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美国《国家科学教育标准》倡导的科学探究 李高峰1 刘恩山[1] （1. 教育部陕西师范大学 基础教育课程研究中心，陕西 西安 710062； 2.北京师范大学 生命科学学院，北京 100875） 摘 要：美国《国家科学教育标准》倡导的科学探究既是学习内容，也是学习方式，更是教学指导思想。教育中的科学探究具有五个基本特征：①问题，②证据，③解释，④评价，⑤表达。《标准》概括了幼儿园到4年级、5到8年级、9到12年级学生应达到的科学探究能力标准和对科学探究的理解标准。探究式教学需要定期而高质量的评价、需要教师的专业进修和足够的教学资源，还需要着力避免走进科学探究的误区。 关键词：《国家科学教育标准》；科学探究；特征；内容标准 中图分类号：G511 文献标识码：A 文章编号：
美国“2061计划”期望在哈雷彗星于2061年再度光顾地球之前，美国当今的儿童——下世纪的主人，能够适应那个时期科学技术和社会生活的急剧变化。为了实施这一雄心勃勃的科学技术教育改革的国家计划，改变他们所认为的“美国科学教育不尽如人意的局面”，美国国家科学院于1996年初推出了美国历史上第一部《国家科学教育标准》（以下简称《标准》）。在《标准》中，“探究处于核心地位”[1]。 一、科学探究的内涵 “科学探究指的是科学家们用以研究自然界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。科学探究也指的是学生们用以获取知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动。”[2]科学家们的科学探究是科学中的探究，学生们的科学探究是科学课堂——教育中的探究，二者的目的不同：前者的目的是为了增进人类对自然界的了解，后者的目的是为了了解科学的本质、获取日常生活中必须具备的科学知识和思维能力。教育中的探究和科学中的探究没有本质的差别，二者都是在好奇心的驱使下，使用试误的方法认识周围世界，试图确定正在发生什么，以后会怎样。 《标准》倡导的科学探究有三个方面的含义。其一，科学探究是学习内容。《标准》把“作为探究过程的科学”作为内容标准不可或缺的一个部分，是与“物质科学”、“生命科学”、“地球与空间科学”、“科学与技术”等七个类别相提并论的。“作为探究过程的科学”之标准对“幼儿园至4年级”、“5～8年级”、“9～12年级”三个年级段的学生的要求有两个方面：进行科学探究所需要的能力、对科学探究的理解。其二，科学探究是学习方式。“学习科学是学生们要亲自动手做而不是要别人做给他们看的事情。”[2]教师不能把重点放在传授知识、讲解题目上，不能硬往学生的头脑中灌输词汇和结论，这样的教学方式缺乏内在的驱动力；学习科学应该成为一种能动的过程，不能由别人代劳。以探究的方式学习科学，既是动手的活动，也是动脑的活动。其三，科学探究是教学指导思想。科学大纲的制订要以探究为基础；科学教师要会引导学习，最大限度地促进学生的探究学习；评价要真实反映学生的探究能力与理解水平；科学教师要能够为学生提供必要的时间、空间和资源，有助于持续探究和认识世界；科学课堂上要有有利于学生顺利开展探究学习所必须的交往环境和学习环境。科学教学如何促进学生的探究学习，不是一种具体的教学方法，而是科学教学的一个指导思想。[3] 二、科学探究的特征 教育中的科学探究即探究式教学具有五个基本特征：问题、证据、解释、评价和表达；这五个特征是从幼儿园到12年级的所有学段的探究性教学都应具有的（表1）。 1.问题。学习者围绕科学性问题展开活动是科学探究的一个基本特征。科学性问题主要有两种，一是“为什么”的问题，二是“怎么样”的问题。在中小学的科学探究中，要将“为什么”的问题转化为“怎么样”的问题——“怎么样”的问题范围更小、更明确，有助于提高探究的科学性。科学性问题不能过于复杂，必须是学生通过观察和获取有关科学知识可以解答的。问题可以来自于学生，也可以来自于教师、教材、网络等渠道。 2.证据。证据在科学研究中的价值是至关重要的。在课堂的探究活动中，学生要运用证据对科学现象做出解释。证据的获取，要通过学生在实验中的观察和测量。在观察和测量中，学生利用感官感知，或借助于仪器进行观察。有的时候，实验中的变量容易控制；而有的时候，实验中的变量无法控制。当实验变量无法控制时，则必须要对自然界中发生的现象进行大范围、长时间的观测以便推断出不同因素的影响。为了提高证据的可靠性，则必须改进测量、反复观察，或者增加实验的重复次数、提高样本数量，以收集不同类型的实验数据。活动过程即为获取证据的过程，其目的是为了解释和评价科学性问题。 3.解释。根据证据，对科学性问题予以解释，实际上就是在证据和逻辑论证的基础上建立各种各样的联系的过程。在这一过程中，要遵循证据规则；证据和解释之间要具有逻辑关系。解释是学生学习新知识的方法，即将所观察到的现象与已有的知识联系起来，超越现有知识、提出新的见解。解释对于学生意味着对现有理解的更新。 4.评价。评价解释是科学探究的一个显著特征。评价解释，即对解释进行修正，甚至将解释抛弃。鉴于此，在评价解释的过程中，教师和学生必须要思考这样的问题：活动过程中所获得的证据是否支持做出的解释？这个解释是否能够充分地回答提出的问题？从证据到解释的推理过程是否严密？从所得到的证据是否还能够得出其他合理的解释？评价解释的目的是为了使学生的解释能够与当前人们广泛接受的科学知识相一致。 5.表达。学生要能够清楚地阐述自己或本组研究的问题、实验实施的程序、获取的证据，以便能够使其他（小组）同学能够进一步核实通过探究所得的解释。其他同学能够基于解释提出疑问、核查证据、找出逻辑错误、指出解释中与事实证据相悖的地方；也可能会就相同的观察提出不同的解释。学生之间的交流和讨论，能够引发新的问题，有助于学生将已有的科学知识、探究中所获取的证据和其解释之间形成更加紧密的联系。 表1 探究的特征和程度[4]
根据课堂探究活动是否包含五个基本特征，可以将其分为“完全”探究和“部分”探究。即，无论探究的程度如何，无论其执行者是教师、学习者还是学习材料，只要探究活动包含了问题、证据、解释、评价和表达五个基本要素的，就是完全探究；如果有一个基本要素未被满足，则其为不完全探究。根据教师和学习材料在探究活动中对学生行为的指导的多少，可以将探究活动分为“指导”型探究和“开放”型探究。指导型探究有利于学生建立某一特定的科学概念；开放型探究有利于发展学生的认知和科学推理能力。教师应该使学生具有参与各种类型探究活动的机会——完全探究、部分探究、指导型探究、开放型探究对提高学生的科学素养都是必不可少的。[1] 三、科学探究的内容标准 科学探究的内容标准概括了学生在科学探究方面应该懂得什么、理解什么、能够做什么。探究标准强调了进行探究的能力和培养对科学探究的理解力。探究能力标准要求学生能够将探究过程与科学知识结合起来，利用科学的推理及批判性思维来提高他们对科学的理解，并参与对科学知识的评价。相邻的两个学段之间，对学生科学探究能力的要求非常相似，但其要求随着学段（年级）的升高而愈加复杂（表2）。例如，对于幼儿园到4年级的学生，要能够“利用数据做出合理解释”，而对5到8年级的学生则要求能够“运用证据进行描述、解释、预测和构建模型”，对9到12年级的学生要求更高，要能够“运用逻辑和证据来构造和修改科学解释和科学模型”。这种对科学探究能力要求的设计是为了适应各学段学生的认知发展。 对科学探究的理解标准与进行科学探究的能力标准具有很强的对应性和极大的相似性，但是“对科学探究的理解”具有更多的内涵，它“包括科学知识是如何根据新发现的证据、逻辑分析以及科学界急诊得到修正的解释而改变的，还包括为什么会有这样的改变”[1]。对学生科学探究的评价，不能指向识别和记忆，而应着眼于应用基本概念进行深层推理。对科学探究的理解也随着学段（年级）的升高而越来越复杂（表2）。例如，幼儿园到4年级的学生只要求理解“科学家们的解释要利用观察结果（证据）和对世界的已有认识（科学知识）”，对5到8年级学生的要求进一步提高，要求他们理解“科学解释强调证据，拥有符合逻辑的证据，还需要运用科学原理、模型和理论”，9到12年级的学生还要理解“科学解释必须坚持一定的判别标准”。 表2 科学探究的内容标准[1][2][5] 四、对科学探究的支持 学生们有效的科学探究，需要训练有素的专业教师，需要足够的上课时间，需要丰富多彩的学习材料，需要条件适宜的学习空间，需要学校以外各界人士所提供的人力、财力、物力方面的支援；否则，科学探究只能是空中楼阁。 1.定期而高质量的评价。对学生科学探究的评价要覆盖探究的三个主要教学目标：对科学知识的概念性理解、进行科学探究的能力以及对科学探究的理解。评价要用能够激发学生思考的、需要运用综合知识才能回答的问题，而不要用那些刺激反应式的、利用记忆就可以回答的问题。学生科学探究的评价者，既要包括教师，也要包括教育管理人员，尤为重要的是要将学生自己作为评价者。学生自己参与评价是评价获得成功的关键因素；让学生参与评价的途径之一，是让学生为任务或方案制订评分标准，这有助于促使其清楚目标和优秀学业的标准，从而对自己的学习承担起责任。交谈（而不是问话）是了解学生的真实情况的一种非常有效的评价方式，教师在交谈中要注意倾听。这里的评价还包括对科学教师的评价；评价人员必须要理解科学教师所进行的教学改革，必须要使优秀的教师得到回报；评价人员还得多次深入课堂教学，了解科学教师使用教材、教学模式、学生是否积极地投身于科学探究活动等多方面的情况。 2.科学教师的专业进修。“成为胜任愉快的科学教师应该是教师从其大学时代的职前准备时期一直到职业生涯的结束须臾不可无的奋斗目标”[2]，科学教师的专业进修应具有长期性、广泛性和探究性。为了使科学教师的专业进修卓有成效，①科学教师要通过探究学习科学；优秀的科学教师必须要有一个坚实的科学知识基础，教师科学知识的获得要通过探究性的教学情境。②科学教师要学习如何进行探究性教学；通过探究进行科学教学方面的知识属于学科教学知识；职前或研究生课程以及在职进修是提高科学教师探究性教学水平的主要模式。③科学教师要成为终生的探究者；这要求培养科学教师终生学习的能力，他们需要了解科学的最新发展，需要深化理解他们所教的科学内容，需要面对今非昔比的学生们的需要，需要不断地总结和思考。④进修课程要关注于探究；进修课程既要把探究作为教师学习的目标，也要将其作为教师学习科学的方式，还要帮助教师学习如何进行探究性教学。科学教师的专业进修在其整个职业生涯中是接连不断的。[4] 3.足够的探究教学资源。从传统的说教式教学转向以探究为主的教学方式，需要一定的时间，常常要耗时数年。探究式的教学方式需要比传统课堂更多的时间支持。教科书要包含有科学探究的成分，缺乏探究成分的教科书不利于探究性教学。还要保证教师能够拥有合适的教学工具和设备、足够的科研经费、充足的耗材等等。足够的探究教学资源要基于学区行政管理人员、学校校长、教研组长及其他任课教师对探究性教与学的意义理解，甚至要为之辩护；他们的认可及支持有助于保证科学探究在教学中的重要地位。同学科的教师、同科室的教师要协同一致，当大部分教师在为同一目标奋斗时，他们的教学方式和学生的学习方式才会得以改变。此外，取得家长和公众的支持是必不可少的；教育行政管理人员应主动通过时事通讯、召开家长会、开放参观日、电话联系及参加“科学晚会”等方式，向当地的企业、政府机构、实验室、博物馆、各种待业协会及学生家长解释探究性教学，使他们支持《标准》倡导的科学探究，并能够向学校提供一些教学资源。 五、科学探究的误区 在倡导科学探究的过程中，科学教师、教育行政管理人员、学生及其家长对科学探究的理解存在一些错误，对科学探究的执行上存在一定的偏差。这些错误和偏差，有的是由于探究性教学本身导致的，有的是由于不熟悉这种教学方法所导致的。 误区一：探究需要学生提出并研究“自己”的问题。虽说“提出一个问题往往比解决一个问题更重要”，但学生提出问题的能力需要在探究活动中逐步训练和培养。其二，如果教学的目标是为了学习教材中的内容，那么问题的性质更重要，至于问题是来源于学生、教师还是教材则不是那么重要。其三，学生需要有机会来发展比提问更高级的探究技能，理解如何获得科学知识。 误区二：探究活动要从“问题”开始。学生的探究活动可以不从问题开始，活动可以是安排好的实验。缺失了一个基本要素的活动，仍可成为一个探究活动——部分探究。例如，教师通过演示来说明某一事物的工作原理，而没有提出问题；在活动的过程中通过找证据、做解释、进行评价，最后予以表达，这样的活动仍不失为一个探究活动。 误区三：教师不能告诉学生问题的答案。实际上，并不是所有的知识都可以通过探究而获取；学生在探究中，也并不是非得自己亲自去获取问题的答案。学生获取问题的答案，例如：“海水的沸点是多少？”，可以通过三种方式：一是开展实验研究；二是通过查阅资料；第三，当教学时间紧张，有更重要的学习任务时，教师就可以把问题的答案直接告诉学生。采用何种方式，取决于教师的教学意图和问题讨论时的情境。 误区四：教师不能否决学生提出的探究方案。在下列几种情况下，教师可以否决学生提出的探究方案：（1）学生提出的问题不值得探究；（2）探究成本过高；（3）安全存在问题；（4）方法不可行；（5）教师或参考资料提供的现成的探究方案更好。此时，学生设计的探究方案就不是最佳的选择。 误区五：学生动手的活动就是探究活动。“学习科学是种能动的过程”[2]。学生亲自动手是学习科学所必需的，但是光有动手活动还不够，还必须要有动脑的活动——体与脑的共同活动。学生要在探究活动中参与解决问题、参与做计划、参与决策、参与小组讨论，还要参与评价活动。 误区六：探究活动可以脱离科学知识。掌握科学的方法不是科学教育的惟一有意义的学习成果；学生参与科学探究活动的目的还在于了解科学的本质、学习科学知识。探究活动是与科学知识融为一体的。学生需要运用他们已经掌握的知识进行探究，并且在探究过程中增长知识。即便是为了使学生学会如何去探究，也要以科学知识为媒介。成功的探究需要以科学思想和科学概念作指导。 误区七：发展学生的科学探究能力比学习科学内容更重要。探究能力的发展与科学内容的学习是相辅相成、相得益彰的，二者对学生科学素养的提高是同样重要的。教师必须要在探究能力的发展和科学内容的学习之间保持合理的平衡，避免重科学探究能力的发展，轻科学内容学习的不良倾向。教师应针对不同的学习者、在不同的学习时期、面对不同的学习需求，对探究能力和科学内容的侧重点应有所不同。 误区八：在每一堂课中都进行探究。《标准》强调探究，但这并不意味着探究是教授科学的唯一方法；也不是所有的科学知识都应该用探究的方式来教。使学生掌握《标准》所描述的知识和能力，靠任何单一的教学策略或学习活动都是无法办到的。探究要比其他教学方法花费更多的时间，在每一堂课是都进行探究是不可能的。需要深层次理解的学习目标，通过探究才能达到最佳效果。教师要努力使“读”科学、“听”科学、“看”科学与“做”科学和谐共处。 误区九：探究教学和评价只需关注高层次目标。探究性教学的目标既包括知识，也包括理解；虽说理解处于比知识更高的地位，但不能只关注对理解的教学和评价。这是因为，学生理解的偏差或错误，并不能证明其知识的缺乏或技能的缺失。对高层次目标的教学和评价，并不能代替和涵盖低层次目标，许多低层次目标可以用相对简单的方式，诸如观察和倾听进行评估。 误区十：探究教学只适用于物理、化学、生物等科学学科。探究的方法并不局限于理化生等科学学科的教学中，数学学科长期以来一直在运用探究的方法进行教学；具有创新性的社会学科也运用了探究性教学策略，让学生在调查研究中应用原始资料，引导学生用归纳法获得重要的思想和原理。
参考文献： [1][美]国家研究理事会.科学探究与国家科学教育标准[M].罗星凯等译.北京：科学普及出版社，2004：6.28-30.21.19-20. [2][美]国家研究理事会.美国国家科学教育标准[S].戢守志译.北京：科学技术文献出版社，1999：30.26.146-216.71. [3]徐学福.美国《国家科学教育标准》中的探究[J].外国教育研究，2003（3）：50-55. [4]National Research Council. Inquiry and the National Science Education Standards: A Guide for Teaching and Learning. Washington, D. C.: National Academy Press.2000:29.87-113. [5]National Research Council. National Science Education Standards. Washington, D. C.: National Academy Press. 1995:121-176. Scientific Inquiry Advocated by the National Science Education Standards of America LI Gao-feng1, LIU En-shan2 (1.Research Center of Basic Education Curriculum, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, Shaanxi, China; 2.College of Life Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China) Abstract: Scientific inquiry advocated by the National Science Education Standards of America is not only learning content, but also learning style, and guiding ideology of teaching even more. Scientific inquiry in education has five basic characteristics, which are question, evidence, explanation, evaluation and communication. “Standard” summarizes the abilities necessary to do scientific inquiry and understandings about scientific inquiry that the kindergarten to grade 4, grade 5-8, and grade 9-12students should meet. Inquiry teachings need regularly high-quality evaluation, professional development of teachers and adequate teaching resources. Science teachers must avoid scientific inquiry errors. Key Words: the National Science Education Standards; Scientific Inquiry; Characteristics; Content Standards
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