如何培养学生的科学探究能力

一、科学探究的含义

科学探究是科学教育的基本理念，既是科学教育的目标和内容，又是科学教育的过程和方式，它实质上是一种思维创新方式，思维习惯，一种能力系列[1]。《科学课程标准》中的科学探究指的是学生探究式学习活动而非科学家的科学探究，是指让学生去模拟科学家的工作过程，按照一定的科学思维程序去探索学习的过程，从中学习科学方法，发展科学探索所需要的能力，增进对科学探究的理解，体验探究过程的心理感受等，它不仅仅关注学生亲历科学探究的过程，让学生在探究过程中学习知识、技能，培养能力，形成科学的情感态度价值观，而且强调学生认识科学探究本身。在科学探究过程中，重在探索的过程，而非结果；重在收集证据，而非繁杂的计算；重在对结果的评价，而不迷信结果，这正是《科学课程标准》将“科学教育应以探究为核心”确定为科学教育理念之一的意义所在。

二、在科学教育中实施科学探究的意义

在我们传统的科学教育中，一般是接受性学习多于探究性学习，课堂教学中“满堂问、满堂灌”的现象比较普遍，学生的学习方式基本是“听—记—练—考”[2]，学生大多是在被动应付的状态，学习的主动性、积极性不强，学生的想象力、创造力在一定程度上被压抑，这些都有碍学生科学素养的形成与发展。而探究性的学习是当前国际科学教育的主要发展趋势，科学课程正向学生提供充分的科学探究机会，探究性的学习活动让学生成为学习的主体，建立了和谐的师生关系，使他们在进行探究学习的过程中，体验学习科学的乐趣，有利于增强学生的科学探究能力，培养学生的科学意识、形成良好的科学行为习惯和科学的品质。因此，新课程标准中明确提出了以科学探究为核心的主要学习方式，让学生亲历探究学习的活动过程，培养他们的好奇心和探究欲，逐步学会探究问题的策略，强调的正是要以开放的教育理念为指导，以探究的形式为载体，使学生在获取科学知识的同时，领悟科学的思维方法，掌握科学探究所需要的技能，提高学生的科学素养，为国家培养出更多的创新型、复合型人才。

如何合理运用探究式模式进行物理教学

科学探究主要包括观察和提出问题、形成假设、检验求证、得出和解释结论、交流与应用五个步骤：

1. 观察和提出问题：观察是科学探究的基石。通过观察可以发现自然世界中未知的各种事物和现象，从而提出问题，确立探究的主题。因此，观察和提出问题是密不可分的。但是，并不是所有的观察都能导致提出问题。很多时候，我们会深陷于“已知的幻觉”之中，也就是说，当你“掌握”某些知识的时候，会使你所看到的现象符合自己理解的事物模型并从中得到解释。正如德国文学家歌德所说的：“我们只看到我们所知道的”。因此，在科学探究中，个体要经常审视自己知识的界限，发现自己已有知识的局限和矛盾，探寻运用自己的理论所无法解释的难点，从而确立需要探究的事实。从某种意义上讲，科学探究就是要寻找一扇由已知通向未知的“大门”，推动“已知的幻觉”的不断扩张。

2. 形成假设：假设源于个体所提出的问题，是对于问题的一种简洁的陈述，它试图解释一种模式或预测一种结果，是个体在己有的知识经验的基础上所提出的关于问题的可能性解释。假设是科学发展的必经之路。虽然假设只是一种试验性的观点，必须通过观察或实验加以验证，但它能帮助探究者澄清思想和说明关系。德国文学家海涅就曾说过：“谁若为我们指出了走不通的道路，那么他就像为我们指导了正确道路的人一样，对我们做了一件同样的好事”。假设可能有一种，也可能有多种，但不论多少，假设必须具有合理性，才有助于制定解决问题的可行性方案。由于一个假设只是对问题的一种观点和看法，因此在实际的探究中，个体不能将自己限制在一种假设之中，而要尽可能地提出多种假设，以避免那些有可能局限于某种观点的偏见，从而保证研究的开放性，以获得客观、真实的研究结果。

3. 检验求证：检验是对观察和假设的一种验证，通过检验，假设就可能被证实或支持，也可能被否定或推翻，而那些由“权威”传递的错误观念也可以被抛弃。检验使我们能够探查自然世界中那些隐藏在自然现象和事物背后的奥秘，揭示自然的本质。检验的方式主要有两种：一种是引证式，即根据已选择的方案去收集支持假设所需要的事实和证据，经分析、概括而得出结论，从而证明假设成立或者不成立；二是实验式，即个体亲自动手实验，通过分析实验和总结实验结果来验证假设的正确性和有效性。如果所提出的假设在实践过程中行不通，那么就需要重新对问题和假设进行分析，再次提出新的假设和验证假设。实验是有明确程序，并可重复进行的。但同时也不能过度地信任实验，因为实验错误的可能性总是存在的，这种实验错误可以导致错误的结果。

4. 得出和解释结论：在对假设进行验证的基础上，个体概括、归纳其发现，得出并解释结论，形成关于某一现象或问题的科学认识。在此过程中，不仅要收集证据，而且要将观察与实验的结果与自己已有的知识经验联系起来，借助于分析、推理提出现象或结果产生的原因，并在实验证据和逻辑论证的基础上建立各种变量间的联系，从而形成以已有知识和当前观察与实验结果为基础的新的理解。解释必须同自然观察或实验结果所获得的证据一致，遵循证据规则，同时，解释还须接受公开的批评和质疑，并要求运用各种科学的认知方法和过程，如分类、分析、推论、预测、批判性推理和逻辑推理等。

5. 交流和应用：在形成关于某一现象或问题的结论、解释后，个体还需要与他人进行相互交流。在这种交流中，一方面，个体要准确地向其他人阐明自己所探究的问题、方法、探究过程以及结果，并倾听他人对证据和解释的看法和态度；另一方面，他人也有机会就这些结论、解释提出疑问，指出其中有悖于事实证据的地方，或者就相同的观察提出不同的解释等。通过交流，个体可以获得各种可能的解释，有助于将实验证据、已有的科学知识和他们所提出的解释这三者之间更紧密地联系起来，最终解决彼此观点中的矛盾，巩固以实验、事实为基础的论证，促进科学结论的获得。最后，个体还需要将其所获得的结论应用到其他情境中，以进一步验证结论，并扩大和丰富对于自然世界的认识。当然，对于科学探究过程的认识，我们不能采取绝对化、机械化的理解，以为只有经历上述五个阶段的探究才是科学探究。实际上，科学探究的问题是多种多样的，针对不同问题，人们所可能经历的探究过程、采取的探究方式就可能不同，不可能存在某一种绝对、固定化的模式或统一化的模式。同时，在科学探究的过程中，形成假设和检验求证是连续循环、交叉重叠的两个过程，正是在不断地假设→检验→再假设→再检验的过程中，个体不断地丰富、调整和完善对于自然世界的认识，形成科学的世界观。

物理教学中实施探究式教学的探讨

新一轮国家基础教育课程改革的一个重要而具体的目标,就是改革课程过于注重知识传授的倾向,过于强调接受学习的现状,倡导学生主动参与、乐于探索、勤于动手,培养学生搜集和处理信息的能力、获得新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力。探究式教学正是在新课程改革的背景下被人们所关注的一个课题。探究式教学不是为了培养研究者、科学家,而是培养一种独立自主、主动探索,勇于面对困难甚至挫折的精神和能力。《物理课程标准》也明确提出“要积极倡导自主、合作、探究的学习方式”。本人通过在普通物理课堂教学中实施“探究式”教学探讨,力图探索一种新的教学模式,为师范树立一种从事基础教育教学的新理念。

一、探究教学的理论问题

(一)基本概念的界定

1、探究的涵义

英文inquiry一词,按照《牛津英语词典》中的定义,探究是“求索知识或信息,特别是求真的活动;是搜寻、研究、调查、检验的活动;是提问和质疑的活动。”其相应的中文翻译有“质询”、“质疑”、“调查”及“探究”等多种译法。在科学教育活动中,探究一般是指学生探究式的学习活动而非科学家的探究。

2、科学探究的定义

《美国国家科学教育标准》中对科学探究表现为:“科学探究指的是科学家们用来研究自然界并根据研究所获事实证据做出解释的各种方式。”科学探究也指的是学生构建知识、形成科学观念、领悟科学的研究方法的各种活动。科学探究旨在将学习重心从过分强调知识的传承和积累向知识的探究过程转化,以学生被动接受知识向主动获取知识转化,从而培养学生的科学探究能力,实事求是的科学态度和敢于创新的探索精神。它包括七个要素:即提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证居、分析与论证、评估、交流与合作。

3、探究教学的含义

探究教学,就是以探索为主的教学。具体说它是指教学过程是在教师的启发诱导下,以学生独立自主学习和合作讨论为前提,以现行教材为基本探索内容,以学生周围世界和生活实际为参考对象,为学生提供充分自由表达、质疑、探究、讨论问题的计划,让学生通过个人、小组、集体等多种解释诊疑尝试活动,将自己所学知识应用于实际问题的一种教学形式。探究教学特别重视开发学生的智力,发展学生的创造性思维,培养自学能力,力图通过探究引导学生学会学习和掌握科学方法,为终身学习和工作奠定基础。教师作为探究课堂教学的导师,其任务是调动学生的积极性,促使他们自己去获得知识、发展能力,做到自我发现、提出问题、分析问题、解决问题;与此同时,教师还要为学生的学习设置探究的情景、建立探究的氛围、促进探究的开展、把握探究的深度、评价探究的成败。学生作为探究课堂教学的主人,自然应根据教师提供的条件,明确探究的目标,思考探究的内容,总结探究的结果。由此可见,探究教学是教师和学生双方参与的活动,他们都将以导师和主人的双重身份进入探究课堂。

(二)探究教学的理论基础

l、主体教育理论认为人的主体是人的自然性和社会性的最本质的特征。培养和发展人的主体性,就是要通过启发、引导受教育者的教育要求、创造和谐、宽松、民主的教育环境,有目的、有计划组织、规范各种教育活动,从而把受教育者培养为自主地、能动性、创造性的进行认识和实践活动。

2、建构主义学习理论认为:学生是认知的主体,是知识意义的主动建构者,学习不是一个被动吸收、反复练习和强化记忆的过程。建构主义主张学习是以学生己有的知识和经验为基础,强调学习的主动性、社会性和情境性;强调教学要增进师生之间和学生之间的合作,使学生看到与自身不同观点的基础;重视教学中师生之间和学生之间的社会性相互作用;主张采用“合作学习”、“交互式学习”和“情境性教学”方法。为此,教师必须改变“教师讲,学生听”的传统教学模式,使教师以“知识传授者”转变为“知识探索的导航者”,在教学中积极创设情境,鼓励学生要勇于探索。

3、终身教育理论

终身教育就是贯穿于一个人生命进程的全部教育。它认为教育是一个统一的连续不断的过程,并不随着学生学习的结束,而应该贯穿于个体生命的全新过程。终身教育强调个体的发展和教育方法的改革,强调教育的目的是发展学生的个性和帮助学生学会学习、掌握学习方法、培养学习能力,强调教育与生活相联系。提出了自我教育、小组学习、创造性和非指导性等教育方法。因此,作为培养基础教育的师范生来说,在校期间就应加强各种学科教育方法的改革和创新学习,掌握学科教学的方法。

二、探究式教学在物理教学中的实施过程

1、运用科学“探究式”教学模式设计实施知识创新教学,培养学生类科学探究能力。

新课教学中大多数是新知识的教学,这些知识主要是科学研究中的一些新概念、新规律、新 模型。在这些新知识教学中,我们应该运用科学“探究式”教学模式来实施知识创新教学。科学“探究式”教学模式的特点是:教师根据学生的认知水平及所学普通物理新知识的特点,综合运用探究式教学理论、科学研究方法论和现代教学手段,以知识创新教学模式的认知流程为主线,以教师的启发指导、提供信息(知识背景、方法背景)为导航,以学生自我探索为主体,以遵循学生的认知发展规律创设情绪性教学为方法,通过师生双方互动或交流使学生经历科学探索研究,获取新知识,培养科学探索创新能力。

教学案例1:运用“探究式”教学进行《刚体动力学》的创新教学。

2、运用“问题式”教学,设计实施知识创新教学,增强学生的问题意识

爱因斯坦指出:“提出一个问题往往比解决一个问题更重要”。在弘场创新精神的今天,培养学生的问题意识显得尤为迫切。探究式教学要求教师要以问题为中心来组织教学过程,变传统教学的“传授—接受”过程为问题纽带的“发现问题—研究问题—解决问题”的引导发现过程。一方面教师要深入研究教材,研究学生,善于提出问题,以材料为依托,以背景为衬托,增强问题的探索性、启示性、扩展性、现实性,以激发学生的主体作用,在自学、合作、讨论、辩论的过程中,培养学生解决问题的能力;另一方面,要注意在教学过程中培养强烈的问题意识。在这一过程中,发现问题的喜悦感,解决问题的挑战性,问题解决的成就感互相融合,成为激发学生学习的强大动力。由此可见,“问题式”教学充分地发挥了激发、导向、调控、强化作用。

教学案例2:运用“问题探究式”教学进行《万有引力定律》的创新意识。

《万有引力定律》教材的主要内容是从人们对天体运动认识的发展过程,到牛顿绘制人造卫星原理图及卡文迪许纽秆实验。为了打破教师“传道、授业、解惑”的旧传统教学模式,以激发学生主动探索的教学方法,我们根据教材特点设计了如下问题供学生自我探究。

(l)牛顿从平抛的速度越大落点越远的规律出发,绘制出人造卫星图,这对你有什么启示?

(2)苹果受到地球的重力和地球对月球的引力、太阳对行星的引力是否是同一性质的力?若是同一性质的,则它的大小与哪些因果有关?关系如何?

(3)试谈月球引力与海洋潮夕的关系?

(4)通过查找资料,请说明人造卫星的种类及应用,并谈谈我国在航天技术的发展趋势。

(5)请介绍什么叫行星、恒星、星系,宇宙和黑洞?现代宇宙学中一种较为成熟的理论一宇宙大爆炸理论认为宇宙的过去、现在、将来是怎样的?

(6)开普勒发现的行星运动定律的内容是什么?有什么重要意义?他的科学态度和科学方法对你有什么启不?

(7)如何理解三种宇宙速度的含义?并能进行三种宇宙速度大小的推导?

(8)“月一地”、“天一地”检验的基本思路是怎样的?请独立查找有关数据,设计一个验证性实验。

3、运用实验“探究式”教学,设计、实施实验方法的创新教学,培养学生的创新能力

探索性实验是指在教师指导下,学习围绕某个问题独自进行实验、观察实验现象、分析实验结果,从中发现科学概念或原理,以获得知识,培养探究能力的一种教学方法。实验“探究性”教学的特点是:以“探究性”教学理论为指导,设计验证性实验和实验技术创新为教学主线,以通过师生双方互动活动来引导学生进行实验探索研究,激发学生探索动机,启发学生思维,渗透实验研究方法,帮助学生构建新的认识结构为教学目的,以学生为教学主体(学生是教学过程中主要探索者,积极的认知者,是建构设计方法的主体)。

教学案例3—运用“探究式”教学进行《单摆测重力加速度》实验的创新教学

“单摆测重力加速度实验”是普通物理实验中的一个传统性实验。它在建立物理模型、分析动物物体的运动学特性、动力学特性和能量转化特性,利用误差原则,设计物理实验的最佳方案等方面都具有“探究式”价值取向。我们在“单摆测重力加速度”实验教学中,开发学生对单摆理想化模型的认识和抽象的能力,引导学生去探索单摆振动的特性,让学生亲自观察、测量单摆振动的周期和摆长引发疑点,进而对单摆测重力加速度的影响因素进行大胆地猜测,并设计验证性实验方案,以拓展学生的思维空间,培养学生的建模能力和多向思维能力。在学生设计实验方案时我们首先提出以下5点建议:(l)建立物理模型(研究实验方法);(2)根据“测量误差最小”原则,选择测重方法和实验条件;(3)根据“误差等量分配”原则,选择实验参数和实验仪器;(4)拟定实验步骤,制定实验方案;(5)分析影响实验结果的因素。

通过师生的交互式、合作式探究,共同探讨摆线的长短、粗细和伸缩性,摆球直径的大小、轻重和均匀性,摆球摆动的振幅(或摆角),摆线悬挂点的位置、打结方法,摆球的摆动方式、试验场地的空气静态程度,选择什么位置来计振动次数,如何测量单摆的摆长等都是影响测量重力加速度的物理因素。让学生得出了该实验成败的关键是让振动小球做简谐振动,准确测出摆长和周期。设计出了单线摆、双线摆实验方案来测量重力加速度;设计了圆锥摆、沙摆实验方案来研究单摆的周期变化;明白了生活中带摆的计时器和单摆碰球的物理原理一摆动等时性、摆球的机械能守恒和动量守恒;得到了在摆动的最低点作为计算振动次数的位置和利用二次测量法测量单摆的摆长为最佳实验测量法。

三、探究式教学的评价

探究式教学的评估应以形成性和描述性评估为主,应将传统的教学评价程序改为教学评估程序。探究式教学的评估旨在通过评估促进学生探究水平的不断发展和提高。从评估方法来看,学生的探索、素质往往难于通过纸笔测验来加以评估,宜采用档案袋的方法,遵循探究教学评估的原则(目的性原则、科学性与客观性相结合的原则、评估学习成绩与学习动机相结合的原则、评估与指导相结合的原则、日常观察与系统评估相结合的原则、教学评估与学生自我评估相结合的原则);从评估的内容来看,重点应放在学生在探究过程中表现出来的对探究过程和方法的理解,对探索本质的把握,不能把是否探究出结论或结论是否正确作为唯一或是最重要的评价指标。

综上所述,实施探究教学,让广大青年在学校教育的过程中体验到探索和发现的快乐,用创新性学习取代维持性学习,培养创新精神和实践能力,为基础教育改革培养一大批的合格师资。“探究式”教学模式还需要广大物理教师不断研究、完善和提高,把普通物理教学课堂上升为科学探究主渠道。