科學探究意義辨析及案例解讀*

高嵩

(山東師范大學物理與電子科學學院 山東 濟南 250014)

科學探究是我們進行課程改革的重要內容，但是對于科學探究如何定義及實施，卻是隨著時代的發展而變化的.在不同的歷史時期，人們對“科學探究”的理解是不同的，如杜威、布魯納等人，他們關于科學探究的論述，都是基于當時的歷史與社會環境，要解決的是當時科學教育中出現的問題.因此，今天的課程改革，就不能僅將前人的只言片語視為圭臬，而是應站在現實的角度，領悟歷史的遺產對于當今科學教育的啟示.本次席卷全球的課程改革從90年代初期啟動，至今已有20余年，但從實際課程實施來看，教師并未將科學探究很好地貫穿于科學教育.調查表明，當提到“科學探究”時，教師更關注的是如“活動”、“過程”、“動手”等外在表現，認為學生動手操作，將必然地導致科學的本質的理解和知識的獲得；或者有教師認為自己并不知道科學家是如何進行研究的，因此,在探究中不能給予學生合適的指導；更多的教師認為科學探究投入的時間、精力與結果不成比例，效率低下.其實，這些觀點都是由于教師對科學探究理解的片面化而造成的.因此,我們將基于現實，追問當下科學探究的本質如何，并通過展示兩個科學教育中的科學探究的實例，以澄清在課程實施中教師對于科學探究的錯誤認識，從而幫助教師真正將科學探究貫徹于科學教育的過程中.

1 科學探究的涵義辨析

1.1 “科學”與“探究”

仔細研讀各課程標準的表述會發現，人們往往是在不同的語境下使用“科學探究”這個詞的，如在我國初中物理課程標準中，就有著這樣的幾種表述[1]：

(1)科學探究是一種過程，“讓學生經歷科學探究過程，學習科學研究方法”；

(2)科學探究是一種教學方法或學習方法，“注重科學探究，提倡教學方式多樣化”；

(3)科學探究是一種活動，如“通過參與科學探究活動，學習擬訂簡單的科學探究計劃和實驗方案”；

(4)科學探究是學習的目標，如“科學探究既是學生的學習目標，又是重要的教學方式”

(5)科學探究是學習的內容，如“《標準》中的‘內容標準’由科學探究和科學內容組成”；

(6)科學探究是一種能力，如“發展學生的科學思維能力，科學探究能力和解決實際問題的能力”；

(7)科學探究是一種理念，如課標要求“科學探究應滲透在教科書和教學過程的各個方面”.

由以上的種種表述可以看出，課程標準并不是將科學探究作為一種刻板的定義而給出的，而是在不同的語境中有著不同的意蘊，既有形而上的理念、目標，也有形而下的活動、方法，但無論哪一種表達，都具有兩個要義，即“科學”與“探究”.

科學，是科學探究的前提.將“探究”前冠以“科學”時，是提示我們要保證探究一定是“科學”的.當我們衡量一件事物是否科學的時候，被分析的對象來自于3個層面,即科學的知識、科學的行動，以及科學的情感.首先，是科學知識.科學的最終目的是尋求對自然界及人類社會的具有普遍性和真理性的解釋，其結論是可以被檢驗的，因此，在進行科學教育的過程中，應幫助學習者主動發展和構建自己的學科知識體系，以構成自己的自洽的知識體系,可以用科學的言語解釋事物的發展變化，而非進行空想和臆斷.其次，是科學的行動.當我們的活動被認為具有科學性時，意味著在活動主體與客體互動的過程中，主體不斷針對客體的現實做出判斷，并選擇驗證判斷的方案，如觀察、測量、實驗、說明、推理等等，以保證思維及其成果符合邏輯思維的基本規律以及經驗證據的充分和可靠.第三個方面是科學的情感，科學受到文化和社會價值觀念的影響，當下呼吁科學活動不應盲從或屈服于權威，而應有根據地懷疑已有的成就，提倡一種內在的追求真理興趣，而非以科學作為謀利的手段.

探究，是科學探究的承載形式.當人們提到“探究”的時候，根據其語境特征可以分為外顯的探究活動和內隱的探究意識.根據建構主義理論可知，人們對于事物的認識，既非起源于一個有自我意識的主體，也不是起因于業已形成的,會把自己烙印在主體之上的客體，連接主客體的是結構，而結構隨著活動的展開在不斷發展變化.若新的結構更加合理，則主體認識客體的能力就會增強，反之，則會削弱.然而,結構是具有個體性的，因此，主張在教學中學生可以有更多的機會進行平等、自由地反思和交流，在現實中則表現為主體的表述、疑問和通過活動尋求證據，與他人交流等活動，當學生在學習中呈現這樣一系列針對自己的理解而展開的活動時，就可以認為他正在進行著“探究性”的學習.因此，提倡在教學中師生都應具有盡可能教學探究活動的意識，并在教學過程中真正實施.

1.2 科學探究的意義及目的

正是由于“科學探究”有著諸多的哲學意蘊和現實意義，當提到“科學探究”的時候，人們便賦予它豐富的內涵，由此在各種語境中使用“科學探究”一詞就可以理解了.在科技發展及科學教育領域，科學探究都有著重要的作用，因此，人們更關注的是應如何來“做”科學探究，將科學探究看作一種活動，于是這就有了美國國家科學教育標準對科學探究的兩種描述，即“科學探究指的是科學家們用以研究自然界并基于此種研究獲得的證據提出種種解釋的多種不同途徑”和“科學探究也指的是學生們用以獲取知識、領悟科學的思想觀念，領悟科學家們研究自然界所用的方法而進行的各種活動.”[2]當然，在科學教育中，“科學探究”更多的是指后者，即將科學探究視為一種科學教育的方式，關心的是如何將探究的“做”與探究的“學”聯系在一起，希望學生在探究過程中,在內心中重新思考或回溯建立物理規律的過程，體驗知識產生的過程，從而獲得知識，并且還能領悟到科學家所表現的其他東西，如科學思想和科學方法.因此，科學教育標準中提出要利用科學探究的方式來進行學習的目的有兩個：

(1)人們希望知識的獲得，研究問題能力的提高，以及科學的情感、態度、價值觀的建立等，可以通過探究來達到；

(2)探究必須是科學的，探究的過程必須符合科學行為規范.學生在進行科學探究的過程中習得科學行為規范.

1.3 科學探究應用于科學教育的特征

利用科學探究的方式進行科學教育，在課程實施中遇到的最大困難就是教師不知如何操作.因此,國內外學者提出了一些模式，如阿特金和卡普拉斯提出的學習環模式；喬伊斯提出的科學探究模式;Wise和Okey提出的探究-發現法模式;以及我國科學課教師普遍采用的基本基于課程標準提到的7項元素的科學探究模式,等等.無論哪種模式，當試圖以一種固化的步驟進行科學探究時，人們發現“科學探究”就會顯得教條和無聊，這是因為探究本身就是一種情境化、個性化的活動，思維的活躍與自由平等的交流是科學探究的特質，因此，無論是我國課程標準或美國的科學教育標準都強調不要將科學探究程序化、教條化.為了明確科學探究的意義，給教師的課程實施提供一個行動指南，美國國家研究理事會科學、數學及技術教育中心提出了科學探究應整體或部分地具有以下幾個特征：

(1)學習者圍繞科學性問題展開探究活動；

(2)學習者獲取可以幫助他們解釋和評價科學性問題的證據；

(3)學習者要根據事實證據形成解釋，對科學性問題做出回答；

(4)學習者通過比較其他可能的解釋，特別是那些體現出科學性理解的解釋，來評價自己的解釋；

(5)學習者要交流和論證他們所提出的解釋[3].

由此，在課程實施中，不應糾結于科學探究有幾個步驟，而應關注學生是否可以針對情境提出科學的問題，提出的解釋及獲取證據的措施是否具有科學性，在與其他人交流的過程中，其證據、解釋和判斷是否正確、合理.下面從對“摩擦力”一節的課堂教學案例的分析中進一步明確科學探究的本質含義.

2 科學教育中科學探究的案例分析

2.1 案例描述

在明確了本節課要研究的主題是“摩擦力”之后，教師請學生在座位上利用自己的方式感受摩擦力，并想辦法減小和增大摩擦力，然后向同伴說明如何操作的.

學生甲通過拖動自己和同桌的書桌時的感受，證明摩擦力與物體的重力有關，重力越大，摩擦力越大；

學生乙以手推桌面為例，按桌面的力大小不同，在摩擦中受到的摩擦力也不同，來說明摩擦力應該與手按壓桌面的力的大小有關.而這個結論也可以解釋剛才的那個情境，因為越重的物體對地面的壓力越大.既然都是研究摩擦力，它們應該用統一的方法去說明.

學生丙用自己的手以不同的速度摩擦桌面時的感受不同，說明摩擦力與物體運動的速度有關.

學生丁以用一個手指和用整個手掌去按桌面感受到的摩擦力大小不同，說明摩擦力與物體的面積有關.

……

學生紛紛表達自己的意見，并對同學的回答做出評價，展開討論，但都不能有效地說服別人.教師表揚了學生這種實事求是的精神，指出科學家們在做出判斷的時候絕不會僅僅憑自己的感覺，因為每個人的感覺或許會不同，還要通過較為精確的測量來說明問題.實驗室能提供的測量力的工具為彈簧測力計，那么,在現有條件下，如何證明剛才的猜想呢？

學生們一時間難以將彈簧測力計與剛才的情境結合起來，教師提示在實驗臺上還有小滑塊，是否可以用彈簧測力計測量滑塊在桌面上受的摩擦力呢？學生受到啟發，開始分別設計實驗.

有的學生設計了研究摩擦力與壓力間關系和摩擦力與接觸面粗糙程度關系的實驗，得到了“壓力越大，接觸面越粗糙，摩擦力越大”的結論.

也有學生進行了其他實驗，將滑塊側著放，以研究摩擦力與接觸面大小間的關系，發現側放時滑塊受到的摩擦力較小，因此,提出了“接觸面越小摩擦力也越小”結論.另有學生要研究摩擦力與速度的關系，但是當快速拉動彈簧測力計時，示數突然變大，然后指針又彈回去，他們認為摩擦力與速度有關，但是感到很難將這種現象用話語表達出來.

教師與學生一起分析這些實驗過程和結論是否合理.在實驗結果上，對于第一組結論，學生一致認為是正確的，其他同學也做出了類似的結論，而且還可以從最初所做的小實驗中得以印證.但是對第二組認為摩擦力與接觸面積相關的結論提出了疑義，有學生發現實驗所用滑塊的底面與側面粗糙程度也不同，摩擦力變化也許是因為粗糙程度的變化引起的.而對第三組的結論學生們爭議最大，但是誰也不能說服誰.在辯論中，學生逐漸認識到，要說明影響摩擦力大小的相關因素，每次實驗只能說明一個因素的影響，因此，其他量要保持不變，否則什么也得不出來.比如，將滑塊側放的時候，接觸面間的粗糙程度和接觸面積都改變了，這樣就很難說清楚摩擦力大小變化的真正影響因素是什么.第二個方面就是在研究這個因素對摩擦力的影響時，其本身不能忽大忽小地變化，如用彈簧測力計快速拉動滑塊，滑塊的速度在變，摩擦力也在變，這樣就說不清楚速度的大小對摩擦力大小的對應關系，這樣，應以不同的恒定速度拉動物塊.由此，學生意識到接觸面積與運動速度大小對摩擦力的影響還需要進一步的研究.

2.2 案例說明

當教師希望用科學探究的方式進行教學時，常常遇到這樣的困難，首先，學生如何能認識到科學的問題；其次，這項活動是否能真正促進學生學習；第三，學生活動是否科學.筆者與很多一線教師進行交流，他們認為除非學生事先讀了教科書，否則，學生是難以合適地提出問題并進行研討的.因此，真實的教學過程就不是按照提出問題、猜想與假設、制定實驗計劃、收集數據、分析與論證、評估和交流與合作的過程，而是如本案例展示的那樣，最初是身體的感受，伴隨著活動的展開，學生將由機體的感受與儀器(彈簧測力計)的指示建立起一一對應的關系，將具體的描述轉變為抽象的表達，并為最終規律的建立奠定了基礎，學生認識每提升一個層次，都會有相應的問題(或對現象的描述)與之對應，因此，學生對與摩擦力相關的現象也就認識的越深刻，對問題的表述也就越清楚，不斷有新的問題提出，并且指向性也越強，學生對問題的描述也越合理，各個要素逐漸變得清晰.比如，本案例中，最終學生提出了“摩擦力是否與接觸面的粗糙程度有關”，“物體運動的速度是否會影響它受到的摩擦力”這樣明確的問題.

關于利用科學探究進行教學的有效性及必要性已從實踐與理論諸方面進行了深入的研究和證明，但是教師如何保證學生的探究學習也是有效的？提供案例的教師感到，當學生通過參與并對于問題有了清晰的認識之后，學習的積極性和活躍性大為增強，并且也樂于將自己的觀點與學友共享.而學生討論過程中表述方式各異，有利于學生從各個角度思考問題，并最終形成了對所學知識的良好的認知結構.并且，讓人滿意的是，學生討論過程中，為了使得其成果更好地為他人接納，力求陳述自己的觀點、展示自己證據的時候做到“科學”；意識到在科學探究的過程中觀察、測量，以及有條理地記錄數據的必要性；在下結論的時候會注意結論與過程及證據的契合性；同時，同伴間會適時地規范語言的描述和探究的行為.

通過這個案例，說明當科學探究真正在課堂上發生的時候，能夠有效促進學習的發生，并有利于提升學生的科學技能和科學精神.當然，學生的探究活動得以順利進行，與教師周密的準備和適時的引導分不開的，活動器材的配備、討論話題的引導、活動的程序，都會體現出教師的授課藝術和專業水平.

3 教學中進行科學探究的幾點要義提示

當下課程改革提出的“科學探究”，既非杜威提倡的在日常生活中進行的科學方法教育的探究，也非局限于學科結構內的少數精英的探究，其目標是提升全體學生的科學素養，因此，在兼顧共性與個性的前提下，如何使得學生構成一個圍繞同一問題展開討論，并使得每個學生都形成對某一類自然現象的科學解釋才是根本.通過前面的理論分析和案例展示，在科學教育中利用科學探究的方法要注意這樣兩個方面.

(1)探究過程是非線性的.問題、操作和方法是科學探究的三個基本要素，而問題處于核心地位，同時這三者之間不是孤立的.在科學探究開展的過程中，也不是按照提出問題，選擇方法，進行操作，問題解決的時序進行的，而是隨著探究活動的逐步展開，主體對認識對象的認識逐步深入，會不斷有新的問題產生，在問題的引導下，學生需要對現狀進行判斷、推理，選擇方法.認識主體對于情境的認識程度決定著他選取怎樣的方法，進行怎樣的操作.因此，雖然許多人期望能夠有一種可以照著做的程序來實施科學探究，但科學探究的情境性和發展性決定了這是一個沒有確定程序的過程.教學過程是否進行了科學探究，不在于是否做了實驗，是否包含著幾個要素，而在于過程的內涵是否符合科學探究的標準，也正因為如此，各國課程標準都沒有給出科學探究的確切定義.

(2)要根據探究的內容選擇合適探究目標.前面案例展示的是一個典型的、面向規律的科學探究教學過程，即探究的目標是獲取某一定律或原理.而在課程標準中還有一類科學探究——面向解釋的探究科學，其目標不是要形成一種理論，而是一種解釋，其結論是開放的，如對農諺“下雪不冷化雪冷”的解釋.在教學過程中往往只關注了第一類探究，而忽視了第二類探究.但正是第二類探究由于形式更自由，內容更廣泛，能夠更好地提升學生科學聯系生活、聯系社會的意識，提升其批判意識更有意義.當然，在當下許多教師反映課時緊、教學任務重、學生的興趣并不統一等現狀，因此,可以考慮利用校本課程或課外活動的方式，在常規課堂之外為這些具有探索精神的學生提供研究的機會.

(3)科學探究并非唯一的科學教育手段.我們要明確科學探究是學生學習科學,提升科學素養的有效途徑，而非唯一途徑.當下有些教師積極響應課程改革的理念，于是言必稱探究，產生了科學探究是學習科學的唯一途徑的錯誤認識.但是學習科學，要使學生可以有效利用科學理論分析解決生活、生產的問題，學生仍舊需要進行諸如操作性的、程序性的訓練，一些科學的表述，學生仍需通過教師的講解才可以領會，通過反復記憶，對于科學理論的表達才符合規范.因此，如何將科學探究與其他方式更好地結合，通過多種教學方式的結合，使得學生時時處于一種充滿了探究的樂趣，不斷感受到自己科學能力的提升，并樂于投身于對隱藏在紛繁復雜的自然現象的表象之下規律探索的事業中去，并樂于為提升人們的生產能力，改善人們的生活水平而努力.這才是我們在當下討論“科學教育中的科學探究”的意義所在.

參考文獻

1 中華人民共和國教育部.全日制義務教育物理課程標準.北京：北京師范大學出版社，2001

2 National Academy of Sciences.National Science Education Standards.Washingten. DC, 1999.23

3 國家研究理事會科學、數學及技術教育中心.《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.北京：科學普及出版社，2010.9,24