科学教学中的探究与实践

符国鹏 王益萱

探究实践作为《义务教育课程方案和课程标准（2022年版）》中的核心素养之一，分别指在科学、技术与工程领域形成的两种能力，“探究”和“实践”是并列关系。然而，在国际科学教育的发展过程中，却出现了从“探究”向“实践”的转向，二者为迭代关系。为什么会有这样的转向？这需要从“探究”中存在的问题，以及“实践”如何解决这些问题说起。

“探究”的问题

科学探究在教学的实施中主要存在两个问题：一是定义过于宽泛，二是手段与目的错位。自20世纪80年代以来，探究被全球科学教育改革奉为圭臬，鼓励教师通过探究促进学生对科学知识和过程的理解。然而，在2004年发表在《科学教育》（Science Education）期刊的一篇文章中，来自黎巴嫩、美国、以色列、委内瑞拉、澳大利亚和中国台湾的学者分享了各自国家和地区对探究的定义与实施。这篇文章起初打算以国际视角为探究教学中的共性问题提出启示。在分享了现状之后学者们意识到，各个国家和地区对探究这一概念的诠释天差地别（如探究是实验、是调查、是动手活动、是发现知识、是跨学科），要达到的目的也多种多样（如为了学习科学知识、了解科学本质、学会归纳、生成概念、学会调查研究、培养合作、调研能力等），所谓的“共性问题”根本不存在，对教学的启示更无从谈起。作为科学探究领域最有影响力的文章之一，它的贡献在于让科学教育工作者意识到，“探究”这个概念如果太宽泛，以至于多种教学行为和教学目标都被涵盖在这个概念之下——即大多数教学行为都可以被称为探究，探究可以用来达到几乎所有的教学目的——那么这个概念就会失去其继续引导课程、教学、评估的能力。

探究遇到的第二个问题是手段与目的错位。探究被引入科学教育的初衷之一，是希望学生能够体验科学家发现新知识的过程。然而，科学家与科学教师使用探究的目的是不同的：科学家使用探究是为了产生与发现新知识，科学教师很多时候是帮助学生掌握“旧”知识。换言之，由于探究这种手段在科学领域的主要功能是发现新知识，导致在科学课堂中探究也极容易成为学习“旧”知识的手段，让验证知识成为探究的终点。例如，在开展“水的沸点”探究活动时，教师很容易止步于让学生通过实验得到水沸点的数值，或是培养学生“会使用温度计”这样的技能上。然而，用一整节课的时间去验证一个已有的结论或是学会一项简单的技能，可能并不是最好的利用课堂时间的方式。在这个探究活动中，如果教师能够鼓励学生发现不同的小组对温度计会有不同的读数，讨论为什么会产生读数的差异（气压、水的纯度、温度计的读数、操作的不严谨等），以及如果学生是科学家，他们应该用什么样的方式处理这些误差并确定水的沸点。这时，探究的目的就不仅仅是帮助学生学习或验证“旧”的知识，而是通过探究的过程，帮助学生认识到在科学发现过程中使用了哪些方法去统一多样化的数据，这些方法有哪些优点与缺点，以及在认识到这些优点和缺点之后，应当如何去看待科学这个学科。即不是通过探究来学习“科学知识”，而是通过探究来学习“科学是什么”。

从“探究”到“实践”

针对以上两个问题，科学教育领域的学者认为，应当在教学中从“探究”向“实践”转变，以更好地实现当今科学教育的主要目标。一方面，实践比探究更加具体，科学探究是发现知识的整个过程，而科学实践则是这个过程中的具体行为，这就解决了探究在概念上的宽泛性问题。科学哲学和心理学领域的研究共同发现，探究的过程主要由三大步骤组成：实验（包括观察、测量、测试、数据收集等）、生成假设（包括生成理论假设、建构模型、设计实验、提出解释、创造性思维等）和证据评估（包括批判、反驳、论证等）。这三个步骤中的具体行为（如生成问题、建构模型、开展调查、基于证据开展论证），即是科学实践。

仍以“水的沸点”为例，如果教学活动的名称是“探究水的沸点”，那么这个活动的目的指向就较为模糊。如果把教学活动拆分为“影响水的沸点的因素有哪些”（生成研究问题/假设），“从不同角度观察温度计并记录数据”（通过观察得到数据），“根据观察结果讨论数据产生差异的原因”（基于证据生成解释）等实践操作，每个活动就会指向一种具体的科学实践能力，从而避免教学活动仅停留在知识验证或工具使用上。

另一方面，自20世纪末以来，科学教育的主要目标从培养精英转向了提高公民科学素养，让大众具备基本的对科学知识的认识和理解，熟悉科学、相信科学，关注和支持科学技术的发展，愿意参与和科学相关的社会问题的讨论。科学教育的侧重点也从帮助学生精专科学知识转向帮助学生认识科学是什么或者为什么要相信科学。科学实践，即科学发现过程中的生成假设、观察、测量、批判、论证等具体的、有学科特色的行为，保障了科学的严谨性和可信度。让学生体验、经历科学实践，帮助学生熟悉科学知识产生的过程，促进学生认识科学是什么，继而相信科学并支持科学。此外，学生在开展科学实践的同时也能体会到科学知识产生过程中可能存在的偏见（如理论假设中存在的个人偏见或政治文化因素会影响科学问题的选择），从而认识到科学的局限性。因此，相较于“探究”，“实践”更加具体，且与新时期科学教育的使命更加契合。

教学中的侧重

教师在开展科学实践类活动时，可以把教学目标或教学侧重点放在程序性知识和认识论知识的习得上。程序性知识是指关于测量的知识（如天平的使用、观察的手段、分类的依据等），保证可重复性的机制（如多次测量的误差范围、数据的准确性），变量的概念，呈现数据的手段（图、表等），实验设计（控制变量、随机分配、实验对照等）和实验方法的选择等。学生在科学实践中可以通过设计、动手操作、得出结论等行为，实现对程序性知识的掌握，了解和熟悉科学知识产生的过程。

认识论知识是指关于科学知识本身的特点，即什么样的知识才能被称为科学知识，科学知识产生和验证的过程有哪些特点。这些特点包括了科学知識是由实证证据支撑的（如观察、测量得到的数据），科学中常用的论证逻辑（如归纳、演绎、推测、类比、模型），科学中的价值取向（客观、准确），科学知识与其他知识的区别（如与经验的区别，与艺术的区别），科学家群体和社会价值观对科学知识的影响（如同行评议、科学伦理）。学生虽然能够通过科学实践隐含地感受这类知识，但是需要教师在教学中明确地把科学实践中学生的体验与认识论知识联系起来，才能进一步提升科学实践的教学效果。

如前所述的例子中，教师让学生通过实验来验证水的沸点后，可以进一步让学生在科学实践的过程中强化程序性知识，如从测量的角度和学生讨论在科学实验中科学家如何对待和处理误差，如何标准化外界环境（如大气压强）。在联系认识论知识上，教师可以进一步解释100℃与0℃是科学家人为做出的规定，是先有了水的沸点和凝固点，才把水的沸点定义为100℃，水的凝固点定义为0℃，而不是用摄氏度去测量水的沸点与凝固点。换句话说，科学其实是帮助人类理解世界的一种方式，科学家使用理论（对摄氏温度的规定）去解释大自然中的现象（水在一个大气压下的沸点与凝固点）。随着科学的不断发展，科学家可能会提出新的理论，用新的视角去解释自然中的现象，我们看世界的方式也会随之发生变化。虽然科学知识不是真理，并且具有一定的主观性，但科学家通过反复的实验，大量的证据和严谨的论证所得出的结论，是值得我们去相信并支持的。

科学实践不是科学教育中的万能药，它有优势也有短板。它的优势在于通过让学生“做科学”，体验科学发现的过程，习得关于科学的程序性知识和认识论知识，让学生熟悉科学、相信科学、支持科学；它的短板在于相较于其他教学手段，科学实践的设计和实施需要花费大量时间和精力，如果仅仅用科学实践来对已有知识进行巩固和验证，是对这种教学方式的误用。发挥其优势，以科学实践传递“科学是什么”是教师应当做出的选择。

（2023上海科技馆科普智库创新平台开放课题“国内外非正式科学教育多元主体的创新实践及模式研究”）