基于教学对科学探究的研究

喻佳俊

（北京市怀柔区第二小学，北京 101400）

引 言

科学探究既是学习目标，又是学习方式，是学生学习科学的中心环节。笔者基于教学对科学探究的研究内容总结分析如下，以供参考。

一、科学探究的内容标准

科学探究涉及观察、提问、预测、查资料、设计方案、实验验证、收集数据、得出答案和交流结果[1]。2001年，中华人民共和国教育部制定的全日制义务教育《科学（3～6年级）课程标准》提出了科学探究内容标准框架图和科学探究的具体内容框架，分别由认识科学探究的八个方面进行了具体内容标准的阐述（图1和表1）。科学探究具体的内容标准可以详见《科学（3～6年级）课程标准》。

图1 科学探究内容标准框图

二、科学探究的基本特征

小学科学课程倡导科学学习要以探究为核心。探究式学习不仅在研究过程和研究方法区别于其他学习模式，还有自己的基本特征。美国《国家科学教育标准》中提出了课堂探究的基本特征，这五大特征包括：

①学习者围绕科学性问题展开探究活动；②学习者要优先考虑证据，证据可以帮助他们解释科学性问题并对提出的解释予以评价；③学习者要从证据中提炼，对科学性问题做出回答；④学习者通过比较其他的解释，特别是那些体现出科学理解的解释，来评价他们自己提出的解释；⑤学习者要交流和论证他们所提出的解释。科学研究是从具有科学性的探究问题出发，运用观察、实验、记录和调查研究找到证据，并运用证据进行解释、评价解释，之后比较解释，从而构成了科学教育一系列重要的教学过程。科学教学要围绕这五个特征展开，可根据实际情况进行调整。

三、科学探究的研究程度

笔者结合自身长期的科学课堂一线教学经验发现，探究式科学学习已深入到日常的科学教学活动。科学教师经常会采用探究的研究方式进行科学教学，学生也会想到使用科学探究的方式进行学习，但是科学探究的效果、程度都不同。

美国《国家科学教育标准》中不仅提出了课堂探究的基本特征，还根据提出的具体指导程度不同，进行了划分。根据探究比重可以将探究划分为“部分”性探究和“完全”性探究，根据教师在探究活动中对学生行为的控制程度划分为“指导”性探究和“开放”性探究。探究活动中五个基本特征没有满足就属于“部分性”探究，在探究活动中教师的控制程度多就属于“指导性”探究，在五个特征中自主的程度越多就越开放。表1展示了探究的五个基本特征，并对探究程度进行了划分，越靠近左侧学生自主探究的程度越高，越属于“开放性”探究，越靠近右侧学生自动探究的程度越低，越属于“指导性”探究。

表1 课堂探究的基本特征和探究性程度

四、科学探究的基本过程

虽然，在我国的《科学（3～6年级）课程标准》和美国的《国家科学课程标准》中，都分别提出了科学探究的内容框架和基本特征，但是，在实际的科学课程研究及操作中并没有对于科学探究的形式进行统一。而且，各家的研究也都有自己的表述和方式。2002年，国际科学教师教育协会年度会议的会议报告中提出了科学探究过程模型图，它是随机选取了10年间出版的40本英语国家的科学教科书，包括20本生物、5本地球科学、5本化学、5本物理，还有5本较为初级的科学教材，以及对52名科学研究者的访谈的基础上提出的[2]。通过大量的资料发现，根据对科学探究的表述和解释不同，可以将科学探究过程分为三种类型，分别是单向式科学探究、循环式科学探究、网状式科学探究。

1.单向式科学探究

大多数研究中都提出科学探究的过程是直线单向的，将科学研究的方法和步骤分为几个步骤，研究逐步进行。例如，前面提到的我国的科学课程标准和美国国家课程标准，活动形式基本属于直线单向形式的可续探究模型（图2）。这样的模型优点是活动清晰明确，有利于进行结论或结果是一个确定答案或结论的研究。在规定时间内的研究中便于使用，但不利于“开放性”研究和发散性思维的培养，形式不够灵活。

图2 直线单向的科学探究

2.循环式科学探究

在实际的教学中，往往会出现设计之初预想不到的新问题或新的研究策略等。所以，在教学过程中会围绕着核心问题，进行不断的探究活动，新问题和新的发现又会产生新的探究活动，从而使探究活动不断深入，这就是循环式探究。在循环式的科学探究活动中，新问题的诞生往往需要探究活动的往复，各步骤和问题之间也往往会用双箭头表示联系，这样更有利于学生科学素养的形成与发展，有利于提高学生的探究能力，并且这更像科学家针对问题进行的探究活动。所以，在国内外有很多的研究者都提出了循环式的科学探究过程或者模型。

陈琴和庞丽娟的循环式科学探究是由问题出发，进行假设从而检验求证假设，在检验求证中产生新的假设，最后得出结论并进行交流，并在这个过程中产生新的问题，产生新的探究活动，从而形成循环式的科学探究（图3）。

高霞的模式也属于循环式探究，她的探究活动同样由问题出发，之后做出假设制订调查计划，获取证据、解释证据进行交流，并在解释中产生新的科学问题（图4）。

国外循环式科学探究模式的代表有Barbara Y. White和John R. Frederiksen，他们的探究模式由五部分组成，其特点是在科学探究中提出了模型（图5）。

图3 循环式的科学探究（陈琴 庞丽娟）

图4 循环式的科学探究（高霞）

图5 循环式的科学探究（White John）

3.网状式科学探究

在具体的实际教学中，探究活动往往不是简单地进行逐步循环。可能其中的某一环节会与另外一个未紧接着进行或未与之前的某些探究活动相联系，于是就有了网状式的科学探究活动。网状式探究活动与之前两种探究活动过程相比更具操作性，更体现了科学探究各环节之间的联系性，具有启发教师组织科学探究教学设计的功能，体现了科学探究和科学实践的本质，体现有关问题解决、批判思维、决策和科学过程的相关要求，与建构主义的学习理念相兼容，支持合作学习和主动学习的学习策略[3]。同样，在国内外有很多研究者也提出了网状式的科学探究，如探究过程模型、操作模式模型等。

科学探究过程模型就是一种网状式的科学探究，探究中的所有活动都是由问题开始，通过一系列的活动解决问题，并且又在解决问题的过程中产生新的问题（图6）。

操作模型是由Haury，David L提出的，由相互关联的四个基础活动构成，分别是疑惑、收集数据、研究数据、做出联系。这其中渗透着很多对学生进行的科学探究技能的培养（图7）。

张建伟和孙燕青也提出了自己的科学探究模式，他们的模式同样是围绕问题展开的，其特点是探究活动可以依据研究情况进行问题的修订，从而改变设计和具体方法（图8）。

图6 网状式的科学探究（过程模型图）

图7 网状式的科学探究（操作模式图）

图8 网状式的科学探究（张建伟 孙燕青）

科学探究是一个复杂的研究过程，且不是僵化和固定的[4]。在科学课程的实施过程中，要根据具体的研究内容和研究目的进行设计，依据科学探究活动，灵活设计探究环节，从而促进学生综合科学素养的形成，尤其重要的是促进学生探究能力的发展。

五、科学探究的现实情况

自2001年中华人民共和国教育部制定《科学（3～6年级课程标准》至今，已经走过了15年的漫长历程。为了了解北京市怀柔区小学课程科学探究的实际情况，笔者分别使用了调查问卷、访谈和实践观察的方法进行了调查。

1.调查问卷中的发现

在对怀柔区科学教师的问卷调查进行分析的过程中发现怀柔区共有科学教师35人，被调查教师为24人，包括专职教师22人。其中，有71%的老师认为自己掌握课堂探究的过程和方法，并知道其方法论和认识论依据；25%的老师认为仅了解课堂探究的过程和方法，不清楚其方法论和认识论依据；只有5%的老师提出不熟悉课堂探究的过程和方法（见图9）。这些数据在一定程度上说明，怀柔区科学教师对科学探究的过程和方法有一定了解，但缺乏认识论和方法论的理论基础。

图9 北京市怀柔区科学教师对科学探究的理解层次

通过对怀柔区一所小学四年级一个班的51名学生进行的调查问卷中发现，有51%的同学知道科学探究是科学课使用的研究方法；有61%的同学能够正确指出科学探究是由观察提出问题开始；94%的同学能正确选出科学探究的过程（图10）。这些数据说明，学生通过一年的科学学习对探究还是有一定的了解的。但是，在问卷最后的探究性题目中，让学生设计研究计划和方法时问题比较突出，对被测学生有很大的难度。其中，在学生观察摆的结构基础上给出数据，进行分析和猜想的研究中，有29%学生没有填写，76%的学生有一些自己想法但是不全面和准确，仅有14%学生的想法较为全面并有科学性。这些数据在一定程度上表明，被测学生在观察比较、思考和表达等探究能力的不足。

图10 北京市怀柔区学生科学探究能力情况

2.访谈及观察中的发现

问卷调查之后，笔者又对一线科学教师、怀柔区科学教研员进行了访谈。在访谈的过程中发现老师们在日常的教学中或多或少都使用了科学探究的方式。但是，在备课的过程中往往会遇到探究活动不到位、学生探究兴趣不高、探究的效率低、没有针对性、不清楚探究的目的是什么等问题。同时，怀柔区教研员老师也提出区科学教师对科学探究的理解整体认知水平不到位，往往在教学中仅追求形式，学生的科学探究能力低，整体的科学素养有待提高。并且通过对学生的观察也发现，小学生对科学探究的兴趣点主要集中在做实验上，不善于思考问题，并且探究能力低。

六、科学探究的具体方法

科学探究的各环节展开有一定的逻辑顺序，各环节的研究要落到实处。

1.提出问题

提出问题在于让学生产生疑问，学生的疑问源于他们对事物的好奇、质疑或困惑等，对不知道的事物产生好奇，与原有的认知发生冲突时产生质疑或困惑[5]。

需要指明的是，提问通常包括教师提出的问题、学生筛选出的问题和学生自主提出的问题，每一种问题的提出均伴随着元认知知识的培养。此环节不仅指明了研究内容，使学生了解了探究方向，同时还有助于学生理解任务性质。

2.猜想与假设

猜想是让学生根据自己已有的知识经验，对事物现象的产生原因或变化关系进行的猜测，具有发散性。假设是对现象的假定性解释，或是对之后将要出现的结果所做的推测。它们不仅确定了探究的内容，同时促进了学生思维的发展，并开始了对元认知监控的培养。所以，在此阶段要充分引导学生结合已有的知识和经验对事物现象进行思考，并采用归纳、分析等思维方法进行加工。

3.实验方案设计

假设形成后需要进行验证。首先，要知道需要什么样的条件、该怎样做等问题，也就是要进行活动程序设计。这一环节不仅需要学生原有的元认知知识，还可以充分培训和发展元认知知识。

在科学探究中，依据研究问题的不同可以进行实验类方案设计、调查类方案设计和考察类方案设计。虽然，它们的形式不同，但内容相似。教师可以指导学生从程序设计、工具设计和人员设计三个方面进行思考，在程序设计中要考虑目的、方法、步骤、结果、结论等；工具设计中要制定研究使用的工具、仪器和材料；最后要对小组成员的任务进行安排，如设计实验员、仪器员、记录员、观察员和记录员等。

4.验证实验方案

验证方案的实施过程就是收集证据，以对科学假设证实或证伪的过程。验证方案设计完成后，要实施才有意义，学生要依据验证所得出的结果对假设进行论证。假设无论是真是假，都要依据证据来说明。

在科学探究活动环节中，通常会采用实验验证、资料收集等方式或方法进行研究。无论选用哪一种，都要引导学生对设计方案进行不断的修整和调整，以得出问题解决的科学认识，帮助学生培养和发展元认知监控，特别要注意的是活动中要求学生操作要规范。

5.描述与解释

描述是对客观事实的反映，描述的内容是验证方案实施后的结果。解释是利用已有的知识经验，对所收集的证据进行思维加工，对事物的变化原因、联系及发展规律进行合理说明[6]。此活动与设计实验方案相对应，在探究活动中要引导学生运用不同的方式如语言、文字、图片等先对客观事实进行描述。

6.表达与交流

表达是指学生把探究内容、过程和结果用语言或者文字等形式表现出来。交流是人与人之间的沟通过程[7]。此活动是群体间对调控学习的促进。

所以，在本环节，教师要引导学生用自己熟悉的、喜欢的、尽可能多样的方式介绍自己的研究过程和结果。在此环节中，要引导学生从目的、方法、工具和材料的使用、步骤、结果、结论等几方面进行介绍。并且，反思自己的研究过程，将探究的结果与探究开始时的假设进行比较。

结 语

基于教学对科学探究的研究非常必要，通过对科学探究的内容标准、基本特征、研究程度、基本过程、现状等方面进行总结，能够加深对科学探究的认识，有助于形成正确的思维方式，体验科学探究的乐趣。

[1]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.科学探究与国家科学教育标准——教与学的指南[M].罗星凯等译.北京:科学普及出版社,2004:8.

[2]蔡彩虹.国外几种科学探究模型评价及启示[J].化学教学,2006,(09):28-31.

[3]王国凤,叶宝生,李长征.多元化小学科学教育的理论与实践[M].北京:首都师范大学出版社,2015.

[4]艾伦·查尔默斯.科学究竟是什么[M].河北科学技术出版社,2010.

[5]周青.科学课程教学论[M].科学出版社,2007.

[6]约翰·杜威.我们如何思维[M].新华出版社,2010.

[7]罗纳德·G·古德.儿童如何学科学:概念的形成和对教学的建议[M].人民教育出版社,2005.