基础教育中科学探究教学的实施

来源:用户上传      作者: 熊士荣

　　[摘 要] 科学探究教学实质上是一种模拟性的科学研究活动。它不直接把构成教学目标的有关概念和认知策略告诉学生，而是创造一种智力和社会交往环境，让学生通过探索，发现有利于开展这种探索的学科内容要素和认知策略。科学探究教学的实施可以从七个方面着手进行：情境设计、探究性提问、探究性讨论、探究性演示、模拟历史题材的科学辩论活动、探究性实验、信息技术对科学探究教学的支持。
　　[关键词] 科学探究教学；教学实施；教学活动
　　[中图分类号] G420 [文献标识码] A [文章编号] 1672-1128（2008）08-0085-05
　　
　　科学作为一种知识体系，是科学研究活动的结果。为了掌握科学知识与技能，领悟科学的本质，学会科学的方法，养成良好的科学态度，发展科学探究能力，更好地促进科学和社会的发展，人们设想教学也可以采用科学研究的形式来进行，于是便有了科学探究教学的研究和实践。科学探究教学实质上是一种模拟性的科学研究活动。它不直接把构成教学目标的有关概念和认知策略告诉学生，而是创造一种智力和社会交往环境，让学生通过探索，发现有利于开展这种探索的学科内容要素和认知策略。这种教学的基本原则是：由学生亲自制定获取知识的计划，使学科内容有更强的内在联系，更容易理解；教学任务有利于激发学生内在动机，学生认知策略自然获得发展。同时，在这个过程中学生还认识到能力和知识是可变的，从而把学习过程看作是发展的，认识到学习既要以现有的学习方法为基础，又要对其不断地加以改进。科学探究教学理论要转化为教学实践，须解决好科学探究教学的实施问题。科学探究教学是一个复杂的过程，涉及众多因素，需要通过诸如情境设计、提问、讨论、演示、实验、科学辩论活动和利用信息技术支持等途径来完成。
　　
　　一、情境设计
　　
　　建构主义理论认为，知识不是通过教师传授得到的，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，在获取知识的过程中，借助他人的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构方式而获得的。探究教学以解决问题的形式出现，因此在有意义的探究教学中，教师首先就必须把学生要学习的内容巧妙地转化为问题情境。创设科学探究教学活动情境的策略为：（１）针对一定的教学目标，力求使探究活动始于真实或接近学生所处的真实环境（自然、生活和社会环境）；（２）情境中隐藏着可能被学生发现的问题，给学生发现问题和提出质疑的机会，同时还要使问题的难易程度适合全班同学的实际水平，以保证大多数学生在课堂上都处于思维活跃状态；（３）问题的情境设计和表述要有新颖性、奇特性、生动性、综合性、实践性和可探究性，以使问题有吸引学生的力量，从而产生积极的情感体验；（４）关注情境中“协商”过程的设计，协商有“自我协商”与“相互协商”，在此基础上再将两种协商结合起来，就能达到有效的会话和协作；（５）关注信息技术资源的应用。
　　案例：《物质的比热容》教学的问题情境设计
　　用多媒体在屏幕上显示一个情境。暑假时，小明和小华去海边玩耍。中午，他们赤脚走在海边的沙滩上，觉得沙子很热，当他们跳进海里时，觉得海水很凉。傍晚，他们又去海边，却发现沙子变凉了而海水却很温暖。
　　为什么海水和沙子在同一时刻的温度不一样？由创设的情境提出问题，很自然地就会激发学生猜测和思考。这是一种真实生活的情境，像海洋性气候、大陆性气候、不同时间赤脚漫步河滨和涉水时的感觉、稻田放入灌秧等都与物质的比热容这个主题相关。从真实的情境切入教学的主题，学生就会感到兴趣盎然。
　　问题意识会激发学生强烈的学习愿望，激发认识的冲动性和思维的活跃性，有利于开发学生的求异思维、发散思维和创造思维。创设一定的问题情境，使学生产生相应的问题意识，才能着手探索和解决问题。
　　
　　二、探究性提问
　　
　　探究性提问是一种有助于学生进行科学探究学习的重要方法。它能激发和维持学生主动探索学习，积极进行发散思维。亚里士多德曾说：“人的思想是从疑问开始的。”教师恰到好处的提问，可以揭露学生认识中的矛盾，引起学生探究知识的欲望，激发学生去积极思维，使学生情绪处于最佳状态，有利于学生掌握知识，发展智力，培养能力。
　　案例：水污染的秘密
　　水力发电厂附近的河里，发现成千上万的鱼在非常短的时间内死亡，从表皮向外流血冒泡（通过计算机网络或多媒体展示有关图片）。死鱼有斜齿鳊、河鲈和鲤鱼。河水看上去并无异味和怪味，把水样过滤后未发现有特别物质，表层也没有浮游物。造成鱼突然死亡的原因是什么？
　　教师引导学生进行异质分组，制订探究计划，并将有关资料制成课件，以图表的形式提供，包括河水的离子浓度，河里常见鱼可生存的最高温度，河水的pH值，水中氧气的溶解度曲线，河水每月最高温度和氧气溶解量，适合鱼生存的氧气浓度和温度情况,等等。各小组讨论发现鱼的死亡与河水无关。那么是什么原因造成鱼的死亡呢？科学探究进入高潮阶段，假若学生能迅速建立新假设，与水压有关，就可使探究进入下一阶段。
　　在科学探究性提问的教学中，应注意以下几点：（１）教师应设法让更多的学生参与回答问题，或向全班学生提出难易适中的问题，或在某个学生回答之后让其他学生发表不同看法或分享某种观点，逐渐培养全体学生回答问题的兴趣和能力；（２）教师的提问要始于发散式，终于聚合式，即用发散式提问鼓励学生去积极思考、探究，用聚合式提问让学生得出结论；（３）教师的提问应事先经过精心设计，探究各阶段提出的问题，应是递进式的、有层次的、有节奏的、前后衔接和逐步深化的；（４）教师的提问要对学生的探究活动起到指导或引导作用，指出大致的探究方向或从哪个方面去着手探究。
　　
　　三、探究性讨论
　　
　　探究性讨论是在教师的指导和帮助下，学生以异质分组的形式围绕某个问题，各抒己见，大胆假设，合作交流，从而相互启发，共同分析和解决问题的一种教学方法。小组成员以6～8人为宜，每组围成一个圆圈，这样既有利于每个成员发表自己的看法和听取他人的意见，又有利于他们观察各自的面部表情。探究性讨论并不是一项孤立的活动，讨论之前往往要先进行有关的演示或实验，学生的座位应围绕或靠近演示台或实验桌，以便学生对演示或实验进行观察，也方便学生自己动手或与教师进行配合。讨论还应当安排在容易收集数据的地方，必要时应暂停讨论，让学生到图书馆、资料室收集所需数据，然后再回来讨论。教师也应当在恰当的时候以提问的方式介入进去，集中学生的注意力，引导他们思考问题。还可聘请有关专家在旁指导，以便学生咨询。
　　20世纪中期，探究性讨论的一种特殊教学方式“诱导探究”在美国兴起，这种探究活动要求学生像科学家那样参与解决问题的过程。其活动过程为：（１）教师向学生呈现某个问题（这些问题可来源于杂志上所报道的实际科学研究）；（２）问学生将如何解决这些问题；（３）设计种种问题，为学生提供实验、假设、记录以及分析与综合数据的机会；（４）设计出活动的步骤，并在不同阶段插入额外的信息，以帮助学生逐步深入运用研究方法探究问题；（５）学生将自己设计的“探究方式”与实际科学过程作对比，以便进行评价。
　　案例：兔子也能制造沙漠吗（多媒体演示）
　　澳洲本没有兔子。一百多年前，几个英国人带了20多只兔子来到澳洲，兔子繁殖极快，不到20年就超过了5亿只。它们啃光了澳洲南部的牧草，还剥食树皮，致使树木大量死亡。很快这些地区便出现了沙漠化的迹象。为阻止兔子向澳洲北部牧场扩张，人们架起了铁丝网，挖掘了很深的杀兔阱。但几分钟内杀兔阱便被兔子填满了，成千上万只兔子越过“同胞”的尸体，继续向北方牧场奔去，兔子所到之处，肥美的草原变成了沙漠。直到1950年，科学家才找到了让兔子成百万死亡的方法。兔子数量减少后，植物便慢慢恢复了生长。

　　请发表你的看法。你认为科学家找到了什么方法？你能否设计出方案来证实科学家的方法？以小组为单位，对方案的实验结果进行讨论。从这一事例中你领会到什么观点？
　　教师引导学生讨论并得出：一种生物的任何变化（如数量的增减）都会影响到与它相关的其他生物，因此，任何一种生物的存在都是有一定意义的。另外，教师可以补充生物的多样性是地球生命支持系统的核心组成部分，它能为人类提供生存环境等内容，供学生课外讨论。
　　
　　四、探究性演示
　　
　　所谓演示，是指教师根据课堂教学和学生学习的实际需要，恰当地运用形体、实物、标本、模型、图画、图表、幻灯、投影、录音、录像、计算机等进行实际表演和示范，把事物的结构、形态、变化过程等内容展示模拟出来，给学生以直观感性的认识，指导学生观察、分析、总结和归纳的一种探究教学行为。演示有教师演示、师生共同演示和学生演示等几种方式。
　　案例：《环境保护》教学的课堂演示
　　大屏幕上，车来车往川流不息。特写：汽油车、柴油车、大汽车、小汽车。股股尾气聚积在一起，造成污染，景物显得模糊起来。交警在废气中指挥交通，幼儿在推车中咳嗽……教师再配以讲解，学生便能很快地理解和记忆。
　　演示除了被用来展示某个事物或证实某个过程之外，还可被设计成实验，而且实际上演示通常与实验联系在一起。在实验课上，有些教师一改过去讲实验→演示实验→学生照猫画虎地做实验的方法，而是先给学生进行演示，在演示过程中教师提出一些有关的问题，要求学生自己寻找答案。探究性演示能引起学生的探究，激发学生在已有知识的基础上开展思考和分析，作出假设，学生对教师提出问题的回答也是一种有效的反馈活动，由此，教师能更好地了解学生对演示的理解程度，进而提出更加合适的问题，引导学生发现演示所包含的概念或原理。
　　演示法不仅能使学生获得丰富、典型的感性材料，把间接知识与直接知识联系起来，将抽象复杂的问题形象化、简单化和可探究化，从而加深对知识的理解，而且课堂内容经过精心设计，还可以成为一条重要的探究途径。
　　
　　五、模拟历史题材的科学辩论活动
　　
　　案例：关于物体下落快慢的辩论
　　亚里士多德关于落体运动的观点是“重快而轻慢”，他的观点与常见的现象是相符合的，也就是说，有很多的事实证据支持他的观点。伽利略用实验和推理的方法驳斥了亚里士多德的观念，指出重的物体和轻的物体都以相同的加速度下落。
　　究竟谁对谁错，很难用几句话来评说。用科学辩论的形式组织学生探究是一种很好的方式，辩论可以很好地调动学生的积极性，让学生自主收集素材和证据，发展思维的灵活性，并锻炼学生的口才，培养学生的小组协作精神。教师可将学生分为三组，第一组为“伽方”，支持伽利略的观点，第二组为“亚方”，支持亚里士多德的观点，第三组为裁判方，对参辩的双方进行评价。要求参辩双方，查阅有关资料，搜集有关证据，阐明自己的观
　　点，进行辩说和演示，并寻求理论支持，在各自准备的基础上，按表1填写好辩论提纲，进行辩论。
　　
　　让学生自己来主持和评论，也是非常有益的。裁判方需要倾听双方的陈述，作出客观和辩证的评价，既从历史的角度、事物本质的角度，又从科学发展的角度来认识有关落体的问题，还要从双方辩论中的精神、技巧、团队合作情况等来作出评价。这对全体学生都是有教育意义的。
　　
　　六、探究性实验
　　
　　所谓探究性实验，是指在教师的指导下，学生围绕某个问题独自进行实验，观察现象，分析结果，从中发现科学概念或原理，以获得知识，培养科学精神、科学态度和探究技能的一种教学方法。探究性实验不同于科学家的研究，它是在教学活动这一特定的条件下，让学生去体验人类能动地认识客观世界的经历。探究性实验不仅要让学生意识到学习的结果，更着力于让学生去主动发现问题、探求和解决问题，掌握知识的形成过程。
　　案例：哪一支蜡烛先熄灭
　　在学习物质性质时，教师向学生提出了一个问题：放在同一平面上的两支蜡烛，一高一低，点燃后，用透明玻璃罩罩在蜡烛上，问哪一支蜡烛先熄灭。学生热烈讨论，有人认为长蜡烛先熄灭，有人认为短蜡烛先熄灭。然后学生动手做实验，结果是长蜡烛先熄灭。教师引导学生解释实验结果：这里涉及氧气、二氧化碳气体的特性，推论出关键是看二氧化碳气体是上升还是下降。查阅密度表，得知二氧化碳气体密度较大，但蜡烛燃烧时产生的二氧化碳气体的温度比周围空气温度高得多，根据热气体上升的原理，得出高的蜡烛先熄灭。由此学生认识到温度会影响气体的密度，密度是物体的特性而不是属性。有学生提出另一个问题，玻璃罩的大小和蜡烛的高低程度是否影响问题答案？教师表扬了这位学生，请同学们在课后作进一步的探究和讨论。
　　开展探究性实验应注意以下几点：（1）正确认识科学实验本身是科学理论构建的探索过程和必要的组成部分，是学生获得科学知识，培养探究意识和创新能力以及科学素养的有效途径；（2）正确处理电脑模拟实验与动手实验的关系，如一些无法演示、难度较大或有危险、有污染的实验，通过计算机模拟实验能很好地处理这些问题，但亲自动手做实验所带来的种种真实的情感和心理体验，师生在实验中以非语言形式进行的诸多思考和精神交流等，都是电脑模拟实验所不具有的，我们应吸取二者的长处，以发挥探究实验的最大功效；（3）重实验结果更重实验过程，实验的探究性更多地指的是过程，强调学生在实验过程中思考、动手，体验实验的成功和失败，培养探究意识、科学精神和科学方法，而不是要取得多么重大的实验结果；（4）实验的任务和难度要适中，探究问题要选择学生运用所学知识和已有能力经过努力能够完成的，并且教师在指导学生选题的同时要给予及时的启发和帮助。
　　
　　七、信息技术对科学探究教学的支持
　　
　　探究式教学要求课题要贴近生活，贴近自然。要遵循由自然到科学或由生活到科学再到社会的探究认知过程，这需要教师在学习中设置一定的情境，引导学生由生活、自然等出发去发现问题，激发学生探究和解决问题的兴趣。信息技术创设的情境集文字、声音、图像、视频、动画等于一体，它能使抽象的模型具体化，复杂的结构简单化，甚至能形象生动地营造虚拟现实，呈现栩栩如生的动物，场面恢弘的历史场景，令人咋舌的未来构想等，这些情境设置可激发学生的求知欲和进一步探究的兴趣。
　　案例：探究性课题“开发核能――是希望还是危险的决策？”
　　教师设置情境，用视频展示出一幕惊心动魄的事件：1986年4月26日，原苏联切尔诺贝利核电站发生了核泄漏事故，猛烈的核爆炸震撼了这座城市，也使世界其他地方的人们惊恐万分。面对这突发的核灾难，人们开始反思，是否应当发展核力发电？教师引导学生通过互联网检索与课题相关的信息，如核电站爆炸的来龙去脉；国际社会对该事故的反应；核电站的工作原理是什么；核电站爆炸为什么会出现这样的危险；如何综合治理和利用核电站等。学生先分小组讨论，然后集中发表自己的意见。通过人机交互、生生交互和师生交互等来交流与讨论，教师在探究过程中进行跟踪指导，引导学生正确认识科学与技术、技术与社会的互动关系，认识技术的双刃性等。
　　网络学习平台可以实行对网站的动态管理，在服务器的终端适时记录学生的相关信息，了解学生学习的全过程和课题的进度，还可以让学生对探究过程和收获进行自我评价以及同学互评，通过评价促进学生的发展。
　　由于教学目标、探究类型和内容的不同，应用信息技术的模式也是多样化的。网络技术与科学课程学习的整合，突出表现在网络不是课程的全部，它起到的只是一种支撑作用。
　　通过实践研究，人们认识到科学探究教学的实施相当复杂，涉及众多因素，同时，也发现了它的一些不足之处，如教学进度缓慢、耗时，探究本身具有模糊性，难以实施，结果难以控制等，这些因素使得许多科学教师不大愿意采用探究教学方法。然而实践表明，教师运用这些教学策略和方法，只要指导思想正确，教学精力和时间投入合理，方法运用得当，是可以大大促进学生的科学探究学习的。
　　教学是一项复杂的活动，科学探究教学更是如此。以上论述的教学方法只是为教师设计探究教学活动提供了大致的框架和思路，它也是在不断变化、不断完善的，还需要教师在探究教学理论的指导下，大胆创新，探索出丰富多彩、风格各异的科学探究教学的方法和手段。
　　
　　参考文献
　　[1]靳玉乐.探究教学论[M]重庆：西南师范大学出版社，2001.100-253.
　　[2]袁运开，蔡铁权.科学课程与教学论[M].杭州：浙江教育出版社，2003.229-275.
　　[3]陈峰.新课程物理课堂探究教学实施中的问题解决[J].课程・教材・教法，2005（11）：52-55.
　　作者单位 湖南师范大学化学化工学院
　　（责任编辑 田欣欣）

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