科学探究与探究式教学

第一节　科学探究与探究式教学

一、科学探究

什么是科学探究？人们也许习惯于知道一个确切的定义，诸如：科学探究是指对自然、社会、思维等的客观规律的研究讨论、追根究底、多方寻求答案、解决疑问；或简单地说，就是像科学家一样地思考和工作。但仅仅记住这样一个定义是无法加深对科学探究的理解和把握的，我们真正需要的是知道如何进行科学探究，了解科学探究的具体细节，把握科学探究的思维方式和工作模式。下面两个例子很有可能帮助我们解决这些问题，虽然这两个例子不是物理学科的，但“他山之石可以击玉”，相信聪明的读者一定能从中领悟到科学探究的真谛，并迁移到物理学科中来。

【案例1】雷迪实验

亚里士多德发现，苍蝇和其他昆虫喜欢云集在腐烂的物质周围。这使他相信，某些动物并非由雌雄两性结合产生，而是由腐烂物质本身产生的。他认为，这种转变是“大自然的自发作用”所致。这种看法一直延续到17世纪。1668年，雷迫对此进行了验证。

观察：雷迪观察到，把肉放在敞开的容器里任其腐烂，就会生出蛆（苍蝇幼虫）来。

假说：根据当时公认的理论，蛆的生成就是从简单的无生命物质（腐烂的肉）自发生成复杂有机体的一个例子。

预测：该理论预言，假如把肉置于用金属丝网封口的容器内，也会生出蛆来。（如果蛆是肉本身变成的，那么有无丝网都一样。）

实验：在雷迪所用的金属丝网封口的容器内，没有生蛆。

解释：苍蝇群集在腐烂的肉周围并在上面产卵，卵再发育为蛆。而实验中，苍蝇把卵产在金属丝网上，而没有产在肉上。

这个实验和其他的一些实验使得生物学家们终于确信，无生命物质不能自发生成复杂的有机体。

【案例2】布朗运动

发现问题：18世纪。英国植物学家布朗利用显微镜观察植物花粉授粉的情况，无意间发现了花粉在不停地运动，而且花粉本身也在不断地转动和变形。

猜想与假设：布朗认为这是有生命的花粉自发运动的原因。

制定计划与设计实验：用上百年前的植物标本微粒和岩石粉末（无生命）进行实验观察。

进行实验与收集数据：实验发现无生命微粒仍然在不停地运动（实验现象也是数据的一部分）。

分析与论证：由于无生命的微粒也能在液体中不停地运动，说明微粒的运动不是生命现象，而是任何微小颗粒在液体中都具有的运动特征。

在以上的两个例子中，实验者都经历了：①潜心观察，以某种方式（看、听、感觉、尝等）来感知事件中的特征。②对观察到的现象的本质形成假设，作出一般性的结论。③作出推断，将假设应用到今后的情形中。④进行实验，或对推测的试验通过寻找所推测的现象的实际情况来确定推测的正确与否。必要时对假设进行修改，并利用修改后的假设，重复上述步骤。

这种一般的程序被称为科学的方法或科学方法。所以，所谓科学探究，就是指人们运用一定的科学思维程序，利用已知的知识或经验去探索未知知识的过程。当然科学工作者的实际工作远没有如此刻板，并总是按明显的逻辑有系统地进行，它需要聪明的才智，富有创意的想像力以及设计与试验的强烈直觉。

有些人认为，科学的发展并不是从“观察”或“事实”开始的，而是从问题开始的。确实，有时科学家如果没有思考过某个问题的话，那他也就不会注意到某个事实。在我们中学物理教学中，科学探究无论是从“观察”或“事实，，开始，还是从“问题”开始，都没有矛盾。在《物理课程标准》中，对科学探究“提出问题”这一要素的要求是：能从日常生活、自然现象或实验现象的观察中发现与物理学有关的问题。由此可见，“观察”仍然是提出问题的源泉，是科学探究的开始。虽然《物理课程标准》中对这一要素的要求没有提到“观察”，但并不会影响到“观察”在科学探究过程中的地位和作用。

二、探究式教学

探究式教学是针对灌输式教学提出来的。因为教学的作用不是填鸭式地把尽可能多的事实塞满学生的脑子，而是要引导学生养成批判观察的习惯，以及理解与解决问题相关的原则、标准；也就是说要培养学生独立思考的习惯和摆脱当前成见与偏见的探究精神。教师的教学不是发布知识的过程，而是引导学生自己领会知识、学会思考的过程。

为更好地理解和把握探究式教学，下面我们先来看两个教学片断。

【案例3】教学内容：为什么平时总是看见轻的物体下落得慢、重的物体下落得快？

这是一个古老的问题，也是生活中经常遇见的问题，下面是两位教师对此教学内容的教学处理。

教师A：表面积相同的一枚硬币和一小张纸片从同一高度无初速度地释放，同学们是否看到了硬币下落得快些，而纸片下落得慢些？

学生：是。

教师A：这是一个古老的问题。早在两千多年前，亚里士多德提出了一个错误的观点，而这个错误的观点后来被伽利略巧妙地推翻了。（老师板演推导过程）

教师A：为什么看见的“事实”不“真实”了呢？

学生：（没有响应）

教师A：其实这是由于空气阻力作用的原因，如果没有空气阻力，轻、重物体下落的快慢是一样的。

接着，老师用真空管进行演示。

教师B：现在我来做一个小实验，请同学们仔细观察，看看有什么发现？

取表面积相同的纸片和硬币，从同一高度同时无初速度释放。

学生：硬币下落得比纸片快些。硬币做直线运动，纸片做曲线运动……

教师B：很好！同学们有两个发现，这节课我们先来研究第一个发现。为什么硬币下落得快些？

学生：因为硬币比纸片重些。

教师B：真是这样吗？

学生：（沉思）

教师B：请同学们分组按下表中的实验内容进行实验，看看有什么发现。

学生：进行实验并将实验结果填入表格中。

教师B：你们能从实验结果归纳出一个什么样的结论？

学生：物体下落的快慢似乎与物体的轻重无关。

教师B：那么，你们认为与什么有关呢？

学生：与物体的体积有关。与物体的形状有关……

教师B：教师先发给每个实验小组几个大小不一的小铁球和形状各异的小铁块（教师事先准备好的），再请同学们按表5—2中的实验内容进行实验，记下实验结果，看看有什么发现。

学生：进行实验并记录实验结果。

教师B：怎么样？

学生：似乎与体积大小和形状也无关。

教师B：既然同学们的实验结果是物体下落快慢与物体的轻重、体积大小、物体的形状无关，那么与什么有关呢？

学生：（交流与讨论后）与空气的阻力有关。

教师B：你们的意思是，如果没有空气阻力，轻、重物体的下落快慢是一样的，是吗？

学生：是。

教师B：用真空管进行演示。

对于同样的教学内容，用同样的教学器材（教师B自己准备了一点简易器材，准确地说是准备了一点道具而已），在教学处理上，两位教师却存在很大的差异。教师A忽视了学生的学习过程，急于将结论交给学生；而教师B则善于创设情景、提出问题、引发学生思考，学生经过动手实验、动眼观察、动口表达与交流、动脑思考并结合演示实验，弄明白了轻、重物体下落的快慢是由于空气阻力的影响，如果排除空气阻力的因素，轻、重物体下落的快慢是相同的。这样，学生在获得知识的同时，不仅经历了用实验研究的过程，体验了把实验获得的信息演绎、归纳成结论的科学方法。而且还受到了科学思维的训练。

通过上面案例中两个教学片断的比较、分析。我们可以了解到，所谓的探究式教学，就是根据具体的教学内容和预先设定的教学目标，以知识为载体，在教师的引导下，让学生运用科学的方法（即学生用以获取知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家研究自然界所用的方法而进行的各种活动，包括观察、测量、制作、提出假设、进行实验、提出模型和交流等）进行学习，主动获取知识，发展科学探究能力，形成科学观念，培养探索未知世界积极态度的实践活动。

中学的探究式教学一般分为两类。一类是学生根据自己的观察或发现所提出的研究课题（或在教师推荐下由学生选择的研究课题），并利用课外时间进行。在这类探究活动中，学生自主程度较高，探究活动的环节较多，探究周期较长，但每一个学生所能完成的课题数目极其有限。另一类是在课堂内进行的，课题的内容服从教学进度的需要，课题由教科书或者教师提出，因受到课堂教学时间的限制，每个课题所花的时间不可能太长，探究环节一般较少，因此这类探究课题的数量较多。我们在本章中将重点介绍课堂探究式教学。

三、科学探究与探究式教学

探究式教学是科学探究的一种模拟，无论是探究的广度、深度、复杂程度或时间的长度，都难以与科学探究比拟。科学探究是科学家从事科学研究以寻找事物的规律和本质，是对一个未知领域的探索；而探究式教学中的很多现象和规律通常是人们已发现的，只是对学生来说是未知的。因此，在探究式教学中，教师应把“发现”的任务交给学生，让学生成为“发现”的主人。探究式教学的提出及其在中学的推广与普及，将改变学生的学习方式和教师的教学方式。在新课程中提出探究式教学，试图通过这种教学模式，让学生经历科学探究的一般步骤和掌握科学探究的一般方法，也让学生充分体验科学探究的艰辛和发现的欣喜，进一步激发他们的探究欲望。