如何践行科学探究？

黄晓+武志峰+谢杰妹

摘 要：基于对科学探究内涵的正塑，本文通过构建科学教材内容的科学探究分级目标，设计不同的问题类型与呈现方式来激发学生探究问题的生成。在以任务单为载体的科学探究教学中，强调不同形式任务单的设计、开发与使用，引导学生经历融合STSE的任务单设计、源于馆场科技现象的任务单设计、基于技术与制作的任务单设计等，理解科学探究始于问题、科学探究没有单一的步骤等。进而以科学探究学生评价（VASI），结合学生研究项目的案例分析与习题解答过程中的思维表达，呈现了初中科学教学中实施科学探究的实证效果。

关键词：科学探究；初中科学教学；分级目标；任务单

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）7-0004-5

“科学探究”或“探究教学”在国际科学教育领域受到了广泛的关注，在美国1996年的国家科学教育标准与各国的科学教育标准中得以显现和彰显，标准中关注了学生参与科学、体验科学与探究科学的过程。在对科学探究的理解与实践中，区分了科学家的科学探究与学生的科学探究，也呈现了科学探究相对固定的环节，如提出问题，制定计划，设计实验，获取事实与证据，解释、检验与评价，表达与交流。然而，在科学教学实践中却呈现了对科学探究的实践困境，表现为对科学探究内涵的误读，视科学探究就是提出问题，猜想与假设，设计研究方案，获取分析证据，得出结论，评价与交流。科学教学中的科学探究实践也形成了固定的模式化，在一定程度上影响了科学探究实践的有效开展。美国下一代科学教育标准（NGSS）用“实践”取代了“探究”，旨在突显对科学探究与工程实践的共同关注，也旨在为“探究”正名，阐述科学探究是集认知、社会、行为等多维度为一体的实践活动[1]。“科学与工程实践”包括的要素有：提出问题，开发和使用模型，计划和展开调查，分析和解释数据，运用数学和计算机思维，构造解释，进行证据论证，获取、评估和交流信息。这充分凸显了对科学探究内涵的深化。基于当前科学探究中存在的问题、困境及国际诸多学者对科学探究不同维度、不同层次的理解，本研究采用了国际学者N.G.Lederman基于长期实践研究提出的科学探究的内涵[2]，然后立足于浙江省综合科学教学实践来探索有效促进科学探究教学的路径。

1 研究设计

研究是从当前综合科学课程教学实践的现实问题的省思出发，旨在探索如何有效践行科学探究。因此，研究围绕两个子问题得以开展：（1）科学探究教学如何开展？（2）科学探究教学的实践效果如何？

1.1 研究对象

依据浙江省经济、文化与教育发展水平，将研究对象确定在了温州。温州市是综合科学课程实施率先试验且走向改革前列的地市。课题组随机选择了温州绣山中学八年级一个班级（35人）的学生作为实证的对象，施教老师是长期开展科学教学实践与反思，关注问题与任务的科学特级教师。

1.2 实证思路

科学探究具有丰富的内涵。N.G.Lederman提出了关于科学探究的知识，即科学探究一定始于问题，但不一定有假设；科学探究没有单一的程序或步骤；相同的探究过程不一定得到相同的结论；探究过程可能影响结论的得出；研究结论须与收集的数据相一致；科学数据区别于科学证据；解释是源于收集的数据与原有的知识经验[4]。由于科学探究存在不同的等级，因此，针对科学教学中如何开展科学探究这一问题，从三个方面得以探索：（1）结合科学教材，构建科学探究的目标层次；（2）突显对科学探究问题生成的关注，采用不同的问题类型与呈现方式来激发学生生成探究问题；（3）强调不同形式任务单的设计与开发，以融合STSE、馆场科技现象、基于技术与制作设计任务单，开展基于任务单的科学探究。科學教学中科学探究的有效实施体现在学生对真实问题的解决能力、科学探究能力。因而，对于科学探究的实践效果，则根据科学探究教学实践前、后学生针对科学探究内涵的不同维度的表现进行比较与分析，对学生源于生活问题解决的探究个案分析（如探究任务解决中是否体现科学探究没有单一的步骤等），以及学生在科学习题中的思维表达等进行分析。

1.3 研究工具

科学探究的评价量表运用了VASI[3]，其中科学家关于鸟喙与鸟食的实验是探测“科学探究没有单一的程序”；第二题测的是“科学探究始于问题”；第三题测试“科学家从事相同的过程不一定得到一样的结论，过程可能影响结论”；第四题测的是“区别数据与证据”；第五题测的是“探究过程是基于所提出的问题”；第六、七题测的是“解释是基于数据与原有的知识经验”。最后结合了学生源于生活问题解决的探究及体现思维表达的习题解答进行后测分析。

2 科学探究分析目标的构建

基于不同学习阶段的学习内容与进阶，基于学生认知发展水平的要求，设计并提出了探究活动的分级目标。初中阶段不同年级的科学教材设有不同的科学探究活动，即不同年级的科学探究目标的侧重点有所不同。各阶段科学探究在呈现相关科学探究知识点方面是相对独立的，但整体构成了一个螺旋上升的目标体系，进而表现在各年级教材的科学探究能力目标具有层级性，体现了作为科学探究相关知识与科学探究能力维度上的进阶，具体表现在七、八、九三个年级的科学探究活动分级目标的要求不同。如：七年级关注科学探究活动的一般过程，科学探究的兴趣与控制变量法作为实验探究方法之一；八年级重视对照组与实验组的合理设置，强调教师引导下的实验方案的初步设计，数理表格与图像的分析；九年级强调依据已有知识自行设计可行的实验方案，对不同实验方案进行评价与改进，并通过反思发现新问题等。

Herron依据科学探究活动中问题、过程、方案的提供与否，将科学探究划分成0、1、2、3四个开放等级的维度，不同开放等级也呈现了师生角色的转变[5]。在一定条件下，这四个等级的科学探究可以相互转换。在科学教学中，依据三个年级的科学探究内容与科学探究活动等级，可以明确三个年级科学探究活动的年级目标设计重点，并结合案例阐述可能的等级目标设计。如“探究浮力大小与哪些因素有关”，若教师呈现问题，即“浮力的大小与哪些因素有关”，引导学生自行设计方案进行探究，这是一种基于问题提供基础的问题解决，体现的是等级2的探究活动。若教师给学生提供关于生活中的浮力情境，要求学生基于生活经验提出问题，并设计不同的实验方案，然后探究并获得相关的认识与理解，最后通过讨论、交流获得结论，则体现的是等级3的科学探究。

3 科学探究中问题的生成

“科學探究始于问题，没有问题就不可能有探究”[6]，问题是探究的起点与思维的动因。正是在问题的驱动下，学生才能积极思维，从而产生探究欲望。问题的来源有多种形式，既可以是教师、教材或其他途径直接给出探究的问题，也可以是学生通过物理实验现象、日常生活、自然现象等发现并提出问题。而高层次的科学探究，则需要教师引导学生自主生成问题。基于问题的不同分类（如识记类、理解类、应用类、分析类、综合类与评价类），需要以“问题集”“问题网”等不同的呈现方式引导学生生成问题与提出可探究的问题。

3.1 问题集

将问题用问题集的形式呈现，形象地描绘出问题之间的关系，可以帮助学生提高思维的系统性，形成整体认知图形[7]。以“物质的溶解”为例，学生根据教师呈现的生活中的物质溶解现象，提出“什么是溶解？”“是怎么产生的？”“物质溶解性有强弱吗？”等问题，教师引导建同问题的联系，并拓展某一些问题的思维深度，如“溶解性强弱与哪些因素有关？”“如何增加或减少溶解性？”等，构成了如图1的问题集。问题集的形象过程正是可探究问题的蜇出过程，也可以成为不同等级的科学探究活动的开始。

3.2 问题网

问题网通常只围绕一个中心问题，发散出很多次级问题，而这些次级问题间又存在一定的关系[8]。以“电路的连接”为例，根据日常生活中的小彩灯、家庭日光灯正常发光现象，引出“如何判断这些电路的连接方式”，进而引导学生发散出不同层次的问题，可以是源于某一知识点的理解，如“串、并联电路中电流、电压有什么特点？”也可以是源于生活问题的解决，如“如何解决生活中发生的电路故障？”“不规范的电路连接会产生哪些危害？”正是不同学生从不同角度提出的不同次级问题，才有助于建构不同知识间的联系，促进网络化的思维发展。

4 基于任务单的科学探究实施

“科学探究的过程没有单一确定的方法和步骤”[9]，因而，在基于问题的科学探究实践中，没有照搬照抄的一套探究模式。在科学探究的教学实践中，提出了以任务单为载体的基于问题解决的探究教学，设计了体现不同维度的任务单，引导学生在探究活动中理解探究是基于证据的，理解科学探究中的方法是多元的。

“学习任务单”基于学情，指向目标，是学习支架的主要形态，它能引导学生自主参与和自主探究，让学生变被动学习为主动学习，起到脚手架的作用[10]。“学习任务单”的设计要基于学生的认知起点，设计一定的难度梯度，为探究活动的开展提供支架[11]。在科学探究的实施过程中，基于科学与学生生活体验、社会科技的密切联系，采用了融合STSE、基于馆场教育、基于技术应用的任务单设计。

4.1 源于生活体验，融合STSE的任务单设计与案例

STSE教育作为国际科学教育改革的理念方向，体现了义务教育科学课程标准中对科学技术不断发展变化、科学技术对社会发展的影响等的表述。因而，在具体的科学探究实施中，源于学生体验，尝试开展融合STSE的任务单设计，以促进学生在探究中理解科学知识，建立科学与技术应用、社会生活、环境等的密切关系，以更深层次理解科学知识、方法与精神。以“从草莓看‘植物的新陈代谢”为例，结合吃草莓、摘草莓的生活体验，从草莓的幼苗引导学生思考、分析草莓的三种生命活动，探究光合作用的原料来源及产物生成，并应用新陈代谢原理解决草莓的种植。

4.2 源于馆场科技现象的任务单设计与案例

馆场（科技馆、博物馆）教育作为一种非正式情境的科学教育形式正慢慢被关注。馆场中的科技现象是学生科学探究的源起，有助于学生从中建构科学概念与知识。因而，在科学探究的教学实践中，基于温州科技馆丰富的资源与科技现象，设计源于馆场科技现象的任务单并开展探究活动。如针对科学教材中“声音的传播需要介质”这一科学知识的探究教学，可以基于温州科技馆中“真空罩中的闹钟”——当玻璃罩内部与空气隔绝时（抽掉空气），无法听到闹钟的声音；当充入空气时，闹钟声音正常。基于这一场馆中的科学现象，可以设计任务单呈现可探究的问题（不同介质对声音的传播有什么不同影响），重在引导学生结合馆场科学现象探究声音的传播是需要介质的，声音可以在固体中传播，也可以在液体（气体）中传播，并探究声音在不同介质（固体、液体、气体）中的传播效果。

“声音的传播需要介质”源于科技馆现象的任务单设计，依据探究层次的划分，基本是属于1级或2级的探究活动——因为可探究的问题是提供的。源于馆场现象的任务单设计也可以使科学探究更为开放，体现3级的科学探究等级。如“流体压强与流速的关系”，在科技馆中有不同的现象与模型，如科技馆中的机翼模型及上升（下降）的现象，趣味的“悬浮于空中的球体”等。基于这些科学现象，可以设计任务单（如例4），提供学生可选择的器材（硬币、纸片、玩具枪、塑料水管等），引导学生基于自己的体验、兴趣提出可探究的问题，并设计方案，在小组成员的合作探究中解决。

4.3 基于技术与制作的任务单设计与案例

科学教学中常会与工程产品制作有机结合。美国STEM的提出正是政府反思科学教育中的问题而提出的对于工程教育的重视，也是科学课程标准一直强调与关注的科学与技术的关系，这也表现在教材中相关栏目的设置与呈现。因而，在围绕科学主题的探究实践教学中，技术与制作的任务单设计的主题内容可以是结合科学主题内容作为原理的“简易密度计（温度计、湿度计）的制作”“简易电动机的制作”，也可以是趣味玩具类（如饮水鸭、风车）的制作等。以“简易密度计的制作”为例，学生基于所学习的浮力知识，可以通过分析物体所受重力与浮力的关系判断物体在液体中的沉浮状况。因此，可以以“能否利用提供的器材完成简易密度计的制作”为目标，提供木质铅笔、橡皮泥、小药瓶、吸管、量筒、清水等材料，要求学生设计可行的方案，探究可能的制作途径，以此解决问题。

5 初中科学中实施科学探究的实践效果

初中科学教学中科学探究的实践效果主要表现在学生的科学探究能力与问题解决能力，科学探究能力表现在以主观题的科学探究评价和学生源于生活经验或现象的课题研究。问题解决能力源于学生解题过程中的理解与思维的体现。

5.1 科学探究评测质性分析

以科学探究主题观做为评测，体现了学生对“科学探究源于问题”“科学是基于证据的”“数据与证据是有区别的”“科学方法的多元”等不同维度、不同深度的理解。基本所有的学生能举例阐述科学是基于证据的，可以是通过实验、观察获得证据。他们能结合鸟喙与食物的问题阐述科学探究中证据的获得可以是不同的程序，如依据已有的理论进行推导再进行实验观测以获得证据；或基于问题的合理假设，通过实验探究与数据分析获得证据。学生能认识到“数据”与“证据”的区别，并有适当的阐释，如有学生提出“数据”表示科学研究中定量研究获得的事实，比如牛顿第二定律的研究中力的大小和加速度大小定量化所获得的数学的表述；而发现力随物体加速度的增加而增加是证据。此外，还指出数据分析包括定性分析与定量分析，针对牛顿第二定律，定性分析是得出简单的成正比或反比关系，定量分析则是得到数学的表述。

“光照与植物生长关系”则是基于主观题中呈现的数据分析——如有学生认为“从题图知每日光照时间变长时（0，5，10，20，25），植物生长高度减少（25，20，15，10，0），所以基于图表中数据分析得知光照越少，植物长得越高”。对“恐龙化石”的推测则基于考古学的事实推测与生物体平衡特性的原有知识经验，即动物为保持身体平衡其后腿往往比前腿粗壮；也有更为丰富的分析——如有学生解释后肢粗壮些的资料来源“考古资料分析”“一般身体构造类型”“与恐龙其他化石的比较”等。科学探究是否总是始于科学问题的提出，多数同学持赞同观点，认为没有问题的提出就不能进行科学的探究，即科学探究总是始于科学问题，并依据探究的问题确定探究的过程的合理性——如针对两组科学家研究轮胎设计的好坏，有学生解释其选项的原因时认为“因为第一组比较了不同轮胎在同一路上行驶时瘪的情况及性能，而第二组比较了同一轮胎在不同路上行驶时瘪的情况及性能，但研究的问题是‘是否某些品牌的轮胎更易瘪，所以研究设计应围绕不同品牌轮胎的性能，采用控制变量法”。针对不同科学家提出的相同问题，遵循相同的步骤收集数据，但由于每个人观察现象的方法、角度不同，不一定会得出相同的结论。

5.2 源于生活问题解决的探究

学生科学探究能力的提升还源于青少年科技创新活动中的表现，源于生活中的问题解决，对生活问题的探究。如学生基于实际生活中头屑增多，引发了对市场上购置的洗发水的疑惑，思考能否利用植物资源制取去屑效果强的洗发水，进而提出“自制植物洗发水与市场洗发液的去屑效果对比研究”。这是一个典型的学生探究活动的开展，通过设计研究方案，经历查找资料—采集植物标本—多次实验—验证对比等一系列过程，制取了绿茶、芦荟等植物汁液并进行测试，记录数据，然后通过专家指导改进实验，最后重复实验获得结论。源于学生生活的体验与疑惑的产生，学生提出了“对于书本发霉的条件及除霉方法的探究及推广”，尝试通过各种物理、化学、生物等方法对书本除霉，既习得了化学试剂的使用方法，冰箱、消毒柜的使用方法，也将控制变量法应用于真实的科学问题的探究中。“关于可口可乐凝冰的探究”则是学生在上海世博会可口可乐馆中可口可乐凝冰体验后，提出“如何使可口可乐凝冰”这一探究问题，采用实验方法并取材于生活，探究可口可乐凝冰的条件、原因、可能的制作方式，得出结论（可口可乐的较佳凝冰温度为-6 ℃至-9 ℃；利用晶体熔化过程中温度不变这一特性，将一定量11%的氯化钠溶液置于冰箱冷冻室内冷冻至完全凝固后取出并置于泡沫箱中。将可乐置于氯化钠溶液的冰水混合物中，可快速冷冻至较佳凝冰温度），并提出可以将可乐凝冰应用于演示气压对液体凝固点的影响、演示碳酸摇晃分解等。源于生活体验的问题解决与探究活动，可以加深学生对科学知识的理解，并且明白科学探究始于问题，没有单一的步骤可循，需要基于证据与原有经验知识的解释等，进而提升探究能力、问题解决能力与创新能力等。此外，还有“不同窗帘调节光线和散热能力的实践研究”“探究茶叶浸出液对植物生长的影响”“利用豆制品废水生产微生物絮凝剂及其对污水处理”等STSE的项目探究的开展，能帮助学生促进知识建构、提升探究能力与问题解决能力。

5.3 科學习题解答中的思维表达

科学习题的解答是学生思维表达的过程，也是学生解决问题的过程。基于科学探究的科学教学实践中，强调学生提出疑惑的问题，关注解疑解惑过程中对方法的理解与应用，关注学生思维的表达。科学探究的实践教学效果还表现于习题解答与问题解决中的思维体现，因而，在科学探究教学的后测中还选择了“大同杯”中的竞赛题让学生进行解答，以检测学生是否具有深度思维能力。

题1：容器质量为m，通过容器底的小孔注入高为H、质量为M的水，做功为W，将小孔打开，同时拉升容器，使容器中液面保持相应高度，当水流光时，需要人做功为____。

某学生的解答思路如下：

当水流光时，容器显然上升了H，而试题中的过程与“先把容器与水同时提高H，然后放掉水”效果相同。设试题中水流光时需人做功为功2（W2），若等效过程中的做功为功1（W1），则W1=W2，W1=FH-W，F=（M+m）g， 所做功W2=（M+m）gH-W。

该解题过程中，学生能将题中文字表达“当水流光时”转换成数学表征，即“容器上升了H”；能将用外力拉升容器保持液面高度不变与先把容器和水同时提高相同高度等效起来，化动为静，并利用能量守恒定律解决做功的问题，呈现了学生的思维。

题2：现有一扇形均质金属体，具有热胀冷缩的性质，室温下扇形所构成的圆心角为α。若使该金属体温度均匀升高，则α角如何变化？

某学生的解答思路如下：

将扇形环变成环形，由于是均质材料，膨胀前后整体均为环形，即膨胀前后这一部分材料占总体比肯定不变，即α角不变。这一解答过程运用了“还原法”，将扇形环还原到一个环形中，膨胀中整个环形在增大，但α角反映的是比例关系，即应该不变。若学生还能从金属体上各点受力平衡，不随热胀冷缩而改变平衡状态进行思考，则更能反映对科学本质的深度理解。

参考文献：

[1] National Academy of Sciences.Next Generation Science Standards： For States， By States. WASHINGTON，D.C：National Academies Press， 2013.

[2][3][4][6][9]Judith.S.Lederman，Norman.G.Lederman， Stephen A. Bartos et al（2014）. Meaningful Assessment of Learners Understandings About Scientific Inquiry - The Views about Scientific Inquiry （VASI） Questionnaire[J]. Journal of Research in Science Teaching， 51（1）： 65-83.

[5]Herron， M.D. （1971）. The nature of scientific enquiry. School Review， 79（2）， 171- 212.

[7][8]王天蓉，徐谊.有效教学设计[M]. 北京：教育科学出版社，2010：78，133.

[10][11]谢杰妹.问题与任务——促进科学有效学习的策略[M]. 天津：天津大学出版社，2013.

（栏目编辑 赵保钢）