關于探究性教學的思考

作者簡介：陳佳圭，中國科學院物理研究所研究員，博士生導師。1958年畢業于復旦大學物理系。長期從事半導體、磁學和低溫超導電子學，微弱信號檢測，空間材料科學的研究，有較多的成果、專著和論文。歷任項目負責人、研究室主任、學術委員會副主任等職，現已退休。任學會理事長、中國大百科全書（二版）分卷主編，學報和叢書編委等社會兼職。

1 前言

1909年，教育家杜威（J.Duwey）在美國科學促進協會的一次報告中，對大多數的教育工作者把科學看作是可以直接傳授給學生的一堆知識的觀點進行了批判，認為對科學作為一種思維方式和認知態度卻沒有給予足夠的重視。1950年美國成立國家科學基金會，開始資助科學教育的項目，對美國的科學教育改革起了重要的作用。1985年美國科學促進會組織幾百名科學家啟動“2061計劃”，對新的科學課程改革產生了很大的影響。1995年法國諾貝爾獎獲得者夏帕克（G. Charpak）訪問美國深受啟發，回國后與另外兩位科學家發起了旨在改革法國小學科學教育的“動手做”計劃，得到法國教育部的支持和推廣，2000年法國教育部正式公布要求法國全部350000班級進行科學教育改革的計劃。日本自1947年以來歷次課程改革中都對哲學思想、課程標準和結構等問題作了討論和實施。2007年歐盟國家也醞釀了在科學教育上的聯合行動。從2000年起，我國教育部在有關科學的課程計劃中設置探究性學習，要求教學實踐中如同科學家那樣“做”科學，從而經歷科學探究的過程。目前世界上已有三十多個國家都在為科學教育改革與實施作出實質性的努力。

探究性教學之所以得到教育界的認同并積極提倡，成為科學教育改革的重要內容，是因為它實際上與近年來國際教育界發展起來的一種新的學習科學理論——“問題解決”相一致。“問題解決”是科學家探索未知領域思維過程的重要方法，它應用于科學教育，從形式上看類似科學家的研究，而實質上是一種培養和發展學生創造性思維能力的重要教學方法和教育思想。

2 對一個科學探究經典實例的剖析

美國國家研究理事會的科學、數學及技術教育中心，美國“國家科學教育標準”科學探究附屬讀物編委會編著的權威著作《科學探究與國家科學教育標準——教與學的指南》（簡稱《教與學的指南》）的第一章第一節，提供了一個著名的科學探究的范例，簡述如下：

一位地質學家在俄勒岡州和華盛頓州海岸邊發現了一片死亡的西洋杉樹林。他感到奇怪：“是什么導致了大面積樹林死亡呢?”（進行觀察）。他從已有的背景知識中提出了一連串問題：“這些樹是同時死亡的嗎?”，“與某種枯萎病有關嗎?”，“是否與海水有關呢?”（提出問題）。他測量這些樹的最外層年輪形成的時間，發現它們都死于300年前。經過檢測他沒有找到火山沉積物的證據，也沒有發現曾發生過蟲害的跡象（收集證據）。地質學家回想起1964年發生了較大的潛沒帶地震，地震造成海岸下沉，使阿拉斯加數km2海岸森林浸沒在海水中，死掉了。他想知道，是否300年前發生了一次地震呢?（利用以前的研究）。為了驗證這種解釋，他找到了沉積物區域泥土下面的一層沙來自海洋的證據，這有力地支持了地震海嘯假說。（提出可能的解釋）。他在科學期刊上發表了幾篇文章，提出假說：海岸邊發現死亡樹林的原因是300年前曾發生過一次地震（發表論文）。 幾年后，遠在日本的一位地震學家在研究歷史上的潮汐強度記錄時，確認1700年1月17日，在太平洋邊緣某處，發生過一次大地震，當他得知地質學家在太平洋西北部的死亡森林的發現時，那位日本地震學家確定震源在俄勒岡州和華盛頓州下面（發現新的證據）。地質學家進一步檢查海岸沉積物，他又發現了一些更多的、更古老的死亡樹林和沙層。他現在可以認為：在過去千余年間，產生巨大海嘯的地震多次發生，引起海岸下沉，樹木浸泡在海水中，于是死亡了（添加新的解釋）。

這個真實的成功故事經過精心編排成為科學探究的經典案例，目的是為了展現科學探究的幾個重要特征。正因為這個故事編排得過于理想、完美和簡單，使人們產生了一些誤解，其中主要認為這是一張經典藥方，按方抓藥便能使探究變得簡單、容易和獲得成功。另一方面，如果將從觀察到發表論文這樣的探究過程看成一個循環，這個案例給出了幾年時間的大循環，但更多的是其中各階段時間（甚至于每天）內無數的小循環，這些小循環（成功和失敗）經驗的積累和提升最終構成完整的大循環。可以說大循環是經過取舍總結出來的，每個小循環則是真實的存在。

這位地質學家的實際探究過程應該是：首先，他需要得到他所供職部門的認可和有關部門（如基金會）科研經費的支持。因此他要多方面地提出申請，要闡述此項研究的科學意義和學術價值；說明前人已做了什么以及自己要做什么的調研報告；要提出研究方案、條件和可行性報告；要給出預期結果和評價方式等等的申請材料。也就是說，他必需經過從提出問題、調研、設計實驗方案、給出假說和預測結果這樣一個個預研的過程。其次，重要的是以后的科學研究中，他要給出沒有發生火山爆發，沒有發現過蟲害以及沙子來自海洋而不是來自陸地等等的實驗證據；他還要提供階段研究結果報告和接受評議和評審等等。這些具體的研究中都會經歷很多探究過程大大小小的循環。幸運的是他得到了成功，以致他的經歷成為探究的范例。再看一個案例：

1910年，魏格納（A.Wegener）根據古地質學、古氣候學、古生物學和陸橋說的思想，于1915年提出著名的大陸漂移的假說，著作一出版，便有反對者也有支持者，反對者的理由是魏格納沒有提出物理模型，沒有說明漂移的動力來自何處，魏格納本人也感到證據不足，他在反對聲中努力搜集證據，1930年死于搜集證據的考察途中，沒有看到他的成功。直到30年以后的1961年，赫斯（H.H.Hess）根據古地磁學和海洋地址學的研究成果，加上魏格納的結果提出海底擴張說，支持了魏格納。1965年威爾遜（J.T.Wilson）的板塊構造學說解決了魏格納的漂移動力問題（能量來自地幔內物質的熱對流）。這一探究的總過程（大循環）經歷了55年終于獲得成功，魏格納還算是幸運的。

那么，應該如何評價那些很有科學意義，研究過程清晰而有價值，但沒有得到總體成功的探究呢？又如何認識多樣化探究模式的存在價值呢？

3 對科學探究過程的理解

美國國家科學基金會針對眾多對科學探究過程的不同理解，特別推薦哈倫（Harlen）和詹利（Jelly）在1997年將科學探究的教學歸納為七個過程：

（1） 觀察——仔細查看，做好筆記，進行類比和對比；

（2） 提問——針對觀察到的現象提問，提出能夠引發調查的問題；

（3） 假說——提出與觀察結果相一致的解釋；

（4） 預測——基于觀察，預測一件將來會發生的事件；

（5） 調查研究——制訂計劃，開展活動，測量，收集數據以及控制變量；

（6） 解釋——歸納綜合，得出結論，找出合適的模型；

（7）交流——將自己探究的情況以口頭、書面表達或派代表陳述等多種形式告知別人。

現在對這七個探究的具體過程作進一步地探討：

（1）觀察。一般來說，學生有一定的觀察能力，但缺乏理性的、內在的、邏輯聯系的觀察能力，分析判斷能力也不成熟，自主獨立性還不強。因此還需要教師給予正確的、及時的指導，起到較強的主導作用。例如指導學生進行觀察，教師要根據教學內容提出觀察對象，明確指出觀察的范圍和具體內容，是物理特性？化學特性？還是生物特性？再具體為電學特性？光學特性？提的范圍越小越具體，觀察就越有針對性，就越能培養與提高學生觀察的能力和水平，效果也就越好。

（2）提問。當老師問學生：“光是什么？”時，不同知識儲備的學生便會有不同的回答。例如：光是一定波長范圍內的電磁波（物理問題）；光是具有一定能量的一個一個粒子——光子（物理問題）；光是閃電（物理問題）；光是燃燒（化學問題）；光是“鬼火”（化學問題）；光使植物生長（植物學問題）；光是熒火蟲的尾巴（生物問題）等不一而足。當然，還有更多有趣或有錯誤的回答。所以教師應根據具體的教學要求給出一級問題（或概念性框架），讓學生去提出二級、三級問題，提問范圍越小越具體，越能聚焦到問題的實質，培養學生提出“問題中的問題”的能力，才是探究的目的。在探究學習中完全放手，不僅不能實現教學目標，對后續課程的學習也有所影響。

（3）假說。對于一個不是科學工作者的教師在解釋科學探究時，常常希望科學探究必須源自一個假說（或猜想），否則探究的過程便不完整。 但是假說（或猜想）是根據已有知識對提出問題的邏輯推理和最初判斷。對一項未知的有重大發現的探究，已有的知識是不能對新的發現提出超前的“合理的假說（或有根據的猜想）”的。例如伽利略在做自由落體實驗前，不可能提出“物體具有相同的加速度”的假說。在一些探究活動中，教師應鼓勵學生提出“合理的假說”，但不要為假說（過程）而提出牽強的假說（行為）。同樣，預測也不是一個充要的過程。

（4）調查研究和解釋。說得具體一點是實驗設計、實驗過程、原始數據處理和給出結論，這是科學探究活動最重要的環節。早在1604年伽利略就給出了數學與實驗相結合的研究方法，可分為三個步驟：①先提取出從現象中獲得的直觀認識的主要部分，用最簡單的數學形式表示出來，以建立量的概念；②再由此式用數學方法導出另一易于實驗證實的數量關系；③然后通過實驗來證實這種數量關系。他對落體勻加速運動規律的研究便是最好的說明。牛頓也十分重視歸納和數學演繹，并認為演繹的結果必須通過新的實驗驗證。在探究活動中體會伽利略和牛頓的思想和方法，并加以融會貫通是完成科學實驗的重要保證。

（5）交流過程對于中國的科學教育尤為重要，中國過去的社會結構和環境較難產生科學文化，首先是對科學知識的產生與獲得缺乏理性的認知過程。西方的科學文化認為，當個體的創新知識用發表論文或公布發現的公開交流形式呈現后，將會充分地接受集體的評議、判斷、篩選，才可能有選擇地被接納為共識而成為集體知識。只有充分認識到個體知識和集體知識的相互聯系和轉換，科學才擁有堅實的社會基礎。而中國的文化只有個體知識，卻沒有轉化為集體知識的意識和環境，即使有也是家族或師徒范圍內擁有的知識，更不具備交流的渠道和條件。因此，重視科學交流的意義、加強科學交流的意識、培養善于總結表達的能力，增強提出問題和接受批評的修養等交流過程的實施，將會大幅度提高我國學生的科學素養。

4 科技發展與探究過程

學生從小學到大學，受到科學教育的普遍情況是：

（1）“科學”（包括專業分科）課程的內容絕大多數是19世紀都已得到解決的基礎知識；

（2）當時科學家歷盡艱苦的實驗與思考得到的定理、原理，現在看來是習以為常和很容易復現的事情了，探索的過程已成為歷史；

（3）當時的科學研究往往是科學家的個人行為，實驗設備的要求也不高，探究過程的軌跡很清晰。現代的科學研究是很多科學家分工明確的集體行為，要求團隊意識與合作精神，要有溝通交流與正確處理利益、榮譽和倫理等問題，導致很多有意義的探究過程很難歸納等等。

正因為學校科學教育的知識點還沒有（或比較少）涉及現代科學，學生對研究的技術化趨勢和物理學所支持的各種新技術之間的密切結合的了解也很少。

回顧一下自從量子力學建立以后物理科學的發展無論怎樣豐富多彩，但是在質的深化方面卻沒有劃時代的成果，因為很難找到全局性和根本性規律的新發現。現在的情況是基本的定律和方法已經存在，多數的研究屬于如何應用和解決具體問題。在這種意義上，可以說現代物理學的研究多數都是技術性的。即使在探索基本粒子理論這種基礎的高能物理學領域內，研究人員承擔著龐大而復雜的裝置的研制和運轉等技術工作，即使對數據的理論計算也是接近于技術性的處理。同樣，探月的地月轉移軌道共有四種可行方案，它們的軌道參數都已計算得清清楚楚，至于選擇哪一種則取決于能源、測控精度和安全系數等技術因素。再如月球表面照片的分辨率，不完全在于CCD的像元數的多少，而是取決于像元的靈敏度、圖像處理、數據壓縮和傳輸速度以及環境等。由此可見，在現代科學技術條件下，科學探究的過程中的觀察和提問“為什么？”，更多的變成技術性的問題“怎么辦？”了。于是乎，疑問和猜想常被可行性論證和技術途徑等不可或缺的重要過程所替代了。

就現代物理學而言，新的發現很難，社會更需要新的發明。發現與發明不同之處在于，發現是對自然界或其客觀規律的新認識，發明則是對現有生產技術進行變革所取得的科學技術新成就。許多引發科學和技術革命的重大發明并不來自當時社會生產的直接需求，而是在生產和技術提供的整體背景上，出現在科學實驗室的探究之中。另一個現狀是當大部分的科學問題已經得到很好的認知后，發現的好奇心便會轉向諸如天體運動、大爆炸理論、宇宙和時空的起源、四種相互作用力（引力、強力、弱力和電磁力）的統一、最基本的物質形態、基本粒子等等問題。

這種當代科學特點和研究技術化趨勢下的探究過程，與哈倫和詹利總結的七大過程在總體的角度看可能一致，但在局部范圍和重點上便有較大的不同。

5 對探究性教學的幾點認識

關于探究的定義、目的、形式、要求、理解和評價，以及認識的誤區等已有很多的論述，這里只就一些普遍關注的問題作原則上的簡要討論。

（1）探究是一種學習的方式和活動，在學習新的科學知識的過程中，涉及到觀察現象、提出問題、利用信息資源調研、設計可行的研究方案、嚴格精確的實驗、分析和處理原始數據、得出答案與解釋、撰寫論文并接受檢驗。探究的驅動力是一個人的好奇心、疑惑、興趣，或是要理解現象、解決問題的熱情。

（2）探究性學習的特點是讓學生經歷和體會科學探究的過程，讓學生學到科學知識和概念的同時，又要提高他們科學的創造性思維和邏輯思維能力。如果只是簡單地學習諸如“假設”、“推論”這樣的術語、定義或者記憶諸如“科學探究的七大步驟”這樣的過程，不但不可能理解探究的意義，也學不好科學知識。這兩者必須密切結合，互相促進，缺一不可。否則，要不就是學到一些具體的但不能融會貫通的科學知識，要不就是只有空洞的概念而不會解決問題。

（3）科學探究性學習是鼓勵學生積極參與所經歷的各個過程，也就是“做中學”，“做”是讓學生“動手干”、“動腦想”、“用眼看”、“用耳聽”。在參與（收集資料、設計實驗、做計劃、實驗、原始記錄的數據處理、撰寫科學報告等）中引導他們獨立思考和解決問題，逐步形成從質疑到反思的科學思維習慣，從而理解和學習科學的思想和方法。由于探究的過程是隨教學具體內容而改變，所經歷的探究過程和呈現的順序也不同。學生在學習期間經過大大小小、形式多樣的探究過程，逐步形成并不斷鞏固從質疑到反思的科學思維習慣，從而理解、掌握和應用科學的思想和方法去應對今后的問題。

（4）《教與學的指南》一書指出：“從一個小孩想知道螞蟻如何在地下生活，到一組物理學家探尋新的粒子，都可稱為探究。”這就意味著與新的學習科學理論——“問題解決”相一致。可見“探究”十分平常，并不神秘，只不過是解決問題而已。“一個小孩想知道螞蟻如何在地下生活”的“問題解決”有很多途徑，譬如他去挖掘一個蟻穴（自主探究）；父親和他一起去挖掘一個蟻穴（有指導的探究）；聽老師講課或看“動物世界”的電視節目（直接獲得知識）；聽課或看電視后去挖掘一個蟻穴（實驗驗證）；挖掘一個蟻穴后看電視或上課（解惑提高）等等，這些探究的立意、過程、所用時間和方法不相同，收效也會不同，所以也為教師設計探究過程提供了很大的空間。

（5）探究性教學應理解是一種藝術行為，它不是唯一的和不變的形式，因此需要高水平教師的精心設計和編排，需要師生的共同努力，在教學過程中形成積極的互動。要避免隨心所欲完全開放的教學實踐。教師要在學生自主學習的基礎上起到指導和促進作用，將教學實踐按照預先設計好的“概念性的框架”進行，帶領學生完成藝術化的教學過程。

（6）在講解探究時常會引進科學史，但要避免對科學傳奇故事的過分渲染，如牛頓的蘋果、瓦特的壺蓋、阿基米德的浴缸和伽利略的斜塔實驗等。雖然這些故事使學習變得有趣，但對深入理解科學理論并不有益，因為它過分強調科學發展的偶然性、機遇性，忽略了歷史條件、背景、必然性和科學的繼承性。同樣，對探究的故事也不要編寫得太完滿（如前述“樹為什么會死亡”的案例），其理相同。

（7）在探究性教學所經歷的每一個活動過程中，學生自主探究的程度越多，探究就越開放；如果教師給定得越多，則指導的程度就越多。學生自主探究的程度不應是評價的標準；不能片面地追求前者，要根據課程的內容、條件和時間來選擇；對于低年級的學生應多采用后者，高年級學生宜多采用前者，讓學生有一個循序漸進、學習提高的過程。另一方面，探究教學的開放程度也取決于客觀條件，例如班級的學生數（是20名還是60名），學校的地區差別和教學資源的不同等等，探究教學就要因地制宜了。

（8）探究性教學要求教師理解探究的意義，并采用新的觀念和思維方式、新的技術手段、新的教學行為來實現。不要認為只要教師的觀念和思維方式轉變了，就能用“探究”來改進教學實踐。研究表明，只有教師在嘗試新的教學方法時，發現學生的思考能力和學習效果有所提高，嘗到了甜頭后，這時教師的觀念和態度才會真正實現這個轉變。由此可見，貫徹探究性教學至關重要之處在于教師對教改的積極性和實踐的重要性。

6 結語

探究可以看作是“問題解決”，探究性教學是用“問題解決”的方法學習科學；“問題解決”的方法很多，探究性教學也沒有固定的形式，所列的具體過程只是提供參考。探究性教學需要教師精心編排，師生配合與互動，是創造性的但也不是唯一的教學方式。探究性學習的特點是在經歷和體會科學探究的過程中，讓學生學到科學知識和概念的同時，提高他們科學的創造性思維和邏輯思維能力，達到激發和保護學生的好奇心與求知欲的目的。面對科學發展、技術進步、知識爆炸的現實，科學的社會化和社會的科學化的特征以及知識結構的變化，探究性教學的方式、內涵和立足點也必然有所改變和創新。

毋庸置疑，探究性教學是學習科學非常有效的手段和方法，又極富有創造性，需要在不斷的教學實踐過程中總結、交流和提高。

參考文獻：

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［2］國家研究理事會的科學、數學及技術教育中心［美］，美國“國家科學教育標準”科學探究附屬讀物編委會.科學探究與國家科學教育標準——教與學的指南.科學普及出版社，2004.

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［6］張開遜.回望人類發明之路.北京出版社，2007.

［7］廣重徹.物理學史［日］.求實出版社，1988.

［8］“On Being A Scientist”——Committee on Science， Engineering，and Public Policy.

［9］L. Viennot.Reasoning in physics.Kluwer.Academic Publishers，2001.

(欄目編輯廖伯琴)