從“讀科學(xué)”到“做科學(xué)”

　　本期在“課堂教學(xué)信息化”的主題下發(fā)表了一組中學(xué)數(shù)學(xué)和物理教師撰寫的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)。這組教學(xué)設(shè)計(jì)的共同特點(diǎn)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)模型方法對科學(xué)原理與概念進(jìn)行模擬，讓學(xué)生在“做”的過程中體驗(yàn)探究知識(shí)的發(fā)生和發(fā)展過程。盡管他們的教學(xué)設(shè)計(jì)還有這樣或那樣的不成熟之處，但在探索實(shí)踐中都突破了傳統(tǒng)“讀科學(xué)”的教學(xué)模式，也突破了那些應(yīng)用演示型課件和網(wǎng)絡(luò)搜索尋找或展示“現(xiàn)成答案”的所謂“整合課”模式，在變以知識(shí)體系為中心的科學(xué)結(jié)論教育為以探究為中心的科學(xué)過程教育的進(jìn)程中作了有益的探索。對這些教學(xué)設(shè)計(jì)中蘊(yùn)含的教育理念、思路和策略作進(jìn)一步的挖掘和提煉，將有助于課堂教學(xué)信息化討論的深入。
　　數(shù)學(xué)和科學(xué)教學(xué)改革要從“讀科學(xué)”到“做科學(xué)”，誠如美籍匈牙利數(shù)學(xué)教學(xué)大師波利亞所指出的：“你不能僅僅依靠閱讀來學(xué)習(xí)，也不能僅僅是聽課程。你不能僅通過看錄像來學(xué)習(xí)。為了學(xué)到一些知識(shí)，你還必須增加來自你自己體驗(yàn)和理解的學(xué)習(xí)活動(dòng)。”讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)去體驗(yàn)和探究科學(xué)問題，符合探究的猜測、驗(yàn)證和歸納的實(shí)驗(yàn)屬性，在國際上已成為數(shù)學(xué)和科學(xué)教學(xué)創(chuàng)新的一個(gè)方向。
　　科學(xué)教學(xué)本質(zhì)上是學(xué)習(xí)活動(dòng)的教學(xué)。數(shù)字化學(xué)習(xí)活動(dòng)，是指應(yīng)用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來搜集、整理和解釋數(shù)據(jù)，開展模擬仿真與問題解決活動(dòng)，讓學(xué)生經(jīng)歷觀察、實(shí)驗(yàn)、歸納、類比、概括的探究過程，理解科學(xué)的概念、原理和思維方法，最后用于解決真實(shí)世界的問題。美國研究院出版的《人們是怎樣學(xué)習(xí)的》專著中，對應(yīng)用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對科學(xué)教學(xué)帶來的革命性變化作過前瞻性的判斷：“模擬和計(jì)算機(jī)模型是發(fā)展數(shù)學(xué)和科學(xué)以及這些學(xué)科應(yīng)用的有力的資源。有了可視化的分析的工具，數(shù)學(xué)和科學(xué)模型從靜態(tài)的圖表發(fā)展到用互動(dòng)的多媒體制作的動(dòng)態(tài)模型，從根本上改變了數(shù)學(xué)和科學(xué)探究的性質(zhì)。”
　　數(shù)字化教學(xué)活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)探究，一般由三類實(shí)驗(yàn)構(gòu)成，第一類是真實(shí)實(shí)驗(yàn)和觀察，第二類是應(yīng)用傳感器采集和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)字信息系統(tǒng)(DIS)實(shí)驗(yàn)，第三類是基于Java互動(dòng)模擬軟件和幾何畫板等學(xué)習(xí)工具軟件的虛擬實(shí)驗(yàn)。本期雜志發(fā)表的三篇教學(xué)設(shè)計(jì)，選擇的是虛擬實(shí)驗(yàn)。
　　數(shù)字化學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)要緊緊圍繞培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力和問題解決能力這一基本目標(biāo)，通過實(shí)驗(yàn)探究這一新型的學(xué)習(xí)方式來展開。在設(shè)計(jì)過程中要把握三個(gè)基本環(huán)節(jié)。
　　一是堅(jiān)持通過“做中學(xué)”讓學(xué)生自己建構(gòu)知識(shí)。學(xué)生不是一張“白紙”，對一些科學(xué)問題，學(xué)生會(huì)有不正確的理解，而一旦形成錯(cuò)誤概念就很難改變。因此，以問題導(dǎo)向，通過實(shí)驗(yàn)探究，讓學(xué)生在“做中學(xué)”中自己建構(gòu)知識(shí)，是數(shù)字化學(xué)習(xí)活動(dòng)的基本教學(xué)策略。本期發(fā)表的教學(xué)設(shè)計(jì)都采用了這一教學(xué)策略，例如《探究三角形內(nèi)角和及其應(yīng)用》一課中，教師讓學(xué)生通過“做中學(xué)”完成了從三角形內(nèi)角和性質(zhì)向四邊形內(nèi)角和規(guī)律的推斷，從而建構(gòu)了多邊形內(nèi)角和的概念。《多面體歐拉定理的發(fā)現(xiàn)》一課借助互動(dòng)Java插件，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)多面體的頂點(diǎn)、邊和面的內(nèi)在關(guān)系?！堵潴w運(yùn)動(dòng)》一課則運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)了伽利略關(guān)于自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展過程。
　　二是要在探究過程中精心組織科學(xué)討論?！白鲋袑W(xué)”的核心是學(xué)，光是動(dòng)手活動(dòng)還不夠——學(xué)生們還必須有動(dòng)腦的活動(dòng)。在課堂上必須精心就“做”的過程和結(jié)果開展科學(xué)討論，引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的結(jié)果作出解釋，探討發(fā)現(xiàn)的條件，也就是這一結(jié)論應(yīng)用的條件和范圍，注重學(xué)習(xí)的遷移。例如“落體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)設(shè)計(jì)中，以亞里士多德和伽利略的爭論的討論引出自由落體運(yùn)動(dòng)的探究實(shí)驗(yàn)，在“做中學(xué)”過程中，強(qiáng)調(diào)伽利略實(shí)驗(yàn)是在“沒有空氣阻力”條件下進(jìn)行的，隨之又提出拓展的問題，如果物體受到阻力不可忽略時(shí)落體運(yùn)動(dòng)的結(jié)果又是如何？進(jìn)行新一輪的探究實(shí)驗(yàn)。兩次探究實(shí)驗(yàn)都圍繞問題展開討論，針對性很強(qiáng)，能有效地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和分析問題的能力。
　　三是要重視科學(xué)閱讀。強(qiáng)調(diào)探究，不能解釋為科學(xué)教學(xué)只應(yīng)取探究的方式之意，要提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，靠任何單一的教學(xué)策略或?qū)W習(xí)活動(dòng)都是無法辦到的。從書本中學(xué)習(xí)科學(xué)與科學(xué)探究是互補(bǔ)的，在探究過程中，引導(dǎo)學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)有針對性地開展科學(xué)閱讀，有助于拓寬視野，加深對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。當(dāng)然，這里強(qiáng)調(diào)的是在“做中學(xué)”基礎(chǔ)上的科學(xué)閱讀，而不是通過網(wǎng)絡(luò)直接找“現(xiàn)成答案”。
　　這三篇教學(xué)設(shè)計(jì)在學(xué)科概念的表述上和情境設(shè)計(jì)上也存在一些缺陷，例如三角形內(nèi)角和是由歐幾理得平行線公理派生的，是不能“用嚴(yán)格方式進(jìn)行證明”的，教學(xué)設(shè)計(jì)中用幾何畫板方法展示的是問題解決的思維過程，而不是邏輯證明。又如《落體運(yùn)動(dòng)》設(shè)計(jì)中用《關(guān)公戰(zhàn)秦瓊》的相聲和亞里士多德與伽利略的爭論類比，導(dǎo)入問題，顯得有些庸俗，其實(shí)落體運(yùn)動(dòng)原理聯(lián)系生活實(shí)際的例子比比皆是，例如為什么超音速飛機(jī)的制造經(jīng)歷了一個(gè)很長的周期，就是因?yàn)殡S著飛機(jī)速度加快，阻力也加大，使突破“音障”遇到很大的技術(shù)困難。
　　在大多數(shù)學(xué)校，教室里只有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，但這并不妨礙在課堂上用多種方式開展數(shù)字化學(xué)習(xí)活動(dòng)，而不是僅能演示科學(xué)結(jié)論。《面向?qū)W生的美國國家教育技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》就提供了相應(yīng)的解決方案：
　　演示平臺(tái)——通過大屏幕監(jiān)視器，或與計(jì)算機(jī)相連的課堂用電視機(jī)等手段，教師可以操作計(jì)算機(jī)，或者由學(xué)生輪流操作，為他們提供動(dòng)手經(jīng)驗(yàn)并使之強(qiáng)化知識(shí)內(nèi)容。
　　獨(dú)立研究平臺(tái)——根據(jù)需要，把計(jì)算機(jī)放在合適的地方，以便每個(gè)學(xué)生小組都能獲取網(wǎng)上資源。有些教師發(fā)現(xiàn)采用簽名的方法有助于提高平等上機(jī)的機(jī)會(huì)。
　　學(xué)習(xí)中心——它把計(jì)算機(jī)作為某個(gè)確定的學(xué)習(xí)活動(dòng)的一個(gè)組成部分，每個(gè)小組輪流使用這臺(tái)機(jī)器進(jìn)行學(xué)習(xí)。
　　最后對實(shí)驗(yàn)探究的教學(xué)資源來源問題談一些看法。好的虛擬實(shí)驗(yàn)探究的互動(dòng)軟件對情境設(shè)計(jì)和技術(shù)要求都很高，開發(fā)耗費(fèi)的精力時(shí)間也過多。隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和開放，教師可通過網(wǎng)絡(luò)收集到自己所需的專業(yè)機(jī)構(gòu)或公司制作的資源（版權(quán)法規(guī)定下載單個(gè)的軟件用于教學(xué)不屬侵權(quán)），而不必非要自己制作。這里問題的實(shí)質(zhì)并不在于課件是否自己制作，而在于課件究竟是給學(xué)生“看”的還是給學(xué)生“做”的，因?yàn)橹挥薪o學(xué)生“做”的軟件才能支持基于實(shí)驗(yàn)探究的數(shù)字化學(xué)習(xí)活動(dòng)。