黃曉+武志峰+謝杰妹

摘 要：基于對科學探究內(nèi)涵的正塑，本文通過構(gòu)建科學教材內(nèi)容的科學探究分級目標，設(shè)計不同的問題類型與呈現(xiàn)方式來激發(fā)學生探究問題的生成。在以任務(wù)單為載體的科學探究教學中，強調(diào)不同形式任務(wù)單的設(shè)計、開發(fā)與使用，引導學生經(jīng)歷融合STSE的任務(wù)單設(shè)計、源于館場科技現(xiàn)象的任務(wù)單設(shè)計、基于技術(shù)與制作的任務(wù)單設(shè)計等，理解科學探究始于問題、科學探究沒有單一的步驟等。進而以科學探究學生評價（VASI），結(jié)合學生研究項目的案例分析與習題解答過程中的思維表達，呈現(xiàn)了初中科學教學中實施科學探究的實證效果。

關(guān)鍵詞：科學探究；初中科學教學；分級目標；任務(wù)單

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）7-0004-5

“科學探究”或“探究教學”在國際科學教育領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注，在美國1996年的國家科學教育標準與各國的科學教育標準中得以顯現(xiàn)和彰顯，標準中關(guān)注了學生參與科學、體驗科學與探究科學的過程。在對科學探究的理解與實踐中，區(qū)分了科學家的科學探究與學生的科學探究，也呈現(xiàn)了科學探究相對固定的環(huán)節(jié)，如提出問題，制定計劃，設(shè)計實驗，獲取事實與證據(jù)，解釋、檢驗與評價，表達與交流。然而，在科學教學實踐中卻呈現(xiàn)了對科學探究的實踐困境，表現(xiàn)為對科學探究內(nèi)涵的誤讀，視科學探究就是提出問題，猜想與假設(shè)，設(shè)計研究方案，獲取分析證據(jù)，得出結(jié)論，評價與交流。科學教學中的科學探究實踐也形成了固定的模式化，在一定程度上影響了科學探究實踐的有效開展。美國下一代科學教育標準（NGSS）用“實踐”取代了“探究”，旨在突顯對科學探究與工程實踐的共同關(guān)注，也旨在為“探究”正名，闡述科學探究是集認知、社會、行為等多維度為一體的實踐活動[1]。“科學與工程實踐”包括的要素有：提出問題，開發(fā)和使用模型，計劃和展開調(diào)查，分析和解釋數(shù)據(jù)，運用數(shù)學和計算機思維，構(gòu)造解釋，進行證據(jù)論證，獲取、評估和交流信息。這充分凸顯了對科學探究內(nèi)涵的深化?；诋斍翱茖W探究中存在的問題、困境及國際諸多學者對科學探究不同維度、不同層次的理解，本研究采用了國際學者N.G.Lederman基于長期實踐研究提出的科學探究的內(nèi)涵[2]，然后立足于浙江省綜合科學教學實踐來探索有效促進科學探究教學的路徑。

1 研究設(shè)計

研究是從當前綜合科學課程教學實踐的現(xiàn)實問題的省思出發(fā)，旨在探索如何有效踐行科學探究。因此，研究圍繞兩個子問題得以開展：（1）科學探究教學如何開展？（2）科學探究教學的實踐效果如何？

1.1 研究對象

依據(jù)浙江省經(jīng)濟、文化與教育發(fā)展水平，將研究對象確定在了溫州。溫州市是綜合科學課程實施率先試驗且走向改革前列的地市。課題組隨機選擇了溫州繡山中學八年級一個班級（35人）的學生作為實證的對象，施教老師是長期開展科學教學實踐與反思，關(guān)注問題與任務(wù)的科學特級教師。

1.2 實證思路

科學探究具有豐富的內(nèi)涵。N.G.Lederman提出了關(guān)于科學探究的知識，即科學探究一定始于問題，但不一定有假設(shè)；科學探究沒有單一的程序或步驟；相同的探究過程不一定得到相同的結(jié)論；探究過程可能影響結(jié)論的得出；研究結(jié)論須與收集的數(shù)據(jù)相一致；科學數(shù)據(jù)區(qū)別于科學證據(jù)；解釋是源于收集的數(shù)據(jù)與原有的知識經(jīng)驗[4]。由于科學探究存在不同的等級，因此，針對科學教學中如何開展科學探究這一問題，從三個方面得以探索：（1）結(jié)合科學教材，構(gòu)建科學探究的目標層次；（2）突顯對科學探究問題生成的關(guān)注，采用不同的問題類型與呈現(xiàn)方式來激發(fā)學生生成探究問題；（3）強調(diào)不同形式任務(wù)單的設(shè)計與開發(fā)，以融合STSE、館場科技現(xiàn)象、基于技術(shù)與制作設(shè)計任務(wù)單，開展基于任務(wù)單的科學探究?？茖W教學中科學探究的有效實施體現(xiàn)在學生對真實問題的解決能力、科學探究能力。因而，對于科學探究的實踐效果，則根據(jù)科學探究教學實踐前、后學生針對科學探究內(nèi)涵的不同維度的表現(xiàn)進行比較與分析，對學生源于生活問題解決的探究個案分析（如探究任務(wù)解決中是否體現(xiàn)科學探究沒有單一的步驟等），以及學生在科學習題中的思維表達等進行分析。

1.3 研究工具

科學探究的評價量表運用了VASI[3]，其中科學家關(guān)于鳥喙與鳥食的實驗是探測“科學探究沒有單一的程序”；第二題測的是“科學探究始于問題”；第三題測試“科學家從事相同的過程不一定得到一樣的結(jié)論，過程可能影響結(jié)論”；第四題測的是“區(qū)別數(shù)據(jù)與證據(jù)”；第五題測的是“探究過程是基于所提出的問題”；第六、七題測的是“解釋是基于數(shù)據(jù)與原有的知識經(jīng)驗”。最后結(jié)合了學生源于生活問題解決的探究及體現(xiàn)思維表達的習題解答進行后測分析。

2 科學探究分析目標的構(gòu)建

基于不同學習階段的學習內(nèi)容與進階，基于學生認知發(fā)展水平的要求，設(shè)計并提出了探究活動的分級目標。初中階段不同年級的科學教材設(shè)有不同的科學探究活動，即不同年級的科學探究目標的側(cè)重點有所不同。各階段科學探究在呈現(xiàn)相關(guān)科學探究知識點方面是相對獨立的，但整體構(gòu)成了一個螺旋上升的目標體系，進而表現(xiàn)在各年級教材的科學探究能力目標具有層級性，體現(xiàn)了作為科學探究相關(guān)知識與科學探究能力維度上的進階，具體表現(xiàn)在七、八、九三個年級的科學探究活動分級目標的要求不同。如：七年級關(guān)注科學探究活動的一般過程，科學探究的興趣與控制變量法作為實驗探究方法之一；八年級重視對照組與實驗組的合理設(shè)置，強調(diào)教師引導下的實驗方案的初步設(shè)計，數(shù)理表格與圖像的分析；九年級強調(diào)依據(jù)已有知識自行設(shè)計可行的實驗方案，對不同實驗方案進行評價與改進，并通過反思發(fā)現(xiàn)新問題等。

Herron依據(jù)科學探究活動中問題、過程、方案的提供與否，將科學探究劃分成0、1、2、3四個開放等級的維度，不同開放等級也呈現(xiàn)了師生角色的轉(zhuǎn)變[5]。在一定條件下，這四個等級的科學探究可以相互轉(zhuǎn)換。在科學教學中，依據(jù)三個年級的科學探究內(nèi)容與科學探究活動等級，可以明確三個年級科學探究活動的年級目標設(shè)計重點，并結(jié)合案例闡述可能的等級目標設(shè)計。如“探究浮力大小與哪些因素有關(guān)”，若教師呈現(xiàn)問題，即“浮力的大小與哪些因素有關(guān)”，引導學生自行設(shè)計方案進行探究，這是一種基于問題提供基礎(chǔ)的問題解決，體現(xiàn)的是等級2的探究活動。若教師給學生提供關(guān)于生活中的浮力情境，要求學生基于生活經(jīng)驗提出問題，并設(shè)計不同的實驗方案，然后探究并獲得相關(guān)的認識與理解，最后通過討論、交流獲得結(jié)論，則體現(xiàn)的是等級3的科學探究。

3 科學探究中問題的生成

“科學探究始于問題，沒有問題就不可能有探究”[6]，問題是探究的起點與思維的動因。正是在問題的驅(qū)動下，學生才能積極思維，從而產(chǎn)生探究欲望。問題的來源有多種形式，既可以是教師、教材或其他途徑直接給出探究的問題，也可以是學生通過物理實驗現(xiàn)象、日常生活、自然現(xiàn)象等發(fā)現(xiàn)并提出問題。而高層次的科學探究，則需要教師引導學生自主生成問題?；趩栴}的不同分類（如識記類、理解類、應(yīng)用類、分析類、綜合類與評價類），需要以“問題集”“問題網(wǎng)”等不同的呈現(xiàn)方式引導學生生成問題與提出可探究的問題。

3.1 問題集

將問題用問題集的形式呈現(xiàn)，形象地描繪出問題之間的關(guān)系，可以幫助學生提高思維的系統(tǒng)性，形成整體認知圖形[7]。以“物質(zhì)的溶解”為例，學生根據(jù)教師呈現(xiàn)的生活中的物質(zhì)溶解現(xiàn)象，提出“什么是溶解？”“是怎么產(chǎn)生的？”“物質(zhì)溶解性有強弱嗎？”等問題，教師引導建同問題的聯(lián)系，并拓展某一些問題的思維深度，如“溶解性強弱與哪些因素有關(guān)？”“如何增加或減少溶解性？”等，構(gòu)成了如圖1的問題集。問題集的形象過程正是可探究問題的蜇出過程，也可以成為不同等級的科學探究活動的開始。

3.2 問題網(wǎng)

問題網(wǎng)通常只圍繞一個中心問題，發(fā)散出很多次級問題，而這些次級問題間又存在一定的關(guān)系[8]。以“電路的連接”為例，根據(jù)日常生活中的小彩燈、家庭日光燈正常發(fā)光現(xiàn)象，引出“如何判斷這些電路的連接方式”，進而引導學生發(fā)散出不同層次的問題，可以是源于某一知識點的理解，如“串、并聯(lián)電路中電流、電壓有什么特點？”也可以是源于生活問題的解決，如“如何解決生活中發(fā)生的電路故障？”“不規(guī)范的電路連接會產(chǎn)生哪些危害？”正是不同學生從不同角度提出的不同次級問題，才有助于建構(gòu)不同知識間的聯(lián)系，促進網(wǎng)絡(luò)化的思維發(fā)展。

4 基于任務(wù)單的科學探究實施

“科學探究的過程沒有單一確定的方法和步驟”[9]，因而，在基于問題的科學探究實踐中，沒有照搬照抄的一套探究模式。在科學探究的教學實踐中，提出了以任務(wù)單為載體的基于問題解決的探究教學，設(shè)計了體現(xiàn)不同維度的任務(wù)單，引導學生在探究活動中理解探究是基于證據(jù)的，理解科學探究中的方法是多元的。

“學習任務(wù)單”基于學情，指向目標，是學習支架的主要形態(tài)，它能引導學生自主參與和自主探究，讓學生變被動學習為主動學習，起到腳手架的作用[10]。“學習任務(wù)單”的設(shè)計要基于學生的認知起點，設(shè)計一定的難度梯度，為探究活動的開展提供支架[11]。在科學探究的實施過程中，基于科學與學生生活體驗、社會科技的密切聯(lián)系，采用了融合STSE、基于館場教育、基于技術(shù)應(yīng)用的任務(wù)單設(shè)計。

4.1 源于生活體驗，融合STSE的任務(wù)單設(shè)計與案例

STSE教育作為國際科學教育改革的理念方向，體現(xiàn)了義務(wù)教育科學課程標準中對科學技術(shù)不斷發(fā)展變化、科學技術(shù)對社會發(fā)展的影響等的表述。因而，在具體的科學探究實施中，源于學生體驗，嘗試開展融合STSE的任務(wù)單設(shè)計，以促進學生在探究中理解科學知識，建立科學與技術(shù)應(yīng)用、社會生活、環(huán)境等的密切關(guān)系，以更深層次理解科學知識、方法與精神。以“從草莓看‘植物的新陳代謝”為例，結(jié)合吃草莓、摘草莓的生活體驗，從草莓的幼苗引導學生思考、分析草莓的三種生命活動，探究光合作用的原料來源及產(chǎn)物生成，并應(yīng)用新陳代謝原理解決草莓的種植。

4.2 源于館場科技現(xiàn)象的任務(wù)單設(shè)計與案例

館場（科技館、博物館）教育作為一種非正式情境的科學教育形式正慢慢被關(guān)注。館場中的科技現(xiàn)象是學生科學探究的源起，有助于學生從中建構(gòu)科學概念與知識。因而，在科學探究的教學實踐中，基于溫州科技館豐富的資源與科技現(xiàn)象，設(shè)計源于館場科技現(xiàn)象的任務(wù)單并開展探究活動。如針對科學教材中“聲音的傳播需要介質(zhì)”這一科學知識的探究教學，可以基于溫州科技館中“真空罩中的鬧鐘”——當玻璃罩內(nèi)部與空氣隔絕時（抽掉空氣），無法聽到鬧鐘的聲音；當充入空氣時，鬧鐘聲音正常。基于這一場館中的科學現(xiàn)象，可以設(shè)計任務(wù)單呈現(xiàn)可探究的問題（不同介質(zhì)對聲音的傳播有什么不同影響），重在引導學生結(jié)合館場科學現(xiàn)象探究聲音的傳播是需要介質(zhì)的，聲音可以在固體中傳播，也可以在液體（氣體）中傳播，并探究聲音在不同介質(zhì)（固體、液體、氣體）中的傳播效果。

“聲音的傳播需要介質(zhì)”源于科技館現(xiàn)象的任務(wù)單設(shè)計，依據(jù)探究層次的劃分，基本是屬于1級或2級的探究活動——因為可探究的問題是提供的。源于館場現(xiàn)象的任務(wù)單設(shè)計也可以使科學探究更為開放，體現(xiàn)3級的科學探究等級。如“流體壓強與流速的關(guān)系”，在科技館中有不同的現(xiàn)象與模型，如科技館中的機翼模型及上升（下降）的現(xiàn)象，趣味的“懸浮于空中的球體”等?；谶@些科學現(xiàn)象，可以設(shè)計任務(wù)單（如例4），提供學生可選擇的器材（硬幣、紙片、玩具槍、塑料水管等），引導學生基于自己的體驗、興趣提出可探究的問題，并設(shè)計方案，在小組成員的合作探究中解決。

4.3 基于技術(shù)與制作的任務(wù)單設(shè)計與案例

科學教學中常會與工程產(chǎn)品制作有機結(jié)合。美國STEM的提出正是政府反思科學教育中的問題而提出的對于工程教育的重視，也是科學課程標準一直強調(diào)與關(guān)注的科學與技術(shù)的關(guān)系，這也表現(xiàn)在教材中相關(guān)欄目的設(shè)置與呈現(xiàn)。因而，在圍繞科學主題的探究實踐教學中，技術(shù)與制作的任務(wù)單設(shè)計的主題內(nèi)容可以是結(jié)合科學主題內(nèi)容作為原理的“簡易密度計（溫度計、濕度計）的制作”“簡易電動機的制作”，也可以是趣味玩具類（如飲水鴨、風車）的制作等。以“簡易密度計的制作”為例，學生基于所學習的浮力知識，可以通過分析物體所受重力與浮力的關(guān)系判斷物體在液體中的沉浮狀況。因此，可以以“能否利用提供的器材完成簡易密度計的制作”為目標，提供木質(zhì)鉛筆、橡皮泥、小藥瓶、吸管、量筒、清水等材料，要求學生設(shè)計可行的方案，探究可能的制作途徑，以此解決問題。

5 初中科學中實施科學探究的實踐效果

初中科學教學中科學探究的實踐效果主要表現(xiàn)在學生的科學探究能力與問題解決能力，科學探究能力表現(xiàn)在以主觀題的科學探究評價和學生源于生活經(jīng)驗或現(xiàn)象的課題研究。問題解決能力源于學生解題過程中的理解與思維的體現(xiàn)。

5.1 科學探究評測質(zhì)性分析

以科學探究主題觀做為評測，體現(xiàn)了學生對“科學探究源于問題”“科學是基于證據(jù)的”“數(shù)據(jù)與證據(jù)是有區(qū)別的”“科學方法的多元”等不同維度、不同深度的理解?；舅械膶W生能舉例闡述科學是基于證據(jù)的，可以是通過實驗、觀察獲得證據(jù)。他們能結(jié)合鳥喙與食物的問題闡述科學探究中證據(jù)的獲得可以是不同的程序，如依據(jù)已有的理論進行推導再進行實驗觀測以獲得證據(jù)；或基于問題的合理假設(shè)，通過實驗探究與數(shù)據(jù)分析獲得證據(jù)。學生能認識到“數(shù)據(jù)”與“證據(jù)”的區(qū)別，并有適當?shù)年U釋，如有學生提出“數(shù)據(jù)”表示科學研究中定量研究獲得的事實，比如牛頓第二定律的研究中力的大小和加速度大小定量化所獲得的數(shù)學的表述；而發(fā)現(xiàn)力隨物體加速度的增加而增加是證據(jù)。此外，還指出數(shù)據(jù)分析包括定性分析與定量分析，針對牛頓第二定律，定性分析是得出簡單的成正比或反比關(guān)系，定量分析則是得到數(shù)學的表述。

“光照與植物生長關(guān)系”則是基于主觀題中呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析——如有學生認為“從題圖知每日光照時間變長時（0，5，10，20，25），植物生長高度減少（25，20，15，10，0），所以基于圖表中數(shù)據(jù)分析得知光照越少，植物長得越高”。對“恐龍化石”的推測則基于考古學的事實推測與生物體平衡特性的原有知識經(jīng)驗，即動物為保持身體平衡其后腿往往比前腿粗壯；也有更為豐富的分析——如有學生解釋后肢粗壯些的資料來源“考古資料分析”“一般身體構(gòu)造類型”“與恐龍其他化石的比較”等?？茖W探究是否總是始于科學問題的提出，多數(shù)同學持贊同觀點，認為沒有問題的提出就不能進行科學的探究，即科學探究總是始于科學問題，并依據(jù)探究的問題確定探究的過程的合理性——如針對兩組科學家研究輪胎設(shè)計的好壞，有學生解釋其選項的原因時認為“因為第一組比較了不同輪胎在同一路上行駛時癟的情況及性能，而第二組比較了同一輪胎在不同路上行駛時癟的情況及性能，但研究的問題是‘是否某些品牌的輪胎更易癟，所以研究設(shè)計應(yīng)圍繞不同品牌輪胎的性能，采用控制變量法”。針對不同科學家提出的相同問題，遵循相同的步驟收集數(shù)據(jù)，但由于每個人觀察現(xiàn)象的方法、角度不同，不一定會得出相同的結(jié)論。

5.2 源于生活問題解決的探究

學生科學探究能力的提升還源于青少年科技創(chuàng)新活動中的表現(xiàn)，源于生活中的問題解決，對生活問題的探究。如學生基于實際生活中頭屑增多，引發(fā)了對市場上購置的洗發(fā)水的疑惑，思考能否利用植物資源制取去屑效果強的洗發(fā)水，進而提出“自制植物洗發(fā)水與市場洗發(fā)液的去屑效果對比研究”。這是一個典型的學生探究活動的開展，通過設(shè)計研究方案，經(jīng)歷查找資料—采集植物標本—多次實驗—驗證對比等一系列過程，制取了綠茶、蘆薈等植物汁液并進行測試，記錄數(shù)據(jù)，然后通過專家指導改進實驗，最后重復實驗獲得結(jié)論。源于學生生活的體驗與疑惑的產(chǎn)生，學生提出了“對于書本發(fā)霉的條件及除霉方法的探究及推廣”，嘗試通過各種物理、化學、生物等方法對書本除霉，既習得了化學試劑的使用方法，冰箱、消毒柜的使用方法，也將控制變量法應(yīng)用于真實的科學問題的探究中?！瓣P(guān)于可口可樂凝冰的探究”則是學生在上海世博會可口可樂館中可口可樂凝冰體驗后，提出“如何使可口可樂凝冰”這一探究問題，采用實驗方法并取材于生活，探究可口可樂凝冰的條件、原因、可能的制作方式，得出結(jié)論（可口可樂的較佳凝冰溫度為-6 ℃至-9 ℃；利用晶體熔化過程中溫度不變這一特性，將一定量11%的氯化鈉溶液置于冰箱冷凍室內(nèi)冷凍至完全凝固后取出并置于泡沫箱中。將可樂置于氯化鈉溶液的冰水混合物中，可快速冷凍至較佳凝冰溫度），并提出可以將可樂凝冰應(yīng)用于演示氣壓對液體凝固點的影響、演示碳酸搖晃分解等。源于生活體驗的問題解決與探究活動，可以加深學生對科學知識的理解，并且明白科學探究始于問題，沒有單一的步驟可循，需要基于證據(jù)與原有經(jīng)驗知識的解釋等，進而提升探究能力、問題解決能力與創(chuàng)新能力等。此外，還有“不同窗簾調(diào)節(jié)光線和散熱能力的實踐研究”“探究茶葉浸出液對植物生長的影響”“利用豆制品廢水生產(chǎn)微生物絮凝劑及其對污水處理”等STSE的項目探究的開展，能幫助學生促進知識建構(gòu)、提升探究能力與問題解決能力。

5.3 科學習題解答中的思維表達

科學習題的解答是學生思維表達的過程，也是學生解決問題的過程?；诳茖W探究的科學教學實踐中，強調(diào)學生提出疑惑的問題，關(guān)注解疑解惑過程中對方法的理解與應(yīng)用，關(guān)注學生思維的表達。科學探究的實踐教學效果還表現(xiàn)于習題解答與問題解決中的思維體現(xiàn)，因而，在科學探究教學的后測中還選擇了“大同杯”中的競賽題讓學生進行解答，以檢測學生是否具有深度思維能力。

題1：容器質(zhì)量為m，通過容器底的小孔注入高為H、質(zhì)量為M的水，做功為W，將小孔打開，同時拉升容器，使容器中液面保持相應(yīng)高度，當水流光時，需要人做功為____。

某學生的解答思路如下：

當水流光時，容器顯然上升了H，而試題中的過程與“先把容器與水同時提高H，然后放掉水”效果相同。設(shè)試題中水流光時需人做功為功2（W2），若等效過程中的做功為功1（W1），則W1=W2，W1=FH-W，F(xiàn)=（M+m）g， 所做功W2=（M+m）gH-W。

該解題過程中，學生能將題中文字表達“當水流光時”轉(zhuǎn)換成數(shù)學表征，即“容器上升了H”；能將用外力拉升容器保持液面高度不變與先把容器和水同時提高相同高度等效起來，化動為靜，并利用能量守恒定律解決做功的問題，呈現(xiàn)了學生的思維。

題2：現(xiàn)有一扇形均質(zhì)金屬體，具有熱脹冷縮的性質(zhì)，室溫下扇形所構(gòu)成的圓心角為α。若使該金屬體溫度均勻升高，則α角如何變化？

某學生的解答思路如下：

將扇形環(huán)變成環(huán)形，由于是均質(zhì)材料，膨脹前后整體均為環(huán)形，即膨脹前后這一部分材料占總體比肯定不變，即α角不變。這一解答過程運用了“還原法”，將扇形環(huán)還原到一個環(huán)形中，膨脹中整個環(huán)形在增大，但α角反映的是比例關(guān)系，即應(yīng)該不變。若學生還能從金屬體上各點受力平衡，不隨熱脹冷縮而改變平衡狀態(tài)進行思考，則更能反映對科學本質(zhì)的深度理解。

參考文獻：

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（欄目編輯 趙保鋼）