第一章科学中的探究与科学课堂中的探究

1第一章科学中的探究与科学课堂中的探究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。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。（《国家科学教育标准》P25/P30）正如《国家科学教育标准》（美国国家研究理事会1996年发布）指出的那样：尽管学生是使用探究法学习科学知识，而科学家是在努力增进人类对自然界的了解，学生和科学家所从事的活动和思维过程有许多相同之处，当然，力图将探究引入课堂的教育工作者，对科学家从事的活动与思维过程并不总是很熟悉的。本书通过对科学中的探究和科学课堂中的探究的描述，揭示科学教育中探究的方方面面。借助举例和讨论，本书还展示师生怎样通过探究来学会做科学，并从而了解科学本质，以及学习科学知识。探讨这个问题，我们这样来开始：将一位科学家的研究工作与科学课堂的探究活动进行比较。本章的故事做个引子，后面分许多主题来谈。旁边有注解，说明在科学上和科学课堂上的探究中都至关重要的一些方面。科学探究“/”前面的页码系指在英文原著中的页码，“/”后面的系在科学技术文献出版社出版的中译本上的页码。进行观察表现出好奇，从已有知识背景中提炼出问题使用技术和数学方法收集证据利用已前的研究一位地质学家绘制华盛顿州的海岸矿产图时，惊讶地发现了一片死亡的西洋杉树林。树木大部分仍直立在地上，但明显已死了好多年了。在俄勒冈州和华盛顿州其他几处海岸边，他也找到了类似的直立着的死树林。他感到奇怪：“是什么导致了大面积树林死亡呢？”他仔细地考虑自己所知道的有关地震、地壳板块边界及海岸线塌陷等方面的知识，以寻求可能的解释。他提出了一串问题，“这些树是同时死亡的吗？”，“这与附近的火山活动或生物学上的某种枯萎病有关吗？”，“既然是发生在沿海地带，是否与那咸咸的海水有关呢？”为了解决第一个问题，地质学家用C-14放射性探测法测出了这些树的年轮，发现它们都死于300年前。至于树木死亡的原因，在绘图的过程中找不到这些地区广为存在火山沉积物的证据，更为重要的是这些树木没有被烧焦，仍直立着。经仔细检查也没有发现曾发生过虫害的迹象。地质学家开始考虑，可能是海水毁灭了这些树木。他回想起，1964年发生了较大的潜没带地震，由于大部分处于太平洋下的一个地壳板块滑到了北美地壳板块的下面，而阿拉斯加州正位于北美地壳板块，结果其海岸大部分下沉到了海平面以下。地震造成海岸下沉，使阿拉斯加州几百公里海岸森林浸没在海水中，死掉了。地质学家知道，在华盛顿州和俄勒冈州海岸地带也存在类似的潜没带，正是它促使喀斯喀特火山形成。他想知道，是否300年前发生了一次地震，使得华盛顿州和俄勒冈的大部分海岸下陷，从而导致这些地方的树木被海水淹死呢？2提出可能的解释为了验证这种解释，他又搜集了更多的数据。他仔细检查了这片地区的沉积物。在从死亡之树林流向内陆的河流的河床里，他找到了保存完好的沉积物区域，在这里的泥土下面发现了一层沙子──它完全不像沙层上面和下面的那些土壤，那些土壤黑黑的，富含粘土。他纳闷，“这些沙子来自哪里呢？”地质学家知道，潜没带地震常会产生地震海啸，他想，这层沙可能是海啸期间冲刷过来的海岸边的沙子。果真如此的话，这会是一次较大海岸地震的有力证据。沙层中发现的化石表明：这些沙来自于海洋，而不是从内陆冲刷出来的沙子。这有力地支持了地震海啸假说。在证据的基础上发表自己的解释在同行会读到的几种科学期刊上，地质学家发表了几篇文章，提出假说：他在海岸边发现了死亡的树林和沙层，这有力证明了，这儿曾发生过一次较大地震，约300年前，刚好在欧洲殖民者到达该地区之前。（Atwater，1987;Nelsonet.al.，1995）考虑新的证据几年后，远在日本，一位地震学家刚好在研究历史上的潮汐强度记录。以证明一些遥远地方曾发生过的地震海啸。他证实，1900年1月17日，在太平洋边缘某处，发生过一次较大地震，但这次地震的原因还处在争议之中，历史记录排除了在太平洋周围众所周知的震源带发生很大地震的可能性。得知地质学家在太平洋西北部的死亡森林的发现，那位日本地震学家提出：这次海啸起因于一次大潜没带地震，这个潜没带位于现在的俄勒冈州和华盛顿州下面。（Satakeet.al，1296）添加解释地质学家现在有了更多证据支持自己的解释，即那层沙子是一次伴随地震而来的海啸的结果。进一步检查海岸沉积物，他又发现了一些更多的、更古老的死亡树林和沙层。他现在认为：像他最初证明的那次地震一样，在过去千余年间，产生巨大海啸的地震多次发生，一直在反复撞击太平洋西北海岸，就象这些大地震也在撞击位于日本、菲律宾、阿拉斯加及美洲西南大部地区下面的其它潜没带一样。地震引起海岸下沉，树木浸泡在海水中，于是死亡了。解释作为政策咨询科学研究有时能影响到公共政策，这位地质学家的发现也影响到了公共政策。公共官员详细研究了他的调查结论，对地震有了更深的理解，在此基础上重新修订了华盛顿州和勒冈州的建筑法，把对新建筑物抗震力的设计要求提高了50%。这个故事展现了科学探究的几个重要特征，即科学家注意到一个现象后，产生好奇心，然后寻求答案。无庸置疑，其它许多人也看到了这些死亡的树林，但是，他们或是对树木的死亡原因不感兴趣，或是无力寻求答案。地质学家利用地质学知识和关于树木及其生活习性的知识，将死亡的树木与其它环境特点，僻如位于海岸，相互联系起来。是这些问题引导他去调查研究。在研究中，他用C-14测量法断定树木死亡的年代，并搜集了他所能找到的有关这一地区地质方面的各种资料，在这些初步证据的基础上，他提出了对树木死因的解释，而且他还搜集了更多的证据来验证这一解释。然后，他发表文章，讨论他搜集来的证据与他提出的解释之间的关系。后来，远在地球另一端的一位科学家看到了这些文章，因为科学家们使用的描述方法和测量方法是通用的，所以他能够将这位美国科学家的发现与自己的进行对比。日本科学家获得的独立证据──1700年1月17日发生了海啸──更进一步支持了这一假设，即那次发生的潜没带地震导致了沿太平洋西北海岸众多树木的死亡。3人类探究的本质地质学家为理解自然界进行的这一探究，是人类探究本天性的一个很好的说明，正是这种天性使探究成为我们学习的有效途径。人生来就有好奇心，凡是观察过新生儿的人都知道这点。孩子出生后就一直在使用试误的方法，认识周围世界。当面对新环境时，无论大小还是小孩，都试图确定正在发生什么，以后会怎样。通过观察和收集、汇总及分析信息，我们对周围世界加以思考。我们开发并使用一些工具来测量、观察和分析信息，建立模型。对那些我们认为将会发生的事情，我们核实又核实，并将它与我们已知的情况进行对照，我们根据所获得的新知改变自己的看法。以上一系列复杂的思维能力帮助早期的人类获取食物和逃避危难，这就构成了高度发展的我们称之为探究的能力。在近代人类的历史上，有些人已不再考虑糊口和生存方面的问题，而是把好奇心转向了诸如天体运动、季节变迁的原因、物体运动情况和生物起源等等问题。唯有人类才会对这类问题感到好奇。人们研究这些现象、提出假说并给以解释。人们之间交流自己的假说、思想和观念，从而形成了方法、规则、标准和知识这些我们今天认定为科学的东西。对自然的探究有许多种形式。从一个小孩想知道蚂蚁如何在地下生活，到一组物理学家探寻新的粒子，都可称为探究。同样，课堂中的探究也有多种形式，本书后面将要谈到这一点。然而，不管课堂探究的确切形式如何，它在教育中扮演的角色正引起人们越来越多的关注。今天，科学发现正在越来越深刻地影响整个世界。人们必需作出决定，并评估这些决定，这就需要仔细地提出问题、寻求证据并进行批判性推理。那种将注意力放在向学生灌输已有知识的学习气氛不可能促进学生的探究，相反地，强调探究性学习要求我们思考我们所知道的、为什么知道以及怎样才能知道。在《国家科学教育标准》中，探究处于核心地位。这一标准敦促教师根据孩子们天生的、人类共有的好奇心构建课程、教学和评估的模式。这样，教师可帮助所有学生理解科学是一种人类努力探究的事业，并帮助他们获取日常生活中必须具备的科学知识和思维能力，以及一旦学生们选择从事科学事业的话，也有助于他们成功。科学课堂中的探究要了解学校科学教育中怎样进行探究，去参观正在进行科学探究实践的班级，不失为一个相当好的办法。下面讲的是一个特定班级的情况，但是，正如本书展示的那样，课堂探究能够在所有年级中开展。旁注标明探究进行的一些方面的情况。表现好奇，从现有知识中提出问题格瑞哈姆小姐在五年级任教，秋天，学生们体假一天后返回学校，她班上有几个学生很兴奋，他们将老师拉到窗前，指着外面说：“操场上那几棵树怎么哪？我们发现它们有些变化。”格瑞哈姆小姐不明白学生的意思，于是说道：“告诉我你们的意思是什么。”学生们指着并排长着的三棵树，一棵叶子掉光了；中间那棵树叶子的颜色参差不齐，但主要是黄色；第三棵树叶茂密苍翠。学生们问道：“为什么这三棵树会有这么大的不同呢？它们过去看上去不都是一样的吗？”格瑞哈姆小姐也无法回答他们。格瑞哈姆小姐知道，按课程计划，她的班级要到这一学年后期才开始学习植物，不过她认为这正好是他们去调查植物生长情况的机会，由于问4题是学生们自己提出来的，所以会特别激励他们去寻求答案。格瑞哈姆小姐不能断定这样做到底会有什么结果，但是，她还是决定冒一次险，让学生在她的引导下进行调查。毕竟他们有过一些经验，去年他们曾观察过种子在不同条件下的生长情况。于是，格瑞哈姆小姐将一张大牛皮纸挂在学生们都能看到的位置上，然后说：“让我们一起列张单子吧！把那些你认为有关外面三棵树差异产生的所有可能的解释都写在上面吧！”立刻，同学们纷纷举起了手臂，提出自己的解释：与光照有关；一定是太多水的缘故；这三棵树看起来不同，可过去它们看上去是一样的；秋季到了，有些树的叶子会比其它树掉得早一些；地下有有毒物质；三棵树年龄不同；有害虫吃树叶；一棵树比另两棵要老一些。当学生们认为已提出了足够多的观点时，格瑞哈姆小姐便鼓励他们进一步思考，在这些观点中，有哪些解释可以进行调查，哪些只是描述？然后，她请每一位同学挑出一个她或他自认为是正确的解释，并据此将学生分成小组，例如“水”组，“季节”组，“害虫”组等等。她还要求每一个小组制定计划并开展一次简单的调查活动，以弄清能否找到一些证据能回答他们的问题。当学生们制订调查计划时，格瑞哈姆小姐走到他们当中去，仔细听他们的计划，然后，她要求每个小组向全班同学解释他们的想法，这促使学生进一步提炼观点。使用这种迅捷、公开的现场评估，格瑞哈姆小姐能够帮助学生们思索自己对付问题的过程，促使他们考虑是否可能有更好的方法。接下来三周，科学活动的时间被划拨出来，留给学生们开展调查研究。各小组充分利用各种资源，搜集有关树木特性、生长过程及其周围环境的信息。例如，“相异年龄”小组很快就找到了问题的答案，他们与参与了操场上部分树木的种植的家长──教师协会成员取得联系，并且得到了购树的原始单据，然后，他们到苗圃去核实，结果发现这三棵树品种相同，购买时树龄相差无几。对这样的完成调查较早的组，格瑞哈姆小姐就请他们加入到尚未结束的小组中去。“水”小组决定：尽量每隔一小时就察看一下地面，他们轮流值日并连续记录下各人的观察。有些同学住得离学校较近，课后及周末就由他们继续观察。虽然没有做到每个小时都观察记录了一次，但他们记录的数据足够向全班同学报告：“没有叶子的那棵树几乎一直淹在水里；中间那棵有时淹在水里：那棵长满绿叶的树周围地面潮湿，但从来没有淹在水里。”有一位同学回忆说，几个月前，他妈妈种的天竺葵中有一株的叶子变黄了，妈妈告诉他，这是由于水太多的缘故。格瑞哈姆小姐给了“水”组一本小册子，名为《栽培健康植物》，是从当地苗圃那找来的。“水”组读了这本小册子后，明白了当植物的根部被水包围时，根部无法从周围的空间里吸取空气，等于是被水淹着。基于从观察和小册中获取到的信息，同学们推断：无叶的树被淹，中间那棵提出初步的解释或假说设计和实施简单的调查研究通过观察收集证据根据证据进行解释考虑其他的解释5