科學教學中的探究與實踐

符國鵬 王益萱

探究實踐作為《義務教育課程方案和課程標準（2022年版）》中的核心素養之一，分別指在科學、技術與工程領域形成的兩種能力，“探究”和“實踐”是并列關系。然而，在國際科學教育的發展過程中，卻出現了從“探究”向“實踐”的轉向，二者為迭代關系。為什么會有這樣的轉向？這需要從“探究”中存在的問題，以及“實踐”如何解決這些問題說起。

“探究”的問題

科學探究在教學的實施中主要存在兩個問題：一是定義過于寬泛，二是手段與目的錯位。自20世紀80年代以來，探究被全球科學教育改革奉為圭臬，鼓勵教師通過探究促進學生對科學知識和過程的理解。然而，在2004年發表在《科學教育》（Science Education）期刊的一篇文章中，來自黎巴嫩、美國、以色列、委內瑞拉、澳大利亞和中國臺灣的學者分享了各自國家和地區對探究的定義與實施。這篇文章起初打算以國際視角為探究教學中的共性問題提出啟示。在分享了現狀之后學者們意識到，各個國家和地區對探究這一概念的詮釋天差地別（如探究是實驗、是調查、是動手活動、是發現知識、是跨學科），要達到的目的也多種多樣（如為了學習科學知識、了解科學本質、學會歸納、生成概念、學會調查研究、培養合作、調研能力等），所謂的“共性問題”根本不存在，對教學的啟示更無從談起。作為科學探究領域最有影響力的文章之一，它的貢獻在于讓科學教育工作者意識到，“探究”這個概念如果太寬泛，以至于多種教學行為和教學目標都被涵蓋在這個概念之下——即大多數教學行為都可以被稱為探究，探究可以用來達到幾乎所有的教學目的——那么這個概念就會失去其繼續引導課程、教學、評估的能力。

探究遇到的第二個問題是手段與目的錯位。探究被引入科學教育的初衷之一，是希望學生能夠體驗科學家發現新知識的過程。然而，科學家與科學教師使用探究的目的是不同的：科學家使用探究是為了產生與發現新知識，科學教師很多時候是幫助學生掌握“舊”知識。換言之，由于探究這種手段在科學領域的主要功能是發現新知識，導致在科學課堂中探究也極容易成為學習“舊”知識的手段，讓驗證知識成為探究的終點。例如，在開展“水的沸點”探究活動時，教師很容易止步于讓學生通過實驗得到水沸點的數值，或是培養學生“會使用溫度計”這樣的技能上。然而，用一整節課的時間去驗證一個已有的結論或是學會一項簡單的技能，可能并不是最好的利用課堂時間的方式。在這個探究活動中，如果教師能夠鼓勵學生發現不同的小組對溫度計會有不同的讀數，討論為什么會產生讀數的差異（氣壓、水的純度、溫度計的讀數、操作的不嚴謹等），以及如果學生是科學家，他們應該用什么樣的方式處理這些誤差并確定水的沸點。這時，探究的目的就不僅僅是幫助學生學習或驗證“舊”的知識，而是通過探究的過程，幫助學生認識到在科學發現過程中使用了哪些方法去統一多樣化的數據，這些方法有哪些優點與缺點，以及在認識到這些優點和缺點之后，應當如何去看待科學這個學科。即不是通過探究來學習“科學知識”，而是通過探究來學習“科學是什么”。

從“探究”到“實踐”

針對以上兩個問題，科學教育領域的學者認為，應當在教學中從“探究”向“實踐”轉變，以更好地實現當今科學教育的主要目標。一方面，實踐比探究更加具體，科學探究是發現知識的整個過程，而科學實踐則是這個過程中的具體行為，這就解決了探究在概念上的寬泛性問題。科學哲學和心理學領域的研究共同發現，探究的過程主要由三大步驟組成：實驗（包括觀察、測量、測試、數據收集等）、生成假設（包括生成理論假設、建構模型、設計實驗、提出解釋、創造性思維等）和證據評估（包括批判、反駁、論證等）。這三個步驟中的具體行為（如生成問題、建構模型、開展調查、基于證據開展論證），即是科學實踐。

仍以“水的沸點”為例，如果教學活動的名稱是“探究水的沸點”，那么這個活動的目的指向就較為模糊。如果把教學活動拆分為“影響水的沸點的因素有哪些”（生成研究問題/假設），“從不同角度觀察溫度計并記錄數據”（通過觀察得到數據），“根據觀察結果討論數據產生差異的原因”（基于證據生成解釋）等實踐操作，每個活動就會指向一種具體的科學實踐能力，從而避免教學活動僅停留在知識驗證或工具使用上。

另一方面，自20世紀末以來，科學教育的主要目標從培養精英轉向了提高公民科學素養，讓大眾具備基本的對科學知識的認識和理解，熟悉科學、相信科學，關注和支持科學技術的發展，愿意參與和科學相關的社會問題的討論。科學教育的側重點也從幫助學生精?？茖W知識轉向幫助學生認識科學是什么或者為什么要相信科學?？茖W實踐，即科學發現過程中的生成假設、觀察、測量、批判、論證等具體的、有學科特色的行為，保障了科學的嚴謹性和可信度。讓學生體驗、經歷科學實踐，幫助學生熟悉科學知識產生的過程，促進學生認識科學是什么，繼而相信科學并支持科學。此外，學生在開展科學實踐的同時也能體會到科學知識產生過程中可能存在的偏見（如理論假設中存在的個人偏見或政治文化因素會影響科學問題的選擇），從而認識到科學的局限性。因此，相較于“探究”，“實踐”更加具體，且與新時期科學教育的使命更加契合。

教學中的側重

教師在開展科學實踐類活動時，可以把教學目標或教學側重點放在程序性知識和認識論知識的習得上。程序性知識是指關于測量的知識（如天平的使用、觀察的手段、分類的依據等），保證可重復性的機制（如多次測量的誤差范圍、數據的準確性），變量的概念，呈現數據的手段（圖、表等），實驗設計（控制變量、隨機分配、實驗對照等）和實驗方法的選擇等。學生在科學實踐中可以通過設計、動手操作、得出結論等行為，實現對程序性知識的掌握，了解和熟悉科學知識產生的過程。

認識論知識是指關于科學知識本身的特點，即什么樣的知識才能被稱為科學知識，科學知識產生和驗證的過程有哪些特點。這些特點包括了科學知識是由實證證據支撐的（如觀察、測量得到的數據），科學中常用的論證邏輯（如歸納、演繹、推測、類比、模型），科學中的價值取向（客觀、準確），科學知識與其他知識的區別（如與經驗的區別，與藝術的區別），科學家群體和社會價值觀對科學知識的影響（如同行評議、科學倫理）。學生雖然能夠通過科學實踐隱含地感受這類知識，但是需要教師在教學中明確地把科學實踐中學生的體驗與認識論知識聯系起來，才能進一步提升科學實踐的教學效果。

如前所述的例子中，教師讓學生通過實驗來驗證水的沸點后，可以進一步讓學生在科學實踐的過程中強化程序性知識，如從測量的角度和學生討論在科學實驗中科學家如何對待和處理誤差，如何標準化外界環境（如大氣壓強）。在聯系認識論知識上，教師可以進一步解釋100℃與0℃是科學家人為做出的規定，是先有了水的沸點和凝固點，才把水的沸點定義為100℃，水的凝固點定義為0℃，而不是用攝氏度去測量水的沸點與凝固點。換句話說，科學其實是幫助人類理解世界的一種方式，科學家使用理論（對攝氏溫度的規定）去解釋大自然中的現象（水在一個大氣壓下的沸點與凝固點）。隨著科學的不斷發展，科學家可能會提出新的理論，用新的視角去解釋自然中的現象，我們看世界的方式也會隨之發生變化。雖然科學知識不是真理，并且具有一定的主觀性，但科學家通過反復的實驗，大量的證據和嚴謹的論證所得出的結論，是值得我們去相信并支持的。

科學實踐不是科學教育中的萬能藥，它有優勢也有短板。它的優勢在于通過讓學生“做科學”，體驗科學發現的過程，習得關于科學的程序性知識和認識論知識，讓學生熟悉科學、相信科學、支持科學；它的短板在于相較于其他教學手段，科學實踐的設計和實施需要花費大量時間和精力，如果僅僅用科學實踐來對已有知識進行鞏固和驗證，是對這種教學方式的誤用。發揮其優勢，以科學實踐傳遞“科學是什么”是教師應當做出的選擇。

（2023上?？萍拣^科普智庫創新平臺開放課題“國內外非正式科學教育多元主體的創新實踐及模式研究”）