科学教育的价值

   对求知者在探索科学的现实生活的经历中发现的主题素材加以应用,最好地说明了应用现有经验把求知者带到一个更广阔、更美好、更有序世界的基本原理。
                                   ─约翰.杜威,《经验与教育》,1938 

  每年秋天,几百万儿童进入幼儿园,开始他们的正规教育。这些五岁大小的孩子们满怀着激情与兴奋,象大孩子一样登上校车,终于有机会去看看学校究竟是什么样子的。父母们也把此刻看作一个转折点。学校为孩子们提供机会去发现他们经常所问的问题的答案,如岩石是怎样形成的?为什么轮船会浮起来?等等。所有与儿童有关的人都希望学校能继续激发儿童求知这一天性。 

   教师运用许多方法来保持儿童的这种求知欲。为了激发学生们天生的好奇心,有的老师安排他们到湿地、河流、湖泊去郊游,把这作为他们学习自然生态系统的一个组成部分。为了使孩子们的想象力更加旺盛,有的老师把鸭蛋带到学校,鼓励学生照看这些鸭蛋,让他们想象小鸭子孵出时的样子。为了灌输对实验究根寻底的爱好,老师们用电池和灯泡或岩石和矿物等材料作为提问问题、做实验、发展理论和交流观点的出发点。 

  所有这些学习活动都是“以探究为中心的科学”(有时也简单地叫作“探究”)的一部分。根据《国家科学教育标准》,探究涉及“观察;提问;查看书本和其他信息以获得已知的知识;安排调查;根据实验证据对已知知识进行评价;应用工具收集、分析并解释数据;提出方案、进行解释和预测;交流结论”[1]。这些活动都深深地扎根于科学传统和教育理论。 

  但是,探究对很多学校和老师来说还是一种进行科学教育的新方法。探究之所以显得新,其原因在于许多学校已经习惯于依赖教科书作为向学生传播知识的主要工具。虽然教科书可能包括科学课程的基本知识,但它们往往过分强调词汇和事实。由于老师对学生是否“掌握了它的全部知识”过于看重,他们常常要求学生记住这些单词和事实。经验表明:记忆单词和事实不仅忽略了科学的最重要部分,而且也似乎使年轻的求知者感到厌倦,这些知识似乎也与他们毫无关系。

  为说明以教科书为中心的科学课程所产生的消极学习环境这一缺陷,请看下面这个摘自Howard Hausman撰写的专著《为小学选择科学课程》的例子[2]: 

  二十六个三年级的学生坐在课桌前。老师叫Carla大声朗读课本上的56页,这页显示了一幅图画,画面上有农场,农场上有动物和风车。Carla读道,农场有许多动物,它们需要饮水。然而,画面上显示农场土地上只有少量的水,暗示了必须用风车的动力把水从井中抽出来。她从课本上直接朗读问题,“风车是用来干什么的?” 

传统课堂的局限性 

  老师重复道,“谁能猜出风车是用来干什么的?Joey,你知道吗?”Joey已经略读了课文的下一个段落,他回答道,“风车因空气的力量而转动,就带动了抽水机。抽水机把水从井中抽到水罐里,供动物饮用。” 

  “很好,Joey,”老师说道,“Carla,请你把下一段读一下,好吗?”Carla继续朗读:“风车因空气的力量而转动,就带动了抽水机。抽水机把水从井中抽到水罐中,供动物饮用。”她还读到了关于风车带动机器以产生电力的内容。然后读到了“流动空气产生能量”的其它例子。 

  几个孩子开始骚动不安起来,玩弄着铅笔并窃窃私语。老师又要求他们集中注意力,就象前面她两次要求孩子们集中精力一样。 

  “风能干什么?”老师问道。没有人回答。“风能做任何事情吗?”“它吹动了风车,”有的孩子回答道。 

  仍然有孩子骚动不安。老师又一次要求孩子们注意课堂秩序,孩子们被迫安静了一会儿。书本被收起来并放在架子上。 

  为什么这节课没有使孩子们的兴趣持续下去呢?在科学课上孩子们为什么骚动不安而且似乎不想对提出的观点进行探究呢? 

  原因之一在于孩子们没有“做”科学。他们没有调查对象,没有观察现象,没有设计实验,没有收集数据,也没有讨论他们的观点。孩子们没有机会独立思考和解决问题。相反地,他们仅仅是“读”了科学。孩子们得到的知识很少,因为他们所读的书本描述的是他们不熟悉的事物或他们不关心的事物。今天的大多数孩子从来没有真正看到过风车,也不知道抽水机是什么东西。风车能产生电这一事实对这些孩子们来说也没有什么意义;对他们来说,电是当他们按下电灯的开关时就会发生的东西。“作用”和“能量”是抽象的概念,对他们来说从来都是无形的和无意义的。因为这些概念超出了他们所经历的世界,孩子们根本不想对它们进行进一步的探索。 

  经历是关键的因素。对儿童学习的研究揭示了这样一个事实:当孩子们没有亲身经历在学校所学的事物时,课程想要传授的知识往往对他们毫无意义。Jean 皮亚杰,瑞士的一位心理学家,把他的毕生精力投入到观察儿童,他得出了儿童智力成长的结论。他的工作为进一步研究儿童如何学习打好了基础,研究儿童如何学习的领域现在被称为“认知科学”。这项工作的一个关键发现就是,通过与物质世界直接接触能使儿童学习更积极。 

儿童迫切需要亲身体验的部分原因在于:今天的孩子在成长过程中,他们越来越远离自然界。感性体验的缺乏意味着孩子们缺少资源来感知世界。这与前几代人的情形截然不同,那时侯大多数孩子生活在农场,有很多机会亲身经历科学的很多方面,如帮助家里种庄稼,知道降雨对庄稼的重要性。如今的孩子们只能在电视上或电脑屏幕上玩游戏的时候才能看到或探索这些概念和事物,但他们很少直接去接触这些东西。正如菲利浦和菲利浦.莫里森所解释的那样[3]: 

  在林肯时代的阿拉巴马州,大多数孩子都来自农场,他们来到学校时已经有了关于生与死,满月,如何撬起一块沉重的岩石,怎样磨尖刀刃,奶是怎样变酸的等知识的第一手材料。他们不用在学校学习这些东西,因为他们时时刻刻都会遇到此类事情。他们在学校学习的东西就是符号——单词和语法,学习如何阅读,如何写作,如何计算,学习过去的学者和领袖说过的话,学习如何对世界和自己进行表达和推理。

  现在的孩子们也带着很多知识来到学校。他们带来了身边和遥远世界的广阔的视觉认识,带来了大量的图象、事实和幻想。他们同时可以在随处看到打印机;标语和海报包围着他们;杂志和书本随处可见,里面有着各种各样的图片,电视使辽阔的世界尽收他们眼底。但孩子们深深缺乏的是他们对真实世界的各种制约的内在理解以及对希望与行动之间区别的理解。按按钮并不象靠在铁撬上那样。

  符号仍然需要讲授:3R、历史、地图以及故事仍然急需。但除了词汇和想象以外他们没有任何其他基础。学校有一个大的新任务他们完全没有意识到:那就是把孩子们带入现实世界亲自动手,带他们到真实的能够产生问题的未知事物中去,孩子们需要的是种植植物(并让他们看看缺水时那些植物的情况)。完成从播种到收集种子的循环过程。他们需要用苏打草建造桥梁来承受许多奶牛纸盒的重量。他们需要实验灯泡和电池用哪种连接可以产生灯光,并且灯光能持续多长时间。

  指责学校使我们越来越远离物质世界是错误的,而对这种现状无动于衷则是个更大的错误。我们所有的人都处在这样的一种境地,这是技术成熟世界的结果,因为在这个世界里生产产品离消费者越来越远。用证据评价什么时候事情是对的,什么时候他们能很好的工作,什么时候他们出问题的能力,不仅仅应用于电路或其他科学事件中,同时也应用于政治或商业领域。这种理解来源于对自然和技术领域的积极实践。因此,让我们教会我们的孩子们如何阅读,如何写作,如何计算,但也让我们帮助他们探索物质世界的来龙去脉。他们需要用手和眼睛去理解,用头脑去思考什么能做、什么不能做,甚至要让他们学会如何在严峻的自然环境中开辟新的机遇。 

  

以探究为中心的课堂的一瞥 

  今天,在全国范围内有很多教师正在提供如莫里森所描述的那种以探究为中心的科学体验。
以解决问题为目的的调查 

  学生们通过讨论如何利用一个简单的回路测试器模型来解决问题。这个回路测试器是由电池组通过电线与灯泡连接组成的。学生们用这个测试器作为工具来确定神秘的盒子内的装置是否会使灯泡亮起来。观察灯泡是否变亮可以使学生们得到盒子里是什么的重要信息。 

  根据他们的计划,学生们把回路测试器的电线与盒子的两个接口连接起来,灯泡亮了。从这个现象他们推断在盒子里必定有一根电线连接盒子的两个接口。 

  当孩子们试验时,他们的老师在教室里不停地走动,也不时地停下来与一对对学生交谈。在她评论他们工作的同时,她建议他们把调查做得更深入些。她启发他们道:盒子里可能是什么电线呢:是铜线还是铝线?盒子里面有没有灯泡连到两个接口呢?铜线使灯泡更亮还是更暗呢?老师建议他们考虑考虑这些问题,并就可能的解释进行讨论,找一种试验方法来论证他们的观点。老师还建议学生们写下或画出他们的结论。 

  学生们开始讨论这个问题。通过积极交换意见,他们推断铜线比电阻或灯泡会产生更亮的光。在先前的试验中他们发现电阻丝和灯泡都能导电,但它们却不能使灯泡的亮度达到铜线的亮度。所以,盒子里是乎有一个电阻丝或灯泡。 

  为了检验这个理论,学生们做了以下的设计: 首先,他们将一根铜线放在回路测试器中,观察灯泡的亮度。他们把回路测试器钩在神秘盒子的两个接口上,然后观察灯泡的亮度,看此时的灯泡比以前亮还是暗。当回路测试器中的灯泡的亮度与神秘盒子匹配时,学生们就能知道盒子里是什么。 

  学生们开始试验了。他们注意到回路测试器中灯泡的亮度比铜线连在测试器中时盒子里的灯泡的亮度更亮。这种比较很明显,学生们很容易得出结论:铜线没有在盒子里。但比较电阻丝和灯泡是很困难的。在两个试验中,灯泡都更暗,很难看出差别来。

  经过进一步的讨论,学生们开始作结论。一个学生在他的总结中认为神秘盒子里有一根电阻丝或一个灯泡,两者都有可能:这个学生得出这样的结论是因为他不能根据“灯泡测试”来辨别出到底哪个在盒子里。另一个学生画了一幅画说明盒子里是电阻丝,她感到很确信只有电阻丝才能使灯泡发出如此暗淡的灯光。当学生们打开神秘盒子时,他们发现里面是一根电阻丝。 

盒子这个例子(12页----13页)说明关于电的一些基本概念通过探究的方式是如何被教授的。这些五年级的学生们已经用电池、电线和灯泡制作了简单的电路。他们也探究了电的导体和阻体。在这节课里,学生们通过两两结队,用神秘盒子----一个普通的白色盒子,在上面有个接口,里面有一个未知的电器,继续学习电路知识。学生们面临的挑战是通过实验和推理要发现,如果有的话,是什么电器在盒子里连在盒子的两个接口上。 


  “以探究为中心的科学”的优点 

  对许多成年人来说,提起“科学”就使他们联想到穿着白大卦的研究人员在他的实验室里试验一种神秘的物质。他们认为科学过程非常深奥,其结果就象研究者试验试管里的试剂一样难于理解。然而,从“盒子”这个例子中我们看到,科学对我们大多数人来说并不是特别神秘,掌握起来也不是特别复杂。简单地说,科学就是我们发现世界是如何运转的过程,“一种思考的方法,… ,具有创造思维的人把混沌转化为秩序井然,把多种多样变化统一起来的一种方法。”[4]科学是孩子们从出生后就开始实际参与的一个过程,在“以探究为中心的科学”计划中得到了很好的反映。由于这个原因,孩子们经过一个小时的紧张工作后仍然能在第二节课上积极地参与试验,这一点根本不足为奇。 

  从“盒子”的例子中我们能发现“探究”有哪些价值呢?下面列出了“以探究为中心的科学”的几个优点: 

  1.孩子们积极地参与了试验。 

  通过对电池和灯泡进行试验,孩子们进行了思考,有了自己的观点,发展了他们推理的技能,提高了他们解决问题的能力。皮亚杰发现,应用材料作为学习的一种载体,并为孩子们提供具有丰富物质体验的学习环境,是非常重要的。皮亚杰说过,“亲身投入是智力发展的关键,而对小学的孩子们来说,这包括直接操纵物质对象,这种操纵在科学课上是非常容易做到的。”[5]美国美国科促会(AAAS)发布的《科学教育的基准》也有同样的观点:“对于低年级的学生来说,重点应放在对自然和社会现象的体验上。… ,学生们通过做科学获得的许多经验,使学生们做调查变得更加熟练,通过解释他们的发现,他们能积累大量的感性经验。”[6]此外,《国家科学教育标准》确立了积极学习作为科学教育的一项根本原则。该《标准》强调,“学习科学是学生要做的事,而不是为他们做好了的事。”[7] 

  2.“以探究为中心的科学”把现实世界带入了教室和孩子们的生活。 

  通过把诸如电池和灯泡之类的材料带进教室,我们为孩子们提供了让他们亲身体验做科学工作的机会。他们可以用科学工具工作,并形成他们自己的问题和观点。Jos Elstgeest,来自荷兰的一位科学教育家,把这种科学教育方法定义为“丢开实际的课程大纲。不是教给学生们别人科学活动结果的科学事实,而是通过做科学来进行教育。不是试图让他们背诵科学结果的描述,而是让他们了解这些结果是怎样得到的。不是让他们听和忘,而是让他们做和理解。”[8] 

3.“以探究为中心科学”促进了团队工作和合作的能力。 

  “以探究为中心的科学”要求学生们学会合作,而这种合作技巧不仅在学校里越来越需要,在劳动场所也变得越来越重要。企业领导已经指出,劳动场所的工作方式已经从个人解决问题变为集体解决问题。通过在全校一起工作,学生们有机会从别人身上学到知识,同时他们也会发现合作是有效地解决问题的根本。 

  4.“以探究为中心的科学”课堂可以适应不同的学习方式。 

  Howard Gardner已经在他的文章中说过,人们以不同的方式进行学习,有的通过语言学习,有的通过数学推理学习,有的通过视觉艺术学习。Gardner写道,“如果人们拥有多种表示概念和技能知识的方法,并能对这些知识形式融会贯通,那么真正的理解就很容易形成,并且使别人很容易明白。没有人能掌握所有的学习模式,但每个人都应该拥有几种方法来表示相关的概念和技能。”[9]“以探究为中心的科学”包括许多种学习方式,并能给孩子们提供从一种模式转到另一种模式进行体验的机会。此外,用传统方法,如读或听,不能十分有效学习的学生,可得到其他机会取得成功。 


  5.“以探究为中心的科学”鼓励学生在多个领域学习。 

  科学课程可以作为探索其它课程的跳板。举例来说,一个学生用写的方法记录下了她的结果,而写的方法是一种发展语言艺术技巧的有效方法。另一个学生画了一幅画来描述她的发现,这样就使科学与艺术建立了联系。老师也可能会叫学生们用图表的方法表现他们的发现,或进行计算来解释他们的数据;这些活动都表明了科学与数学之间的密切联系。 

  6.孩子们在他们的活动中掌握了新概念和技能。

  通过观察她的学生们对神秘盒子的试验的情况,老师可以得到关于学生们是否真正理解了试验题目的重要信息。用这种方法代替强烈依赖于在每课的最后进行测试的方法,老师可以根据学生的试验情况评价学生们的进展。利用这些信息,老师可以知道哪些概念学生们难以理解,或哪些观点他们更感兴趣,从而可以确定在其它课上进行与这些概念或观点直接相关的内容。
  科学教育的一个关键目标就是改进学生的思维能力,而传统的测试方法往往不能正确地度量这些技能。lauren Resnick 评论道,多项选择考试“能测量知识的积累,也能用来测试推理或思考的具体方面。然而,这种考试不适合用以评价我们称为“更高级别”的那种综合思考能力。”[10]为测量在科学课上获得的知识,教育者开始认识到仍需要其它的评价方法。关于这一点我们会在第八章进行讨论。 

过程技能与评价

  “以探究为中心的科学”已经显示出了培养有效解决问题所必需的特定技能。这些常被称为“过程技能”的技能包括组织信息,精密地思考,应用知识解决新问题等。“以探究为中心的科学”之所以能够培养过程技能,其原因在于它为孩子们提供了可供汲取的丰富内容。 

  思考技能不能凭空产生;在人们解决感兴趣的问题的过程中发展了这种思考技能。Resnick也同意这种看法,她说过,“认知研究已经确立了知识在推理和思考中的重要作用。人们不能在抽象中推理;他必须对某件事情进行推理。通过在学科中渗入问题解决或批判性思考的训练,每个学校的学科都能提供大量的推理材料和解决问题材料。”[11] 

  为试图度量“以探究为中心的科学”的价值,其他研究人员开展了长期的研究。如Arthur Reynolds和在北伊利诺斯大学的合作者发现,运用“以探究为中心”科学进行教学的小学学校里接受科学教育的学生与用更偏重于传统方法(如阅读课本等)教出来的学生相比,他们上初中和高中时科学课成绩前者的要比后者的更好[12]。而且,接受过“以探究为中心科学”教育的学生比那些参加传统教学计划的学生更熟练于解决问题。 

  另一位研究人员Ted Bredderman,总结并分析了1000个教室里的13000名学生60节科学学习课的情况的数据。他发现,用“以探究为中心的科学”计划进行讲学,学生们明显地提高了他们做科学的能力和创造能力,对他们的理解力、逻辑能力、语言进步情况、科学内容和数学测试,也发现他们的成绩有明显的提高。这种“以探究为中心的科学”对经济上困难的学生也有利。 

  


  除了能培养解决问题的技能外,“探究”还能帮助孩子们逐渐形成一个能反映对科学在他们日常生活中重要性理解的世界观。美国美国科促会(AAAS)的2061项目已经确定通过科学教育孩子们应养成的五个态度,即:1)好奇心(提问,想知道);2)对证据的尊敬(思想开明,愿意思考相互矛盾的证据);3)批判性的思考(确定观察资料的重要性,对所观察事物进行评价);4)适应性(愿意保留看法和重新思考观点);5)对生物的敏感性(尊重生命,环境意识)。 

科学教育者猜想,经历过“探究”教学的学生在长大后会变得喜欢提出问题,喜欢在仔细听了讨论的各个方面后才发表自己的看法。他们将成为热心的观察者,熟练于对他们所看到的事物进行评价并对此得出自己的结论。他们也会比前几代人更关心自然界,更愿意做出贡献保护环境。 

  虽然这个猜想还没有在大范围内得到验证,但已经有证据表明“探究”会产生这些结果,因为存在着一个关键的原因:“以探究为中心的科学”教育与儿童自然地学习的方式相一致。第二章将通过聚焦认知科学家们的工作,来进一步探索“探究”与儿童学习方式的关系。 

  本章要点: 

  以探究为中心的科学教育方法包括学习材料,提问问题,设计实验,解释数据,综合结果以及交流结果。
  以探究为中心的科学”教育与儿童自然地学习的方式相一致。强烈要求用这种方法教授小学科学课程。
  “以探究为中心的科学”很容易与其它课程如与语言和数学等相结合。
  “探究”能适应不同的学习方式,给那些不能通过读或听等传统方法有效地学习的学生提供了其它成功的机会。 

  参考阅读:

  美国美国科促会(AAAS),所有美国人的科学,纽约:牛津大学出版社,1989
  美国美国科促会(AAAS),科学教育的标准,纽约:牛津大学出版社,1993
  Dewey,J.,经验与教育,纽约:科利尔出版公司,1938
  Dow,P.B.,校舍里的政治:人造卫星时代的教训,麻省,剑桥:哈佛大学出版社,1991
  Gardner,H. 多重智力:实践中的理论,纽约:基础科学出版公司,1993
  Harlan,W. 基础科学的教学,纽约:师范大学出版社,1985
  Mechling,K.R.,D.l.Oliver 手册4:基础科学的研究成果,华盛顿:国家科学教师协会,1983
  国家研究理事会,国家科学教育标准,华盛顿:国家学术出版社,1996