基于教學對科學探究的研究

喻佳俊

（北京市懷柔區第二小學，北京 101400）

引 言

科學探究既是學習目標，又是學習方式，是學生學習科學的中心環節。筆者基于教學對科學探究的研究內容總結分析如下，以供參考。

一、科學探究的內容標準

科學探究涉及觀察、提問、預測、查資料、設計方案、實驗驗證、收集數據、得出答案和交流結果[1]。2001年，中華人民共和國教育部制定的全日制義務教育《科學（3～6年級）課程標準》提出了科學探究內容標準框架圖和科學探究的具體內容框架，分別由認識科學探究的八個方面進行了具體內容標準的闡述（圖1和表1）。科學探究具體的內容標準可以詳見《科學（3～6年級）課程標準》。

圖1 科學探究內容標準框圖

二、科學探究的基本特征

小學科學課程倡導科學學習要以探究為核心。探究式學習不僅在研究過程和研究方法區別于其他學習模式，還有自己的基本特征。美國《國家科學教育標準》中提出了課堂探究的基本特征，這五大特征包括：

①學習者圍繞科學性問題展開探究活動；②學習者要優先考慮證據，證據可以幫助他們解釋科學性問題并對提出的解釋予以評價；③學習者要從證據中提煉，對科學性問題做出回答；④學習者通過比較其他的解釋，特別是那些體現出科學理解的解釋，來評價他們自己提出的解釋；⑤學習者要交流和論證他們所提出的解釋?？茖W研究是從具有科學性的探究問題出發，運用觀察、實驗、記錄和調查研究找到證據，并運用證據進行解釋、評價解釋，之后比較解釋，從而構成了科學教育一系列重要的教學過程?？茖W教學要圍繞這五個特征展開，可根據實際情況進行調整。

三、科學探究的研究程度

筆者結合自身長期的科學課堂一線教學經驗發現，探究式科學學習已深入到日常的科學教學活動?？茖W教師經常會采用探究的研究方式進行科學教學，學生也會想到使用科學探究的方式進行學習，但是科學探究的效果、程度都不同。

美國《國家科學教育標準》中不僅提出了課堂探究的基本特征，還根據提出的具體指導程度不同，進行了劃分。根據探究比重可以將探究劃分為“部分”性探究和“完全”性探究，根據教師在探究活動中對學生行為的控制程度劃分為“指導”性探究和“開放”性探究。探究活動中五個基本特征沒有滿足就屬于“部分性”探究，在探究活動中教師的控制程度多就屬于“指導性”探究，在五個特征中自主的程度越多就越開放。表1展示了探究的五個基本特征，并對探究程度進行了劃分，越靠近左側學生自主探究的程度越高，越屬于“開放性”探究，越靠近右側學生自動探究的程度越低，越屬于“指導性”探究。

表1 課堂探究的基本特征和探究性程度

四、科學探究的基本過程

雖然，在我國的《科學（3～6年級）課程標準》和美國的《國家科學課程標準》中，都分別提出了科學探究的內容框架和基本特征，但是，在實際的科學課程研究及操作中并沒有對于科學探究的形式進行統一。而且，各家的研究也都有自己的表述和方式。2002年，國際科學教師教育協會年度會議的會議報告中提出了科學探究過程模型圖，它是隨機選取了10年間出版的40本英語國家的科學教科書，包括20本生物、5本地球科學、5本化學、5本物理，還有5本較為初級的科學教材，以及對52名科學研究者的訪談的基礎上提出的[2]。通過大量的資料發現，根據對科學探究的表述和解釋不同，可以將科學探究過程分為三種類型，分別是單向式科學探究、循環式科學探究、網狀式科學探究。

1.單向式科學探究

大多數研究中都提出科學探究的過程是直線單向的，將科學研究的方法和步驟分為幾個步驟，研究逐步進行。例如，前面提到的我國的科學課程標準和美國國家課程標準，活動形式基本屬于直線單向形式的可續探究模型（圖2）。這樣的模型優點是活動清晰明確，有利于進行結論或結果是一個確定答案或結論的研究。在規定時間內的研究中便于使用，但不利于“開放性”研究和發散性思維的培養，形式不夠靈活。

圖2 直線單向的科學探究

2.循環式科學探究

在實際的教學中，往往會出現設計之初預想不到的新問題或新的研究策略等。所以，在教學過程中會圍繞著核心問題，進行不斷的探究活動，新問題和新的發現又會產生新的探究活動，從而使探究活動不斷深入，這就是循環式探究。在循環式的科學探究活動中，新問題的誕生往往需要探究活動的往復，各步驟和問題之間也往往會用雙箭頭表示聯系，這樣更有利于學生科學素養的形成與發展，有利于提高學生的探究能力，并且這更像科學家針對問題進行的探究活動。所以，在國內外有很多的研究者都提出了循環式的科學探究過程或者模型。

陳琴和龐麗娟的循環式科學探究是由問題出發，進行假設從而檢驗求證假設，在檢驗求證中產生新的假設，最后得出結論并進行交流，并在這個過程中產生新的問題，產生新的探究活動，從而形成循環式的科學探究（圖3）。

高霞的模式也屬于循環式探究，她的探究活動同樣由問題出發，之后做出假設制訂調查計劃，獲取證據、解釋證據進行交流，并在解釋中產生新的科學問題（圖4）。

國外循環式科學探究模式的代表有Barbara Y. White和John R. Frederiksen，他們的探究模式由五部分組成，其特點是在科學探究中提出了模型（圖5）。

圖3 循環式的科學探究（陳琴 龐麗娟）

圖4 循環式的科學探究（高霞）

圖5 循環式的科學探究（White John）

3.網狀式科學探究

在具體的實際教學中，探究活動往往不是簡單地進行逐步循環。可能其中的某一環節會與另外一個未緊接著進行或未與之前的某些探究活動相聯系，于是就有了網狀式的科學探究活動。網狀式探究活動與之前兩種探究活動過程相比更具操作性，更體現了科學探究各環節之間的聯系性，具有啟發教師組織科學探究教學設計的功能，體現了科學探究和科學實踐的本質，體現有關問題解決、批判思維、決策和科學過程的相關要求，與建構主義的學習理念相兼容，支持合作學習和主動學習的學習策略[3]。同樣，在國內外有很多研究者也提出了網狀式的科學探究，如探究過程模型、操作模式模型等。

科學探究過程模型就是一種網狀式的科學探究，探究中的所有活動都是由問題開始，通過一系列的活動解決問題，并且又在解決問題的過程中產生新的問題（圖6）。

操作模型是由Haury，David L提出的，由相互關聯的四個基礎活動構成，分別是疑惑、收集數據、研究數據、做出聯系。這其中滲透著很多對學生進行的科學探究技能的培養（圖7）。

張建偉和孫燕青也提出了自己的科學探究模式，他們的模式同樣是圍繞問題展開的，其特點是探究活動可以依據研究情況進行問題的修訂，從而改變設計和具體方法（圖8）。

圖6 網狀式的科學探究（過程模型圖）

圖7 網狀式的科學探究（操作模式圖）

圖8 網狀式的科學探究（張建偉 孫燕青）

科學探究是一個復雜的研究過程，且不是僵化和固定的[4]。在科學課程的實施過程中，要根據具體的研究內容和研究目的進行設計，依據科學探究活動，靈活設計探究環節，從而促進學生綜合科學素養的形成，尤其重要的是促進學生探究能力的發展。

五、科學探究的現實情況

自2001年中華人民共和國教育部制定《科學（3～6年級課程標準》至今，已經走過了15年的漫長歷程。為了了解北京市懷柔區小學課程科學探究的實際情況，筆者分別使用了調查問卷、訪談和實踐觀察的方法進行了調查。

1.調查問卷中的發現

在對懷柔區科學教師的問卷調查進行分析的過程中發現懷柔區共有科學教師35人，被調查教師為24人，包括專職教師22人。其中，有71%的老師認為自己掌握課堂探究的過程和方法，并知道其方法論和認識論依據；25%的老師認為僅了解課堂探究的過程和方法，不清楚其方法論和認識論依據；只有5%的老師提出不熟悉課堂探究的過程和方法（見圖9）。這些數據在一定程度上說明，懷柔區科學教師對科學探究的過程和方法有一定了解，但缺乏認識論和方法論的理論基礎。

圖9 北京市懷柔區科學教師對科學探究的理解層次

通過對懷柔區一所小學四年級一個班的51名學生進行的調查問卷中發現，有51%的同學知道科學探究是科學課使用的研究方法；有61%的同學能夠正確指出科學探究是由觀察提出問題開始；94%的同學能正確選出科學探究的過程（圖10）。這些數據說明，學生通過一年的科學學習對探究還是有一定的了解的。但是，在問卷最后的探究性題目中，讓學生設計研究計劃和方法時問題比較突出，對被測學生有很大的難度。其中，在學生觀察擺的結構基礎上給出數據，進行分析和猜想的研究中，有29%學生沒有填寫，76%的學生有一些自己想法但是不全面和準確，僅有14%學生的想法較為全面并有科學性。這些數據在一定程度上表明，被測學生在觀察比較、思考和表達等探究能力的不足。

圖10 北京市懷柔區學生科學探究能力情況

2.訪談及觀察中的發現

問卷調查之后，筆者又對一線科學教師、懷柔區科學教研員進行了訪談。在訪談的過程中發現老師們在日常的教學中或多或少都使用了科學探究的方式。但是，在備課的過程中往往會遇到探究活動不到位、學生探究興趣不高、探究的效率低、沒有針對性、不清楚探究的目的是什么等問題。同時，懷柔區教研員老師也提出區科學教師對科學探究的理解整體認知水平不到位，往往在教學中僅追求形式，學生的科學探究能力低，整體的科學素養有待提高。并且通過對學生的觀察也發現，小學生對科學探究的興趣點主要集中在做實驗上，不善于思考問題，并且探究能力低。

六、科學探究的具體方法

科學探究的各環節展開有一定的邏輯順序，各環節的研究要落到實處。

1.提出問題

提出問題在于讓學生產生疑問，學生的疑問源于他們對事物的好奇、質疑或困惑等，對不知道的事物產生好奇，與原有的認知發生沖突時產生質疑或困惑[5]。

需要指明的是，提問通常包括教師提出的問題、學生篩選出的問題和學生自主提出的問題，每一種問題的提出均伴隨著元認知知識的培養。此環節不僅指明了研究內容，使學生了解了探究方向，同時還有助于學生理解任務性質。

2.猜想與假設

猜想是讓學生根據自己已有的知識經驗，對事物現象的產生原因或變化關系進行的猜測，具有發散性。假設是對現象的假定性解釋，或是對之后將要出現的結果所做的推測。它們不僅確定了探究的內容，同時促進了學生思維的發展，并開始了對元認知監控的培養。所以，在此階段要充分引導學生結合已有的知識和經驗對事物現象進行思考，并采用歸納、分析等思維方法進行加工。

3.實驗方案設計

假設形成后需要進行驗證。首先，要知道需要什么樣的條件、該怎樣做等問題，也就是要進行活動程序設計。這一環節不僅需要學生原有的元認知知識，還可以充分培訓和發展元認知知識。

在科學探究中，依據研究問題的不同可以進行實驗類方案設計、調查類方案設計和考察類方案設計。雖然，它們的形式不同，但內容相似。教師可以指導學生從程序設計、工具設計和人員設計三個方面進行思考，在程序設計中要考慮目的、方法、步驟、結果、結論等；工具設計中要制定研究使用的工具、儀器和材料；最后要對小組成員的任務進行安排，如設計實驗員、儀器員、記錄員、觀察員和記錄員等。

4.驗證實驗方案

驗證方案的實施過程就是收集證據，以對科學假設證實或證偽的過程。驗證方案設計完成后，要實施才有意義，學生要依據驗證所得出的結果對假設進行論證。假設無論是真是假，都要依據證據來說明。

在科學探究活動環節中，通常會采用實驗驗證、資料收集等方式或方法進行研究。無論選用哪一種，都要引導學生對設計方案進行不斷的修整和調整，以得出問題解決的科學認識，幫助學生培養和發展元認知監控，特別要注意的是活動中要求學生操作要規范。

5.描述與解釋

描述是對客觀事實的反映，描述的內容是驗證方案實施后的結果。解釋是利用已有的知識經驗，對所收集的證據進行思維加工，對事物的變化原因、聯系及發展規律進行合理說明[6]。此活動與設計實驗方案相對應，在探究活動中要引導學生運用不同的方式如語言、文字、圖片等先對客觀事實進行描述。

6.表達與交流

表達是指學生把探究內容、過程和結果用語言或者文字等形式表現出來。交流是人與人之間的溝通過程[7]。此活動是群體間對調控學習的促進。

所以，在本環節，教師要引導學生用自己熟悉的、喜歡的、盡可能多樣的方式介紹自己的研究過程和結果。在此環節中，要引導學生從目的、方法、工具和材料的使用、步驟、結果、結論等幾方面進行介紹。并且，反思自己的研究過程，將探究的結果與探究開始時的假設進行比較。

結 語

基于教學對科學探究的研究非常必要，通過對科學探究的內容標準、基本特征、研究程度、基本過程、現狀等方面進行總結，能夠加深對科學探究的認識，有助于形成正確的思維方式，體驗科學探究的樂趣。

[1]美國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[M].羅星凱等譯.北京:科學普及出版社,2004:8.

[2]蔡彩虹.國外幾種科學探究模型評價及啟示[J].化學教學,2006,(09):28-31.

[3]王國鳳,葉寶生,李長征.多元化小學科學教育的理論與實踐[M].北京:首都師范大學出版社,2015.

[4]艾倫·查爾默斯.科學究竟是什么[M].河北科學技術出版社,2010.

[5]周青.科學課程教學論[M].科學出版社,2007.

[6]約翰·杜威.我們如何思維[M].新華出版社,2010.

[7]羅納德·G·古德.兒童如何學科學:概念的形成和對教學的建議[M].人民教育出版社,2005.