上海市科技教师课程

1、 上海市科技教师课程上海市科技教师课程发达国家关于科学探究的发达国家关于科学探究的 理念与实践理念与实践华东师范大学华东师范大学 王顺义王顺义一、引言：一、引言： 在科学技术教育活动中突出科学探究的教学方式，是 20 世纪 80 年代以来发达国家科学技术教育的一个新亮点。这种教学方式对培养学生的创新精神和实践能力十分有效，它不仅对课堂教学适用，而且对课外科技活动也同样适用。 “能动的过程”一语指的是体与脑的共同活动。光是动手活动还不够学生们还必须有动脑的活动。科学教学必须让学生们参与以探究为目的的研究活动，使他们同老师和同学一起相互启发相互促进。学生们需要将他们目前所掌握的科学知识同他们从多种

2、渠道获得的科学知识联系起来；他们要把科学内容应用于新的问题里去；他们要参与解决问题，参与做计划，参与决策，参与小组讨论；他们还要参与跟能动的学习方法在原则上是完全一致的评价活动。 ” 2 2、什么是、什么是“科学探究式教学”“科学探究式教学”？ 案例案例 1 1 制作小型地球仪制作小型地球仪 目标目标： 通过制作小型地球仪，能理解和演示地球自转和公转运动能认 识地轴和赤道平面的夹角（66.5）以及经纬线的特点和经纬 线的划分。 材料：材料：乒乓球或其他球体，小木板或泡沫塑料，铅丝，卡尺，量角器等。 要求：要求：1. 能制作出一台小型地球仪 2. 能较正确地做成地轴与赤道平面为 66.5的夹角，

3、所画的南 北回归线和南北极圈位置基本正确。 3. 转动灵活，置放稳定，经纬线平直。 扩展要求：画上七大洲的轮廓。 制作过程说明：制作过程说明：制作过程中有三个关键：一是如何确定两极的位置，二 是如何确定地轴和赤道平面的夹角，三是如何确定南北回归线和 南北极圈的正确位置。 这个案例并不是一个真正的关于科学探究活动的教学， 因为它没有体现和包括科学探究活动活动的五个环节， 制作的程序是事先提示给学生的， 制作的材料和工具也是事先交给学生的， 学生只需要按图索骥， 机械地操作一下就行了， 学生通过这种活动并不能够全面地提高自己的科学探究活动能力。 案例案例 2 2 制作小型地球仪制作小型地球仪 让学

4、生制作小型地球仪， 主要是提高学生进行技术设计和动手实践能力，学会运用各种工具和材料，按照合理的流程完成制作过程。同时也让学生学会制定评价方案，对小型地球仪进行自评和互评。 老师在上课时，出示预先制作的小型地球仪，以引起学生的兴趣。并把学生分组，讨论如何制作一个精巧的小型地球仪。 图 1“乒乓球”地球仪 图 2“红萝卜”地球仪 图 3 在球上编织经纬网 图 4 用厚纸片做镶嵌式地球仪 学生们的讨论要解决以下问题： 1用什么材料：如乒乓球或其他球状体等。 2用什么工具：如要比较精确地做成地轴与公转平面为 66.5的夹角， 则要用量角器； 如用泡沫塑料或者木板做底座则要用切割工具。 3达到什么目标

5、：如要能转动，要画上经纬线等，由学生自己制定。 4确定工作计划：可以要求学生用框图来表示制作流程，明确分工和完成日期。 师生共同讨论制作过程中几个关键的技术问题： 如何确定两极的位置？如何确定地轴和公转平面的夹角？如何确定南北回归线和南北极圈的正确位置？虽然学生尚未学过平面几何，但还是会用量角器等工具达到目的的。在这些技术性问题上，学生可以有很大的创造空间。 在制作完成小型地球仪后，在年级里举行一次展览， 让学生自行编制评价方案。 以小组为单位设计评价表， 各组经过讨论要确定一份统一的评价表， 评价表中的项目可以有：是否稳定牢固，是否转动灵活，夹角（665）是否正确，线条是否美观，等等，每项内

6、容均有不同的得分。 然后让学生作评委， 评选出最佳的作品。 优秀作品在下一届的教学中可以成为范例进行展示。 （引自科学课程标准第 72 页） 本案例就属于一种较为典型的科学探究活动活动的案例，它基本上包括了科学探究活动的主要环节；制作的材料和工具以及制作的流程均不作统一的规定；鼓励学生创新，因地制宜、就地取材地制作小型地球仪；鼓励学生利用各种教育资源，包括请教有经验的家长给以帮助；要求学生有团队合作精神和科学的态度； 同时也注重培养学生自我评价的能力，初步掌握评价的科学方法，包括分解评价项目，确定评价等级，用比较精确的语言评述作品的优缺点，这也是培养学生科学探究能力的一个重要方面。 二、二、

7、历史上历史上著名科学家著名科学家是怎样进行科学是怎样进行科学探究探究的的？ 发达国家提倡科学探究式学习，源于对科学家在科学研究活动中探究过程和方法的模仿和借鉴。 其原因之一在于他们认为， 探究性是科学知识形成过程的本质特征，从而认为科学探究既是基本的科学认知方式，也是有效的教学方式。 1、伽利略、牛顿伽利略、牛顿等科学家的等科学家的科学探究全过程科学探究全过程 要弄清科学探究全过程，只需要看一看科学家是怎样进行科学研究的，因为这是考察科学探究的源头。我们先以伽利略为例。我们知道，自由落体运动定律是由物理学家伽利略（Galieo）提出的。在提出这条定律之前他先提出了一条“匀加速物体运动定理” ，

8、这就是： “球在斜槽上滚动时所通过的各种空间距离的比率与其时间间隔的平方的比率相同” 。将这条定理稍加推广伽利略就得出了自由落体运动定律。那么伽利略是如何提出这条预备定理的呢？对此他在关于两种新科学的对话一书中对其探究过程作了如下说明： 伽利略伽利略探究的实验伽利略探究的实验“拿一块 12 肘长、半时宽、3 指厚的木板。靠它的边缘刻一道约略大于一指定的小槽，把这个槽做到尽可能的直和光滑，里面垫上尽可能光滑的羊皮纸。然后拿一个硬的、光滑的、极圆的铜球，放在槽内去滚。将这块木板放在倾斜位置，使一端比另一端高一肘或二肘，再将铜球沿槽滚去，同时照下述的方法注意它降落的时间。我们把这实验多做几次，使得时

9、间可以量得准确，准到两次观察结果相差不到一次脉搏的十分之一的地步。完成了这种动作并确定了它的可靠性之后，我们现在将铜球放在槽的 14 长度内滚动， 再量它的降落时间， 我们会发现它恰等于上次时间的 12。我们再用其他各种距离作同样的实验，以槽的全长距离与12 长的、23 长的或其他任何长度的距离相比，把实验重复一百次以后，我们总是发现：球所通过的各种空间距离的比率与其时间间隔的平方的比率相同，这在任何斜度的平面即该槽的任何斜面中都是一样准确的。我们也观察到，球在各种不同斜度降落的时间，如我们即将看到的，其比率恰恰和作者所预言并论证的比率一样。 ”（W.F. 马吉， 物理学原著选读 ，商务印书馆

10、，1986 年版，第 13-14 页） 只要仔细地分析伽利略的科学事例，我们就可以发现，伽利略为了解决落体问题，第一步是进行相关的实验，通过实验、观察获得大量有关自然现象的经验事实、 数据。 第二步是对这些经验事实、 数据进行归纳推理，概括出具有一般性的科学原理即定律或理论。 如伽利略用简单枚举归纳法对实验结果数据组的数据进行处理， 概括出在相继的相同时间间隔内， 从斜面上滚下的小球所通过的距离与时间的平方成正比的规律， 而且这一规律与斜面的倾斜度无关。 第三步是检验所得结论的正确性， 第四步是人们根据这些科学理论去说明自然现象， 解决当初要解决的问题， 或者预测新的现象，这一步可以用演绎的方

11、法去完成，即以科学理论为大前提，通过三段论推理， 演绎出关于自然现象的有关陈述。 这就是创造性地认识自然现象的一个完整的科学探究的过程。 伽利略的科学探究的认识过程 牛顿也是极力主张上述经验主义的科学探究的认识过程的，他曾经在其划时代的著作自然哲学之数学原理中明确地表述过这种观点。牛顿“在自然科学里，应该像在数学里一样，在研究困难的事物时，总是应当先用分析的方法，然后才用综合的方法。这种分析方法包括做实验和观察，用归纳法去从中作出普遍结论， 并且不使这些结论遭到异议， 除非这些异议来自实验或者其他可靠的真理方面。 虽然用归纳法来从实验和观察中进行论证不能算是普遍的结论， 但它是事物的本性所许可

12、的最好的论证方法， 并且随着归纳的愈为普遍， 这种论证看来也愈为有力。 如果在许多现象中没有出现例外，那末可以说， 结论就是普遍的。 但是如果以后在任何时候从实验中发现了例外，那时就可以说明有这样或那样的例外存在。 用这样的分析方法， 我们就可以从复合物论证到它们的成份， 从运动到产生运动的力， 一般地说， 从结果到原因，从特殊原因到普遍原因，一直论证到最普遍的原因为止。这就是分析的方法；而综合的方法则假定原因已经找到， 并且已把它们立为原理， 再用这些原理去解释由它们发生的现象，并证明这些解释的正确性。 ” （选自西方自然哲学原著选辑（三） ，主编王太庆等，北京大学出版社，1993 年版）

13、这种科学探究过程模式的特征可以归结为两条，一是非常强调“经验事实”在整个科学研究程序中的奠基作用，它认为如要认识自然现象，必须先观察自然现象，包括在实验中观察自然现象，故它认为观察实验是科学研究的起点。观察、实验的目的，是为了获得经验事实，在经验事实的基础上才能归纳出理论，否则“巧妇难为无米之炊” 。二是非常强调“归纳”的认识作用，认为归纳就是科学理论发现的逻辑通道，它认为科学研究基于归纳方法。 2、库仑、爱因斯坦库仑、爱因斯坦等科学家的科学探究全过程等科学家的科学探究全过程 科学史告诉我们，科学家的科学探究过程的路径是多种多样的，并非只有伽利略这一种。例如我们知道，在电学理论中库仑定律是一条

14、重要的定律。下面我们来看一下库仑是如何探究出这一条定律的，其路径与伽利略探究过程路径有什么不同？ 库仑定律库仑定律适用条件适用条件 真空中点电荷真空中点电荷库仑定律 两个静止的带电体之间存在作用力，称为静电力。库仑定律定量描述了真空中两个静止点电荷之间的静电力。定律指出：真空中两个静止的点电荷之间相互作用力的大小与这两个点电荷所带电量的乘积成正比，与它们之间的距离的平方成反比。作用力的方向沿着两个点电荷的连线，同号电荷相互排斥，异号电荷相互吸引。 ，其中称为真空中的介电常数， 是由施力电荷指向受力电荷的矢径方向的单位矢量。0221rrqqkFF 041 k，2121201085. 8 mNC

15、0r 库仑定律的探究过程库仑定律的探究过程人们早就发现，带电粒子之间人们早就发现，带电粒子之间存在着力的相互作用，如带电存在着力的相互作用，如带电的物体对棉布、毛皮或纸屑有的物体对棉布、毛皮或纸屑有吸附能力。吸附能力。18世纪英国化学家世纪英国化学家普里斯特列（普里斯特列（Priestley）猜测猜测，这个力应类似于两个质量之，这个力应类似于两个质量之间的万有引力，即与距离的平间的万有引力，即与距离的平方成反比，与它们的电荷量成方成反比，与它们的电荷量成正比。正比。 法国物理学家库仑（法国物理学家库仑（Coulomb）赞同普里斯特列赞同普里斯特列的这一猜想，并于的这一猜想，并于1784年利用自

16、已首创的年利用自已首创的扭秤实验扭秤实验证明证明了，两个带电质点之间的静电力与它们之间的距离的平了，两个带电质点之间的静电力与它们之间的距离的平方成反比。通过与万有引力的对比，库仑又认为两个带方成反比。通过与万有引力的对比，库仑又认为两个带电质点之间的静电力与它们的电荷量的乘积成正比，后电质点之间的静电力与它们的电荷量的乘积成正比，后来他间接地证明了这个假定的正确性。来他间接地证明了这个假定的正确性。库仑库仑 库仑在库仑在17841784年递交给年递交给法国科学院的报告中对自法国科学院的报告中对自己探究己探究“带电质点之间的带电质点之间的静电力与它们之间的距离静电力与它们之间的距离的平方成反比

17、的平方成反比”的过程作的过程作了介绍。了介绍。 在第一、二次试验中，在第一、二次试验中，结果是，第二次试验中两结果是，第二次试验中两球的距离，只等于第一次球的距离，只等于第一次试验中两球距离的一半，试验中两球距离的一半，可是后者的斥力却四倍于可是后者的斥力却四倍于前者。前者。库仑的扭秤实验库仑的扭秤实验 在第三次试验中，两球相距只有第二次试验在第三次试验中，两球相距只有第二次试验中的一半，结果，其斥力也是四倍于第二次试验的中的一半，结果，其斥力也是四倍于第二次试验的结果，这三次试验的结果说明，两球带有同性电以结果，这三次试验的结果说明，两球带有同性电以后，其相互斥力，与两球距离的平方成反比。后

18、，其相互斥力，与两球距离的平方成反比。只要我们仔细地分析上述这个案例就可以发现，普里斯特利和库仑的探究路径与伽利略有很大的不同。 他们在解决某些科学问题时，第一步往往不是进行有关的实验，而是先大胆猜想，构建一个假设，试图来解决这个问题。如普里斯特利首先是提出猜想：电力应类似于万有引力，即与距离的平方成反比，与它们的电荷量成正比；而库仑则是认同了普里斯特利的猜想。 第二步才是库仑设计实验来检验普里斯特利的猜想，一旦假设被实验确证，则假设便成为科学理论。第三步是用这种科学理论来解释其它类同的自然现象。 爱因斯坦 十九世纪末，经典物理学的时空观遇到了迈克尔逊一莫雷实验事实的严重挑战，爱因斯坦为了解决

19、经典物理学时空观中的这个问题，便进行了科学研究。1905 年前后他首先站在已有的知识背景上，通过“思维的自由创造” ，大胆猜想提出两条假设，即“相对性原理”和“光速不变原理” 。然后以此为出发点，通过形式逻辑演绎地推出了如下著名的命题：(1)运动物体长度会收缩，(2)运动时钟会变慢，(3)物体的质量随其运动速度增长而增长，(4)质能公式 EMC2，其中 E 是能量，M 是质量，C 是光速。上述两条假设和 4 条导出命题就构成了现代物理学上著名的“狭义相对论”著名科学家爱因斯坦曾经总结过自己作出科学发现的认识程序。著名科学家爱因斯坦曾经总结过自己作出科学发现的认识程序。他把自己的科学发现认识过程

20、用图表示。他把自己的科学发现认识过程用图表示。 A A 公理公理思想的自由创造思想的自由创造 演绎演绎 。s1 1 。s2 2 。s3 3 。s4 4 导出命题导出命题 E E 直接经验直接经验图图 爱因斯坦的科学发现认识程序爱因斯坦的科学发现认识程序 英国 的科 学 哲 学家 波 普尔 (K Popper)在总结 爱 因斯 坦 科 学 研 究 经 验 的 基 础 上 ， 提 出 了 建 立 科 学 理 论 的“假说-演绎”认识程序。其过程如图所示。“假说-演绎”认识程序理性主义认识程序的核心思想：理性主义认识程序的核心思想：1、问题是科学研究的起点、问题是科学研究的起点2、科学理论是构造的，

21、、科学理论是构造的， 即大胆猜想，严格反驳即大胆猜想，严格反驳显然，伽利略和普里斯特利-库仑的科学探究过程模式的特征，都保证了对自然现象探究的客观性、严格性和有效性。其客观性体现在：科学探究的结论要么必须以经验事实为奠基，要么必须接受经验事实的严格检验；其有效性体现在：科学探究的结论必须能说明原初欲认识的自然现象，甚至还要能预见新的自然现象；其严格性体现在：在科学探究中理论模型的表述必须满足可检验性，经验事实必须满足可重复性，实验操作必须具有规范性，思维推理必须具有逻辑性，等等。 三、科学探究过程三、科学探究过程的的层次层次及能力培养及能力培养 1、科学探究的、科学探究的三阶段三阶段 虽然科学

22、探究的全过程是形形色色的， 但一般来说都可以将其全过程分为三个阶段：“科学理论发现” ，“科学理论的检验、评价” ，和“科学解释和预测” 。 2、科学探究的、科学探究的六要素六要素 虽然科学探究的全过程是形形色色的，但是无论哪一种过程模式， 它都会涉及如下的要素： 提出问题，形成假设，制定计划，收集证据，处理信息，表达交流。 科学探究过程中的三个阶段，分别是由上述若干要素组合而成。如科学理论发现阶段，常常包含提出问题、制定计划、收集证据、处理信息和形成假设等要素； 科学理论的检验、 评价阶段，常常包含制定计划、收集证据等要素；科学解释和预测阶段，常常包含处理信息等要素。 3、科学探究的、科学探

23、究的具体方法具体方法 在上述科学探究的六大要素中，分别会运用到一些具体的科学方法。如在收集证据的要素中，需要运用观察方法、实验方法、 测量方法、 识别与控制变量和设计操作方法等等；在形成假设的要素中， 需要运用归纳方法、 抽象方法、 直觉、灵感、顿悟、想象方法和模型方法等等；在处理信息的要素中，需要运用分类方法、比较方法、演绎推理方法等等。在表达交流的要素中，需要运用科学解释方法，等等。 上述关于科学探究的全过程、 阶段、 要素和具体方法的四个过程层次的区分告诉我们，在科学教育中学生科学探究的能力不仅要包括选择或制定科学探究的过程模式的能力，还要包括科学探究的过程中三个阶段的能力，还要包括科学

24、探究的过程中六个要素上的能力，以及包括运用具体科学方法的能力。 科学探究的这四个过程层次的区分还告诉我们，在科学教育中组织学生进行科学探究时， 在规模上可以分成四种级别：一是全过程级的探究，二是阶段级的探究，三是要素级的探究， 四是具体方法级的探究。 对青少年学生来说， 并不是一谈到科学探究就一定是全过程级的规模， 在数量上应该是具体方法级的探究居多，要素级的探究其次，再次是阶段级的探究，而全过程级的探究应极少。 四、科学教育中的四、科学教育中的科学探究式教学方法科学探究式教学方法 1、科学教育中的科学探究的一个重要特点：、科学教育中的科学探究的一个重要特点： “在教师引导在教师引导下下”的学

25、生探究”的学生探究 在“在教师引导下”的科学探究活动中，学生不是孤军奋战、 盲目摸索， 而是在教师的引导下通过做科学来学习未知的知识。教师在学生所处每一探究阶段、要素或方法时，特别是在学生对探究处于无所适从时， 应及时提供向导、 帮助和鼓励。教师不是包办代替式地指导， 而是在充分计划的基础上为学生提供资源，作好向导。教师选择课题，介绍单元和课程目标，设立情景，引导学生探究的路径和提供背景知识框架。 对此， 美国国家科学教育标准作了若干说明： 教学标准教学标准 B B： 科学教师要会引导学习，会将学习活动化难为易。为此，教师 在与学生相互促进、教学相长的同时，要把注意力集中到探究上，坚持进行探究

26、。 要组织好在学生中间进行的有关科学思想观念的讨论。 要设法使学生们认识到共担负起他们在自己的学习中所应担负的那份责任。 要认识到学生们存在的巨大差异并能采取相应的做法和措施，鼓励全体学生人人都充分参与到科学学习之中。 不仅要鼓励和培养搞科学的一些典型性格，例如有究根问底的好奇心、乐于接受新思想与新信息以及对事物常常持怀疑态度，而且要鼓励和培养探究科学所需要的种种技能。 2、科科学学教教育育中中的的科科学学探探究究式式教教学学案案例例 发达国家在科学探究式教学活动已有长期且丰富的实践活动，下面仅举美国国家科学教育标准中“单单摆摆”一案例，其中涉及“全过程”的探究式教学，具体如下： 教师 D 小

27、姐想把注意力集中在探究的“科学发现”上。她要求学生发现 “单摆的摆动次数取决于单摆的长度” 。 D 小姐先没有告诉学生这个结论，她组织了一项活动来唤起学生的兴趣并鼓励他们提出问题和寻求答案。 D 小姐把学生分成四人一组并且为每个学生分配了一项任务。组内的一位学生即材料管理员到材料台上取来一段绳子、一把剪子、一卷胶带和几个尺寸及重量各不相同的垫圈。每组学生要利用这些材料完成下述工作： （1）建造一个单摆； （2）把铅笔用胶带固定在桌面上，把单摆挂在铅笔上使其能自由摆动； （3）计算单摆在 15 秒钟内的摆动次数。 每组的记录员把测定结果记在课堂数据表上。D 小姐请同学们检查一下全班各组的数据。

28、由于每组记录的摆动次数都不一样，所以一场关于为什么会发生这种现象的热烈讨论开始了。 为了弄清他们测定的时间和次数是否准确无误， 学生们决定重复这项实验。 当他们把第二组数据填到课堂数据表上的时候结果就很清楚了，摆动次数的差别并不是因为次数数得不对， 时间测得不准。 课堂上又爆发了一场关于结果为什么不同的讨论。大家提出的原因包括：绳子的长度、垫圈的重量、垫圈的直径，以及学生们在起动单摆时把垫圈举起的高度。 每提出一个原因时，D 小姐就把它写在黑板上。然后她请全班同学设计一个实验，以证实提出的哪个原因是正确的。每个组都选择了证实一种说法的实验，不过在各组继续工作之前，D 小姐把第一次和第二次实验用

29、的单摆都收了上来。各组重新开始工作时，一个小组的同学把直径不同的单摆挂在长度一样的绳子上，单摆的起动高度也一样。另一个小组的同学采用了一条绳子和一个垫圈，但是每次起动单摆的高度越来越高。第三组同学把绳子剪成不同的长度，但是采用同样的垫圈和同样的起动高度。当同学们设置单摆时有一阵热烈的讨论，但同学们数摆动次数的时候教室里又变得鸦雀无声。最后，各组又向全班介绍了他们的实验过程和所收集到的实验数据。全班同学的结论是：摆动次数的差别是由于绳子长度的不同造成的。 第二天，学生们注意到 D 小姐在教室前面放了一个为单摆制作的木板。 木板顶部有一排挂单摆的木桩，木板底部是一排连续的数字。教师让每组的记录员把

30、原来的单摆挂在与固定时间内的摆动次数对应的木桩上。当所有的单摆都在木桩上挂好之后，教师请全班同学解释一下他们的结果。经过一场为时不短的讨论之后，学生们得出了结论：固定时间内的摆动次数随着绳子长度的减少而有规律地增加。 D 小姐注意到， 大家所制作的单摆在 15 秒内摇动了 5 次和7 次，但是没有一个单摆摆动 6 次。她请每个组制作一个在 15秒内摆动 6 次的单摆。又经过一番测了又测、数了又数的折腾以及关于怎么才算一次“摆动”的激烈讨论之后，各个小组都宣布他们成功了。于是 D 小姐问学生，如何才能把这些信息表述成绳子的长度与摆动次数之间的关系，其表述方式要比方才使用的木板更为方便，并让学生在科学日志上画一个图来表达这些数据。大多数同学都画了一个带桩的木板，上面挂有长短不一的单摆； 有些同学画了一个图表， 少数同学画了一个图形。D 小姐鼓励学生在家中和邻里找出一些单摆的例子。 接下来的一堂科学课用在了图表的讨论上，同学们从绳子长度的图画简化为图上的线和点，又简化为完全的图。最后，教师请每个同学根据自己的图制作一个摆动一定次数的单摆。 就这样，学生们描述、解释和预测了一种自然现象，他们