促进学生像科学家那样探究

邵永平

摘要： 调查探析了初中科学课程中科学探究活动存在的问题及原因;研究讨论了美国科学教材《科学探索者》的可借鉴之处;借鉴美国《科学探索者》的科学探究活动设计，建立了由“跟科学家学探究”和“像科学家那样做探究”组成的课程主体框架，设计了拓展性课程《学做科学家》，促进学生像科学家那样进行探究;对课程实践进行了反思和展望。

关键词： 科学探究活动; 综合性学习; 拓展性课程; 课程设计

文章编号： 10056629（2020）12000705

中图分类号： G6338

文献标识码： B

2019年《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》提出“中小学校要精心设计实验教学内容，组织并开展好基礎性实验和拓展性实验（含探究性实验、创新性实验、综合性实验等）”[1]。为此，我们需要关注、深思和探索基础性实验任务是什么？拓展性实验任务又是什么？怎样通过基础性实验和拓展性实验培育学生的核心素养？早在2015年，我们曾建立课题组探查初中科学课程的现状，研究、学习国内外学校科学探究活动设计的经验，随后逐步开发、完善并实施了拓展性课程《学做科学家》，较好地促进学生发展科学学科核心素养。现将我们取得的部分成果和认识、体会简介如下，以就教于各位读者。

1初中科学课程中探究活动存在的问题及原因探析

课题组通过观察记录8位教龄10年以下的青年教师和10位优秀学生在“氯酸钾制氧气的不同催化剂的研究”实验中的探究表现，以了解初中科学探究活动存在的问题，统计数据见表1。

通过对调查数据进行分析解读，进一步听课与访谈，并结合相关研究，我们最终概括学校初中科学探究教学存在的主要问题是：

1.1探究活动数量少、质量低

讲述代替探究、操练代替探究普遍存在。很多教师用讲授方式进行“探究教学”，直接告知“探究”的过程和结果;而且，讲述往往偏重于语词解释，脱离真实情境，学生不能获得足够的感性认识和体验;肤浅的记忆成了学生主要的学习活动，即使有不多的动手活动，往往也是操练性的。

1.2照搬代替设计，学生对探究方案的理解停留在模仿层面

由于不重视设计思想的融合，学生不是为探究而操作，而是为操作而操作，只追求“形似”，“探究”是机械的、低层次的，随意性较大，难以达到探究目的，对学生实验技能的提升效果也不大，更谈不上灵活应用与设计。学生难以产生浓厚的学习兴趣，也难以发现问题，难以形成生动的学习过程。统计数据反映，学生往往不知道怎样独立地完成探究、没有控制变量意识、自变量提取错误、不会设计实验结果记录表格、疏忽试验编号、不会分析与评价等等，实验的有序性和效率较差。

1.3科学探究教学的组织方式有待提升

大多科学探究课都有以下特点： 教师设计了有层次性的问题链，引导学生理解科学探究要素;然后，教师出示完整的实验方案和步骤，学生按照步骤完成活动，师生交流、总结……这样的课似乎很完美。然而，这样的科学探究疏忽了一个重要问题： 科学探究能力属于心智与行为的综合性操作能力，是依据一定原理与规则设计活动方案，在程序化操作中解决真实问题。这一能力必须在综合性的任务学习中获得[2]。为此，需要设计一定的综合性学习任务。从科学探究能力提升角度考量，学生和教师都有进行科学探究训练的必要，这就需要改进与提升教学组织方式。适宜的科学探究教学组织方式应该是： 教师指导学生（或者师生一起）就综合性任务进行预案设计与操作实施，开展综合性学习活动。其中，教师的主要责任是对研究过程给予必要的引导与指导。

1.4科学探究能力评价的方式有待完善

当前评价学生科学探究能力的工具主要是纸笔测试，影响学生升学的也是纸笔测试成绩。然而，科学探究能力具体包括： 如何针对一个问题设计探究方案，如何实施探究，如何对探究的结果进行解释等。想测查上述能力需要被测者参与具有真实情境的综合性较高的实践活动[3]。显然，纸笔测试的评价方式无法完成学生科学探究能力测查。

2《科学探索者》该书是美国初中主流理科教材，内容涉及中学物理、化学、生物、地理等学科，由多个分册形成系列，可作为我国新课标、新观念、新学法的参考，其特点是： 通过简单的实验深入浅出地引出课本里高深晦涩的理论，让读者感到亲近，产生读下去的意愿和亲自动手做一做的冲动;动手动脑，富有趣味，能引发研究性学习;注重通过文字、图片、动手活动和启发性的评估活动等多种方法来培养探究技能;知识、能力、方法并重;能引导学生像科学家一样思考、探索科学奥秘，开始理解很多错综复杂的科学现象。2006年以来，浙江教育出版社出版了该书的多种中文版本。中探究活动设计的可借鉴之处

《科学探索者》是当前美国初中主流的理科教材，该教材中科学探究活动的设计对我们很有启发，下面以《科学探索者——化学反应》为例来说明。

《科学探索者——化学反应》中的探究活动主要由“探索活动”“试一试”“家庭活动”“技能实验室”组成，书后附有“技能手册”，整册书具有知识能力方法并重、动手动脑趣味无穷的特点，其中探索活动和技能实验室的设计尤其值得学习借鉴。

2.1“探索活动”的设计

（1） 活动的标题大多以探索性设问方式出现。例如“怎样配制出混合溶液”“甘蓝汁能告诉你什么”。

（2） 一个探索活动通常以训练一种技能为主。例如“怎样配制出混合溶液”“……接下来如何选择器材和药品呢”。

（3） 器材和试剂尽量来源于生活。日常生活中的塑料杯、甘蓝汁、柠檬汁、氨类清洗剂等都可以作为实验器材。

（4） 实验步骤描述具体、可操作性强。例如“在其中一个杯中加10滴柠檬汁（一种酸），在另一杯中加10滴氨类清洗剂（一种碱），第三个杯留作对比，记录你看到的颜色”（第三章第四节中探索活动“甘蓝汁能告诉你什么”）。

（5） 要求写出操作性定义。例如“在观察的基础上，你能补充一下你所给出的酸和碱的定义吗”。

2.2“技能实验室”的活动设计

在章节评估后面附有“技能实验室”，其标题一般以口语化形式呈现（例如“你摄取维生素了吗”）。整个活动由问题、重点技能、材料、实验步骤、分析与结论、进一步探索等组成。素材来源广泛，贴近学生生活实际，有时以“消费者实验室”“生活实验室”等形式呈现，图文并茂，先动手实验，后分析与结论。

下面以第三章第一节了解溶液中的设计实验——“加速溶解”为例说明值得借鉴之处。

该活动所探索的问题是“怎样控制盐溶于水的速度”。

该活动强化训练的重点技能是控制变量、得出结论、设计实验3项。

通过10个实验步骤来指导学生完成探究过程，包括： 列出你所能想到的可影响盐溶解速度的所有变量;将你列的变量与同学列的变量进行比较，补充未列出的变量;选一个你所列的变量，设计完整實验计划，包括实验步骤和安全事项等等。

分析和结论中融入方案评价，提出了“在实验中，哪一个是自变量？哪一个是因变量？你是怎样区分的？写出实验中保持不变的三个变量，为什么控制这些变量？如果你和另一位同学都选用了同样的变量进行实验，你认为你们会取得相同的结果吗？”等问题并要求解释原因。

3拓展性课程《学做科学家》课程设计

认真审视科学探究教学的现状，我们发现基于真实情境的探究能力培养，仅仅依托初中科学基础性课程难以完成。借鉴美国《科学探索者》的探究活动设计经验，我们决定在拓展性课程中增加综合性学习任务，让学生综合运用已有知识和经验，通过设计和探究等方法完成任务，同时提升学生真实情境中的科学探究能力。布鲁纳认为“学习的最好动力是对学习材料的兴趣”。据此，我们选择初中科学基础性课程中学生熟悉的科学家探究史实、与真实生活情境有关的探究材料，将“跟科学家学探究”“像科学家那样做探究”有机组合，课程内容的选择尽可能考虑科学性、人文性、趣味性，开发了拓展性课程《学做科学家》。

3.1课程框架设计

《学做科学家》拓展课程主要包含两个部分： 一个是“跟科学家学探究”，另一个是“像科学家那样做探究”。具体框架见图1。

3.2课程设计的基本理念

3.2.1发挥科学独特育人价值

每个学科都能提供独特的学科美的发现、欣赏等学科独特育人功能[4]，“跟科学家学探究”就是深入科学的内核，挖掘学科的独特育人价值。例如质量守恒定律的发现引导学生体会科学知识（如燃素说）具有暂定性，可以被修改甚至被推翻。坚持实事求是，敢于提出质疑，强化科学结论必须建立在证据基础上的观念思想;光合作用的发现使学生认识到科学是一个系统的知识体系，科学就是在修正中不断发展壮大。在历史真实问题驱动下，围绕一个个科学家探究实验，挖掘科学的思想方法和科学精神，展现了科学学科独特的育人价值。

3.2.2强调在活动中迁移与反思

陌生情境中应用科学探究能力解决问题，从根本上说，是迁移与应用。迁移总是与模仿相伴，因此，我们选择教材中涉及的历史实验、生产生活实际问题为活动载体。行为主义学习理论强调，迁移来自概括，因此，我们设计“跟科学家学探究”，让学生在学习科学家的探究中逐步形成探究设计的“组块知识”。同时，模仿《科学探索者》活动设计，在活动中训练探究技能，循序渐进，不断强化，最终达成目标。此外，根据元认知思想，迁移需要逐步深入学习者自身认知过程。“像科学家那样做探究”给予学生调整方案、重新实验的时间，学生有较大的自由度，操作和设计也允许学生犯一定的错误。在整个“做探究”的过程中，引导学生对重要环节的自我监控和反省，以利于学生反省思维和批判性思维的形成，同时也有利于养成积极、严谨、勇于探索、尊重事实和证据等科学态度素养。

3.2.3课程设计示例

下面以“氯酸钾制氧气实验中不同催化剂的研究”为例具体阐述课程的设计。

[问题]查阅资料得知，大多数金属氧化物均可以作为氯酸钾制氧气的催化剂。那么，实验室利用氯酸钾制氧气，氧化镁与二氧化锰哪个催化效率更高？

[重点技能]控制变量、设计记录表格、解释数据、得出结论。

[实验仪器]量筒（50mL）1个、集气瓶（125mL）1个、大试管2个、试管架一个、电子天平1台、铁架台1副、铁夹1个、酒精灯1个、火柴1盒、试管夹1个、双孔橡皮塞1个、单孔橡皮塞1个、秒表1个、洗耳球1个、导气管和橡胶管数根、木块若干。

[药品]氯酸钾、二氧化锰、氧化镁。

[设计与探究]

（1） 称取两份10克氯酸钾、3克二氧化锰、3克氧化镁。将氯酸钾压碎成粉末，放置备用。（提示： 氯酸钾和二氧化锰或氧化镁，不能混合研磨，否则会引起爆炸。）

（2） 连接装置，检查装置气密性。

（3） 将氯酸钾和二氧化锰混合好后放入试管中，连接好装置加热，并开始计时。

（4） 待气泡开始均匀产生时，迅速进行气体收集，并记录下此时的时间。开始排水集气，每收集满10毫升水时记录一个时间，直至装置收满。

（5） 催化剂改用氧化镁，重复上述步骤操作，收集气体，记录时间。

[请设计实验记录表格并记录数据]（略）。

[分析和结论]

（1） 本实验中自变量、因变量是什么？写出实验中保持不变的三个变量。一开始产生气泡记录数据有无意义？

（2） 请用精炼的语言描述实验测定原理（略）。

（3） 这套装置（见图2）与直接用量筒收集比较，哪一种更好，为什么？该装置气密性如何检查？

（4） 根据实验数据结果，你可以得出什么结论？

（5） 请将你的实验结果与其他小组比较，你们结果相同吗？若不同，请解释原因。

（6） 查阅相关资料，请向其他同学解释为什么实验室不选择氧化镁做催化剂？

[进一步探索]比较氧化镁与二氧化锰的催化效率，除了上述方法，还有其他方法吗？请写出一种并进行比较，从可操作角度评价两种方案的优缺点。

4教学实践反思与展望

《学做科学家》课程经过三轮实施，深受学生喜爱，被评为杭州市第八批义务教育精品选修课程。通过对师生问卷调查分析发现，师生在“学探究”与“做探究”的过程中不仅提升了探究技能，而且在情境化的体验学习中反思与修正，加深了对科学探究的理解与认识。此外，教师的探究教学能力也得到长足提升，学生的证据与推理、质疑与反思能力，以及对科学本质观的认识也得到不同程度的提高。

《学做科学家》课程对学生的学习评价采用“三维度、三形式”： 探究活动过程、情感态度、探究结果;学生自评、小组评价和教师评价。实践表明，这样的评价有较大的主观性。

科学探究能力是心智与行为的综合性操作能力，这一能力如何评价是我们接下来需要深入研究的课题。

参考文献：

[1]教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见[EB/OL][20191122].

[2]曹宝龙. 基于素养发展的课堂教学目标体系[J]. 课程·教材·教法， 2018， （1）： 7～11.

[3]曹宝龙. 学习与迁移[M]. 杭州： 浙江教育出版社， 2019： 264～301.

[4]叶澜. 重建课堂教学价值观[J]. 教育研究， 2002， （5）： 3～7， 16.