科学探究中如何指导学生发现和提出问题

●陈香

问题是探究的出发点，探究在本质上来说就是发现、提出和解决问题的过程。科学史上的每一项重大发现都是从问题开始的。 牛顿发现万有引力是从“苹果为什么会落地”这一问题开始的。 弗莱明发现青霉素是从“为什么青霉菌菌落周围不长细菌”开始的。爱因斯坦对于提出问题的重要性作了经典论述，认为提出问题需要创造性的想像力， 标志着科学的真正进步。德国数学家希尔伯特于1900 年在巴黎第二次国际数学家大会上提出了23 个未解决的数学问题，这些问题后来称为“希尔伯特问题”，它们至今仍是数学家注意的焦点之一，许多数学家把它们作为自己的研究课题[1]。

可见， 发现和提出问题本身就是一个了不起的成就。一项科学研究是否具有重要意义，在很大程度上取决于其所研究的问题是否具有新意和价值。 发现问题是认识到问题的存在， 但是对问题的认识比较粗浅、笼统，没有形成具体清晰的认识，而提出问题是在发现问题的基础上结合已有的知识深入思考或进一步查找资料后形成的， 对问题的认识更加深入具体。 尽管如此，为了表述简便，下文对发现和提出问题不作明显区分。

一、什么样的问题是值得探究的问题

可探究的问题和其他问题有所不同， 不是所有的问题都可以通过探究来回答。 即使是可以探究的问题，其探究的价值也有高低之分。 因此，在提出问题之前，首先须弄清什么样的问题是值得探究的问题。就科学学科来说，表述具体明确、适于探究、属于科学范畴的问题，是本文认为的值得探究的问题。

PISA 测试对科学素养的评价框架中，有一项是评价学生识别科学问题的能力，具体考查学生在识别那些有可能进行科学探究的问题等方面的能力和表现。 下面以PISA 样题为例，具体说明探究的问题应具有的某个特征。

大峡谷[2]

大峡谷位于美国的一个沙漠中。 它是一个十分大且深的峡谷，包含许多岩石的地层。 从前某一次地壳运动时，把这些地层提升。 目前大峡谷的部分深度是1.6km。 科罗拉多河则在峡谷的底部流过。

问题：每年大约有五百万人游览大峡谷郊野公园。 这么多的游客对公园所造成的破坏是否受到关注。下列问题能否通过科学探究来回答？请就各项问题，圈出“是”或“否”。

这个问题能否通过科学探究来回答？ 是或否？步行小径的使用是否会造成部分的侵蚀？ 是/否公园地区是否像它100 年前一样的美丽？ 是/否

上述案例呈现的两个问题中，“步行小径的使用是否会造成部分的侵蚀？”里的“侵蚀”是一个科学概念， 指的是地表物质在外引力作用下从地面分离的过程， 侵蚀的情况可以通过定性的观察或测量大致判断，这个问题属于科学问题，可以通过科学探究来回答，比如可以设计对照实验，比较使用步行小径的地面和没有使用步行小径的地面在侵蚀方面有无明显差别。 而 “公园地区是否像它100 年前一样的美丽？ ”中的“美丽”是一种主观的感受和判断，不符合科学的客观性原则， 不可能将公园地区100 年前的状况与现在的状况在“美丽”这个层面上进行科学的比较，因此，这个问题不属于科学问题，不能通过科学探究来回答。

有些问题虽然属于科学问题， 但是问题大而宏观，难以探究。例如，在学习鸟这一节时，学生可能会提出这样的问题“鸟为什么会飞？”，这个问题属于科学问题，但是影响因素很多，比较复杂。因此，需要引导学生将之细化为更加具体的问题，比如可以引导学生结合鸟飞行有赖于运动系统，想一想“鸟用于飞行的肌肉、骨骼应具有什么特征？”，或者结合鸟飞行需要消耗大量能量，想一想“与能量供应有关的器官系统有哪些？ ”“这些系统具有哪些与飞行相适应的特征？”或者从受力的角度分析，想一想“鸟飞行时是如何获得浮力以平衡自身重力的？ ”总之，引导学生结合已有的知识，将大而宏观的问题转化为具体明确的适于探究的问题。科学家的研究也表明，探究现象存在的根源这类问题通常比较复杂，大多以“为什么”打头，需要转化为相对具体的问题，缩小探究的范围，提高探究的可行性[3]。

还有些问题属于具体的科学问题，但是探究的价值不高。例如“什么是传染病？”这个问题学生通过查阅资料即可获得现成的答案，不需要经历探究的过程。 因此，科学探究的问题首先应是科学问题，问题的表述应具体明确，且有一定的探究价值。在问题形成的过程中， 需要经过仔细分析和深入思考的过程，一方面使问题变得更加明确清晰，另一方面也为后面制订计划解决问题提供思路。可见，提出问题不但需要想象力，也需要理性思维。

二、如何帮助学生发现和提出问题

（一）丰富学生的知识储备

探究的问题总是与科学知识相联系。“任何一个实际的问题很少是单纯的， 总要对于构成一个问题的各项事物的那些词句的意义和那个问题的展开的步骤，有了正确的认识，方才可以形成一个问题。 ”[4]有经验的医生能够很快发现患者胸片上的病灶，而外行可能连胸片都看不懂， 更别论发现其中的问题了。 因此，提出问题需要以一定的基础知识为前提。

知识和能力是相辅相成的，探究活动的实施不仅有助于能力的培养，也有助于知识的生成。教材中设计的大多数探究活动承载的不仅仅是能力目标，还有知识目标和情感、态度与价值观目标。积累的知识越多，知识的系统化和专业化程度就越高，提出的有价值的问题往往越多，提出问题的能力也越高。

此处的知识指的是概念性的知识，特别是科学中的核心概念，而不是零碎的事实性的知识。核心概念是系统化了的知识体系，不依赖于特定的情境，可以迁移应用，教育价值更大，而事实比较零散，不构成体系，不能迁移应用。 《义务教育生物学课程标准（2011 年版）》也强调核心概念的教学。 当然，这两者是有联系的， 概念是在丰富的事实基础上抽象形成的， 核心概念是在一般概念的基础上抽象概括形成的。 然而， 教学实践中关注的大多是事实和一般概念，很少深入到核心概念的层面上来。

（二）指导学生发现和提出问题的策略

1.教师的课堂提问给学生提供示范

要提高学生提出问题的能力，教师首先应注意课堂中提问的数量和质量。那么，教师在做教学设计时，应注意课堂提问的数量不宜过多，识记类的问题宜少些，启发性的问题宜多些。 另外，教师可将问题的形成过程显性地呈现出来， 以使学生了解内部思维活动的过程，从而学会思考和提问。 例如，在学习蛔虫等线形动物一节时， 教材介绍了蛔虫体表有角质层，角质层具有保护作用，可以防止蛔虫被寄主消化，这是对寄生生活的一种适应。此时教师可呈现这样的问题：寄生生活的动物有很多，有些寄生虫如血吸虫在结构上比蛔虫简单，体表没有角质层保护，但是它们繁衍至今没有灭绝，应该也能适应寄生生活，那它们是如何防止被寄主消化的呢？ 教师通过呈现问题的形成过程作出示范， 可以使学生逐渐学会如何发现和提出新问题。

2.创设情境引导学生逐渐形成问题

问题通常是在一定的背景下形成的。 教师可事先准备一些素材如小实验、视频、图片等，激发学生思考并提出问题，形成问题的过程可用下图表示[5]。

例如，在《义务教育物理课程标准（2011 年版）》呈现的《什么情况下磁可以生电》的案例中[6]，教师在新课导入时呈现了一个问题： 我们已经知道电可以生磁，那自然会想到，磁是否可以生电？ 放在磁场中的线圈是否有电流产生？为此，教师做了一个演示实验， 将与电流表连接的导线悬吊在蹄形磁体的两磁极中间，让学生观察电流表指针是否发生偏转。学生没有观察到指针偏转， 于是猜测可能是没有电流产生，也可能是电流太微弱。为了检验是否是电流太微弱的原因， 教师根据学生的建议先后换上了更加灵敏的电流计以及磁性更强的磁体， 在更换实验仪器的过程中，学生发现了问题：更换磁体时，电流表的指针发生了偏转。 经过教师的反复操作以及学生的亲自实验， 学生确认磁体运动可以使电流表的指针发生偏转， 磁体不动、 导线运动时也能产生相似情况， 这说明在一定情况下磁场中的导线是可以产生电流的。 由此，学生形成了探究的问题：究竟在什么具体的情况下磁场中的导线才能产生电流？

上述案例以学生的思维活动过程为主线， 通过实验引导学生自主发现问题和提出问题， 并使学生对问题的认识逐层深入。 从最初的 “磁是否可以生电”这个比较宏观的问题，到“为什么与磁场中的导线连接的电流表指针没有偏转？ ”“是电流太微弱导致电流表指针不偏转吗？ ”“更换更灵敏的电流表或磁性更强的磁体， 是否会使电流表指针发生偏转呢？ ”“更换磁体时，电流表的指针真的偏转了吗？ ”，直至形成最终要探究的问题。可见，问题的提出是有赖于具体情境的，而且需要经历深入思考的过程，通过对一连串相关问题的分析和解决。

3.鼓励学生在探究活动中发现新问题

探究通常始于发现问题， 但发现问题并非仅仅存在于探究活动的开始，在探究活动的整个过程中，都可能会发现新问题。我们熟悉的青霉素的例子，就是英国细菌学家弗莱明在实验培养基受到霉菌污染时偶然发现的。因此，引导学生在探究过程中多留心观察，不放过任何一个异常的现象，从中可能会发现新的值得探究的问题。例如，在笔者听过的初中生物学七年级下册“测定食物中的能量”一课中，学生在探究过程中发现了很多问题，如“为什么有些食物不易点燃？ ”“为什么有些食物不能燃烧完全、 剩有灰烬？”“为什么测定的数据与理论值相差很大？”等等。虽然其中有些问题的探究价值不大， 但是这些问题对学生而言是自主发现的新问题， 通过对低水平问题的发现和解决，学生提出问题的能力会逐渐进阶。

4.基于对已有知识的分析发现问题

知识之间是有逻辑联系的，在学习新知识时，如果能够根据已有的知识通过逻辑分析发现其中的冲突或矛盾，就可能发现新的有价值的问题。 例如，在学习“光合作用”这一重要概念时，学生已经学习了气孔的有关知识，完成了“绿叶在光下制造有机物”的实验，通过分析讨论，可能发现这样的问题：叶片表面有许多气孔， 气孔是植物体进行气体交换的通道， 绿叶在进行光合作用时需要通过气孔从环境获得二氧化碳作为原料， 然而实验时用黑纸遮住一半叶片必然会堵塞遮光叶片上的部分气孔， 那如何证明遮光的叶片没有产生淀粉是因为没有光照而不是因为缺少二氧化碳呢？[7]由此可见，即使科学家的经典实验也可能会存在逻辑上的矛盾。对于学生来说，随着他们掌握的知识越来越多， 如果能够将已有的知识前后联系起来分析思考， 就有可能发现属于学生的新问题，甚至发现具有科研价值的新问题。

三、结语

培养学生发现和提出问题的能力没有一套固定的模式，本文呈现的一些方法仅供参考。部分学者认为可以按照逐步放开的方式指导学生提出问题，具体来说，一开始探究的问题直接提供给学生；接着给学生提供参考性的问题， 需要学生做适当修改进而形成探究的问题；然后给学生提供一系列问题，让学生从中选择有价值的问题进行探究； 最后学生独立提出问题。这些方法为教师的教学提供了理论指导，但更需要教师在实践中不断尝试和摸索， 形成一套适于本地学生的行之有效的方法。需要注意的是，对于学生提出的问题， 教师不宜简单地评价好坏或直接告诉学生答案， 也不宜直接告诉学生真正应该研究的问题是什么， 而是给予正面的反馈和引导，例如，给学生解决问题指明方向，用问题的三个要素引导学生提出更高水平的问题。 有些问题可能难以在课堂上解决， 可以引导学生课后继续探究并给予适时指导， 如向学生介绍可以参考的书目或者帮助学生分析确定实验方案等。总之，学生在由不会提问到学会提问， 由提出低水平的问题到提出高水平问题的过程中，都需要教师的悉心指导和帮助。

[1]周昌忠.科学研究的方法[M].福州：福建人民出版社，1983：78.

[2]王蕾.教育评价探新[M].西安：西安交通大学出版社，2007：103.

[3]美国国家研究理事会科学、数学及技术教育中心《国家科学教育标准》科学探究附属读物编委会，著.科学探究与国家科学教育标准：教与学的指南[S].罗星凯，等译.北京：科学普及出版，2004：24.

[4]李四光.地质力学基础与方法[M].中华书局，1945：1.

[5]韦钰，P.Rowell，著.探究式科学教育教学指导[M].北京：教育科学出版社，2005：87.

[6]中华人民共和国教育部制定.义务教育物理课程标准（2011年版）.北京师范大学出版社，2011：53-54.

[7]毕晓白，张志文.生物课堂教学与学生提出问题才能的培养[J].课程·教材·教法，2005，25，（6）：61-65.