科学探究意义辨析及案例解读*

高嵩

(山东师范大学物理与电子科学学院 山东 济南 250014)

科学探究是我们进行课程改革的重要内容，但是对于科学探究如何定义及实施，却是随着时代的发展而变化的.在不同的历史时期，人们对“科学探究”的理解是不同的，如杜威、布鲁纳等人，他们关于科学探究的论述，都是基于当时的历史与社会环境，要解决的是当时科学教育中出现的问题.因此，今天的课程改革，就不能仅将前人的只言片语视为圭臬，而是应站在现实的角度，领悟历史的遗产对于当今科学教育的启示.本次席卷全球的课程改革从90年代初期启动，至今已有20余年，但从实际课程实施来看，教师并未将科学探究很好地贯穿于科学教育.调查表明，当提到“科学探究”时，教师更关注的是如“活动”、“过程”、“动手”等外在表现，认为学生动手操作，将必然地导致科学的本质的理解和知识的获得；或者有教师认为自己并不知道科学家是如何进行研究的，因此,在探究中不能给予学生合适的指导；更多的教师认为科学探究投入的时间、精力与结果不成比例，效率低下.其实，这些观点都是由于教师对科学探究理解的片面化而造成的.因此,我们将基于现实，追问当下科学探究的本质如何，并通过展示两个科学教育中的科学探究的实例，以澄清在课程实施中教师对于科学探究的错误认识，从而帮助教师真正将科学探究贯彻于科学教育的过程中.

1 科学探究的涵义辨析

1.1 “科学”与“探究”

仔细研读各课程标准的表述会发现，人们往往是在不同的语境下使用“科学探究”这个词的，如在我国初中物理课程标准中，就有着这样的几种表述[1]：

(1)科学探究是一种过程，“让学生经历科学探究过程，学习科学研究方法”；

(2)科学探究是一种教学方法或学习方法，“注重科学探究，提倡教学方式多样化”；

(3)科学探究是一种活动，如“通过参与科学探究活动，学习拟订简单的科学探究计划和实验方案”；

(4)科学探究是学习的目标，如“科学探究既是学生的学习目标，又是重要的教学方式”

(5)科学探究是学习的内容，如“《标准》中的‘内容标准’由科学探究和科学内容组成”；

(6)科学探究是一种能力，如“发展学生的科学思维能力，科学探究能力和解决实际问题的能力”；

(7)科学探究是一种理念，如课标要求“科学探究应渗透在教科书和教学过程的各个方面”.

由以上的种种表述可以看出，课程标准并不是将科学探究作为一种刻板的定义而给出的，而是在不同的语境中有着不同的意蕴，既有形而上的理念、目标，也有形而下的活动、方法，但无论哪一种表达，都具有两个要义，即“科学”与“探究”.

科学，是科学探究的前提.将“探究”前冠以“科学”时，是提示我们要保证探究一定是“科学”的.当我们衡量一件事物是否科学的时候，被分析的对象来自于3个层面,即科学的知识、科学的行动，以及科学的情感.首先，是科学知识.科学的最终目的是寻求对自然界及人类社会的具有普遍性和真理性的解释，其结论是可以被检验的，因此，在进行科学教育的过程中，应帮助学习者主动发展和构建自己的学科知识体系，以构成自己的自洽的知识体系,可以用科学的言语解释事物的发展变化，而非进行空想和臆断.其次，是科学的行动.当我们的活动被认为具有科学性时，意味着在活动主体与客体互动的过程中，主体不断针对客体的现实做出判断，并选择验证判断的方案，如观察、测量、实验、说明、推理等等，以保证思维及其成果符合逻辑思维的基本规律以及经验证据的充分和可靠.第三个方面是科学的情感，科学受到文化和社会价值观念的影响，当下呼吁科学活动不应盲从或屈服于权威，而应有根据地怀疑已有的成就，提倡一种内在的追求真理兴趣，而非以科学作为谋利的手段.

探究，是科学探究的承载形式.当人们提到“探究”的时候，根据其语境特征可以分为外显的探究活动和内隐的探究意识.根据建构主义理论可知，人们对于事物的认识，既非起源于一个有自我意识的主体，也不是起因于业已形成的,会把自己烙印在主体之上的客体，连接主客体的是结构，而结构随着活动的展开在不断发展变化.若新的结构更加合理，则主体认识客体的能力就会增强，反之，则会削弱.然而,结构是具有个体性的，因此，主张在教学中学生可以有更多的机会进行平等、自由地反思和交流，在现实中则表现为主体的表述、疑问和通过活动寻求证据，与他人交流等活动，当学生在学习中呈现这样一系列针对自己的理解而展开的活动时，就可以认为他正在进行着“探究性”的学习.因此，提倡在教学中师生都应具有尽可能教学探究活动的意识，并在教学过程中真正实施.

1.2 科学探究的意义及目的

正是由于“科学探究”有着诸多的哲学意蕴和现实意义，当提到“科学探究”的时候，人们便赋予它丰富的内涵，由此在各种语境中使用“科学探究”一词就可以理解了.在科技发展及科学教育领域，科学探究都有着重要的作用，因此，人们更关注的是应如何来“做”科学探究，将科学探究看作一种活动，于是这就有了美国国家科学教育标准对科学探究的两种描述，即“科学探究指的是科学家们用以研究自然界并基于此种研究获得的证据提出种种解释的多种不同途径”和“科学探究也指的是学生们用以获取知识、领悟科学的思想观念，领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动.”[2]当然，在科学教育中，“科学探究”更多的是指后者，即将科学探究视为一种科学教育的方式，关心的是如何将探究的“做”与探究的“学”联系在一起，希望学生在探究过程中,在内心中重新思考或回溯建立物理规律的过程，体验知识产生的过程，从而获得知识，并且还能领悟到科学家所表现的其他东西，如科学思想和科学方法.因此，科学教育标准中提出要利用科学探究的方式来进行学习的目的有两个：

(1)人们希望知识的获得，研究问题能力的提高，以及科学的情感、态度、价值观的建立等，可以通过探究来达到；

(2)探究必须是科学的，探究的过程必须符合科学行为规范.学生在进行科学探究的过程中习得科学行为规范.

1.3 科学探究应用于科学教育的特征

利用科学探究的方式进行科学教育，在课程实施中遇到的最大困难就是教师不知如何操作.因此,国内外学者提出了一些模式，如阿特金和卡普拉斯提出的学习环模式；乔伊斯提出的科学探究模式;Wise和Okey提出的探究-发现法模式;以及我国科学课教师普遍采用的基本基于课程标准提到的7项元素的科学探究模式,等等.无论哪种模式，当试图以一种固化的步骤进行科学探究时，人们发现“科学探究”就会显得教条和无聊，这是因为探究本身就是一种情境化、个性化的活动，思维的活跃与自由平等的交流是科学探究的特质，因此，无论是我国课程标准或美国的科学教育标准都强调不要将科学探究程序化、教条化.为了明确科学探究的意义，给教师的课程实施提供一个行动指南，美国国家研究理事会科学、数学及技术教育中心提出了科学探究应整体或部分地具有以下几个特征：

(1)学习者围绕科学性问题展开探究活动；

(2)学习者获取可以帮助他们解释和评价科学性问题的证据；

(3)学习者要根据事实证据形成解释，对科学性问题做出回答；

(4)学习者通过比较其他可能的解释，特别是那些体现出科学性理解的解释，来评价自己的解释；

(5)学习者要交流和论证他们所提出的解释[3].

由此，在课程实施中，不应纠结于科学探究有几个步骤，而应关注学生是否可以针对情境提出科学的问题，提出的解释及获取证据的措施是否具有科学性，在与其他人交流的过程中，其证据、解释和判断是否正确、合理.下面从对“摩擦力”一节的课堂教学案例的分析中进一步明确科学探究的本质含义.

2 科学教育中科学探究的案例分析

2.1 案例描述

在明确了本节课要研究的主题是“摩擦力”之后，教师请学生在座位上利用自己的方式感受摩擦力，并想办法减小和增大摩擦力，然后向同伴说明如何操作的.

学生甲通过拖动自己和同桌的书桌时的感受，证明摩擦力与物体的重力有关，重力越大，摩擦力越大；

学生乙以手推桌面为例，按桌面的力大小不同，在摩擦中受到的摩擦力也不同，来说明摩擦力应该与手按压桌面的力的大小有关.而这个结论也可以解释刚才的那个情境，因为越重的物体对地面的压力越大.既然都是研究摩擦力，它们应该用统一的方法去说明.

学生丙用自己的手以不同的速度摩擦桌面时的感受不同，说明摩擦力与物体运动的速度有关.

学生丁以用一个手指和用整个手掌去按桌面感受到的摩擦力大小不同，说明摩擦力与物体的面积有关.

……

学生纷纷表达自己的意见，并对同学的回答做出评价，展开讨论，但都不能有效地说服别人.教师表扬了学生这种实事求是的精神，指出科学家们在做出判断的时候绝不会仅仅凭自己的感觉，因为每个人的感觉或许会不同，还要通过较为精确的测量来说明问题.实验室能提供的测量力的工具为弹簧测力计，那么,在现有条件下，如何证明刚才的猜想呢？

学生们一时间难以将弹簧测力计与刚才的情境结合起来，教师提示在实验台上还有小滑块，是否可以用弹簧测力计测量滑块在桌面上受的摩擦力呢？学生受到启发，开始分别设计实验.

有的学生设计了研究摩擦力与压力间关系和摩擦力与接触面粗糙程度关系的实验，得到了“压力越大，接触面越粗糙，摩擦力越大”的结论.

也有学生进行了其他实验，将滑块侧着放，以研究摩擦力与接触面大小间的关系，发现侧放时滑块受到的摩擦力较小，因此,提出了“接触面越小摩擦力也越小”结论.另有学生要研究摩擦力与速度的关系，但是当快速拉动弹簧测力计时，示数突然变大，然后指针又弹回去，他们认为摩擦力与速度有关，但是感到很难将这种现象用话语表达出来.

教师与学生一起分析这些实验过程和结论是否合理.在实验结果上，对于第一组结论，学生一致认为是正确的，其他同学也做出了类似的结论，而且还可以从最初所做的小实验中得以印证.但是对第二组认为摩擦力与接触面积相关的结论提出了疑义，有学生发现实验所用滑块的底面与侧面粗糙程度也不同，摩擦力变化也许是因为粗糙程度的变化引起的.而对第三组的结论学生们争议最大，但是谁也不能说服谁.在辩论中，学生逐渐认识到，要说明影响摩擦力大小的相关因素，每次实验只能说明一个因素的影响，因此，其他量要保持不变，否则什么也得不出来.比如，将滑块侧放的时候，接触面间的粗糙程度和接触面积都改变了，这样就很难说清楚摩擦力大小变化的真正影响因素是什么.第二个方面就是在研究这个因素对摩擦力的影响时，其本身不能忽大忽小地变化，如用弹簧测力计快速拉动滑块，滑块的速度在变，摩擦力也在变，这样就说不清楚速度的大小对摩擦力大小的对应关系，这样，应以不同的恒定速度拉动物块.由此，学生意识到接触面积与运动速度大小对摩擦力的影响还需要进一步的研究.

2.2 案例说明

当教师希望用科学探究的方式进行教学时，常常遇到这样的困难，首先，学生如何能认识到科学的问题；其次，这项活动是否能真正促进学生学习；第三，学生活动是否科学.笔者与很多一线教师进行交流，他们认为除非学生事先读了教科书，否则，学生是难以合适地提出问题并进行研讨的.因此，真实的教学过程就不是按照提出问题、猜想与假设、制定实验计划、收集数据、分析与论证、评估和交流与合作的过程，而是如本案例展示的那样，最初是身体的感受，伴随着活动的展开，学生将由机体的感受与仪器(弹簧测力计)的指示建立起一一对应的关系，将具体的描述转变为抽象的表达，并为最终规律的建立奠定了基础，学生认识每提升一个层次，都会有相应的问题(或对现象的描述)与之对应，因此，学生对与摩擦力相关的现象也就认识的越深刻，对问题的表述也就越清楚，不断有新的问题提出，并且指向性也越强，学生对问题的描述也越合理，各个要素逐渐变得清晰.比如，本案例中，最终学生提出了“摩擦力是否与接触面的粗糙程度有关”，“物体运动的速度是否会影响它受到的摩擦力”这样明确的问题.

关于利用科学探究进行教学的有效性及必要性已从实践与理论诸方面进行了深入的研究和证明，但是教师如何保证学生的探究学习也是有效的？提供案例的教师感到，当学生通过参与并对于问题有了清晰的认识之后，学习的积极性和活跃性大为增强，并且也乐于将自己的观点与学友共享.而学生讨论过程中表述方式各异，有利于学生从各个角度思考问题，并最终形成了对所学知识的良好的认知结构.并且，让人满意的是，学生讨论过程中，为了使得其成果更好地为他人接纳，力求陈述自己的观点、展示自己证据的时候做到“科学”；意识到在科学探究的过程中观察、测量，以及有条理地记录数据的必要性；在下结论的时候会注意结论与过程及证据的契合性；同时，同伴间会适时地规范语言的描述和探究的行为.

通过这个案例，说明当科学探究真正在课堂上发生的时候，能够有效促进学习的发生，并有利于提升学生的科学技能和科学精神.当然，学生的探究活动得以顺利进行，与教师周密的准备和适时的引导分不开的，活动器材的配备、讨论话题的引导、活动的程序，都会体现出教师的授课艺术和专业水平.

3 教学中进行科学探究的几点要义提示

当下课程改革提出的“科学探究”，既非杜威提倡的在日常生活中进行的科学方法教育的探究，也非局限于学科结构内的少数精英的探究，其目标是提升全体学生的科学素养，因此，在兼顾共性与个性的前提下，如何使得学生构成一个围绕同一问题展开讨论，并使得每个学生都形成对某一类自然现象的科学解释才是根本.通过前面的理论分析和案例展示，在科学教育中利用科学探究的方法要注意这样两个方面.

(1)探究过程是非线性的.问题、操作和方法是科学探究的三个基本要素，而问题处于核心地位，同时这三者之间不是孤立的.在科学探究开展的过程中，也不是按照提出问题，选择方法，进行操作，问题解决的时序进行的，而是随着探究活动的逐步展开，主体对认识对象的认识逐步深入，会不断有新的问题产生，在问题的引导下，学生需要对现状进行判断、推理，选择方法.认识主体对于情境的认识程度决定着他选取怎样的方法，进行怎样的操作.因此，虽然许多人期望能够有一种可以照着做的程序来实施科学探究，但科学探究的情境性和发展性决定了这是一个没有确定程序的过程.教学过程是否进行了科学探究，不在于是否做了实验，是否包含着几个要素，而在于过程的内涵是否符合科学探究的标准，也正因为如此，各国课程标准都没有给出科学探究的确切定义.

(2)要根据探究的内容选择合适探究目标.前面案例展示的是一个典型的、面向规律的科学探究教学过程，即探究的目标是获取某一定律或原理.而在课程标准中还有一类科学探究——面向解释的探究科学，其目标不是要形成一种理论，而是一种解释，其结论是开放的，如对农谚“下雪不冷化雪冷”的解释.在教学过程中往往只关注了第一类探究，而忽视了第二类探究.但正是第二类探究由于形式更自由，内容更广泛，能够更好地提升学生科学联系生活、联系社会的意识，提升其批判意识更有意义.当然，在当下许多教师反映课时紧、教学任务重、学生的兴趣并不统一等现状，因此,可以考虑利用校本课程或课外活动的方式，在常规课堂之外为这些具有探索精神的学生提供研究的机会.

(3)科学探究并非唯一的科学教育手段.我们要明确科学探究是学生学习科学,提升科学素养的有效途径，而非唯一途径.当下有些教师积极响应课程改革的理念，于是言必称探究，产生了科学探究是学习科学的唯一途径的错误认识.但是学习科学，要使学生可以有效利用科学理论分析解决生活、生产的问题，学生仍旧需要进行诸如操作性的、程序性的训练，一些科学的表述，学生仍需通过教师的讲解才可以领会，通过反复记忆，对于科学理论的表达才符合规范.因此，如何将科学探究与其他方式更好地结合，通过多种教学方式的结合，使得学生时时处于一种充满了探究的乐趣，不断感受到自己科学能力的提升，并乐于投身于对隐藏在纷繁复杂的自然现象的表象之下规律探索的事业中去，并乐于为提升人们的生产能力，改善人们的生活水平而努力.这才是我们在当下讨论“科学教育中的科学探究”的意义所在.

参考文献

1 中华人民共和国教育部.全日制义务教育物理课程标准.北京：北京师范大学出版社，2001

2 National Academy of Sciences.National Science Education Standards.Washingten. DC, 1999.23

3 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.科学探究与国家科学教育标准——教与学的指南.北京：科学普及出版社，2010.9,24