7科学探究能力及其培养

第七章中学生科学探究能力及其培养现代科学教育观认为：科学教育除了科学知识的传授和技能的训练外，还应重视对学生探索兴趣及能力、良好思维习惯与创新意识等的培养，科学教育要从强调科学知识获取向理解科学过程转变，从强调单纯积累知识向探究知识转变。科学教育的目标越来越强调培养学生的科学素质和探究能力。近年来，把提高学生的科学探究能力作为科学教育的主要目标已得到国内外教育工作者的广泛认同。围绕着培养学生的科学探究能力和创新精神，很多发达国家和发展中国家已经开始或提倡以科学探究为主的多元化学习方式，并且形成了以探究学习、探究教学及提高学生科学探究能力为核心的教育研究和教育改革热潮。在科学教育中引入科学探究，促进学生进行探究性学习，有利于学生理解科学知识、培养各方面能力、提高学习积极性和求知欲等等。第一节科学探究和科学探究能力一、科学探究的涵义按照我国的《汉语大词典》的解释，探究是指“探索研究”，即努力寻找答案、解决问题。《牛津英语词典》对探究的解释是：求索知识或信息，特别是求真的活动；是搜寻、研究调查、检验的活动；是提问和质疑的活动。广义的探究泛指一切独立解决问题的活动，是人类的天性，存在于我们生活中的方方面面。狭义的探究专指科学探究或科学研究。美国学者韦尔奇等人曾对此作了简单的说明：“探究是人类寻求信息和理解的一般过程。从广义上说，探究是一种思维方式。科学探究是一般探究的‘子集’（Subset），它的对象是自然界，是在某种信仰和假设的指导下进行的。”即科学探究是对自然界的一种有理论指导的探究。关于科学课程中的科学探究的涵义，美国的国家科学教学标准给出了比较详细的说明：★探究是一种多侧面的活动，需要做观察；★需要提出问题；★需要查阅书刊及其他信息源以便弄清楚什么情况已经是为人所知的东西；★需要设计调研方案；★需要根据实验证据来检验已经为人所知的东西；★需要运用各种手段来搜集、分析和解读数据；★需要提出答案、解释和预测；★需要把研究结果告之于人。探究需要明确假设，需要运用判断思维和逻辑思维，需要考虑可能的其他解释。我国的《普通高中物理课程标准解读》中提出:★科学探究是一种学习方式，是学习目标，也是学习内容。★从学生的角度来看，科学探究是一种学习方式，学生在科学探究活动中，通过经历与科学工作者进行科学探究时的相似过程，学习物理知识与技能，体验科学探究的乐趣，学习科学家的科学探究方法，领悟科学的思想和精神。★科学探究方法是一种程序性知识，学生对探究方法的掌握以及对探究意义的认识，都有一个系统学习和不断加深理解的过程，是物理课中的重要教学内容。二、科学探究能力的界定指学生在物理课程学习中的自主学习方式和学习过程，即能从日常生活、自然现象或实验现象的观察中发现与物理学有关的问题，并且能通过提出问题、调查研究、动手实验、表达与交流等探究性活动，获取知识、技能和方法。科学探究能力是保证学生顺利完成探究性活动的心理特征。它具有以下六个主要特点：（1）科学探究能力表现在学生进行探究性学习的活动中，并在活动中得到发展。（2）科学知识和探究技能是有机结合的。（3）探究活动具有外显性，探究过程中有可以看得见的环节。（4）探究活动的进行具有灵活性和协调性。（5）科学探究活动具有集体性、合作性和交流性，是一种集体性的协作活动。（6）探究活动具有循序渐进性。我国的物理课程标准指出，科学探究过程包括七个要素：提出问题猜想与假设制定计划与设计实验进行实验与收集证据分析与论证评估交流与合作学生在进行科学探究时，其过程可以涉及所有的要素，也可以只涉及部分要素。物理实验和科学探究不仅是物理教学中的重要内容和学习方式，也是物理教学中的教学目标。《高中物理课程标准》对科学探究及物理实验能力提出了明确的要求。科学探究要素科学探究及物理实验能力要求提出问题能发现与物理学有关的问题从物理学的角度较明确地表述这些问题认识发现问题和提出问题的意义猜想与假设从解决问题的方式和问题的答案提出假设对物理实验结果进行预测认识猜想与假设的重要性制定计划与设计实验知道实验目的和已有条件，制定实验方案尝试选择实验方法及所需要的装置与器材考虑实验的变量及其控制方法认识制定计划的作用进行实验与收集数据用多种方式收集数据按说明书进行实验操作，会使用基本的实验仪器如实记录实验数据，知道重复收集实验数据的意义具有安全操作的意识认识科学收集实验数据的重要性分析与论证对实验数据进行分析处理尝试根据实验现象和数据得出结论对实验结果进行解释和描述认识在实验中进行分析论证是很重要的评估尝试分析假设与实验结果间的差异注意探究活动中未解决的矛盾，发现新问题吸取经验教训，改进探究方案认识评估的意义交流与合作能写出实验探究报告在合作中注意既坚持原则又尊重他人有合作精神认识交流与合作的重要性三、科学探究要素水平的分类在探究能力的评价方面，英国国家科学课程标准根据学生的心理特点和个性差异，将学生科学探究能力的达成目标分成9个水平。根据我国物理课程标准对科学探究及物理实验能力提出的要求，结合我国的实际情况和学生的个性心理特点，在评价中学生的科学探究能力水平时，从考查科学探究过程的七个要素的水平出发，制定中学生的科学探究要素水平的六个等级：水平1：学生能够通过对日常生活、自然现象和实验现象的观察，提出自己的看法，并做简单的预测。能按要求用一些简单的仪器和工具来收集数据，如用刻度尺测量物体的长度；用温度计测量温度；用天平测量质量等。能在教师的帮助下进行合理的实验，并能简单解释为什么实验是合理的。能用一种方式(表格、图示或图像等)简单记录实验结果，对观察和测量的结果做出简单解释。能说出实验中发现的问题，用口头方式向同学表述自己的解释。水平2：学生能够通过对日常生活、自然现象和实验现象的观察，提出与物理学相关的问题，并用自己的语言进行口头或书面的简单描述。会形成可以用实验来检验的假说；能尝试通过控制变量，设计合理的实验，在实验过程中能描述和表现出怎样保持其他因素相同而改变一个因素，选择合适的仪器进行观察和测量。能用表格和图示清楚地呈现观测的结果，初步地标记一些点绘制简单的图。能利用收集的数据，为所探究的问题提供一个合理的解释，将结论同科学知识和理解建立联系。能对数据进行简单评价，向他人展示收集的数据和结论，能够倾听并尊重他人的解释。水平3：学生能够通过对日常生活、自然现象和实验现象的观察，提出与物理学相关的问题，并能确定适合进行科学探究的问题。能够依据现有的科学知识和理解做出预测，在包括少量因素的情境中确定关键因素。能选择适当的仪器，进行比较精确的观察和测量，开始重复观测和测量，思考和观察测量中的异常现象，并试着进行简单的解释。系统地记录观测结果，并用曲线图描述数据，明确数据间的关系，并以此为证据得出同实验证据相一致的结论。能用适当的科学语言交流实验发现，对提出的假设和方案进行简单评价，提出改进意见，给出理由。水平4：能用较准确的科学语言描述适合进行科学探究的问题。应用科学知识和理解确定应考虑的实验关键因素，并做出预测。能按一定的精度要求应用有刻度的仪器进行观测。进行充分的观察和测量，具有重复测量的意识，能对遇到的一些不同之处进行重复观察和测量，并提出解释。能选择带量度的曲线图有效地表示数据，识别同主要类型或趋势不一致的观测结果。能以实验结果为证据，得出相一致的结论，并用科学知识和理解解释这些结论。明白实验方案存在缺陷，并提出改进的意见。利用适当的科学语言来交流定量的数据和定性的分析。水平5：整合个人和他人提出的一系列问题，利用科学知识和理解力把这些问题转变成能够探究的形式。能在包含一些因素的情境中确定关键因素并做出预测。利用科学知识和理解，制定合适的探究方法，写出详细的实验方案。有效地选择和利用仪器，用一定范围的装置进行系统精确的观测。认识到重复测量的意义，懂得为得到可靠的数据，需要进行重复测量的必要性。清楚精确地呈现定量观察的结果和处理后的数据，用曲线表示实验结果。得出同实验证据相一致的结论，并用科学知识和理解解释这些结论，开始思考收集的数据是否足以得出这些结论。认识到实验方案的优缺点，并进行较详细的解释，提出优化实验方案的建议。能用科学语言向他人表述自己的实验设计、实验过程和解释。水平6：能够发现一系列问题内在的相关性，并把自己的思想转化为可探究的问题形式。在复杂的情境中和变量不能容易控制的情境中，能确定应考虑的关键因素，做出可进行探究的假设，并写出实验方案，确定需要使用的仪器。能认识到不同的实验任务应该用不同的实验策略，应用科学知识选择合适的实验策略。能熟练、准确地使用仪器装置，决定在定性研究中哪些观察是相关的，在实验记录中哪些观察包括了细节，决定测定的精确度，并收集检验变量间相关性的数据。确定观测中的异常现象，并能进行因果推理，在绘制曲线时，酌情考虑这些量。从实验中得出结论，注意到假设与探究结果间的差异，并进行解释。对用以表示结果的曲线和表格进行评价，能识别数据的缺点。认识探究过程中的优缺点，进行解释并提出适当的改进意见。能用精确的科学语言，结合口头、书面、多媒体等多种形式，向他人表述所作的探究工作，以有力的证据为探究结论辩护，能倾听他人的批评意见并做出得体的反应。第二节科学探究在科学教育中的发展一、在国外的发展情况探究教学思想的形成和发展已有两三百年的历史。早在培根、赫胥黎、斯宾赛、卢梭等人的教育主张中便初见端倪。卢梭提出的自然主义教育主张儿童从经验中学习事物，而经验主要来源于“行”和“探究”。德国教育家第斯多惠于1835年在其著作《写给德国教师的教学法指南》中提出了探讨发现的教学法原则。英国化学家、科学教育家阿姆斯特朗也在其教育论著《科学方法的教学》中提出了要把科学探究发现的方法引入科学教学中的主张。19世纪末20世纪初，教育家杜威提出探究是儿童天生四大本能之一，并且提出“从做中学”的教学思想，认为学生应该在“做”中思维，通过思维提出问题和解决问题，并在“做”中验证效果。杜威所提倡的“做”实际上就是探究，做中学就是在探究的基础上自主建构知识。“做中学”就是“探究中学”。20世纪50、60年代，著名的认知心理学家布鲁纳积极倡导发现学习（发现式探究），认为学生们应该以做科学的方式来学习科学。布鲁纳指出，发现学习能够：①激发内在动机；②促进发现策略的习得与发展；③促进对知识更加牢固的掌握。美国芝加哥大学教授、教育家施瓦布1961年在哈佛大学举行的纪念演讲会上，作了题为《作为探究的科学教学》（TheTeachingofScienceasEnquiry）的报告，明确提出了科学教学根本不同的方法——探究性学习（enquirylearning）。施瓦布建议，教师必须用探究的方法来教科学，学生则必须使用探究的方法来学习科学。这其中包括两个方面：一是通过探究来开展教学（TeachingbyEnquiry），二是把科学作为一个探究过程（ScienceasEnquiry）。施瓦布建议科学教师考虑下面的三种实验方式：1、学生根据实验手册或教材中提出的问题及研究方案进行实验以发现它们之间未知的联系。2、教材只提出问题，研究方案和问题答案留给学生自行提出。3、学生在没有课本或实验手册提供问题的情况下，直接面对现象提出问题，收集证据，并根据自己的研究提出科学的解释。施瓦布还提出了一种“对探究的探究”（enquiryintoenquiry）的方法，即由教师提供给学生科学研究读物和报告，学生就其中的细节进行分析和讨论：研究的问题，收集的数据，所用技术的作用，对数据的解释以及科学家在研究中得到的结论。通过这种方式，学生认识到科学知识的构成及科学知识是如何获得的，可以使学生对科学探究的过程和本质特征形成正确的认识。1993年，戴维·豪里做了一个概述，结论是：探究性教学对于学生的作用是多方面的，包括提高科学素养、熟悉科学过程、扩大科学词汇知识、增进科学概念理解和批判性思维、以及树立积极的科学态度，从总体上肯定了探究性的方法。20世纪90年代，美国的教育改革进一步深化和拓展，1990年美国科学促进会发表了