中学生科研能力培养的实践——以数理化学科为例

吴天祥，郑富

(1.保定市田家炳中学，河北保定 072350；2.河南大学,河南开封 475001)

近年来，相当一部分本科学生存在科研能力不足的问题，在毕业论文质量下降和论文写作问题中得以突显出来。一般而言，学生科研能力在中学阶段初步培养、本科阶段重点强化、研究生阶段基本形成。对中学生科研能力现状进行深入剖析，直面问题核心，明确基于学科的科研能力培养原则及实践路径已刻不容缓。

一、对中学生科研能力现状的剖析

（一）发现问题和提出问题的能力

河北师范大学的李爽经研究得出：教育学研究生科研问题意识普遍不强[1]。西南大学的潘庆定义了科研问题意识包括怀疑与质疑精神、善于发现问题、善于表述问题和善于提出问题等四个方面[2]。结合该定义与中学生的学习情境，中学生的发现问题，应指对自身所学知识及经历上的矛盾、不合理、模糊之处的发现；提出问题，指围绕自身所发现的问题，结合学科从而明确提出一个可解决的具体问题。但在中学生教育阶段，为了替学生节约时间，不论是学习或是生活，学生的发现问题及提出问题，一般都由教师及家长代劳，学生仅负责对他人所发现的问题进行思考，并且练习快速、正确地解决非自身发现的问题，也就是刷题。久而久之，教师及家长“善意”的支持及帮助，反而逐渐“斩断”了学生及孩子发现问题和提出问题的意识及能力。

（二）获取信息和利用信息的能力

在每日经受海量信息冲击和碎片信息干扰的现代社会中，人们为了适应社会的发展趋势，需要在有限时间内、大量信息中，有效地获取信息、评估信息、鉴别信息、利用信息[3]。许多中学生，为了求快而将自己的信息获取方式简化为“百度”“作业帮”，在整个信息获取过程中，并未经历完整的信息获取历程。在取得信息后，中学生没有根据信息的性质、范围、出处进行甄别分析；在进行总结之前，中学生没有对信息进行分类、储存、利用，只是挑选几个看似可用的材料就直接进行。时间一长，这就形成了中学生信息获取渠道单一、信息识别能力不足、信息利用能力缺乏的普遍现象。

（三）科学论证与科学表述的能力

科学论证能力，指学生运用证据对所研究的科学问题进行描述、判断、预测和解释，以及建立证据与观点之间的关系，或反驳他人观点时所需的稳定的心理调节机制[4]。科学表述，则是以包含论证的四个基本要素，包含主张、证据、理由、反证，并以最少的语言传达最大量信息的能力。在对中学生科学论证能力进行调查中，笔者发现多数学生对科学论证的结构不大了解，不能很好地运用所学知识解释物理、化学现象中的问题，在进行科学表述的过程中，像是在罗列知识点，缺乏论证能力。

二、中学生科研能力培养的实践步骤

（一）源于学科知识

中学生科研能力的培养离不开教师及家长的支持，故源于学科知识，在平时学习的知识点、日常作业或试题中发现问题并进行探索，将可以让学生兼顾知识的学习及能力培养，更易于得到周围力量的支持。

（二）规范研究过程

1.找出学科知识的限定并调整

在平时的中学生学习过程中，学生早已习惯接受式学习，故对于课本知识大多采取直接理解并记忆。对中学生而言，最好的探究材料，无非是早已经历前人探究完成，并且已编入课本中的内容，再逐项剔除其限制(包含前提、缺一不可、范围)的探究过程中，学生将会逐渐明晰直至深入理解。例如，高中物理中，对于汽化热的定义是“某种液体汽化成同温度的气体时所需的能量与其质量之比，叫这种物质在这个温度下的汽化热”。限定词为液体、同温度、能量与质量比，那就可以调整为固体、不同温度、能量与质量乘积。

2.提出多个问题

在提出问题的过程中，为了保有问题的可选性及提出问题本身的开放性，所以必须依据调整内容提出至少三个问题，才能让学生有所选择。例如，“某种固体汽化成同温度的气体也叫汽化热吗”“液体变成气体一般是需要加温的，所以能直接变成同温度的气体吗”“液体汽化成同温气体所需的能量与其质量乘积是什么”。

3.撰写信息获取计划

在选定问题后，学生需要依据问题的属性，制定好信息获取计划：①选择可信度高、符合自己需求并且具备获得信息源条件的渠道。②选取能达到自己目的的信息。③排除逻辑不通、前后矛盾的信息。④选取对自己最有用、发表时间最近、最多人引用的信息。⑤将所选信息按性质、主题、信息渠道进行编号分类，并建立索引目录。

4.选取有研究价值的问题

每个人的时间及精力都是有限的，不可能对每一个问题都进行深入研究，所以只能选取研究价值最高的问题投入资源。一般而言，问题的普遍性、影响力大小、是否适合自己水平、自己是否具有解决问题的专业资源、工具、材料等，都可以作为自己选取问题所考虑研究价值的范畴。例如，对中学生而言，在观察“盐是不是会因为加热而变成气体”的研究问题中，每位学生的家里都有盐、铁勺、瓦斯炉，也就是大家都具有足够的研究工具、材料，故该问题对中学生而言，就是研究价值高的研究问题。

5.进行书面论证

其指学生提出一个科学问题或观点，使用事实证据、理论依据、推理和反驳形成支持自己主张的证据，其中必须以清晰、详细、精确的科学语言说明核心概念、研究设计、研究过程的调整次数及方式、研究结果。

三、中学生科研能力培养的实践案例

为避免科研能力的培养选题过度聚焦课外拓展而造成仅是少数尖子生的“专利”，并协助更多的学生能更好地打下“学科基础”，本研究的实践案例选题皆聚焦于具普适性的学科基本概念、基本定理、基本公式。

（一）数学

选取高一数学中的函数模型定义进行实践，因为函数知识主要针对日常生活中普遍存在的成本最低、利润最大、产量最高、效益最好、用料最省等实际问题进行归纳转化，并且是跨越初高中的数学知识，因此该范围主题是学生既熟悉也实用的。

依据函数模型提出“函数模型如何判断”“函数模型中的单调性、奇偶性及周期性”“函数模型的物理意义”三个问题，并对这三个问题的解决进行选取，发现函数模型中的单调性、奇偶性及周期性问题是多数高中学生初学函数时的难点，具有普及性，该研究具有较大的影响力，因此暂定研究该问题。

在信息获取计划中，决定以课本、高中数学知识清单、知网论文为三大可掌握的研究材料。其中，课本主要看定义说明、典例与图表；知识清单重点看知识解读、定义、典例；知网论文重点搜寻“中学函数”。在进行材料研读后，发现函数的单调性、奇偶性、周期性涉及指数函数、对数函数、幂函数、一次及二次函数、反比例函数与三角函数的概念，具有足够大的知识跨度，适合进行数学研究，因而调整研究选题为“函数的单调性、奇偶性、周期性的图形变化”，在进行研读后，提出一个观点“函数的图形常用于变化描述中，单调性表示上升或下降、奇偶性表示对称的方式、周期性表示循环的方式”。

在高中数学知识清单中，见到增函数及减函数的比较图中，增函数为上升、减函数为下降，并且发现定义中的三个必要条件，一是在一定区间内，二是任意两组x与y中，三是较大的x所对应到的必是较大的y，都要符合全部上升或全部下降的规律；在常见函数的奇偶性比较表中指出反比例函数都为奇函数、二次函数的b=0时为偶函数，并发现其图形确实分别为原点对称及y轴对称；y=Asin(ωx+φ)函数以五点法作图后，是一种会由起始位置开始上下波动，并回到起始位置的间谐运动，从图上可知该运动是一种循环的方式。

在提出反证的过程中，发现单调性无法推翻，并且发现了三个必要条件都是缺一不可的，没有一定区间的限制就可能同时存在增减函数，没有任意两组及xy的必然对应关系则违背函数的映射概念；以各种符合条件的反比例函数及二次函数进行列表法作图，或是将函数中的sin改为cos或tan都无法推翻原论点。

（二）物理

选取高一物理的牛顿三大定律进行实践，是因为该定律出现在高中物理学习的开始，并且涉及高中物理的必修一、选修1-1、选修2-2、3-4。在生活中，力学又是物理中最直观、最常使用到的知识，不论是走路、骑自行车、开车，几乎所有的交通工具，都离不开牛顿的三大定律。因此，该范围主题是学生从初中开始既熟悉，并且也实用的。

依据牛顿三大定律提出“跳高的受力分析”“在固定的力作用下，是否质量无限小时，加速度就无限大”“胖子对瘦子彼此各挥出一拳，并且力气一样大，会怎么样”，并对这三个问题的解决进行选取，发现“跳高问题”是贯穿初高中的物理问题，并且在生活里能轻易见到，该问题比较直观，并且具有普遍性，该研究具有较大的影响力，因此暂定研究该问题。

在信息获取计划中，以高中数理化概念公式定理手册及知网论文为研究材料，其中前者主要看定义及典型例题，后者主要看定义、总结、实验等内容，在进行材料研读后，发现牛顿三大定律在高一涉及运动的描述、匀变速直线运动、曲线运动、机械能守恒定律，都是宏观情况下的观察，对学生而言比较容易理解，也比较有意思。因而调整研究选择为“对跳高与胖瘦两人挥拳情境中，综合所涉及的五个相关知识，进行整合性叙述”，并且在研读材料后，提出了一个观点“在以地面为参考系，运动员70kg的跳高运动中，起跑处至起跳处为5m，其中跑了2s暖身的初速为3m/s，之后加速至15m/s，共产生了6m/s2的加速度，而下踩的力为自身质量乘以重力单位70×10=700N，接着以朝跳高杆略倾30度起跳，做斜抛运动。下踩力700N及惯性力为向前的70×6=420N构建向量平行四边形，算出合力为斜上的1120N过杆，跳至最高点为离地两米时的势能为700N×2m=1400J，落到离地50cm的软垫上的动能为1400-700N×1.5m=350J，完成了机械能守恒的势能向动能的转换。

在通读完高中物理材料后，发现准确的运动描述必包含运动方向、参考系、时间及位移；匀变速直线运动指考虑初速及末速，以匀加速或匀减速方式，沿着一条直线进行运动；曲线运动是指运动轨迹是曲线的运动。依据“抛”的方式不同分成平抛或斜抛运动、轨迹为圆周或圆弧的叫作圆周运动；机械能守恒定律是在只考虑重力或弹力做功的系统中，动能与势能可以相互转化或转移，并且机械能的总和是不变的。

在提出反证的过程中，发现并未提及起跑至起跳时的时间，但提出了跑了2s暖身的初速度，在2s暖身的过程中也是匀加速直线运动，算出加速度为1.5m/s2，代入匀变速直线运动公式后0.5×1.5×22=3m<5m，代表暖身距离足够，再将剩余距离2m代入公式后，得到耗时约为0.12s。将下踩力700N依据牛顿第三定律的作用力=反作用力，确实可以构建出向量平行四边形，其余计算也都没有问题，仅能说明该选手具有强大的肌肉爆发力，但无法推翻该观点。

（三）化学

选取化学反应的热效应以及化学反应速率与化学平衡进行实践，因为这一部分在初中研究化学反应速率与高一第六章化学反应与能量中都有涉及，并且计算反应热焓变也是高考的必考项之一。此外，该章的内容比较容易应用到生活实际中，例如在泡咖啡时为什么凉水没有热水化得快，或者有些放热反应为什么会消耗能量的问题。

依据这一章节内容提出“热化学方程式与化学方程式是否有区别？”“吸热反应与放热反应的区别”“影响化学反应速率的因素”等三个问题，并对这三个问题的解决进行选取。发现化学方程式与热化学方程式是有区别的，并且影响化学反应速率的因素有四种以及吸热放热反应的判断，是中学生在热效应这一章节的基础，具有广泛性与普遍性。这几个问题同时也紧扣之后较难的一些化学问题，如盖斯定律等。

在信息获取计划中，以高中化学课本人教版与化学学霸提分笔记为研究材料，其中以课本定义为基础，以教辅的重点标注解读为辅助，发现化学方程式没有气体与沉淀的符号，应标明焓变以及状态符号，在进行计算时，须注意化学计量数可为分数，化学计量数与H需同时加倍；在吸放热反应能量变化中，吸热反应能量增加，放热反应能量减少，且吸热反应焓变大于零，放热反应焓变小于零，吸热成键放热断键；影响化学反应速率的因素有压强温度、浓度以及催化剂。

结合概括内容，提炼了“化学反应速率，可以通过自身因素影响”的观点。在化学提分笔记中，通过核心知识归纳发现影响化学反应速率的因素，有外界条件的影响和自身的因素，而自身的因素是主要因素，故反应物本身的性质是影响化学反应速率的决定因素。通过实验：准备AB两组实验，材料有水杯、氯化钠和水，准备盛有相同体积水的水杯（保证外界因素不变运用控制变量法），然后分别在AB水杯里放入相同质量的氯化钠，A组为小颗粒，B组为块状，最终发现A组反应的速度更快。于是总结出化学反应速率与物体的状态，也就是内部因素有关。运用反证法，不论是将氯化钠改为泥土或是糖，都无法推翻这个原论点，证明该观点成立。

在中学生科研能力的练习中，笔者发现学生的“难度感受”下降、“学习兴趣”上升，并且加深了学生自身对于数学、物理、化学的理解，同时也建立了学生的科研模型，为其科研能力的培养打下良好基础。

在研究选题过程中，学生经历了研究方向的初选、研读材料、调整研究选题，并且能以整体性观点，基于自身感兴趣的问题实践角度看待高中数学及物理，在提升自身的数学及物理的跨章节直观感受上有很大提升，仿佛瞬间打通了高一数学、物理的“任督二脉”般，觉得定理、公式都被兴趣给“串”了起来。

在进行观点提炼及概括内容的过程中，学生不断依据选取范围中的内容，进行逐字逐句修改，数学及物理的表述能力得到了极大提升。在反证过程中，要对自己提出的观点找到漏洞，进行反证，虽然答案都是“无法推翻”，但在尝试推翻的过程中，学生深度思考所涉及的知识点，对知识的理解深度又加深了很多。