像科学家那样探究

摘    要：学科育人是让学生像学科专家那样思考、解决问题。推进初中科学深度学习的实践路径——“像科学家那样探究”，注重挖掘科学学科独特的育人价值，促进学生的科学核心素养发展。其评价工具应用于“跟科学家学探究”“像科学家那样探究”两大范式，为培养学生的高阶思维、促进学生的深度学习提供一定的借鉴。

关键词：深度学习;初中科学;学科育人

深度学习是指在教师引领下，师生学习共同体围绕具有挑战性的学习主题，开展基于学科本质的主题式、项目化的对话与讨论、尝试与发现、评价与创造等探究活动，解决综合复杂问题，获得结构化的科学核心知识，建立解决问题的学科方法，促进核心素养的发展。“每个学科都能提供独特的学科美的发现、欣赏等独特育人功能” [1]，初中科学课程的育人载体是科学探究。因此，我们提出推进初中科学深度学习的实践路径——“像科学家那样探究”，即学生像科学家那样，积极、灵活运用科学思维方式，经历创造性地认识和探索自然界的活动过程。其目的是挖掘科学的独特育人价值，引导学生像科学家那样思考，学习科学观念，发展科学思维，形成科学态度与责任，最终促成科学核心素养的形成。

“像科学家那样探究”，其设计有两个递进式研究视角：一是“跟科学家学探究”;二是“像科学那样探究”。选择这两个视角的主要原因是：无论是科学家的探究史实，还是基于教材的探究资源，学生既熟悉又陌生，适合开展真实情境下的科学探究。“跟科学家学探究”就是让学生学习科学家的探究，逐步形成探究设计的“组块知识”;同时，深入科学的内核，挖掘学科的独特育人价值。“像科学家那样探究”就是让学生综合运用学到的“组块知识”，通过设计和探究等方法完成任务。它在提升学生科学探究能力的同时，也有利于学生养成积极、严谨、勇于探索、尊重事实和证据等科学态度素养[2]。

一、“跟科学家学探究”的深度学习探索

深度学习需要扎根于真实情境，不仅要求学习者懂得概念、原理、技能等结构化的浅层知识，还要求学习者理解掌握复杂概念、情境问题等非结构化知识，最终形成结构化与非结构化的认知结构体系，并灵活运用解决实际问题[3]。“跟科学家学探究”是基于历史的坐标系，发现探究问题源起。然后，梳理相关科学史料，整合式开发形成微项目学习课程。评价工具嵌入科学探究教学，重在收集学生理解和经历科学探究过程的证据，帮助学生提高科学探究能力，进而改进科学探究教学。

（一）操作范式

考虑思维深度和探究用时，评价工具应用于“跟科学家学探究”，采用“置放量表式”，具体操作范式如图1。

教师设置探究情境，抛出问题，并以历史上相关科学家的经典实验作为表现性评价任务，设计问题链和PTA检核量表。学生对标量表开展探究，教师收集证据、以评促探。师生在解决问题的基础上产生新的问题。

【案例1】探究空气的成分

明确任务目标：以浙教版义务教育教科书《科学》中“探究空气的成分”为例，我们基于课程标准的内容要求、人教版和浙教版两套教材的解读、学情分析等，确定学生科学探究能力发展目标如下：

●立足科学史实，提出科学问题，设计实验方案、进行实验并记录数据，诱发新问题，循环往复，证实或证伪科学家的观点，正确评价科学家的贡献。

●模仿拉瓦锡实验，完成利用红磷粗略测量空气中氧气体积分数实验，并能分析误差产生的原因，提出改进实验的措施。

设计评价工具：为了达成以上目标，设计了表现性评价任务，以及相匹配的PTA检核量表（见表1）。

评价实施要点：前置量表由教師在学生完成表现性任务之前发给学生，学生根据量表对基本要素和标准打分;后置量表由教师在学生完成表现性任务之后发给学生，或由教师对学生的表现进行打分，评价学生的科学探究能力高低。设置权重标准（每条标准满分3分，根据真实表现程度按照0、1、2、3四个分值打分，偏下得1分，偏上得2分）。

科学探究并不一定都体现课程标准中的探究各要素，也不一定严格按照“死程序”逐步执行。因此，表现性评价任务围绕某些要素设计任务和活动，关键是让学生经历真实科学探究。更为重要的是，在常规的科学课堂上，科学本质观的教育渗透很难落地，而在“跟科学家学探究”案例中，学生自然能够体会科学知识（如燃素说）具有暂定性，可以被修改甚至被推翻。课堂中处处弥散着敢于质疑、实事求是、注重证据与结论的气氛，学科育人目标自然得以实现。

（二）实施建议

1.问题情境是场域

“跟科学家学探究”需要设计足够有趣的问题情境，有趣不是复杂、烦琐，而是真正唤起学生对这一问题的好奇心和知觉，知识只有在情境运用中才能转化为素养。

空气中有哪些成分？对于这样的问题，学生往往会抢答。能否举例证明空气中的这些成分？学生对此也会跃跃欲试。

18世纪初，科学家都认为空气是单一物质（纯净物），这与当时科学界的“燃素说”有关系。1702年，施塔尔提出了燃素说，认为燃素决定燃烧。他解释蜡烛燃烧，是因为蜡烛本身有燃素，所以能持续燃烧下去，而并非空气在帮助它燃烧。对此，教师可以提问：你怎么通过实验来反驳施塔尔？

“跟科学家学探究”材料一般源于教材，需要设计和转化，创设适合学生认知结构的科学真问题。在案例1中，教师在燃素说背景下，要求学生设计方案反驳燃素说并证明空气是混合物。学生站在科学家所处的时代视角，思考历史上困扰了人们几千年的真问题，获得探究动力。

2.深度学习是路径

“跟科学家学探究”是深度学习，它的产出是“可迁移知识”，既包括事实性知识，又包括如何、为何及何时可运用这些知识，以便解答问题或者解决问题。

为什么这套器材（见图2）可用来研究消耗的氧气和进入的水量之间的体积关系？

教师可引导学生：1774年，法国科学家拉瓦锡做了一个著名的加热汞的实验，大家对比一下汞和石蜡，汞好在哪里？（观看拉瓦锡实验视频）

在此基础上，教师可引导学生总结：拉瓦锡实验，定义了氧气并成功证明了氧气在空气中的含量约为1/5。

学生在深入理解消耗的氧气和进入的水量的等量关系以及拉瓦锡实验原理的基础上，用红磷替代汞，模仿拉瓦锡实验完成表现性任务三。正因为有了V耗气=V进水，以及拉瓦锡实验原理的补充，学生才能把“可转迁知识”运用到教材实验“空气中氧气体积分数测定”中。随后，分析实验误差原因，探讨改进措施，进而理解拉瓦锡实验的巧妙与精确。科学探究本质上是基于科学思维的。判断真科学探究的基准之一是探究过程中应弥散着学生的科学思维。

3.全程评价是证据

“跟科学家学探究”主张的教学评价是持续、实时地将评价嵌入教学过程中，是动态的表现性评价。

传统评价是课堂结课时的重要内容，而全程评价贯穿课堂始终，学生在表现性任务和PTA检核量表的辅助下，能运用已知去证明结论，能使用材料讨论新问题，并不断质疑、不断证实或证伪。如此，科学在发展，学生在成长。

二、“像科学家那样探究”的实践探索

受课堂时空限制，“跟科学家学探究”更多探究的是封闭性问题，课堂上很难保证学生有调整方案、重新实验的时间和机会。而“像科学家那样探究”根据培养目标，可以选择半开放的问题，学生有较大的自由度，适合于在科学拓展性课程中实施。根据初中生的认知结构特点，“像科学家那样探究”的素材可以来自教材的实验拓展、習题中的实验探究、学术论文等。评价工具应用于“像科学家那样探究”活动范式，是指教师围绕问题情境，设计表现性评价任务以及相匹配的科学探究能力PTA检核量表，通过评价引领学生参与真实情境的实践活动。

（一）操作范式

评价工具应用于“像科学家那样探究”，需根据学情、探究任务、教学时间，酌情选择评价方式。具体操作范式如图3。

教师设置真实问题情境，聚焦探究技能，模拟科学家的思维方式和研究方法开展实践活动。学生对标量表探究，教师收集证据、以评促探，师生交流展示探究成果。

【案例2】氯酸钾制氧气的不同催化剂的研究

明确任务目标：以浙教版义务教育教科书《科学》中“氧气的制取”实验为素材，参考期刊学术论文，确定研究主题“氯酸钾制氧气中的不同催化剂”。确定学生科学探究能力发展目标如下：

●经历提出科学问题、设计实验方案、进行实验并获取证据、分析与论证、得出结论与评估、表达与交流等实验探究过程，能够证实或证伪提出的猜想与假设，解决科学问题。

●着重聚焦以下探究技能：无关变量控制、因变量的检测方法以及设计实验记录表格。

设计表现性任务：情境描述——中学化学常用的氯酸钾分解的催化剂是MnO2，但实际上，许多金属氧化物都可以作为该反应的催化剂，如CuO、MgO等。

任务一：提出问题。

任务二：提出猜想与假设，并说明理由。

任务三：根据提供的实验材料，设计实验（主要操作步骤）并完成实验。

实验材料：KClO3、MnO2、CuO、MgO、大试管2支、酒精灯、50ml量筒、电子天平、125ml集气瓶、双控橡皮塞、L型玻璃导管、铁架台、铁夹、水槽、火柴。

任务四：设计实验记录表格，记录实验现象。

任务五：分析与论证。

1.本实验中的自变量、因变量是什么？写出实验中保持不变的三个变量。

一开始产生气泡记录数据有无意义？

2.请用精练的语言描述实验测定原理。

3.这套装置（如图4）与直接用量筒收集比较，哪一种更好？为什么？该装置的气密性如何检查？

4.根据实验数据结果，你可以得出什么结论？

5.请将你的实验结果与其他小组比较，你们的实验结果相同吗？若不同，请解释原因。

6.查阅相关资料，请向其他同学解释为什么实验室不选择氧化铜做催化剂？

任务六：比较氧化铜与二氧化锰催化效率，除了上述方法，还有其他方法吗？请写出一种并进行比较，从可操作角度评价两种方案的优缺点。

设计PTA检核量表：为了达成以上目标，设计了与表现性评价任务相匹配的PTA检核量表（见表2）。

不同的“像科学家那样探究”有不同的能力侧重点，教师应根据侧重点设置权重。在上述案例中，设计探究方案、实验操作、分析与论证的权重较大。同时，这些探究适合教师给学生打分或同伴打分，不适合自评。

科学探究始于问题。在上述案例中，“二氧化锰催化氯酸钾制氧气”是教材要求的课堂演示实验，而高锰酸钾制氧气是学生实验，学生对于主要实验步骤并不陌生。但是，在实验室中用氯酸钾制氧气时，哪种催化剂催化效果更好？问题有适度开放性，而且适合学生认知结构，这样的问题能促使学生进行科学有效地探究。

（二）实施建议

1.迁移与应用源于模仿

迁移源于模仿，“像科学家那样探究”是一个问题解决过程，学生在“像科学家那样学探究”中学到“组块知识”，并通过模仿与概括应用于处理解决新问题。学生对目标问题分析转化后，提取头脑中实验室制氧气的“组块知识”和设计单因子变量实验的“组块知识”，用于解决目标问题。教师可以依据目标问题难易度、学生的认知状态，提供适当的指导与帮助。例如，学生对于制氧气的实验操作和安全事项，可以设置提示问题：如何检查装置气密性？如何取固体和液体药品？实验中应注意哪些问题？如何处理废液？如何处理实验中的意外？

2.分析与结论融入评价

鉴于学生认知状态和能力水平不一，设计表现性任务和评价量表也应有差异。案例中的设计更适合科学素养能力较高的学生使用，其他学生可以视情况而定。但有一点是共同的：学生能做的教师绝不代劳，实施过程中允许学生调整方案、重新实验，若操作中出现错误，教师要宽容、包容，除非出现安全隐患。教师还要突出探究活动结束后的科学探究评价，尤其是分析与论证、交流与进一步探究。如还可以增加以下问题：

阅读学案资料，利用资料和其他合理解释说明选择二氧化锰做催化剂的原因。

班级交流做实验的时候遇到了哪些问题，如重复实验需要注意哪些問题？

在上述实验基础上，你还可以进一步探究什么问题？选择其中一个设计实验方案。

3.监控与反省养成素养

自我效能感是指个体对自己是否有能力完成某一行为所进行的推测与判断，其主要影响因素有：个人自身行为的成败经验、替代经验或模仿、情绪唤醒等[4]。研究发现，自我效能感影响个体对于任务的选择、努力程度以及行为的持久性，进而影响学习的效果。在“像科学家那样探究”的过程中，教师要引导学生对重要环节进行自我监控和反省，以利于学生批判性思维和科学素养的形成。如：

师：谈谈有哪些收获？特别是做实验的时候遇到了哪些问题？应注意什么？

生1：开始做实验时，我们加热了很长时间都没有收集到氧气，是因为开始忘了检查装置的气密性。气密性检查好之后，重新加热，来不及按秒表，就已经到20ml氧气了。

生2：我们在做实验时用嘴直接吹灭酒精灯，还有用手直接拿被加热的试管，加热时同学不小心用手碰了试管底部。

生3：分工不当。

评价是在收集学生理解和经历科学探究过程的证据，重在运用评价结果改进科学探究教学，帮助学生提高科学探究能力。评价工具能帮助师生发现在科学探究中具体哪一要素之不足。然后，跟进弥补，可以促进学生“像科学家那样探究”。

三、反思

法国著名小说家普鲁斯特说：“唯一的真正的旅游，唯一焕发青春朝气的方法，并非欣赏新的风景，而是用别样的眼光，用一个他者的眼光，用万千个他者的眼光，来望这个宇宙，眺望他们每一个人所眺望的万千世界，望他们自身的万千世界。”“跟科学家学探究”和“像科学家那样探究”都是有别于教师的“他者的眼光”。无论是科学家的眼光，还是万千探究孩子的眼光，都是用“别样的眼光展开唯一的真正学习”[5]。

参考文献：

[1]叶澜.重建课堂教学价值观[J].教育研究，2002（5）：3-6.

[2]邵永平.促进学生像科学家那样探究[J].化学教学，2020（12）：7-10.

[3]阎乃胜.深度学习视野下的课堂情境[J].教育发展研究，2013（12）：78-79.

[4]张鼎昆，方俐洛，凌文辁，等.自我效能感的理论及研究现状[J].心理学动态，1999（1）：39-43.

[5]钟启泉.深度学习——课堂转型的标识[J].全球教育展望，2021（1）：33.