探究与科学教育

第四节　探究与科学教育

科学的核心是探究，教育的重要目标是促进学生的发展，科学课程应当体现这两者的结合，突出科学探究的学习方式。美国1996年初发布了第一个国家科学课程标准，其核心是科学探究。英国、日本、新西兰等国，科学探究也都成为科学课程的核心。我国教育部制订的《科学（7—9年级）课程标准》（实验稿）的“总目标”中，提出了“增进对科学探究的理解，初步养成科学探究的习惯，培养创新意识和实践能力”，“分目标”的四个方面中更是将“科学探究”列在首位。科学探究作为一种让学生理解科学知识的重要学习方式越来越受到广泛重视。

尽管学生是使用探究法学习科学知识，而科学家是在努力增进人类对自然界的了解，但学生和科学家所从事的活动和思维过程有许多相同之处，因而从事科学教育的教师必须了解科学史，在教学过程中渗透科学史，这样才能使学生认识探究过程的曲折和乐趣，学会科学的方法。正如拉瑟福德（F.J.Rutherford）在1964年所指出：“教师应当具备较高的科学史和科学哲学素养，否则不能认为他受过教育，能胜任作为探究的科学的教学。”

一、科学史上的探究事例

科学家的探究，也就是科学家运用科学的方法、通过探索的途径去发现人们尚未认识的科学事物及其规律的过程。科学发现的历史也就是科学探究的历史。没有探究就不会有发现，也不能确认理论的正确性和不断扩展人们对自然的认识。科学史中这方面的事例不胜枚举。

1.海王星的发现

1781年发现天王星。1820年发现天王星的观测数据与应用牛顿万有引力计算得到的运行轨道出现偏离，于是问题提出了，天文学家围绕这一问题展开了探究：

1830年后科学家们提出了种种假说，如“木星、土星引力影响”说、“观测误差”说、彗星撞击“灾变”说等，它们都因证据不足或收集到否定证据而一一被排除；“未知行星”假说被不少天文学家所接受。其中，英国的亚当斯和法国的勒威耶独立运用数学方法对收集到的数据进行艰难的研究。

1885年，亚当斯计算出新行星的质量和轨道参数，并请求格林尼治天文台和剑桥大学天文台帮助寻找新行星，可惜没有引起权威的重视。

1886年9月，勒威耶将自己独立研究的结果寄给德国柏林天文台恳请加勒帮助寻找新星。同年9月23日晚，加勒发现了这颗新的行星，后来被命名为海王星。

海王星发现后，天文学家在对其观测中又发现它存在“摄动”现象，于是又提出了一个“未知行星”假说。1930年，在天文照相技术的支持下发现了冥王星。

同在19世纪后期，天文学家还发现水星近日点进动有异常现象，即使考虑金星、地球、木星的引力影响，仍有不可忽视的偏差，勒威耶提出“未知行星”假说，但始终找不到这颗新星。直到爱因斯坦广义相对论提出，对水星近日点的进动才作出完满的解释。水星近日点的进动成了支持爱因斯坦的广义相对论的证据之一。

2.大陆漂移说的建立

19世纪关于地壳构造理论中大陆固定论占统治地位。它认为地壳只有垂直方向上的运动，而没有水平方向上的运动。

20世纪初，首先向大陆固定论发起挑战提出大陆漂移说的是德国的地质学家魏格纳。魏格纳从小就喜欢幻想和冒险，童年时就喜爱读探险家的故事，英国著名探险家约翰·富兰克林成为他心目中崇拜的偶像。为了给将来探险做准备，他攻读气象学。1906年，他终于实现了少年时代的远大理想，加入了著名的丹麦探险队，来到了格陵兰岛，从事气象和冰川调查，岛上巨大的冰山缓慢的运动给了他极深的印象。

1910年的一天，魏格纳偶然翻阅世界地图，发现大西洋两岸轮廓线有惊人的相似性，次年他又在一本文献中看到有人根据古生物学的证据，提出巴西和非洲曾有过陆地连接的观点，这引起了他莫大的兴趣。于是他产生了大陆漂移的猜想，并开始搜集资料和查找证据。

他从古生物学、地质学、古气象学方面收集证据：

①大西洋两岸存在许多生物的亲缘关系，如有海牛、肺鱼、鸵鸟等。

②在非洲和南美洲发现了二亿多年前小型的爬行动物中龙的化石。

③大西洋两岸的岩石、地层和皱褶构造有许多相似性和连续性。

④两极地区有热带沙漠，赤道地区有冰川的痕迹……

1912年，魏格纳在法兰克福地质学会上做了“大陆与海洋的起源”的演讲，大胆提出了大陆漂移的假说。1915年出版了《海陆的起源》一书。

大陆漂移说的提出激起了地质界的轩然大波。1926年在美国召开了关于大陆漂移理论研讨会，与会的14名著名的地质学家只有5人支持漂移理论，2人弃权，7人反对。大陆漂移说遭到许多“权威”的指责和嘲讽，有人称之为“大诗人的梦”，更有人称之为“疯话”。

为了找到更多的证据，1930年4月，魏格纳率领一支探险队，迎着北极的暴风雪，第4次登上格陵兰岛进行考察，在零下65℃的酷寒下，大多数人失去了勇气，只有他和另外两个追随者继续前进，终于胜利地到达了中部的爱斯密特基地。11月1日，他在庆祝自己50岁的生日后冒险返回西海岸基地。在白茫茫的冰天雪地里，他失去了踪迹。直至第二年4月才发现他的尸体。他冻得像石头一样，与冰河浑然一体了。

大陆漂移说在20世纪50年代前未被人们公认，有其内在的原因：

（1）证据还不足以驳斥反对者。

（2）形成大陆漂移动力的解释不能令人信服。

（3）海洋探测技术还没有发展到相应的水平。

到了20世纪50年代，由于古地磁学的兴起以及遥感、电子计算机技术的发展，科学家找到了大量证据证明，各大陆确实发生过大幅度的漂移。1969年阿波罗11号登月飞行在月球上放置了第一只激光反向器，利用它测量地球上不同测点的距离。1984年，美国航空局使用激光和射电望远镜，第一次精确测出了各大陆缓慢漂移的数据，为大陆漂移说提供了过硬的证据。以大陆漂移说为基石，科学家又提出了海底扩张说和板块构造说。这被认为是地学史上的一次革命，堪与哥白尼的日心说和达尔文的进化论相媲美。

3.阴极射线的发现和争论

阴极射线是低压气体放电过程出现的一种奇特现象。早在1858年就由德国物理学家普吕克尔在观察放电管中的放电现象时发现。在19世纪的后30年，关于阴极射线的研究有两派学说：一派是克鲁克斯、佩兰等人的微粒说，认为阴极射线是带负电的“分子流”；另一派是哥德斯坦、赫兹等人的波动说，认为阴极射线是一种以太波.为了找到有利于自己观点的证据，双方都做了许多实验：

克鲁克斯证实阴极射线不但能传递能量，还能传递动量。他认为阴极射线是由于残余气体分子撞到阴极，因而带上了负电，又在电场中运动形成“分子流”。而以太论者哥德斯坦做了一个很精确的光谱实验，证实光的频率与“分子流”速度方向无关，认为这是对以太说的一个支持。

1891年，赫兹注意到阴极射线可以像光透过透明物质那样地透过某些金属薄片。他们认为这又是以太说的有力证据，因为只有波才能穿越实物。而1895年法国物理学家佩兰将圆桶电极安装在阴极射线管中，用静电计测圆桶接收到的电荷，结果确是负电。他支持带电微粒说，发表论文表示了自己的观点。

对阴极射线的本性作出正确解释的是英国剑桥大学卡文迪许实验室教授J.J.汤姆生，他从1890年起，就带领自己的学生研究阴极射线，决心用实验找出确凿证据：

①用旋转镜法测量了阴极射线的速度，否定了阴极射线是电磁波。

②通过阴极射线在电场和磁场中的偏转，得出了阴极射线是带负电的粒子流的结论。

③测定这种粒子的荷质比，与当时已知的电解中生成的氢离子的荷质比相比较，得出阴极射线粒子的质量约为氢原子的千分之一。

④给放电管中充入各种气体进行试验，发现其荷质比跟管中气体的种类无关。他又用铅和铁分别作电极，其结果也不改变。

由此他得出结论，这种粒子必定是所有物质的共同组成成分。汤姆生把这种粒子叫做“电子”。1897年汤姆生的发现，使人类认识了第一个基本粒子，这在物理学史上是有划时代意义的。原子不可分的传统观念从此彻底破灭了。

二、对科学教育的启示

科学史中，有着无数灿烂辉煌发现的诗篇，无论是海王星的发现、魏格纳大陆漂移说的建立，还是阴极射线的确认和电子的发现等等，其探究过程都充满着艰巨性和创造性，洋溢着科学精神，渗透着科学的思想和方法。科学家发明发现的过程、思想和方法对今天的发明发现、对今天的科学教育有许多有益的启示：

1.科学需要探究

从以上事例中，我们可以领悟到科学的本质特征。它们说明，自然界是可以被认识的，科学是认识自然最有效的途径，科学对自然现象有解释和预见的功能，科学是一个开放的系统，科学知识具有相对的稳定性并不断发展和进步，科学强调和尊重经验事实对理论的检验。对自然的这一理性态度可促使人积极地去探索自然。从过程的意义来看，科学的本质就是探究，是不断地追求真理和不断地修正错误，是不断地创新。科学教育中，要改变“重科学结论，轻探究过程”的模式，以学生的探究活动为主线，倡导探究学习，使学生认识到产生科学知识必须依赖探究，让他们像科学家从事科学探究那样来学习科学，领悟科学探究的真谛。英国学者贝尔纳在1939年就指出：“如果学生不能够以某种方式亲自参加科学发现的过程，就绝对无法使他充分了解现有科学知识的全貌。”在科学教育中，以普遍的思维指导教学过程，重视探究和发现，是培养学生理性思维方法的根本途径。科学教师必须学习科学史，认识科学教育的探索性质，并努力参与科学探索活动，使自己成为探索者。

2.学生与科学家的探究思维本质上是一致的

学生在科学学习中的探究与科学家研究自然界的科学探究有相似的特征，都要经历问题、假说或猜想、收集证据、解释、评价、交流与推广等环节。只不过“科学家是为了求知而探究，而学生探究是为了求知。”由于学生已有的知识有限，探究学习所产生的新知识可能只是针对学生本人而言，且在学习中收集实证资料的过程能够更多地获得和利用他人的帮助，但让学生了解科学史中典型的探究实例，有助于他们学会做学问、做研究的方法，从而在养成探究习惯的同时获得探究的工具。

3.善于提问是探究学习中的重要环节

科学研究是一种有目的、探索性、创造性的过程，这个过程包括提出问题和解决问题两方面。解决问题固然是科学的进步，而提出问题同样促进科学的进步；甚至，“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决问题也许仅是一个数学上或实验上的技能而已。而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。（爱因斯坦）”科学探究总是从自然界的问题开始，科学工作者只能依靠在长期的科学实践过程中时刻做有心人，勤于思考，善于思考，不断磨炼，只有在宽厚坚实的知识积累、严肃艰辛的研究探索的基础上，才能不断萌生出新的课题，开拓新的领域。科学教育中，教师要有意识从学生感兴趣或熟悉的问题和现象开始，引导学生自己主动去发现问题和提出问题，学生们常常问“为什么”的问题，其中有些问题太大，教师可以把其中许多问题转变为“怎么样”的问题，这种改变使探究的问题更为集中、更深入、更加接近科学，从而把学生导向科学探究，使学生能够体验到又有趣又丰富的学习过程。

4.科学史中蕴含丰富的精神资源

客观求实、理性求真、批判创新等科学精神的培养应贯穿于科学教育的过程中。科学史上任何一个成功的探究都离不开科学家强烈的好奇心和求知欲，因而在科学教育中通过多种途径激发学生的学习和探索兴趣是非常重要的环节。创造性思维的培养是素质教育的核心，科学史本身就是一部创新史，如海王星的发现是抽象思维产生创造性思维的典例，科学教育中应着力引导学生标新立异，有主见，培养其思维的多向性、批判性；合作、交流在探究中有助于对科学过程的理解，当今科学的发展都是人们合作探索的结果，科学教育中要培养学生善于合作的意识和交往、沟通的能力，懂得尊重他人的成果……当然，科学家通过重复他人的实验来验证其结果，这就要求对问题、步骤、证据、提出的解释和对其他解释的评价进行明确清晰的描述，使自己的研究能够经受更多的质疑，也为其他科学家用这些解释来研究新问题提供机会。科学探究学习中通过成果的交流，能使学生在归纳问题、表述、口头表达、交往、自信心、宽容心等一系列方面得到充分的锻炼。

5.科学教育要渗透历史的观点

用历史的观点进行科学教育，把科学成果的发现过程展现为历史的过程，即科学家是如何在前人的基础上进行求索的，可以让学生更好地把握科学探究的本质；对科学家的成果要放在特定的历史背景下去评说，可让学生认识到历史的发展有承接，科学的发展也一样，如勒威耶预言的海王星被成功观测，而他为解释“水星近日点进动”提出“未知行星”假说最终却被否定；渗透历史观能使学生以史为镜，更好地认识科学事业的前景，如历史上许多重大的科学发现、科学成果刚出现时，总是遭到误解、反对，海王星的发现、大陆漂移说的建立、阴极射线的确认都经历了这一过程。