STEM教育中如何开展科学探究

张禄 钟柏昌

摘要： 以科学探究为取向的STEM教育是培养学生科学精神与科学家潜质的重要途径。为改善科学探究效果，教师可依据探究活动设计的四要素（目标、内容、过程和方法），构建在STEM教育中开展科学探究的策略框架，通过强调STEM学科的融合、针对学生的年龄特点和心理特征设计真实有趣的主题、重视技术支持下的科学探究等方式，有效落实核心素养，激发学生的认知兴趣和探究欲望，促进学生自主建构知识。

关键词：STEM教育;科学探究;问题解决;核心素养

随着中国学生发展核心素养的提出，以及国务院《全民科学素质行动规划纲要（2021—2035年）》的印发，培养学生的科学精神与科学家潜质变得愈加重要。长期以来，高中物理、化学、生物等学科是开展科学探究的主要阵地，但由于学科自身的限制及高考压力，探究活动很难持续深入推进，科学探究在广度和深度上均存在不足。STEM教育强调综合运用多学科知识解决实际问题，契合2017年版普通高中相关学科课程标准对科学探究的要求。从这个意义上说，基于STEM教育开展科学探究，是培养学生科学精神与科学家潜质的有效途径之一。从目标定位的角度看，STEM教育有作品开发和科学探究两种取向。以科学探究为取向的STEM教育专注于跨学科的科学探究活动，以获得多元知识（如调查报告、解决方案等）为目标，以探究式学习为主要方式，具有培养学生理解跨学科知识和获得科学探究能力的双重功能^[1]。那么，如何才能有效开展以科学探究为取向的STEM教育？在开展科学探究时又需要关注哪些问题？笔者经过多年的STEM教育实践，构建了在STEM教育中开展科学探究的策略框架，取得了较好的效果。本文以“福尔摩斯探案系列”校本课程为例加以说明，供同行参考。

一、STEM教育中开展科学探究的策略

无论何种取向的STEM教育，都强调让学生在解决问题的过程中展开学习，因此，教师在STEM教育中开展科学探究活动时，无疑要将问题解决作为核心指向。在研究之初，我们围绕问题解决，由学生自主选题并完成科学探究活动，教师主要负责控制探究活动的时间与进度，但是效果并不理想，科学探究变成了传统的研究性学习，探究不够深入，学生选择的问题得不到很好的解决，对于STEM的学科融合也是毫无章法。为提高教学效果，本研究结合STEM教育的特点，依据探究活动设计的四要素（目标、内容、过程和方法），构建了在STEM教育中开展科学探究的策略框架，如图1所示。其中，问题解决是科学探究活动的核心，学科融合、真实有趣、技术支持、层次探究既是科学探究活动的设计依据（目标、内容、过程、方法），又为科学探究课堂提供了评价角度（素养、兴趣、技能、知识）。此外，在学生开展科学探究时，STEM中的各个学科扮演了不同的角色。

在2017年版的普通高中相关学科课程标准中，科学探究成为物理、化学、生物三门学科共有的学科核心素养，其对学生发展的重要性可见一斑。这三门学科的课程标准中都强调加强与其他学科（环境科学、数学、技术、工程学、信息科学等）的横向联系，有利于促进学生理解科学的本质、科学的思想方法以及跨学科的科学概念和过程，有利于引导学生综合运用跨学科知识解决生产生活中的实际问题，同时也是培养学生科学探究能力、发展学生学科核心素养的重要手段^[2][3][4]。基于此，我们认为，在STEM教育中开展科学探究时，应当以科学知识作为解决问题的基础，以数学与技术作为解决问题的“工具”，将工程设计贯穿于解决问题的整个过程，以提升学生的核心素养作为科学探究的最终目标。

二、明确目标：强调STEM学科的融合，落实核心素养的达成

中国学生发展核心素养以培养“全面发展的人”为核心，是学生适应未来发展需要的必备品格和关键能力。在STEM教育中开展科学探究，需要强调学科融合，打破学科间的壁垒，引导学生在解决问题的过程中自然而然地完成对知识与技能的学习、内化和迁移，从而达成提升学生核心素养的目标。STEM教育中开展的科学探究， 尤其应体现科学精神（理性思维、批判质疑、勇于探究等）、学会学习（乐学善学、勤于反思、信息意识等）、实践创新（劳动意识、问题解决、技术应用等）这三个方面的核心素养。

【案例分析】在“齿痕分析”案例中，为了培养学生的科学精神和实践创新能力，教师是这样设计跨学科知识的：科学方面，主要是法医口腔学知识，比如法医口腔学的研究对象和内容、咬痕分析的作用和方法、牙齿的结构和特点、科学实验的严谨性和规范性等。技术方面，主要是数据计算与统计，比如电子表格中的公式和函数、电子表格对数据进行统计分析和差异比较的原理等。工程方面，主要是系统与流程，比如从系统的角度理解法医牙医的工作流程、对整个工作流程的评估与反思、工程项目的复杂性与反复性、方案的优化等。数学方面，主要是特征分析与测量，比如咬痕特征的差异性、多变量特征分析、特征测量与比对等。

在“玻璃碎片鉴定”案例中，由于玻璃碎片具有不规则性，很难直接运用折射定律来测定折射率。为此，教师利用技术手段搭建了从科学技术通往学科规律的“桥梁”。具体来说，学生要通过在显微镜下观察特定液体中玻璃粉末边缘贝克线的移动情况，判断玻璃折射率与该液体折射率的大小关系，再更换不同折射率的液体，从而不断逼近玻璃折射率的准确值，并借助信息技术手段进行数据统计与分析，得出结论（如图2）。值得一提的是，该方法在白光下灵敏度可达0.001，单色光下可高达0.0005，精确度远高于平时课堂中规则玻璃砖的测量结果^[5]。学生在完成科学探究之余，也培养了在实践中应用技术创新性地解决问题的意识。

“福尔摩斯探案系列”课程的科学探究活动主要涉及物理中的折射率、力和运动，化学中的混合物组分的分离与分析方法、溶液浓度的计算，生物中的昆虫学、DNA、皮肤的解剖结构、口腔学、血液等方面的科学知识。在探究活动中，学生要利用数学中的线性回归、三角函数、多变量分析、数学建模、概率与统计以及信息技术中的电子表格与数据处理等知识作为解决问题的“工具”。此外，法医工作的流程、探究方案的优化等工程设计贯穿于解决问题的整个过程，可培养学生的物理、化学、生物、信息技术等学科核心素养。

三、挖掘内容：设计真实有趣的主题，激发学生的认知兴趣和探究欲望

求知欲、好奇心和兴趣爱好是影响内部学习动机的重要因素。在STEM教育中，针对学生的年龄特点和心理特征，教师结合现实生活设计真实有趣的主题，激发学生的认知兴趣和探究欲望，从而开展沉浸式科学探究，进行有意义的学习。从科学探究的效果来看，真实有趣的主题有利于学生在解决问题的过程中学以致用、迁移创新、获得成就感，从而对学生的持续探究发挥正向的激励作用。另外，在设计科学探究的主题时，还要考虑所涉及的科学知识与相关学科教学进度的呼应，不宜超前探究，最好能在现有学科知识的基础上通过探究活动拓展其认知，或生发出新的探究问题^[6]。

【案例分析】在“足迹分析”案例中，教师向学生展示几起涉及犯罪现场遗留足迹相关的真实案件后，提出问题：如何采集案发现场遗留的足迹？根据案发现场的足迹形态，能够得出哪些案件信息？足迹是所有被发现证据中仅次于DNA的第二常见的证据类型，高中生对此主题也是饶有兴趣。

关于第一个问题，受限于自身经验，只有部分学生提出了想法，比如向足迹中灌入凝胶、铝水或者铅水。教师则提出了一种更具可操作性的方法，即使用生石膏，将其溶于水后灌入整个足迹，只需注意操作过程中的安全性与规范性。关于第二个问题，学生经过头脑风暴提出了更多想法，比如鞋子的大小、种类、花纹特征及磨损程度，遗留足迹的人数，遗留足迹人的步长、步宽、步角、身高等。此时，教师可以继续启发：根据足迹形态，除了能知道同学们提到的这些信息，还能够推断出性别、年龄、体态、生理特点、移动方向和速度等。在这些信息中，有的通过观察能够直接得出结论，有的则需要通过测量与计算才能够获得。以身高为例，足迹跟身高有何关系，能否用函数式表示？由于学生在高一数学课上刚刚学习过函数与数学建模的知识，解决该问题并不难，而且还能够体会到知识的力量，进一步激发其学习兴趣和探究欲望。

除上述主题外，“福尔摩斯探案系列”课程还包含了对犯罪现场的各种物理痕迹（如血迹、字迹、指纹、齿痕、玻璃碎片等）的采集，化学成分及含量（如可燃液体、药物粉末等）的测定，以及生物特征（如等位基因、昆虫生长周期）的检测等，对学生而言都是非常有趣的内容。正如一位学生在课程结束时所言：“我是一个‘柯南迷。这门课激发了我的好奇心。一个学期下来，各种实验探究让我在高中就有机会提前对知识进行融会贯通，这培养了我严谨认真的科学态度。”

四、细化过程：重视技术支持下的科学探究，全面培养学生的“过程技能”

科学探究过程包括提出问题、猜想与假设、制订计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作七个环节。每个环节都需要相应的技能，可称其为“过程技能”。“过程技能”是科学探究能力的重要表现。有关调查显示，中学生在科学探究中的“过程技能”总体表现偏低^[7]。究其原因，主要是一些学科教学中将科学探究能力等同于实验操作技能，由教师提出问题与假设，甚至提供方案，引导学生按照教师设计好的思路完成探究。学生所做的仅仅是实验操作、观察现象、记录数据，这使得探究活动处于“理想状况”而脱离了现实情况。此类探究不妨称之为“伪探究”，它不仅限制了学生对知识的深入理解，也不利于对学生科学探究能力的培养，很难达到应有的效果。具体到一次科学探究活动中，虽然上述七个环节并非缺一不可，先后次序也并非一成不变，但应该确保探究过程的完整性。因此，在STEM教育中开展科学探究，不能只关注实验操作环节，也要重视实验前的问题提出与研究假设，以及实验后的评估与交流，精心设计探究活动的每个环节。

笔者认为，STEM教育本身包含技术与工程学科，重视人工智能技术、开源电子技术、3D打印和激光切割技术等现代信息技术在科学探究过程中的应用，是STEM教育的应有之义。其主要的应用方式，是将技术和工程作为开展科学探究的支撑条件，尤其是利用现代信息技术营造沉浸式探究环境，构建收集数据的智能终端和加工数据的平台，不仅有利于提高数据收集的效率和保真度，还可以有效提高学生在探究过程中的参与程度，有助于培养学生的“过程技能”^[8]。

【案例分析】在“指纹分析”案例中，学生借助现代信息技术开展科学探究：收集证据阶段，学生借助人工智能摄像头采集指纹证据;分析数据阶段，学生通过直接观察对指纹的分类与特征点进行初步比对，选出相似度较高、难以分辨的指纹，再通过图像识别技术对被选出的指纹进一步比对，从而得出结论。

在“齿痕分析”案例中，学生则主要通过信息技术手段辅助科学探究：收集证据阶段，学生测量每个证据样本的六个特征值数据，并填入电子表格;在分析数据阶段，学生利用电子表格对数据进行统计分析，包括计算各个特征的差异值、匹配度和方差等，再根据计算结果分析得出结论（如图3）。

由于“福尔摩斯探案系列”课程内容的特殊性，在科学探究过程中，技术支持的作用主要体现于收集证据与分析数据阶段。而在其他探究环节中仍然可以寻求技术手段的支持，比如利用VR技术、裸眼3D技术创设沉浸式的学习情境，有利于激发学生发现问题和寻找探究方法的灵感;也可以借助演示文稿，使辩论交流的环节更加流畅，提高课堂教学效率。

五、创新方法：合理选择探究的层次，促进学生自主建构知识

探究式学习可以激发学生自主建构知识，是科学探究中最主要的学习方式。根据教师和学生主导程度以及课程开放程度，我们可以将探究式教学分为结构化探究、引导性探究和开放式探究三类，越趋于结构化探究，教师主导性越强，越趋于开放式探究，学生自主性越强^[9]。如果将验证性探究看作学生科学探究的水平起点，则可以得到如表1所示的科学探究的四个层次。其中，在验证性探究中，教师将学习资料直接或间接地提供给学生，用于验证那些易于探究的科学规律，另外三个层次的探究都具有一定的开放性，对学生基础和教学时间都有一定的要求，也更有助于培养学生的科学探究能力和创新意识。在STEM教育中开展科学探究，教师需要根据学生情况与教学内容合理选择探究的层次，以促进学生自主建构知识。

【案例分析】验证性探究：“法医昆虫学”案例中的探究问题比较明显，由教师提出问题“如何根据蛆虫的发育确定死者死亡时间”。虽然学生在生物课中已经学习过变态发育，但他们并不了解通过生命周期计算蛆虫的生长速率和生命阶段的方法，因此解决方案也得由教师提供。由于每组学生拿到的蛆虫样本都是在相同的天气条件（主要指温度）下生长的，探究的结论自然也是确定的。

结构化探究：“血溅形态分析”案例中的探究问题也是由教师提出的，即“如何根据现场血溅形态确定血液的起始位置”。解决方案同样由教师提供，即通过血液与墙面撞击的角度和距离来确定。由于血迹是学生自己设计形成的，因此探究结论并不相同。

引导性探究：“可疑文件分析”案例中的探究问题也是由教师提出的，即“探究给定的收据文件是否有伪造可能”。由于收据文件中包含打印字体与手写字体，因此探究方案也有多种。同时，由于对打印字体对比字符的选择、手写字体相对特征与绝对特征的选择会影响探究结果，所以探究结果具有不确定性。

开放式探究：“足迹分析”案例中，教师在课堂上提出问题“根据案发现场的足迹形态，能够得出哪些案件信息”。前文已经阐述，学生自己或在教师启发下提出了很多具体的探究问题，而解决方案与探究结论也是由学生通过小组合作得出的。

以上案例中，“法医昆虫学”是教师将所有材料都提供给学生，“血溅形态分析”是教师将除探究对象（血迹）外的其他材料都提供给学生，“可疑文件分析”只是由教师提出了探究问题，“足迹分析”则仅由教师创设了相应的情境。当然，在校本课程的实践中，应用最多的还是结构化探究和引导性探究;验证性探究中学生的自主性较低，应用较少;受制于课程的专业性以及实验器材的局限性，开放式探究也较难大量开展。

注：本文系江苏省教育科学“十三五”规划课题“江苏省高中STEM教育基地实验项目的设计与实践研究”（课题编号：C-a/2018/02/19）、江苏省教育科学“十三五”规划课题“基于计算思维的高中生设计与智造项目化实践研究”（课题编号：D/2020/02/283）、2019年江苏省基础教育前瞻性教学改革实验项目“设计与智造：统整理念下高中生学习方式的变革”的阶段性研究成果。

参考文献

[1] 夏莉颖，钟柏昌.试论STEM教育的两种取向与四种方法[J].中小学数字化教学，2018（9）：8-11.

[2] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准：2017年版 [S].北京：人民教育出版社，2018：51-54.

[3] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准：2017年版[S].北京：人民教育出版社，2018：71-72.

[4] 中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准：2017年版[S].北京：人民教育出版社，2018：58-60.

[5] 顾琦.“玻璃碎片的折射率测量”的STEM课程尝试[J].物理教师，2020（12）：41-42.

[6][8]张敬云，钟柏昌.中小学机器人教育的核心理论研究——论科学探究型教学模式[J].电化教育研究，2017（10）：106-111.

[7] 刘东方.中学生科学探究能力表现及现状测查[J].东北师大学报（哲学社会科学版），2018（5）：178-184.

[9] 陈翠，郑渊全，时松.不同探究式教学法对幼儿编程学习的影响[J].学前教育研究，2021（3）：52-63.

（作者张禄系江苏省无锡市第一中学教师;钟柏昌系华南师范大学教育信息技术学院教授、博士生导师，本文通信作者）

责任编辑：牟艳娜