首页 -> 2007年第7期
科学探究能力目标之本质
作者：金 逊
[关键词]科学探究 亲身经历 分析和论证 反思和评估
培养学生的科学探究能力，促使学生采用探究式学习方式来习得知识，最佳方法是学生亲历科学探究的各个环节，通过自己的积极思维活动来解决问题，与之相对应的教学方式就是探究式教学。科学探究有实验探究，也有理论探究。本文提到的科学探究专指教育中的科学实验探究。要想高质量地培养学生科学探究的能力（同时强化情感、态度、价值观方面的教育），教师应该首先抓住科学探究诸要素能力目标的本质，才能合理地设计探究过程的教学方案。
（一）提出问题
提出问题是科学探究的前提。科学探究过程是围绕所提出的探究问题展开的，正是由于有了明确、具体的探究问题，才能使探究过程具有明确的方向，使探究能沿着合理的假设一步一步走下去。可以说，问题是各个探究环节的核心。《物理课程标准》对学生提出问题的能力列出了两点要求：（1）能发现与物理学有关的问题；（2）从物理学的角度较明确地表述这些问题。
1. “发现问题”是提出问题的关键因素。
只有“发现与物理学有关的问题”，才能“从物理学的角度表述这些问题”，从而达到提出问题的目的。很显然，“发现与物理学有关的问题” 是“从物理学的角度表述这些问题”的基础，而且前者更难、更富有创造性。惠更斯之所以能提出摆钟问题，是因为他发现了摆的等时性；玻尔之所以能提出量子化的原子模型问题，是因为他发现经典的电磁理论在解释原子的结构问题上遇到了难以克服的困难。请看以下实例：
例1．某学生在河边玩耍，看见两女士在河边散步，一位穿高跟鞋，另一位穿平跟鞋，尽管她们体重看起来相同，但她们留在河边湿地上的脚印深浅却有明显差异。高跟鞋后跟的印痕窄而深，平跟鞋的则宽而浅。该学生感到这可能包含一定的物理原理。
例2．某学生在观看公路上的汽车运动快慢时，注意到卡车空载时一般可以超过客车，速度较快；满载时一般被客车超过，速度较慢。该学生意识到这里有物理学的原理。
例3．一位没有学过电磁感应知识的学生猜想：既然电能生磁，通电导线能使它旁边的小磁针偏转，那么，磁也许可以生电，放在磁体旁的闭合线圈中也许就会有电流通过。他用实验验证时却没有观测到磁体旁的线圈中有电流。但这位细心的学生偶然发现，当把磁体取走或放入的瞬间，与线圈相连的电流表的指针发生了摆动。他想，这里一定存在着某种物理规律。
以上分别从日常生活、自然现象、实验观察三个视角列举了发现问题的实例。这三个实例所反映的不仅是学生发现问题时所处的环境不同，而且其心理状态也不同。例3是偶然捕捉到的发现，它需要敏锐的洞察力；例2是经过仔细对比后的发现，它需要进行深入的观察；例1是对平时熟视无睹现象的发现。这些现象天天都呈现在我们眼前。从常识中发现问题，实质上是批判性思维的体现。
2. 有价值的问题常常来自于问题背景中的质疑。
从上述惠更斯、玻尔的实例我们可以看到，对问题背景的质疑产生了有价值的问题，也就是把新发现的事实与原有认识之间的矛盾揭示出来。没有经过与原有认识之间的比较，没有经过质疑，仅仅是把看到的现象机械地添加一个问号，对学生创新能力的培养并没有什么价值。
例如，某学生走到屋外，看到天空是蓝的，于是不假思索就机械地提出：“天为什么是蓝的？”看到树叶是绿的，就机械地提出：“树叶为什么是绿的？” 像这种没有经过质疑的问题并不能培养学生的创造力。假如这些问题是经过质疑之后提出的，那么它的价值就大不一样。比如，学生原有的认识是：（1）空气是无色透明的；（2）仰望无云的天空时看到的就是空气。根据这两条进行推理，应该得出“天空无色”的结论，而事实却是蓝色的，这就是客观事实跟原有认识之间的矛盾。如果学生是在这种背景下，经过质疑再提出 “天为什么是蓝的”，其价值就大不一样。因为该问题动摇了“空气无色”这一原有认识，使其能发展为“组成空气主要成分的气体究竟是什么颜色”等各种富有探究意义的问题，这是创造性思维的表现。
3. 从物理学的角度较明确地表述问题。
明确表述所发现的问题，不仅使探究问题的内容有一个明确的主题，而且也使别人对该问题的核心有一个大致的了解。例如同样是对光的本质的疑问，以下两种表述的效果就截然不同：
（1）光线究竟是什么？
（2）光线是否是发光物质发射出来的很小的物体？
问题（1）强调的是语气，但没有涉及物理学内容，别人无法知道该问题的主题是什么，这种表述不符合课程标准要求的“从物理学的角度较明确地表述这些问题”；问题（2）是牛顿在《光学》一书中所提出的问题，它精练、明确地表述了对光的本性的疑问。“物体”、“发光物质”、“发射”等词语，从物理学的角度，把光线的本质、来源等看法讲得非常明白。
学生提出问题能力的发展应该是渐进的。在学生获得新的发现之后，首先应该使学生能够把自己的发现用问题的方式表述出来。在这个基础上，教师可以根据学生的认知情况适当地加以指导，帮助学生形成一个与物理学有关的科学问题，并用口头或书面表述出来。学生经过一定时间的积累，并随着他们物理知识的丰富，即可逐步提高自己提出探究问题的能力。
（二）猜想与假设
猜想与假设是科学思维的一种形式，是根据已知事实或已有知识对事物或现象之间的因果性、规律性做出的尝试性解释。客观事实和原有认识两者结合起来是这一过程的基本特征。
科学猜想并不是随意的猜测。例如，（1）把一个不知性质的物体放入水中，让学生猜它是沉还是浮；（2）在对光和电磁波的性质缺乏了解的时候，让学生猜光是不是电磁波。这些对培养学生的能力没有意义。因为在这个过程中学生没有发生进行科学猜想所必须的思维活动，仅仅是随意猜测而已。
在上述例（2）中，如果学生先认识了电磁波的性质，再做光的衍射实验以及了解光的传播速度等一些性质的基础上，然后提出这个问题，那就大不一样，学生就可以应用自己原有的电磁波的知识来审视所面对的新出现的一些事实（光的性质），通过观察、分析新的事实，并在其中寻找跟原有经验和知识中相似的特征，进而尝试对它做出解释。这就体现了猜想的本质特征。
要让学生根据已有的物理知识和实践经验，对确定探究的问题进行猜想和假设。例如，推测探究可能出现什么结果，应该怎样进行探究过程和方向的设计，根据已有的知识和经验，能够对探究的问题作出哪些解释，哪些必须经过探究后才能作出解释。
（三）制定计划与设计实验
《课程标准》对此的要求是：根据实验目的和已有条件，制定实验方案；尝试选择实验方法及所需要的装置与器材；考虑实验的变量及其控制方法。
在制定探究计划或设计探究实验之前，必须明确探究的目的和已知条件。制定计划与设计实验，实际上就是为了验证假设，从操作的角度把探究的猜想（假设）具体化、程序化。一般做法是先分析该探究要解决哪几个问题，每个问题有哪几种解决问题的方法，根据现有条件和探究要求，应该选择哪种方法为好，然后根据这些被选中的方法确定需要什么实验器材，按这些方法的逻辑关系构思操作步骤。
例如， 设计“影响电磁铁的磁性强弱的因素”实验方案时，首先通过推理得出电磁铁的线圈匝数越多、通过的电流越大、电磁铁的磁性将越强的假设。
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