用科學實踐甄別探究活動的真偽

吳彬

[摘要]當下的小學科學課堂，探究活動熱鬧非凡，這說明了從課程改革以來，廣大教育工作者對科學實踐進行了深入的研究，但這些探究活動中，對如何甄別活動真偽一直存在爭議，科學實踐的提出給我們提供了評判標準。為此，教師嘗試以“科學實踐”理念為依據，提煉出三條甄別探究活動的真偽標準。

[關鍵詞]探究活動；科學實踐；認知沖突；推理論證；自主建構

[中圖分類號]G623.6[文獻標識碼]A[文章編號]10079068（2017）18007502

案例1：流水改變巖石的模樣

學生：四年級，11歲

教師在備課過程中發現，模擬流水對巖石的作用時，巖石發生非常細微的變化，如果不仔細觀察，就無法發現實驗前后所發生的變化。為了提高課堂教學效率，教師特地找了一些非常松脆的巖石，讓學生進行實驗，實驗結果非常明顯，學生很快就得出結論，流水會改變巖石的模樣。

幾年前，我們還為這樣高效的探究活動沾沾自喜，但當下我們發現這樣的探究活動存在很大的問題。其問題的癥結在于我們只考慮到了時間，忽視了探究活動中的核心因素——科學家是否是這樣來研究——用有效的推理論證找出模擬實驗與實際實驗的關聯度。案例1中的探究活動完全服務于預設的結論，教師為了達到預設的結論特地找一些外在物來促成，我把這樣的探究活動定為偽探究，而當下類似這樣的偽探究在小學科學探究活動中大量存在。

“科學實踐”全稱是科學與工程實踐，來源于2013 年公布的美國新一代科學教育標準（NGSS）。國內不少專家從不同角度對“科學實踐”進行闡述，其中中央教科所郁波將“科學實踐”解釋為學生應該像科學家了解、認識自然世界的過程那樣來學習科學。從教學層面上可以具體理解為：學生需要通過實踐進行核心概念的有效學習，這種實踐應該與科學家的研究更為相似。

基于此，筆者認為郁波從教學層面上將“科學實踐”闡述為“學生需要通過實踐進行核心概念的有效學習，這種實踐應該與科學家的研究更為相似。”這對當下的科學探究活動具有重要的指導意義。那么，怎樣才能讓學生的研究與科學家的研究更為相似呢？所以筆者嘗試從以下三個方面進行闡述。

一、引發認知沖突——學生探究的原動力

認知沖突是把新的現象與原來的認知相聯系的過程，當新的現象無法納入原來的認知時，會造成心理失衡，認知沖突就產生了。認知沖突是學生學習的起點，也是科學家研究問題的出發點。真正的探究活動必須讓學生經歷認知沖突，引起深刻反思，促發主動探究，但認知沖突會逐步推進，推進得越深，認知沖突越難進行，學生會把觀察到的現象不停納入原有的認知體系中，并從這個體系中出發尋找證據，而忽視其他證據的存在。現代科學認為，任何觀察都是滲透著理論并受理論束縛的。在這種情況下，教師應怎樣去引導學生發生深層次的認知沖突呢？

案例2： 物體在水中的沉浮

學生：五年級，12歲

教師演示各種物體的沉浮，有礦泉水瓶、蠟燭、回形針、泡沫、橡皮、小玻璃瓶、木塊、石塊等。每次演示之前都先讓學生猜測，然后研討沉浮跟什么因素有關，逐一討論，有的說重量，有的說大小，有的說材料，有的說空氣等。討論中有很多因素被否定了，比如重量因素，一些學生聽到之后會馬上反駁，蠟燭比回形針重很多，但蠟燭浮，回形針卻沉。這些都非常順利，因為事實就擺在眼前，最終剩下空氣因素不能否定，這是學生最后一根稻草，學生不會輕易放棄。學生認為有空氣的物體容易浮，沒有空氣的物體就容易沉，用此觀念來解釋剛才很多物體的演示，似乎都能套用。這時，教師提到蠟燭沒有空氣，為什么是浮的呢？學生認為蠟燭中間有很多小空氣存在，這時班級中絕大部分學生開始支持這樣的觀點。

這個觀點的存在成了整個單元教學的死結，因為在后續的課中用不同重量同體積的塑料球和不同體積同重量的圓柱體這套材料進行實驗時，學生也搬出了這套理論，同樣也適用。在這種情況下，一定要找到一個沉浮現象是學生的“空氣理論”解釋不了的，這樣才會引發認知沖突，才能讓學生重新去探索影響物體沉浮的因素。教師一開始想到的材料是一個浮的玻璃球，然后把里面的空氣抽出來，再演示是沉是浮。可是小學科學材料中沒有這樣的設備，即使有，怎么樣做才能讓學生相信玻璃球里面的空氣被抽干了呢？最終教師找到了注射器的妙用，將注射器的推手推到底部，把注射孔封住，不讓空氣進入，在注射器的兩旁捆綁上兩根三寸鐵釘（這樣注射器就能沉到水底），然后把注射器的推手往上拉（空氣不能進來），將剛才的兩枚鐵釘撐在針筒和推手之間（因為這種情況下把手放開后，推手會自動拉回到原處，關鍵學生對此非常了解），這樣還是注射器和剛才的鐵釘，注射器內的空氣也沒有增多，讓學生預測這注射器的沉浮。如果還是沉，說明確實跟空氣有關，因為空氣不增多，物體保持原來的沉浮。如果浮了，又說明什么呢？學生意識到，浮了就說明沉浮與空氣因素無關，因為空氣沒有變，物體同樣有沉浮的變化。預測時很多學生很肯定注射器會沉下去，演示后發現注射器浮起來了，學生都驚呆了。一些學生還懷疑注射器是否漏氣，教師將撐在推手和針筒間的鐵釘拿去后，推手回到原位……

從學生驚呆的表情中，我們知道認知沖突已經發生了。認知沖突有淺有深，淺層次的認知沖突在學生的研討中就能發生，它會讓部分學生進行概念建構，如案例2中一些學生認為重的沉、輕的浮，這種認知沖突是個別性的、淺層次的。隨著研討的推進，一些學生的概念逐步被修正，一些觀念在經受一輪又一輪的實驗后，學生會對它堅信不疑，并會出現很多支持者，所有的問題會聚焦在一個點上，這時的認知沖突是集體性的、深層次的。學生只有經過這樣的認知沖突，后續的探究活動才會有意義。這種集體性的、深層次的認知沖突是否出現就可以作為甄別探究活動真偽的一個標準。

二、反復推理論證——探究活動的核心

缺少反復論證與推理，是當下實驗教學的突出問題，案例1就暴露了這個問題，結論的得出過于盲目，這顯然不是“像科學家那樣的研究”，教師也沒有意識到要引導學生對得出的結論進行反思——結論可靠嗎？有依據嗎？相比教師盲目地下結論，讓學生產生爭論更有價值。

案例3： 白糖加熱后的變化

學生：六年級，13歲

把白糖放在金屬的調羹中，放在蠟燭上加熱，教師要求學生觀察白糖的變化，并把重要信息記錄下來。觀察中，一些現象超出了學生的預想，一開始學生就覺得很驚訝，課堂慢慢變得躁動起來，有些甚至大喊，教師提醒學生把重要信息記錄下來。實驗完成后，教師組織學生研討，大家發現了白糖加熱中發生很多變化。教師拋出了研討主題“加熱前的白糖和加熱后的白糖是否是同一物質？”問題提出后，學生明顯沒有剛才活躍了，一些學生認為沒有發生變化，因為沒有加入其他的物質，應該還是糖。一些學生認為發生變化了，因為顏色氣味都發生了改變。雙方各占一詞，爭論不下。這時，教師組織接下去的活動：“小組討論，你們認同哪一種觀點，是否能找到更有力的證據或實驗方法。在此過程中需要教師提供什么幫助或是器材。”一些學生就想重新做實驗，并得到很多同學的支持。

在第二節課中，學生再次做了這個實驗，學生明顯沒有上節課那樣躁動。實驗完成后，一些學生提到了白糖發生過程性的變化，一些學生認為最終的物質是炭而不是糖，但一些學生還是認為，白糖本質沒有變，僅僅是顏色發生變化，刺鼻的氣味是白糖加熱中所散發出來的氣味。于是有學生提到了是否能為他們提供一杯水，想看看加熱后的白糖在水中的狀態……

學生為什么會有重新做實驗的想法，這就是科學家的思維，科學家對同一個實驗會反反復復進行，直到沒有思考點為止。學生做兩次實驗似乎是一樣的，材料也是一樣的，但兩次實驗的關注點不一樣，后面的實驗是在有了新的關注點的基礎上進行的，而這個關注點一定是第一次實驗中沒有關注到的，這就是再做實驗的意義。事實上，第二次做實驗，學生會帶著新思考去觀察，實驗后的確有更有意義的新發現。我認為這種觀察本身就“與科學家的研究更為相似”。學生為什么會想到要再一次做實驗，后來為什么會想到要一杯水，說明學生的思維在不斷向前發展，反復推理論證不是在原地打轉，而是需要思維不斷推進。這種思維的推進，恰恰是探究活動中最為核心的部分，因此，是否有這樣的反復推理論證是甄別探究活動真偽極為重要的標準。

三、自主建構概念——探究活動的歸宿

如果學生的學習經歷了認知沖突，反復推理論證，就能自主建構概念，它是探究活動的最終歸宿，“探究”與“概念”雙螺旋發展也是國內專家對“科學實踐”達成的共識，但他的實現是在上述兩點的基礎上自然達成的。如果缺少了認知沖突，就無法進行反復論證推理，也就無法落實科學概念的自主建構。因此，概念的自主建構也作為甄別探究活動真偽的標準之一。

案例4：水與水蒸氣

學生：三年級，10歲

第一個教學環節是交流生活中的蒸發現象，集體看了一組魚缸中的水逐漸蒸發的照片，從而指出水變成水蒸氣稱為蒸發。第二個教學環節是觀察水蒸氣，讓學生在桌面上、皮膚上用水寫字，隨即總結水蒸氣是看不見、摸不著、無色無味的一種氣體。并重復地問水蒸氣是怎樣的，試圖讓學生強化記憶。第三個教學環節是觀察水蒸氣的凝結現象，教師讓學生用冷和熱兩塊玻璃分別蓋在同樣溫度的熱水上，學生發現冷玻璃片上很快就有了水珠，當教師問這是什么時，幾乎所有學生都說是水蒸氣。教師只能搬出科學家，“科學家說水蒸氣是看不見、摸不著的”。接著給每個小組發一瓶冰礦泉水，觀察冰礦泉水外面的水，依舊有學生說是水蒸氣。最后教師演示水燒開后噴出白氣的現象，分析看不見的部分和看得見的部分各是什么。

課后我采訪了一位上課表現非常出色的男同學，我問他：“你覺得水蒸氣是看得見還是看不見的。”他回答道：“有時候看得見，有時候看不見。”我繼續追問道：“什么時候看得見。”他回答道：“熱的時候就能看見。”

從這位學生的回答中說明他對水蒸氣的概念建構沒有達到教師預期，甚至可以說毫無發展，原因在于他對水蒸氣的原先認識，對于解釋這整堂的實驗現象綽綽有余，這就不會有認知沖突，因此后面看似滿滿的探究活動，對學生來說都是無效的。

引發認知沖突，反復推理論證，自主建構概念，這是科學家在研究問題中最重要的三點，也是“科學實踐”理念的核心部分，它們既是衡量探究活動真偽的標準，也是在一個探究活動中一脈相承的三個過程，以此為圭臬，能讓我們的探究活動朝著正確的方向不斷前行。

（責編藍祝丹）