什么是科学探究——郝京华教授在教材培训会上的报告

【前言】为进一步理解苏教版国标本《科学》教材的编写意图,落实和推进新一轮基础教育课程改革,教育部课程改革南师大研究中心和江苏教育出版社于今年元旦前后举办了苏教版国标本《科学》教材培训活动。培训活动期间,郝京华主编作了题为《什么是科学探究》的学术报告,引起了与会代表的强烈反响,现应广大与会代表的要求,整理于后。

 

    什么是科学探究,为什么要强调科学探究?科学探究到底包括了哪些基本的过程技能?对这些问题我们可以做深入的讨论。

  一、 为什么要通过科学探究来进行教学其中有很多理由,而我们所要强调的是,我们的小学生应该用类似于像科学家研究科学的方法那样来进行学习。

  1 可以保持儿童的好奇心。本来好奇心就是人与生俱有的,但后来不知道为什么,到了小学毕业的时候,孩子们的这种好奇心反而逐渐减弱了。通过科学探究保持这种好奇心实在是太重要了。我一直在找一张照片,一直没有找着,那就是在国外的机场上,两位大胖子物理学诺贝尔奖获得者(我不知道他们叫什么名字)在看,看什么呢?在看地上的陀螺,那个陀螺一直在地上转,先是在反过来转,转转转,后来正着转了,两位大胖子物理学家一直在盯着看,看这个陀螺是怎么回事。其实科学家和我们常人相比,不同在哪儿?不同在他们的好奇心能保持终生。前年法国专家到我们南京来,孩子们问他:把糖块放到水里,体积会不会改变?科学家一时回答不上来。然而,第二天早晨,人们把这事给忘了,到底是物理学诺贝尔奖获得者,他却念念不忘,先不吃早饭,而是先做这个实验,一块方糖一块方糖地往杯子里加,发现放了8块以后,才看得出体积有一点变化。所以说,保持孩子们的好奇心实在是太重要了。我们用科学探究的方式,就能将孩子们的这种好奇心保持得长一些,我想,从刚才的探究活动中就能看出来了。

  2 可以让孩子们参与要求高级认识能力的学习活动。我想让老师们明白这样一个道理,教知识可以让人变得更聪明一些,这话似是而非。如果我们总是告诉孩子们各种各样的结论的话,儿童是可以获得很多知识,但是他的智慧并不一定可以同步地成长,因为人的智慧与人的认知技能有很大的关系,也就是认知的方法。法国大学的一个研究成果强调:什么样的知识才算是深刻的理解,知道并不是理解,照本解释不是理解,照本运用也不是理解,它有一套完整的关于理解的标准,就是从知识、方法、目的、形式这四个维度来界定孩子们是否对知识真正理解了。什么是知识,是孤零零的呢,还是在一个网络中间和其他知识建立起了联系,这是衡量知识质量的一个重要标志;第二个指标是方法指标,就是知道这个知识是怎么来的;第三个指标是目的指标,就是不仅知道这个知识是怎么来的,还知道这个知识可以运用到什么地方去,也叫目的维度;第四个指标就是会用各种不同的形式来表达,也叫形式维度。对知识真正理解了,儿童就能用各种方式来表达他对知识的理解。所以,现在对科学教育与20世纪60年代的科学教育的重大区别,在于不仅仅是教知识,而且是通过知识的教育来培养孩子们的高级认知能力。杜威说:“科学教育在培养人的认知能力方面,它的作用是不可替代的,因为教科学方法跟教思维方法是完全相同的。”大教育家杜威在那个时候就看到了科学教育的独特价值——可以让人变得更聪明一些。

  3 可以培养儿童对科学的积极态度。这一点不用展开,从刚才老师们对探究活动的积极投入,不愿下课,休息的时候都没有休息,这种对科学的积极态度足以体会到了。

  4 可以培养儿童达到形式操作阶段。什么是形式操作阶段?它是符号运算。皮亚杰说过,11岁以后的儿童才能进行形式运算,就是A>B,B>C,那么A就一定大于C。小孩子搞不过来,但是到了初中以后应该可以了,这需要有个铺垫,这个铺垫就是感觉运动阶段和表象阶段之间的一个具象的东西。孩子们搞不懂A>B,B>C,那么A就一定大于C这个道理,但请3个高矮不同的同学上来,他比他高,他比他高,他就一定比他高,孩子们马上就理解了。所以,通过操作性的活动,可以为那些还没有经过前面感觉运动阶段和表象阶段的孩子,没有达到和不能达到形式操作阶段的孩子提供具体的经验,因为在探究活动中,他一定是通过具体的物体来操作的。所以,在操作性的探究活动中间,可以让孩子们很好地理解这些知识。很多孩子到了中学对科学就不那么感兴趣了(可能就是没有重视让学生经历科学探究活动)。到20世纪90年代以后,许多国家开始了“动手做”的科学教育项目,用法国物理学诺贝尔奖获得者乔治·夏巴特的说法是,“用这种探究的方式来学科学,孩子们表现出来的科学热情让我感到震撼”,这就是为什么他在80岁高龄的时候,也是在获得诺贝尔奖以后,不再搞他的物理学的研究,而是一头扎到幼儿园、小学的科学教育的项目中来的原因。现在全国很多省份正在推行“做中学”科学教育项目,“做中学”这个项目就是从法国引进的。其实,最早开始是在美国,法国人是看到美国人这样做了以后,感到非常震惊,所以法国人也在做。法国做了以后,韦钰部长到法国去访问,看到了这样一个科学教育项目,她也想开展“做中学”的科学教育项目,她在退休以后专门做这件事情,在中国推广这个“做中学”的项目。

  二、 关于科学探究的过程技能

  在我们的《课标》中间,涉及到一些科学探究的技能,有很多老师给我们提意见,说20世纪80年代的那些分类啦、推断啦这些东西为什么在《课标》中间看不见了,我觉得这些意见是对的。我们现在的《课标》上面可能过多地强调国外称之谓“综合技能”的东西。现在看了很多资料,觉得可以把科学探究所涉及到的过程技能,分成两大类:一类叫做基础的过程技能,还有一类叫做综合的过程技能。

  1 基础的过程技能。基础的过程技能有哪些项目呢?不同的资料有不同的说法,大致有五类是一致的:

  (1) 观察。观察是一种非常重要的基础过程技能。

  (2) 分类。分类是人在头脑中的一种非常重要的思维活动。

  (3) 交流。可能与20世纪80年代不同的是强调交流,为什么交流这么重要,因为科学与其他学科不一样,比如就与历史、哲学不一样,历史学家,或者是哲学家他们的结论是怎么得出来的呢?我不能说他们是拍脑袋拍出来的,但可以是一个人有一个人的想法,有人不是说“历史是个小姑娘,是可以任人打扮的”嘛,你的认识可以对历史作出这种解释,我也可以作出另外一种解释,但是科学不行。科学与其他学科,与历史、哲学不一样在哪里?它的最大特点是在于它的实证,你作出的这种解释对不对呢?我得说出来让更多的人认可,让更多的人来验证,所以交流这种技能就成了科学探究活动中的一种非常重要的技能。

  五年级上册的教材里面,我们专门有一项这样的交流训练,怎么训练的呢?让孩子们用纸做一个纸飞机,然后把你做纸飞机的步骤写下来,和你的同桌交换,按你的同桌所写的做纸飞机的方式,再做一个纸飞机,你会发现有的时候做不起来,什么原因做不起来呢?这里有表达的困难。所以,要在有限的时间里面把一个事情很清楚地表达出来,并不是一件那么容易的事情,但是在科学教育中间,它是个非常重要的训练项目。

  我们的老师说,每次课堂教学在汇报的时候,他们(学生)都不听,或者他们(学生)只顾自己的汇报。在这个方面我们是要下点功夫的,比如说,要是在比较的过程中,老师提出这样的要求:“说别人没有说过的。”这下子就可以吸引孩子注意听别人说过了什么,等一下我要说别人没有说过的。所以,应该把交流作为科学教育中一种重要的技能。

  (4) 测量。测量也不用多说,老师们是知道的。

  (5) 预测和推断。预测和推断有联系,但不是一回事,推断是在事实的基础上面,对事实之间的联系(可以是因果联系啊、整体与部分的联系啊)所作出的一种判断、一种解释,比如说,狗叫了,狗什么原因叫的呢?你可以推断:生人来了。但是,是不是一定是生人来了,不一定的。所以,推断和事实是两回事,推断和根据观察所获得的信息是两回事,我们在五年级教材中,专门有这方面的训练。什么是通过感官获得的事实,什么是在事实的基础上的解释,这是截然不同的两回事,我们很多老师在自己的教学活动中经常搞不清楚。推断,我们随时随地都可能做出来,是我们人独有的一种思考问题的能力。猴子不可能,猴子可能发现这块石头是烫的,但是,它就跳开了,只有人,才能在“石头为什么烫”这个问题上,作出可能是太阳晒的,也可能是地热原因使这块石头变烫的推断。只有我们人才能在这两个事物之间建立起联系来。所以,推断和分类一样,也是属于基础过程技能里面的内容,是非常重要的技能。

  预测是推断的一种高级形态,首先是对未来世界所做的一种推断,但是要根据以前的经验,对未来的世界作出一种推断,天气预报就是一种很典型的预测。再如,科学和数学是一对亲姊妹,通过测量,通过计算,一个是数字联系,还有的是时空联系。时空联系是康德提出的一对范畴,老师们认为根本没有什么,但是,如果没有这对范畴,世界会是什么样的?世界永远是乱糟糟的,要是没有时间这个概念的话,达尔文也不会这样有名了,正是有了时空这个概念,才能把乱糟糟的生物世界立刻变得有序了。所以,时空范畴是一对非常了不起的范畴,现在我们已经非常非常熟悉它了。

  在小学科学教育过程中,对于这些基础的过程技能,我们可以通过分项的训练来激活某一个知识点。如进行观察的训练、分类的训练,只要有可能,老师们就应该让学生们经常进行这方面的活动。通过这些活动,经常对孩子们进行激活知识点的教育,孩子们就会变得越来越聪明。

  2 综合的过程技能。和探究有关系的这类过程技能有哪些呢?

  (1) 识别和控制变量。比如说,乒乓球反弹与什么因素有关?可能与起始的高度有关,可能与地平的材料有关,可能与乒乓球的质量有关。为了公平起见,我们在研究的时候,在进行实验时,必须对有关变量进行控制,才能研究自变量和因变量之间的关系,才能得出正确的结论,不可能同时研究乒乓球的起始高度和地平材料对乒乓球反弹的影响,这是实验的公平性问题。所以,综合过程技能与实验研究更紧密地联系在一起了,在科学探究过程中识别和控制变量是十分重要的。

  (2) 形成和验证假设。假设和推论有没有关系?是不是一回事呢?差别在哪里?假设可否看成待验证的推断?推断是随时都可以作出的,例如,狗叫了,生人来了,到底是不是生人来了,不一定去验证。但假设是科学研究专有的术语,一旦是假设的话,接下来的活动一定要有验证性的活动,假设和推断有联系,但假设和推断的最大区别就在于推断不一定要验证,而假设了的就一定要进行验证。

  (3) 下操作性定义。老师们可能对“下操作性定义”这个词不很熟悉,其实就是实验研究。你们在每做一个实验时,都要对所做的实验进行界定,这个界定就是你们对该实验所下的操作性定义。如做摆的实验,在验证摆线的长短与摆的快慢有关时,你们会在实验步骤里这么描述:“取50厘米长的绳子一根,取100厘米长的绳子一根……”这个“取50厘米长的绳子一根,取100厘米长的绳子一根……”就是你们对当下所做实验下的(操作性)定义。有时我们对反应变量也要下定义,如施肥的多少或施肥的时间对植物生长的影响,这是你们想研究的问题,那么,反应变量就是植物生长的好坏对不对?生长的好坏可以从哪些方面来看呢?可以从植物的高矮、大小、茎的粗细、叶的厚薄等等对不对?有的时候,你们要把问题说清楚,光高矮可能还不行,还要对茎的粗细、叶的厚薄等做个界定是不是?这个定义是你对当下实验所做的。操作变量、反应变量都可以下定义,然后做实验,做数据分析和解释,有时我们所做的解释,还要用模型的方式来解释。所以,建立模型也是科学教育中一种非常重要的活动,我们在五年级上册的教材中有专门的单元来训练。综合过程技能,也就是我们平时所说的比较严谨的实验研究。

  三、 探究的不同类型

  探究存在着不同的类型,有的老师说这是探究,有的老师说这不是探究,究竟谁是探究、谁不是探究呢?我们可以对探究作不同的划分,大致有如下四种不同的类型。

  1 提问法。提问是不是探究?老师用可以操作的材料,向学生提出一种现象,如小车在地上直转直转不往前走,先提出一种现象,然后指导学生得出一种科学的概括;老师演示一种现象,让孩子们针对这种现象,研究后得出一种科学结论来。这些都是我们在课堂上经常做的,这就是一种探究,尤其在低年级时,我们经常用这种方式来让学生探究,别一讲到探究,就是有实验,就是有变量。

  2 发现法。有的老师搞不清楚发现法和探究的关系,发现法是探究中的一种类型,但是它没有变量。发现法有两种:

  (1) 纯粹的发现。如玩磁铁,在玩磁铁的过程中,孩子们会有很多的发现,不但发现磁铁可以吸铁,还可以隔着书吸,隔着水杯也可以吸;如果把条形磁铁调一个头,它们不仅不吸了,而且还相斥,所以,孩子们在玩磁铁的过程中可能会有一种纯粹的发现。像我们教材中的《照镜子》也是,让孩子们有一种纯粹的发现,在照镜子的过程中,看哪个学生能发现很多很多他原来不知道的东西。

  (2) 指导下的发现。当我们希望孩子们都具备这种经验时,可以采用指导下的发现。比如当孩子们并没有知道磁铁还可以隔着水杯对铁起作用时,老师们可以建议孩子们这样去试试看,这就是指导下的发现。在一学期的活动中间要有1~2次这种用发现的方ɡ唇刑骄俊?

  3 实验法。这才是严格意义上的探究。狭义的实验有假设、数据搜集、数据分析、解释结论等,实验法实际上就是叙述你认为正确的东西,并找到一种方法来检验你正确的叙述,这是严格意义上的实验。

  4 研究法。它有一定的程序,也要搜集数据,但是没有假设,也没有变量。比如说:“月相是怎么变化的”,我并不知道,我可以去观察,每天记录,有一定的数据,这就和前面讲到的“乒乓球反弹与什么因素有关”不一样了,它有一定的程序,有数据的搜集分析,但没有假设,也没有变量的控制,所以,我们把它叫做研究法。

  对于孩子们来说,以上四种方法不一定要让他们去区分它,我们老师们心中有数就可以了,不要把什么东西都看成是探究,也不要只把狭义的、第三种实验法称之为探究,其他都不叫做探究,现在我们有很多老师这样认为,这是不对的。

  最后我想说的一句话是: 探究是不是惟一的?不是的。有人说,今年流行西北风。一讲到探究,就认为不是探究的就不是好课。千万不是的!其实教学中,探究只是其中的一种策略。探究固然有很多好处,但比较费时间,不可能所有的课都上成探究课。最近我们在翻译一本书,叫做《科学探究的策略》,我们可以发现,里面有很多有趣的策略,刚才带你们做的活动,都是《策略》书里面的一部分,有各种各样,包括实施有利于孩子记忆的策略……可以看到,科学教育有很多方法,有几十种策略。

  四、 在科学教育中教师究竟应该扮演怎样的角色我对这个问题是非常欣赏的,大家知道,探究能力的形成,不可能一蹴而就,它是要慢慢培养的,所以说,探究有一个阶梯。阶梯的两极,一种是“传统的动手做”——所有的都为孩子们设计得好好的,孩子们就照着做去吧,以前验证性研究和验证性实验是不是这样的?前面的做得好好的,但探究的成分实在太有限了;还有一种是“大撒把式”的——任孩子们随便怎样探究去吧。这是一个问题的两个极端,一个是“扶”得太厉害,一个是“放”得太厉害。其实,“扶”和“放”是一个辩证的关系,老师在这中间究竟应该扮演一个怎样的角色呢?我们可以看到,如果我们把探究进行一下梳理的话,大体上包括这样的程序:主题的确定、问题的提出、材料的选择、步骤的设计、结果的分析、结论的得出,我们把探究的程序罗列出来,可以发现,老师和学生在这里面有这样一个关系。(见下表)

  一种是从问题的提出到结论的得出都由老师来完成,老师滔滔不绝地对学生讲,偶然穿插一些提问,这在我们平时的教学中经常看到。但是,我们老师可不可以在探究过程中间适当放开一些?如刚开始时,探究的主题、问题由老师提出,材料是由老师提供的,步骤是由老师设计的,结果/分析能不能由师生共同完成,有可能的吧;结论能不能由学生自己得出,然后慢慢来放?步骤的设计有没有可能?也可能吧,不要以为步骤的设计只有老师才行,其实孩子们也能想得出来。所以,在步骤设计的时候,能“放”的话,应该适当“放”开一点,老师和学生一块儿来商量,我小学科学探究的阶梯

  

  学生们怎样来设计这个实验。我觉得在这方面,我们的小学老师做得比中学老师好。我最近看了一个中学的实验报告,哑然失笑,我们小学老师肯定会对其持批判态度的。这是某某出版社刚刚出版的一本新课标教材上的学生实验报告,说的是种子萌发需要什么样的外界条件。他把目的要求写出来了,需用的器材也规定好了,然后实验步骤是在一根玻璃棒上面绑上三颗成熟的豌豆,一颗完全浸到水里面,一颗接触水面,一颗暴露在空气中。你说这个活动,中学生了,还要给他这样规定吗?能不能让孩子自己想象?非要用成熟的豌豆啊,黄豆行不行?所以,在这些环节中,哪些该“放”,哪些该“扶”,全部的教学艺术都在这个地方。有的时候,问题的提出可不可以由学生自己提出?可以啊!既然提问是科学探究很重要的一个环节的话,那么老师就应该经常给孩子这样的机会,让孩子自己提问啊!有人担心学生会海题,海题完了别怕,适当收口就是了,选择适合我们可以研究的问题,学生慢慢就学会了,找一个我们自己可以研究的问题,他的能力慢慢慢慢就能提高了。所以,全部的教学艺术就在“扶”和“放”之间,看你怎么“扶”,要巧妙地“扶”。有的时候,我们老师会“错了、错了”,其实最好的“扶”是老师反过来问一句,让他自己去发现矛盾之所在,而不要直接地去告诉他。比如摩擦力产生的条件,大连的老师讲了,孩子也意识到摩擦力产生要两个物体。有了两个物体,不运动也产生不了摩擦呀,但是老师不直接讲,反过来问同学,这两个物体我这么放(不运动)行不行?孩子们意识到了,刚才说的“两个物体”不严谨,孩子们说:“要两个物体运动。”这样一来,问题的矫正是由学生自己做了。所以,鉴别一堂课的好坏,一个是在这些环节中,要看能“放”的“放”了没有,“放”了多少。好课要有挑战性,在这些环节方面有没有“放”?在“放”的过程中,老师又是怎么来“扶”的?这个“扶”,我们非常强调,用教育部刘坚老师的话来说,就是“讨价还价式的对话”。对话,不是问答,有时老师为了发挥学生的主动性,经常“你说,你说,你说”,全班学生都说过了,就是看不到老师的主体作用。是要对话,一方面你是平等对话中的一员,但是,你又是平等对话中的首席。所以,一个巧妙的反问,也是对话,就是在这个反问中间,孩子们一下子意识到了他的问题出在哪里了。冯凌老师在上《认识液体》时,孩子们说:“液体之间有轻重的不一样。”她反问一下:“那我拎一桶油来和一杯水比,哪个轻哪个重啊?”孩子们立刻发现这个话说得不严谨了,所以他们后来说:“要倒出同样多的来。”因此,好的引导的话,一个问题反问过去,就能让孩子们意识到问题出在哪里了。好的课堂教学要看该“放”的时候是怎样“放”的,该“扶”的时候又是怎么“扶”的。我们提倡今后老师们写精彩的对话片断,老师们不要花那么多的精力去写空对空的论文,精彩的对话片断那是最有价值的科研论文。我在东北的时候,听了一堂数学课,老师叫孩子们研究角的特征,东北的孩子们喜欢用报纸折大的“四角”,我们小时候折过的,放在地上掼,看谁能把它掼翻过去,老师叫每个孩子折一个“四角”,然后来探究角的特征,孩子们探究出角的第一个特征是“角是尖尖的”,老师说:“请同学们打开铅笔盒,拿出铅笔戳戳自己。”孩子们一下子就意识到了,“角是尖尖的”不是角的最重要的特征,因为铅笔尖也是尖尖的啊,老师就是这样一步一步引导孩子们自己得出角的特征的。所以,精彩的东西就在和孩子们的对话中间,你既是平等对话中的一员,又是平等对话中的引导者、平等对话中的首席,好课的评价标准就在这两个标准上面,当然,这需要经验,也需要老师的智慧。当老师难,甚至比当医生还难,为什么呢?孩子发烧了,可以判定是哪个地方有炎症了,但有时候小孩子说的话,成人却不知道他说的是什么意思,对不对?你要在瞬间,特别是在有人听课的情况下,判断出他为什么这么说,他的问题出在哪里了,然后还要作出相应的回应,这是一件非常困难的事情,这真的是需要智慧的。我有一次在某地听课,老师带孩子们到室外去寻找有生命的物体,孩子们找来了“花有生命”、“草有生命”、“树有生命”,没想到三个孩子进来说“云彩有生命”、“地球有生命”、“火山有生命”。当时有很多老师在听课,执教老师很紧张,不敢就这个话题展开,而是说“这个问题我们课后去解决”,其实,精彩的对话就应该从这个地方开始。所以,老师们今后可以经常回忆,课堂上总有这样精彩的东西吧,把这些精彩的东西写下来,到时候我们专门来搞一个《精彩对话集》。

 

 

录音: 瞿晓峰

整理: 蔡正秋(江苏省常州市教研室)