大中学生科学探究能力的培养

【专家介绍】

何光宏（1970-），研究员级工程师，重庆大学物理实验教学示范中心主任，教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会大中物理教育衔接工作委员会常委，教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会大学物理实验专项委员会西南地区工作委员会委员。主要从事传感器技术和物理实验教学与研究，主持了多项省部级教改项目。

摘   要：科学探究能力培养是物理教育关注的重点和难点。对科学探究内涵和要素理解的差异，导致教学实践中出现了一些困惑。探讨了现代科学研究方法的核心精神和科学探究能力的要素，根据我国高中生和低年级大学生的科学探究能力特点，给出了在中学和大学开展科学探究能力培养的建议。

关键词：科学探究；核心精神；要素

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（202３）5-0001-4

当今世界各国越来越重视学生科学探究能力的培养，美国、英国等从上世纪50年代开始强调科学教育，倡导探究式教学。我国从本世纪初开始在基础教育中强调科学探究能力培养，《普通高中物理课程标准（实验）》和《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下分别简称“实验版课标”和“新课标”）均将科学探究列为物理课程的核心素养之一［1-2］。随着大学教育改革的深入，大学物理和大学物理实验等公共基础课程也开始探索科学探究能力的培养途径［3-5］。由于科学探究教育在我国开展的时间较短，可供借鉴的经验不多，加上长期以来受教师主导的、以知识传授为目的的接受式教学方式影响，实际教学实践中出现了一些需要进一步探讨的问题，比如，接受式教学怎样在科学探究能力培养中发挥作用？具有哪些性质的内容适合科学探究教学？课堂上怎样合理安排探究式教学活动？

上述问题源于对科学探究内涵的认识差异，因此有必要对其进行讨论，在此基础上针对高中生和低年级大学生科学探究能力特点，结合我国高中和大学的实际情况开展科学探究能力培养的讨论。

1    科学探究的内涵

1.1    科学推理与实验相结合是现代科学研究的精神核心

物理学作为一门基础学科，不仅是自然科学诸多学科的理论基础，也为人类认识自然提供了认识论和方法论工具。近代科学诞生之前，人们主要采用“观察-归纳”和“观察-演绎推理”两种方法进行科学研究。归纳法对观察到的自然现象进行分类、归纳并得出规律，这是一种从特殊到一般的认识过程，其结论和前提之间并无逻辑上的必然联系；演绎推理法从一般性的科学原理出发，通过逻辑推理得到针对特定情形的结论。如果推理所依据的科学原理错误，或者科学原理的成立前提出现偏差，将会得到错误的结论。欧洲的科学哲学深受亚里士多德思想影响，认为如果精心设计实验，过度操纵自然条件，就不是真正在做科学［6］，因此这个阶段所进行的观察主要是对自然现象的观察，几乎没有现代意义上的实验。总体而言，这时的研究方法是先验的，“总是先有一个先入为主的命题，具体的结论则从这些先验的命题中演绎而来。”［7］

伽利略强调实验在科学研究中的作用，认为科学理论必须源于实验并接受实验的检验。但是，他并不单纯使用实验方法，而是开创性地把科学推理与实验相结合，其科学研究基本方法框架如图1所示，在对自然现象进行一般观察的基础上提出科学假说或科学猜想，然后设计一个可控的实验获取、分析定量观测证据，检验推论，根据检验结果对假说与猜想进行修正，或者形成在一定条件下适用的理论。

需要指出的是，图1中的“实验”不仅包括在实验室进行的实验，也包括理想实验。理想实验是伽利略独创的科学创新方法［7］，它是把在实际中难以满足的实验条件进行理想化，按照实验模型在头脑中开展的思想推理过程，其目的是从逻辑角度看由假说能推理出什么结果。比如，伽利略用“落体佯谬”理想实验，从亚里士多德的“重物比轻物下落快”原理推理出了“重物比輕物下落慢”悖论，否定了亚里士多德的论断。他在实验中观察到，物体从斜面下滑时，斜面倾角越小其减速越小，然后把斜面和平面理想化为无摩擦的光滑面，通过理想实验推理出了物体在无摩擦无阻力的光滑水平面上滑动时速度应保持不变，得到了惯性原理。牛顿为揭示万有引力而想象的能从山巅上以不同速度发射炮弹的大炮，爱因斯坦为说明同时相对性而想象的“爱因斯坦火车”，都是理想实验的典型代表。质点、刚体、点电荷、单摆、弹簧振子等物理模型也是理想实验的产物。

科学推理与实验相结合的研究方法极大促进了后来的科学研究，爱因斯坦对此评价道：“伽利略的发现及其对科学推理方法的运用是人类思想史上最重要的成就之一，标志着物理学的真正开端。这个发现告诉我们，基于直接观察的直觉结论并不总是可靠的，因为它们有时会引向错误的线索”［8］。

1.2    科学探究能力的要素

美国《国家科学教育标准》从科学研究和科学教育两个角度给出了科学探究的定义，“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。”［9］新课标从科学探究过程的角度进行了定义，科学探究是“基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。”［2］两者的切入角度、描述方式不同，但均体现了科学推理与实验相结合的现代科学精神。

实验版课标给出了科学探究的“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”7个要素［1］，新课标给出了“问题、证据、解释、交流”4个要素［2］，结合其他文献资料，本文将科学探究要素简单归纳为图2所示的5个要素。

问：发现并提出科学问题。这里的科学问题指的是在观察和实验的基础上，在与已有知识的比较中产生的、可以通过实验验证的问题。比如，对于自由落体运动，“物体的下落规律是什么”是一个由观察而产生的简单问题，仅仅表达了对隐藏在现象背后的未知物理规律的好奇，但不是一个可以进行探索的科学问题。如果结合已有的知识，将问题转化为“物体自由下落的速度或距离与下落时间是什么关系”，这就变成了一个可以通过实验进行定量探究的科学问题。

问题意识和问题能力是科学探究的核心。能不能提出高质量的问题，取决于对已有知识的批判性理解程度和高度。麦克斯韦在学习法拉第的《电学实验研究》时，虽然深为法拉第的力线思想所折服，但他并没有迷信且止步于此，而是在批判性学习中发现了法拉第著作欠缺數学描述的不足。为解决这个问题，他在《论法拉第力线》中用数学方法对法拉第的力线进行了描述，此后沿着这个思路继续研究电与磁之间的数学联系，为经典电磁理论奠定了基础。

猜：猜想，假说。科学家的科学研究活动，探寻的是未知的规律，需要在已有知识和经验的基础上，综合运用逻辑推理、类比、归纳甚至直觉等思维方法，对未知规律进行大胆猜想和假设。从伽利略的自由落体规律到牛顿的万有引力定律，以及电磁感应定律的发现和原子模型的建立，物理学的重大发现和发明，无不建立在科学家的大胆猜想和假说基础上。猜想不是毫无根据的凭空臆想，它是在对问题和现象深刻分析的前提下，对已有物理模型的扬弃，体现了科学家的创新思维能力和勇于突破固有认识模式的想象力。

验：实验，验证，体现了证据意识。实践是检验真理的唯一标准，猜想和假说是否正确，需要接受科学实验的检验。要通过实验收集证据，就要具备良好的实验能力，如设计合理实验方案、正确收集实验数据、分析数据并得出结论等。此外，科学研究并不总是一帆风顺的，实验中会遇到各种挫折和失败，因此要有不畏失败的勇气，持续保持严谨认真、求真求实的科学态度。

评：评估和反思。从多个角度评估实验方案、数据和结论的合理性，在此基础上反思猜想和假说并及时作出修正。相对于实验操作本身，对实验结果的评估和反思，需要对现代科学的基本原理有高水平的理解。比如，弗兰克和赫兹在合作研究元素的电离电势时发现，只有电子动能每增加4.9 eV时，电子和汞原子才可能发生非弹性碰撞，这个数据与当时理论预言的汞的电离电势4.84 V非常接近，因此他们认为4.9 V是汞的电离电势。玻尔从原子模型的量子化跃迁假说出发，重新评估和反思了弗兰克和赫兹的实验结果，认为4.9 V不是汞的电离电势，应该是与汞原子两个能级之间的跃迁相对应的电子加速电压。对同一实验结果的两种解释大相径庭，但正是这种从多个角度的反思，推动了量子理论的进步。

表：表达，交流。撰写规范的研究报告；以口头或书面的方式准确地表达、反思和交流科学探究过程。

2    高中生和低年级大学生科学探究能力现状

张军鹏和刘东方对中学生的科学探究能力水平做过定量评估［10-11］，而对低年级大学生科学探究能力定量评估的文献较少。根据国内一些高校物理基础课老师对学生科学探究能力的观察，结合前述两篇文献的结果，大体可以归纳出当前高中生和低年级大学生的科学探究能力特点。

善于回答问题，不善于提出问题。如果老师给出一道已经从实际情境中加工过的问题，学生基本知道怎样回答。但是，如果要求学生自己从具体情境或背景材料中凝练出能够探究的科学问题，则往往不知所措或不知所云。

有一定的推理猜测能力。面对开放性适中的问题，基本能够综合运用逻辑推理、类比、归纳甚至直觉等思维方法，使用一定的物理模型对问题给出猜测性的观点。

实验能力有待提高。大部分学生有初步的证据意识，能够在老师的指导下完成实验，记录实验现象和实验数据，有基本的数据分析能力和一定的误差思想。但是，独立设计实验方案和完成实验的能力较差，特别是动手操作能力较差，一些本应在高中阶段掌握的仪器（如游标卡尺、螺旋测微器等）甚至都不会正确使用；不重视数据的真实性，存在拼凑实验数据的现象。

不善于从不同角度评估实验方案、数据和结论的合理性，缺乏从实验结论反思实验原理或猜想的主动意识。这可能与验证性实验较多有关，验证性实验目的是证实原理并加深对原理的感性认识。另外，大部分验证性实验都有详细的实验方案，学生很少有机会对不同的实验方案进行比较。

在“表”的方面相对表现较好。能够撰写基本规范的实验报告，可以与同学或老师围绕某一主题进行交流和沟通，但在表达的准确性上有待提高。

3    教学建议

3.1    根据中学和大学的特点确定目标

高中和大学最大的区别是面临的环境不同。高中面临高考升学的直接压力，在现有考试评价体系下，主要通过书面答题的方式考查学生的核心素养。在此大背景下，中学比较注重课堂理论教学，注重对知识的理解和掌握，一般采用传统知识传授式教学方式，学生的物理知识基础较扎实，有正确的物理观念和较强的科学思维能力。但由于“讲实验、背实验”等不符合实验教学规律现象的存在，导致学生“验”的能力较差，动手操作能力普遍偏低，在大学物理实验中拼凑和抄袭实验数据，欠缺严谨认真、求真务实的科学态度。

大学物理和大学物理实验是面向低年级大学生开设的公共基础课，在培养学生初步科学探究能力的意义上与中学的目标一致。大学没有高考升学压力，面临的环境相对宽松，实验条件和实验资源优于中学，有条件进行科学探究能力全要素培养。但是，大学生来自全国各地，各地高考考试方案不同，学生的物理基础差异较大。

因此，中学和大学应立足各自特点，取长补短，协同进行科学探究能力培养。中学要发挥课堂理论教学的优势，创新教学方式，探索“问、猜、评、表”能力培养途径；课内与课外相结合，补充“验”的短板，增强学生基础实验能力，特别是动手能力。比如，使学生课外以小组合作的方式熟悉游标卡尺、螺旋测微器、秒表等基本器材的使用，课堂上老师对学生的掌握情况进行点评和指导。加强课外探究实验建设，全要素培养科学探究能力。课外探究实验的数量不一定要多，但质量要高，要满足“题目有适当挑战度，结论有一定开放性”的原则，比如让学生分析研究物体的形状、密度等对其下落运动的影响等。大学要立足学生科学探究能力现状，面向不同基础的学生开设相应的通识课，加强实验课程建设弥补学生实验能力低的短板，加强课外自主实验建设，完善科研训练计划、学科竞赛等拔尖创新人才培养机制，全要素锻炼学生的科学探究能力。

3.2    正确理解科学探究过程和能力要素

科学探究能力的核心是科学推理与实验相结合的现代科学精神，要素只是其外在表现形式。每次教学活动目标可以只针对一个或几个能力要素，不一定每次都要经历完整的探究过程。比如，理论教学中适当穿插一些物理学史，使学生了解概念和知识的形成过程，养成正确的科学知识观。通过创设情境引导学生提出科学问题并进行猜测性解释，通过演示实验、仿真实验或者给定的实验数据培养学生分析数据、得出结论、评估和反思的能力。再如，给出两物体碰撞前后的运动视频，指导学生获取并分析物体位置随时间变化的数据，计算碰撞前后物体速度、动量和动能的变化，讨论动量和动能是否守恒、守恒或不守恒的原因是什么等问题。

3.3    探究式学习与接受式学习相结合

探究式学习和接受式学习既相互区别又互为补充，是矛盾的统一体，都服务于科学探究能力培养。要精心选择探究的内容，太简单和容易理解的内容没有探究的意义，远超学生能力的内容会挫伤学生的探究兴趣，探究内容的难度要符合学生的认知水平。一节课上探究实验不宜过多，探究的目的是核心精神的培养，不能为探究而探究。对于一些简单易理解的知识、难度较大的知识、适宜由科学推理推导的结论，可以采用接受式学习方法。

4    结束语

科学探究能力培养是大学和中学教育长期关注的重点和难点，虽然在我国已经有近二十年的发展，但与注重知识传授的传统教育理念相比，仍然是一个新生事物，需要在教学理念、教学方式、教学评价等方面继续进行研究和探讨。

参考文献：

［１］中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（实验）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２００３．

［２］中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（２０１７年版２０２０年修订）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０２０．

［３］段志刚，李清玉，王晓艳，等．探究性教学情景下的大学物理课堂评估策略［Ｊ］．物理与工程，２０１４，２４（２）：３０－３３．

［４］周娴，潘华锦，张丽，等．大学物理实验课程探究式教学模式研究［Ｊ］．实验室科学，２０１７，２０（２）：１３５－１３７，１４０．

［５］何光宏，韩忠．大学物理实验探究式教学的思考［Ｊ］．实验室研究与探索，２０１１，３０（７）：２９２－２９４．

［６］杰弗里·戈勒姆．人人都该懂的科学哲学［Ｍ］．石雨晴，译．杭州：浙江人民出版社，２０１９．

［７］吴大江，呼中陶．文科物理学教程：物理概念与科学文化素养［Ｍ］．北京：北京师范大学出版社，２０１０．

［８］阿尔伯特·爱因斯坦．我的世界观［Ｍ］．方在庆，译．北京：中信出版社，２０１８．

［９］美国国家研究理事会．美国国家科学教育标准［Ｍ］．戢守志，译.北京：科学技术文献出版社，１９９９．

［１０］张军鹏．理科学生科学探究能力现状的调查与思考［Ｊ］．课程·教材·教法，２００３，23（１１）：４３－４６．

［１１］劉东方．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．

（栏目编辑    廖伯琴）