案，促进思维深刻性的发展。此外，教师还要为学生充分提供质疑的空间，如“这个方案怎样?”“还需要改进吗?”等。

3.2根据已有的知识和经验，提出假说或猜想

假设源于个体所提出的问题，是对于问题的一种简洁的陈述，它试图解释一种模式或预测一种结果，是个体在己有的知识经验的基础上所提出的关于问题的可能性解释。假设是科学发展的必经之路。虽然假设只是一种试验性的观点，必须通过观察或实验加以验证，但它能帮助探究者澄清思想和说明关系。德国文学家海涅就曾说过：“谁若为我们指出了走不通的道路，那么他就像为我们指导了正确道路的人一样，对我们做了一件同样的好事”。假设可能有一种，也可能有多种，但不论多少，假设必须具有合理性，才有助于制定解决问题的