科学探究式教学与科学过程技能八个环节

科学探究式教学与科学过程技能

第一讲 科学探究式教学

在我国目前的科学教育课程改革中，提倡运用探究式科学教学方法学习科学，为了有效地贯彻和落实探究式科学教学的理念，本讲从三个角度谈了对探究式教学的认识：什么是探究、探究的核心要素有哪些、怎样进行探究。期望能够对有效实施新课程所提倡的探究式科学教学有更深入的思考，并提高我们的科学教学质量。

一、什么是探究

探究不仅指科学家们用以研究自然并基于此种研究获得的证据提出种种解释的多种不同途径。也指学生用以获取知识、领悟科学的概念、领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动。科学教育中，关于“探究”争论问题：探究是帮助学生学习科学的方法还是科学课程的目标？

教育部《课程标准》明确指出：探究既是科学学习的目的，又是科学学习的方式。给我们的启示：在小学科学教学中既要学习探究过程，又要学习科学知识和概念。科学探究的基石是活动的设计：

误区：只会动手做、不会动脑想。课堂热热闹闹，却陷入了教学的浅薄与贫乏。

二、探究的核心要素

在我国目前义务教育课程改革的科学（3~6年级）（以下称为小学科学）、科学（7~9年级）（以下称为中学科学）、物理、化学、生物的五个课程标准中都提到了科学探究，并对科学探究的过程规定了如下的环节，详细参考表1。 表1 我国义务教育的科学课程标准对科学探究环节的界定

环节 小学科学 中学科学 物理 化学 生物 1 提出问题 提出科学问题 提出问题 提出问题 提出问题

2 猜想与假设 进行猜想和假设 猜想与假设 猜想与假设 作出假设

3 制定计划 制定计划，

设计实验 制定计划与设计实验 制定计划 制定计划 4 观察、实验、

制作 观察与实验，

获取事实与证据 进行实验与收集证据 进行实验 实施计划 5 搜集整理信息 检验与评价 分析与论证 收集证

据 得出结论

6 思考与结论 表达与交流 评估 解释与结论 表达、交流 7 表达与交流 交流与合作 反思与评价

8 表达与交流

从表1可以看出，在以上五个课程标准中对于科学探究的环节虽然不是完全相同，但都在6-8个环节之内，对其中的“提出问题”、 “作出假设”、 “制定计划”、 “实施计划”、 “表达与交流”这五个环节是这五个课程标准中共同提到的。其中多数也提到“得出结论”这个环节。

在小学科学教学实践基础上，我们把科学探究的过程梳理为以下8个环节，界定为本文的探究式科学教学的环节。即1、提出问题；2、作出假设；3、制定计划；4、实施计划；5、记录结果；6、得出结论；7、表达与交流；8、完善结论。

对于上述探究式科学教学过程的8个环节中，“提出问题”、 “作出假设”、“制定计划”、“实施计划”、“得出结论”、“表达与交流”的6个环节在我国的有关科学课程标准中都是提到过的，所以，应该是没有异议的。至于为什么要增设“记录结果”和“完善结论”这两个环节？其理由为：

对于“记录结果”环节，可以说是等同于上述提到的“收集资料或证据、整理信息、分析数据”的环节，但是，又略有不同。增设“记录结果”环节，目的是强调结果与结论的不同，不要混淆二者。

在探究式科学教学活动（观察、实验或收集信息）中，在结果和结论的环节上，首先，一定要事实求实地记录观察或搜集到的信息、证据或实验数据，避免只是片面地收集支持假设方面的信息或证据。其次，在“记录结果”基础之上，通过“整理信息、分析数据”，再根据个人的经验、经历及认知结构等，得出符合个人所能理解的结论。结果应该是真实的、客观的、可以再现的。结果可能是支持假设的，也可能是否定假设的。结果直接影响结论的得出。而结论是带有“主观”意识的（与个人的经验、经历、认知结构有关系的）、抽象的。结论是在整理、分析结果的基础之上得出的。

在参与科学教学实践中，发现有的情况是学生记录的结果是正确的，结论是不完整的或不正确的。还有很多情况是学生把结果当做成结论，没有注意到二者的区别，有时甚至教师也没有意识到这一点。

我们认为“整理信息、分析数据”是为了从“记录结果”中得出结论，应该属于“得出结论”这个环节，也就是“记录结果”环节，与“收集资料或证据、整理信息、分析数据”环节的略有不同之处。这也就是增加“记录结果”环节的理由。

所以，在探究活动中，结果和结论是不同的，是需要区分清楚的。因此，有必要单独另设“记录结果”这个环节。它是探究式教学中不可缺少的环节之一。 对于“完善结论”环节，“完善结论”就是对“得出结论”的评价、反思和修改，并且需要通过“表达与交流”的方式来进行。在“表达与交流”中，表达自己总结的结论的同时，还能够了解到他人总结的结论，通过自己与他人的比较、对照，其结果可能是坚定了自己总结的结论，也可能是借鉴了他人的结论，修改了自己总结的结论或是改变了自己总结的结论等。增设“完善结论”环节的目的就是通过“交流与表达”来检验、评价、反思自己得出的结论，同时，使“表达与交流”更有意义，也使探究活动有一个“完整”的结局。

在表1中我国的五个课程标准中都涉及到了“结论”、“表达与交流”环节，并以“表达与交流”为探究活动的最后一个环节。与日本和美国的科学教科书中提到的相同。在中国的中学科学、物理和化学三个课程标准中虽然分别提到了“检验与评价”、“评估”和“反思与评价”环节，但是，都是设置在“表达与交流”环节之前。与“完善结论”略有不同。笔者认为设置在“表达与交流”之后，才能使交流更具有目的性，使评价、反思更具有针对性。这样才能使探究式科学教学的各个环节紧密相连，环环相扣，使学生能够经历、体验到一个完整的探究活动过程。

以上8个环节是本文对探究式科学教学的一种“界定”。下面，将按照上述“界定”的探究式科学教学的8个环节对具体的单元教学案例进行具体、详细分析。

三、怎样进行探究

案例分析：美国FOSS“生命的结构”单元的探究活动设计

美国FOSS （Full Option Science System,FOSS）是在美国国家科学基金会的资助下，由美国加州大学劳伦斯科学馆（Lawrence Hall of Science ）依据《美国国家科学教育标准（NSES ）编制的一套科学课程体系[1]。其核心理念是在“活动”中建构科学概念。FOSS 科学课程体系在小学阶段（小学科学）共设计了22个主题单元，包括了“杠杆与滑轮”、“混合物与溶液”、“地球物质”、“生命的结构”、“食物与营养”、“人体”等。每个主题单元的内容涵盖了本单元的主要内容、教师必备的科学知识、学生需要掌握的一些重要概念以及思维

发展要求、学生组织以及空间安排等建议、教学过程建议、材料的组织建议以及如何为本单元的教学做好准备等。

每个主题单元由3—6个探究活动构成，每个活动中，分别有教学目标、概述、供教师使用的背景信息、学生概念的形成与发展等，然后是将活动分成若干环节来具体展开。通过这些活动，可以激发学生学习科学的兴趣和好奇心，培养他们的科学思维技能，并掌握重要的科学概念。

“生命的结构”是小学3年级的一个主题单元，通过五个探究活动——寻找种子、种子的生长、相识小龙虾、观察蜗牛、甲壳虫贝丝，学生直接观察这些动植物并培育这些动植物，从中发现不同的动植物个体具有怎样的不同结构，这些不同的结构又怎样为它们的生长、发育、繁殖提供支撑。学生们通过系统的探究活动可以逐步理解生物体的结构特征和生命周期。表2是“生命的结构”单元中“相识小龙虾”的设计概要：

表2 “相识小龙虾”设计概要

探究活动提要 科学概念 思维过程 扩展 FOSS科学故事 技术、社会

相识小龙虾

通过与活的小龙虾直接接触，认识小龙虾的结构。建造小龙虾的居住地，学习在教室里照顾和饲养小龙虾。建立一种用于长期研究小龙虾行为的观察和记录系统。 小龙虾有明显的结构，比如，腿、眼睛、触角、外壳、游水足、螯等；小龙虾对生活环境有特殊的要求；有些动物要求属于自己的，能保护自己的领地；每种生物都有自己独特的结构，动物的结构与其生活环境相适应。 观察和记录小龙虾的结构。通过观察在有水的透明容器中的小龙虾，来研究它们的行为。建立一种用于长期研究小龙虾领地行为的观察和记录系统。 研究小龙虾对食物的喜好。

调查小龙虾生活环境的变化。 小龙虾的生命周期 比较小龙虾和昆虫的结构，讨论这些结构如何帮助动物们存活。

科学教学的目的是让学生能够科学地认识自然事物和现象，并能够从中发现它们之间的联系和规律，然后，才能按照规律与自然和谐相处。通过探究活动，能够更好地实现上述目的。学生在探究活动的过程中，只有自己亲身经历了，自己总结出规律，使学生能够真正懂得、理解、明白其中的道理，才能使学生的认知发生转变。才能使学生能够把学到的东西真正地整合到自己的认知结构体系当中，能够把日常生活中的认识转化、提升为科学的认识。才能使学生的认知结构得到发展。探究活动的过程就是学生思维发展的过程。学生的思维没有参与到探究活动中来，探究活动就将失去它的价值。

需要说明的是，探究式科学教学不是科学学习的唯一方式，本文所界定的探究式教学的8个环节也不是探究式科学教学的唯一方法，但是，适合本文所界定的8个环节的探究式教学的教学内容应该是具有一定范围的。这一点也是值得我们今后需要更加深入研究的问题。

第二讲 科学过程技能

什么是科学过程技能呢？

我们先给它一个比较明确的定义，科学过程技能就是科学工作者在科学研究过程中必须具备的一些最基本的思维方法和操作技能。这个定义中涵盖了两个核心词，这两个核心词分别是基本的思维方法、基本的操作技能，也就是说在科学探究的过程中，我们要培养学生这两种能力。那它们两者的关系是什么呢？基本的思维方法又有哪些？基本的操作技能又有哪些呢？基本的操作技能一般来说包括以下10个技能：观察、分类、测量、推断与预测、交流与表达、识别与控制变量、制作图表、形成与验证假设、实验实施和结果分析以及建立模型。 除了技能以外还有思维方法的培养，在小学阶段我们到底要培养学生哪些思维方法呢？我觉得主要有这样几种思维方法：一个是分析，也就是说在大量事实的基础上我们怎么进行分析，在分析的过程中我们肯定要进行综合，然后还有比较，这些实质上都是思维方法，除了这些思维方法以外，大家看，还有抽象、概括、归纳、演绎，这些是比较高级的一些方法。关于这些方法，怎样在操做的过程中来培养，我们会通过一个案例的分析，大家就会对此有一个比较明确的认识。 为什么要强调思维方法的培养，原因在于，科学过程技能的核心应该是在操作的过程中学会思变。否则的话，教学可能会陷入误区，即学生只会动手做，不会动脑想，课堂热热闹闹，却陷入了教学的浅薄与贫乏。

下面对10个科学过程技能进行注释。第一个技能就是观察，它是思维的知觉，是有目的、有计划、比较持久的一种知觉，它是以视觉为主，融合其他感觉为一体的一种综合的感知，是知觉的一种高级的形式，一个人的观察能力是他智力结构的一个最重要的要素。所以我们在科学教学的过程中，要努力地培养学生的观察能力。观察力指的什么呢？是指能够迅速地看出对象和现象那些典型的，但是又不很显著的特征和重要细节的能力。观察力是智力的一个重要的要素，是智力发展的基础。

学生的观察能力是怎么发展的？学生的观察能力划分为三个层次，第一个层次是：运用感观辨别事物的特征，简单地说就是用单一或多种感观，直接或者间接地进行观察，这是学生观察能力的最初级阶段。在这基础上，进入第二个层次，能够依据时间顺序或者空间位置的不同来观察事物的变化例如，让学生观察一颗种子从萌发一直到长成一个个体的过程，就是依据它时间的顺序进行观察。第三个层次是能够依据对某种概念的认知，有矛盾、有计划地进行观察。 怎样培养学生的观察能力？

低年级，主要是培养学生能透过事物的表象而关注到有意义的特征。（形成有效的观察）

中年级阶段，应培养学生认识联系（空间联系、因果联系）。

高年级，学生应能够从意义上完整地把握对象整体，并且还要能通过研究得到结论，找出事物的规律。

观察作为一项技能，其步骤为：

• 选好观察对象，确定观察重点

• 通过感官直接或间接观察，占有丰富表象。

• 分析比较，掌握细微差别。

• 积累观察结果，感知综合提升。

观察的要求或者说培养学生的观察能力应该注意的问题是：观察要细致、全面、客观（要精细的辨别，特别是不要被表面现象或突出的部分掩盖了细节，掩盖了本质。全面，就是要观察事物的各个方面，即前后左右上下里外，从整体到局部，各部分之间的联系以及事物的发展过程，都应观察在内。客观，就是要在观察中不掺杂任何主观的、情感的因素，不能用自己已有的主观意识来替代事物的客观情况，也就是不能想当然。）观察要抓住事物的特征（能够观察出事物最突出、最具特色、与众不同的一点，从而把它与其他事物区分开来）。观察要展开联想和想象（从心理学意义上讲，联想可以分为四种：类似联想，即从事物之间的相似性方面想起；接近联想，即从空间和时间方面接近的事物想起；对比联想，是从相反的或相对的事物想起；因果关系联想，则是从事物的原因结果方面想起。）

第二个技能是分类，在日常生活中，人们为了方便，常根据事物既有差异性，又有相似性的特性，把事物分门别类地整理，这个过程叫做分类。科学研究中的分类有很多方法，这里我们只介绍三种最基本的，适合儿童年龄特征的分类方法：“顺序排列法”、“多级二分法”、“集合法”。

顺序排列法就是把一些事物按照某一个属性，譬如按事物的大小、轻重、形状„„依次排列。顺序排列法最简单的表示方法就是通过箭头来表示。例如，我们把10个同学按他们体重排列(公斤) 。

“多级二分法”分类的依据是事物之间的不同之处。按一定标准每次把事物分成二类，直到不能分为止。多级二分法要遵循以下规则：

(1)每次按一定标准分成二类。

(2)在选用标准时，最好用“是”或“不是”模式，主要是因为不让某一些事物在分成二类时，无所适从。

(3)每个事物只能占一个空格，直到不能分为止。

集合法的名称借用于数学名词“集合”。我们在研究一些问题时，可以把某一确定范围内的事物的全体看作是一个集合。例如，所有自然数就可以看作是一个集合。

分类能力的培养：

• 首先能提出合理的分类构想，制定科学的分类标准。

• 在从事分类时，一般可以（1）依据物体的形状、颜色、大小来分类；（2）依据事物变化性的共同差异来分类。将调查的性质内容按顺序列表整理。（3）依据概念分类。

• 分类标准应同一。

第三个技能是测量。测量是借助于不同类型的工具，对周围世界进行的一种定量观察，所以测量严格来说它是一种观察，这种观察属于一种定量观察，是对定性观察的补充和精化。

第四个技能是推断与预测。推断与预测都是推论的一种形式，笼统地讲，它们都指根据已经知道的事情推论出不知道的事情。一般来说，推断指对观察到的现象做出的一种推论，而预测则是根据现有证据和既往经验对将来的事情做出推论。

推断与预测的意义：

（1）推断与预测是科学发展的重要形式和不可或缺的环节

没有推断与预测的中介就不可能由时事资料的积累达到科学理论的创立。

（2）推断与预测对科学研究起重要的指导作用。进一步确立了继续观察和实验的内容、方法、方向

（3）重大的推断有时会引起自然科学的革命，例如达尔文在环球考察时提出的“物种随客观条件的不同而相应变异”的推断掀开了进化论的序幕

（4）著名的推断与预测对科学家有强大的吸引和激励作用。如哥德巴克猜想。

怎样培养学生的推断能力：

• 对观察到想象的原因进行推断与预测

例如：公园中相邻的两棵银杏树，在10月底时，一棵叶变黄了，另一棵还是绿意葱葱。请学生提出他们的推断。

• 对实验的条件进行推断与预测

• 对事物的原因和结果进行推断与预测

• 对事物的逆向结果进行推断与预测

推断与预测的步骤：

• 发现问题：问题是产生推断与预测的动因。 爱因斯坦曾说过：“发现一个问题比解决一个问题更重要。”

• 展开想象，提出推断与预测。

• 搜索、整理事实资料。

• 利用有关材料，采用各种方法，对推断与预测进行论证。

推断与预测的要求：

推断与预测要建立在事实的基础上

推断与预测所使用的证据要充分合理

推断与预测要展开想象力

第五个技能是交流与表达。新课改理念下的交流是指探究者为完成一定的目标与他人进行的信息传递与交换的活动。

特征：目的性、计划性、程序性

目的：解放发展个性，使学生通过教育最终摆脱教育。

目前教学中存在的问题

1.流于形式，有教无学

表现：讨论——问题不恰当、含糊

时间——目的不明确

形式——没有交锋、没有冲突和质疑，只有区别，才有交流。

误区：你说我说大家说。

交流的结果要形成一种建设性的对抗。

2.教师不能对学生的表达做出适当的回应

误区：回应单一，反应迟钝，不能追问

3.教师的角色模糊不清

4.有证实无证伪，缺乏对质疑精神的鼓励

误区：大部分教师知道在活动中活的科学概念，但对科学不仅要证实还要有证伪（用相反的例证）。

5.对“错误”建设性的作用认识不足

交流中教师的作用：

1.营造和谐的课堂气氛

2.组织与指导：交流小组的组建

交流内容的选定

组间交流的组织

介入交流小组的指导

3.激励性评价

前五个技能都是我们在小学科学教学的过程中经常用到的技能，也是比较简单的技能，我们也称它们为基本科学过程技能。后五个就是比较复杂的技能了，我们称它们为综合科学过程技能。

第六个技能为识别与控制变量。变量亦称因子，指实验操纵控制的特定因素或条件。在中小学科学课中，把实验所设置的实验条件称为“变量”。

变量通常分为以下两类四种类型：实验变量与反应变量、无关变量与额外变量。实验变量亦称自变量，指实验中由实验者所操纵、给定的因素或条件；反应变量亦称因变量或应变量，指实验中由于实验变量而引起的变化和结果。实验变量是原因，反应变量是结果，二者具有因果关系。实验的目的即在于捕获解释这种前因后果。在根（叶）吸水量多少的实验研究中：实验变量和反应变量各是什么？

在“根（叶）的吸水量多少的研究”中，根的多与少就是实验变量；由于根（叶）多根（叶）少的变化，根的吸水量也随之变化，这就是反应变量。

无关变量亦称控制变量，指实验中除实验变量以外的影响实验变化和结果的因素或条件。

额外变量亦称干扰变量，指实验中由于无关变量所引起的变化和结果。 在“根的吸水量多少的研究”中，之所以选择两棵大小、根系大小相当、叶子数量一样的幼苗；向两支大试管中放一样多的水加以固定；在水面滴一层植物油（防止水分蒸发）等措施，也都是想控制无关变量，以防产生额外变量，出现干扰，造成误差。所以控制无关变量和减少额外变量是科学实验的关键之一。 通过设置实验对照对比，既可排除无关变量的影响，又可增加实验结果的可信度和说服力。

对照实验的类型：

• 空白对照组指不做任何实验处理的对象组。

• 自身对照指实验与对照在同一对象上进行，即不另设对照。如“植物细胞的质壁分离和复原”实验，则是典型的自身对照。

• 条件对照指虽给对象施以某种实验处理，但这种处理是作为对照意义的，或者说这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的。例如“动物激素饲喂小动物”的实验，采用等组实验法，实验设计方案是：

甲组：饲喂甲状腺激素（实验组）

乙组：饲喂甲状腺抑制激素（条件对照组）

丙组：不饲喂药剂（空白对照组）

上述实验既设置了条件对照，又设置了空白对照，通过比较、对照，更能充分说明实验变量（甲状腺激素）对实验结果（促进蝌蚪的生长发育）的影响。 第七个技能是制作图表。在数据处理和结果表达方面，图表（图形和表格）具有独特的作用：

（1）真实、准确地展示和反映数据

（2）以较小的空间承载较多的信息

（3）启发实验者思考数据的本质和分析数据所揭示的内在规律

（4）简明、直观、有效地表达复杂的数据和观点。

第八个技能是形成并验证假设。假设就是在观察和事实材料的基础上，根据科学原理和科学事实进行理性思维的加工以后，对未知的自然现象及其规律所作的假定性解释和说明。

假设的主要特点

（1）假设是以事实为基础的，具有科学性。引导学生做出假设时要考虑 以下因素：

学生已经掌握的相关知识

学生已经具备的生活经验

学生已经具有的事实

（2）假设具有猜想性

（3）假设需要实践的检验

第九个技能是实验实施和结果分析。首先明确什么是科学实验，科学实验：人们依据科学研究的目的，运用有效的仪器和设备，对研究对象加以控制，减少非本质因素的干扰，在特定的环境中或特定的条件下研究自然规律的一种科学活动。

小学科学教学中，科学实验的设计有三个原则：

实验的现象要直观，能够为学生的观察提供丰富的感性材料。 实验设计要能够启发学生的积极思维。

实验设计中蕴含着实验思想和方法。

实验结果的表述可以采取以下形式：

• 用文字来表达试验结果

• 用记录表格来表达试验结果

• 用图线来表达试验结果

另外必须注意实验误差的问题：

实验误差：实验过程中，由于仪器本身的精度、实验条件、环境等因素，以及在读取数据时，需要对仪器的最小刻度值的下一位进行估测，而使人们在估测

时不可能估计得非常准确，所以测量值与真实值之间就会有一定的差异，这个差异就是误差。

第十个技能是建立模型。模型是对于现实世界的事物、现象、过程或系统的简化描述，或其部分属性的模仿。

建模即建立系统模型的过程，又称模型化。建模是研究系统的重要手段和前提。凡是用模型描述系统的因果关系或相互关系的过程都属于建模。建模就是一个实际系统模型化的过程。