生物學核心素養視角下的科學探究

楊 銘 劉恩山

（北京師范大學生命科學學院 北京 100875）

《普通高中生物學課程標準》明確將生物學核心素養作為課程宗旨，指出“生命觀念”“科學探究”“理性思維”和“社會責任”是本學科核心素養的基本組成。科學探究的重要作用和地位再次受到高度重視，始于世紀之初的生物學教學改革方向得到保持和加強。進一步加深對科學探究的認識、從學科核心素養的角度全面提高探究教學的效率，是落實課程標準要求的關鍵。

1 科學探究在中、外理科課程中均得到高度重視的原因

從孩童時候開始，人們就會困惑于一些自然現象。這種與生俱來的好奇心產生強烈的求知或探索欲望，正是自然科學產生和發展的動因。人們提出問題并尋求答案的過程，既滿足好奇心，也是認識物質和生命世界的探索過程及發現新知識的途徑。

正是由于兒童具有尋求周圍世界含義和理解的天然傾向，科學教育應增強學習者對周圍世界的好奇、欣賞和探詢［1］。在生物學及理科課程中，學生不僅應掌握科學知識，還應學會利用他們對知識的理解開展科學探究，從而認識自然世界［2］。基于這樣的認識，國內、外科學課程的研究和設計人員都在基礎教育理科課程中將科學探究置于重要地位。

美國國家研究理事會1996年公布的《國家科學教育標準》中詳細闡明了科學探究教與學的主要組成部分，強調各學段所有年級的學生都應有機會進行科學探究，并培養其探究性思維和探究性活動的能力［3］。

我國《基礎教育課程改革綱要（試行）》明確提出，要在教學過程中培養學生的獨立性和自主性，引導學生質疑、調查和探究［4］。教育部在新世紀之初頒布的各門自然學科的課程標準也要求開展以探究為核心的教學［5］。例如，2003年教育部公布的《普通高中生物課程標準（試驗稿）》明確提出，高中生物學課程的核心任務是在義務教育的基礎上進一步提高學生的生物學素養，將“倡導探究性學習”作為課程理念，建議教師運用以探究為核心的多樣化教學方式，推進學生在動手和動腦的學習活動中全面達成課程目標［6］。

當今，各國都將科學探究放在科學課程的核心地位，科學探究在今后的科學教育中也會對教學目標的實現起到決定性作用。

2 深入理解科學探究

科學并不是靜止的，科學理論是與支持它的證據有關的，因而當新的證據出現時，理論可以改變。科學是人類活動的產物，包含了人的創造性和想象力，以及收集數據、解釋數據以獲取證據的過程［1］。科學探究是科學工作的核心和基本范式。

學生在學校學習科學也應以活動的方式進行，這種活動是一種包括學生本人參與的實踐活動——他們親歷發現過程，將新的經驗與過去的經驗相聯系，這不僅能給他們帶來激情和快樂，而且能通過主動探究增加他們的知識［1］。科學探究也被認為是學習科學的有效途徑。

科學探究是指科學知識發展的方法和活動。根據美國國家科學教育標準（NRC，1996），科學探究包括觀察，提出問題，查閱書籍或其他信息確認已有信息，設計觀察方案，根據實驗證據修正已有信息，使用工具收集、分析和解釋數據，提出答案，解釋和預測，與別人交流結果等。科學探究需要檢驗假設，使用批判性思維和邏輯思維，并評價多種解釋［3］。

科學探究是指科學家通過研究所得的證據了解自然世界并作出解釋的多種方法。科學探究也指學生獲取知識、理解科學概念、理解科學家如何工作的學習活動［7］。如此描述科學需要擺脫將科學看作僅僅是知識積累的觀點，而需要理解科學本質，即科學概念的發展過程和價值［7］。

真實的科學探究是科學家在科學研究中進行的。拜比（Bybee）指出科學探究包括3個方面的意思，①科學探究開展的方法；②科學探究的本質；③科學教學的方法［8］。

庫恩（Kuhn）認為科學探究分為3個階段，分別是探究、分析和推理。在真實的科學探究全部過程中，探究過程是最重要的階段。學生會在此階段發現活動的意義。若想開展有意義的科學探究活動，必須讓學生相信有些值得發現的知識，且這些知識與他們已經知道的知識不同，他們參與探究活動的目的是為了發現這些知識，并與他們已經知道的知識相結合［9］。分析是指收集到證據之后檢驗和解釋證據［9］。推理是根據已有的證據針對提出的問題給出答案［9］。

科學探究是一種學習方式，它涉及探索自然或物質世界的過程，在尋求新的理解的過程中，它促使人們提出問題，獲得證據并對這些證據進行嚴格的檢驗。科學教育中的科學探究應盡可能反映科學研究工作的真實情況［10］。

作為生物學核心素養，科學探究是指學生能針對有價值的問題、疑問、難題或想法進行研究、基于好奇與困惑理解生命世界和構建知識的意愿和能力。

3 從生物學核心素養的視角理解科學探究

從20世紀50年代開始，科學探究就在眾多國家的科學課程中加以推廣，被普遍認為是培養學生科學素養的有效策略。科學探究對于學生掌握科學概念，參與科學實踐，理解科學本質，成為獨立的思考者和學習者都有重要作用。

3.1 科學探究幫助學生理解科學概念 科學探究重視學生本能的學習沖動，探究的過程可為學生提供學習所需的直接反饋和親身體驗，使他們能形成新的、持久的對外部世界的理解［10］。在生物學課程中，學生“對外部世界的理解”主要聚焦在對本學科重要概念的理解和掌握。因此，科學探究是學生生物學課程中不可或缺的部分。

參與科學探究有助于學生理解科學知識的發展過程，直接參與科學探究過程可讓學生認同多種用于研究、建模和解釋世界的方法，還可讓學生更好地理解科學知識，并深刻地體現在學生的世界觀中［11］。在課堂教學中開展科學探究，要幫助學生建立生物學觀點和重要概念，促進學習效率的提高與概念理解的深化。在生物學課程中，科學探究既是學習內容又是學習方式。我國《義務教育初中生物學課程標準》將科學探究作為一個內容主題，具體描述了學生需要掌握的關于科學探究的概念，是科學探究作為學習內容的典型體現。這樣的認識和做法在國外課程中也較為常見。作為一種主動學習的方式，科學探究不僅能幫助學生構建生物學知識，也促進他們對科學探究的理解。

3.2 科學探究是科學實踐的重要部分 科學是解釋世界的方式。科學教育的重要部分就是讓學生學會科學和工程學實踐，以及培養基本的科學概念［2］。同時，受過教育的公民應理解科學發現的過程［2］。在生物學課堂上安排適當的科學探究，可讓學生很好地理解科學家的實踐，包括確定變量，觀察現象，設計實驗、觀察方案、收集數據方案，構建工具，參與實地調查等多種過程［11］，讓他們親身體驗科學家是如何探究世界的。當今科學教育廣泛使用“科學實踐”的術語，其內涵完全包容了科學探究的內容，并加入了工程學實踐的要素。

作為一種學習成果，科學探究滲透了生命科學工作范式和工程學設計的習慣，學生一旦掌握，將會在這2類實踐活動中變得富有活力，包括更深入地理解科學知識，以及對于科學、技術、工程學和數學（STEM）事業有積極的認知和參與。如今，創新驅動著社會高速前進，創新意識和實踐能力是對STEM領域的工作人員的基本要求。能夠了解并開展科學探究是學生創新精神和創造能力的標志性學習成果，對于他們日后步入社會有著重要的作用。

3.3 科學探究有助于學生理解科學本質 高中生物學課程標準中提出了關于發展學生科學本質觀的建議。要實現這個要求，教師需要在教學中幫助學生認識和理解科學本質［9］。

理解科學本質是科學素養的基本內容之一，也是許多國家在基礎教育理科課程中的要求。科學本質是指科學知識的價值和固有的假設，包括科學研究的影響和局限等。美國國家科學教育標準在這一方面提出了明確的要求，包括學生應理解科學是什么，科學能解決什么問題，科學對文化有什么貢獻。

科學本質的知識屬性是科學哲學的范疇，如果以簡單的講授方式授課，學生常難以理解。采用科學探究的方式，可使學生體驗親歷發現的快樂，并開始了解科學活動的本質、科學的威力和局限性［1］；在探究活動的討論和反思環節，也是讓學生理解科學本質的學習形式［12］。科學探究已被認為是科學本質教學的有效策略。

3.4 科學探究讓學生成為獨立的思考者、學習者主動的學習者是成功的學習者。探究學習是生物學課程中具有標志性的主動學習方式。科學探究活動讓學生學會如何學習，掌握探究技能的學生可為自己的學習負責，他們選擇最希望研究的問題開展研究然后尋找答案［9］。

在探究學習中，生物學教師要幫助學生成為真正懂得思考的人，能自主地為自己的問題尋求答案。科學探究策略優于其他傳統講授方式，因為它讓學生參與到對真實現象的真實研究中，并在獲取新知識的過程中發展他們的智力技能。

4 在生物學課堂中開展科學探究教學

在生物學課堂開展科學探究教學不同于教授-演示的教學方式，在教學過程中需要結合多種策略和技能。科學探究的教學也不是遵循既定的步驟，按部就班地展開工作的固定套路，相反，它是一個非線性的過程，鼓勵學生提出真正的科學問題。課堂上，學生所有假設性的回答都受到重視并經過嚴格的實踐研究。基于這樣的思路，提出如下建議。

4.1 讓學生擁有適度的自主權，動腦、動手相結合 探究教學的課堂管理屬性是以學生為中心，即學生要有更多的機會和時間參與思考、觀察、動手、記錄和交流等活動。這樣，教師在探究教學過程中應允許學生擁有適度的自主權，讓學生有機會接觸他們感興趣的問題，并尋找合適的途徑解答這些問題，有機會表達和交流。但這并不意味著每個學生都從自己的問題出發進行工作或獨立地進行科學探究。富有成效的探究活動也可由全班學生就同一個問題開展探究活動，或是分小組探究不同的問題。在每個環節的時間安排上，教師也要收放有度。

在探究式教學活動設計的環節中，教師應明確規劃讓學生掌握什么科學概念，允許學生探究活動的不同和多樣，承認對于同一個問題可能存在多種解決方法［10］。

在教學實踐中，有的教師認為“生物學是實驗科學，生物學教學要強化動手實驗”。這樣的認識和表述本身并無不妥，但如果將“動手”等同于“實驗”就可能出現偏差。因為，強調動手并不總能保證科學教學的有效性，強調動手的學習活動不一定就是探究活動。在探究活動中，學生應有機會提出自己的問題，計劃、設計并開展科學探究活動從而回答其中的一些問題，有充足的時間思考問題、互相交流，以發展他們的概念并為自己的發現辯護［10］。通過動手、動腦相結合，解決問題促進生物學概念形成是課堂探究學習的關鍵。

4.2 教師發揮積極的促進作用 生物學教師要有意識地設計和實施課堂上的科學探究活動，并提供必要的課堂環境和良好氛圍。

教師在探究式課堂教學中起積極的促進作用。作為促進者或向導，教師要精心確定一系列“大概念”作為概念性知識的框架，學生可基于這一框架開展科學探究活動。這種概念性知識的框架是指導學生深入學習科學概念的基礎［10］，也是教師在備課中充分準備和授課中應注意把控的要點。

教師應創造豐富的教學資源環境，學生在這種環境中學會如何組織和使用學習材料。教師還要營造一個能促進學生參與探究的課堂氛圍、校園文化和社會支持的環境，使學生能在這種環境中以小組或大組的形式進行合作，積極參與對話并學會尊重別人的看法，同時也能夠得到其他教師、家長和社區的認可。

4.3 對科學探究進行評價 在科學探究活動中，學生的工作記錄和由教師作出的評價結果都能成為了解學生學習情況的基礎［10］。

教師應針對學生在探究活動中的表現進行評價，例如測量、觀察、實驗設計、問題解決等。學生在思維和推理技能方面所達到的水平也應成為評價的內容，即學生是否得到了有效的結論、是否選擇了恰當的方法、是否認識到自然界具有規律性等。此外，評價學生對科學概念、科學內容的理解也很重要［10］。

4.4 為教師提供多方面的支持 在開展探究教學和探究學習過程中，政府、學校、教師及家庭都扮演著重要的角色。因此，期待生物學課程標準在課堂中落實、教師能有效地進行科學探究教學，除了教師應作出改變，也需要各方面的支持和改變［13］。 具體包括：

·為教師提供針對科學探究教學的高質量專業發展課程；

·政策的幫助和支持；

·提供多種教學材料和設備；

·讓父母和社會公眾意識到科學探究的重要性；

·在各個學科推廣科學探究作為教學方式和解決問題的方法［13］。

通過科學探究開展生物學教學需要新的教學手段，教師和社會、學校、家庭都必須擔負起相應的職責。只有通過政策的鼓勵和支持、家庭的認可和協助、學校提供必要的教學材料和設備、教師的精心設計和引導，科學探究教學才可能在生物學課堂得以順利實施。只有成功地開展科學探究教學，才能讓學生真正理解、認同、主動參與到生物學課程的學習中，發展學生的生物學核心素養。