第一章科學(xué)中的探究與科學(xué)課堂中的探究

1、第一章 科學(xué)中的探究與科學(xué)課堂中的探究科學(xué)探究指的是科學(xué)家們用以研究自然界并基于此種研究獲得的證據(jù)提出種種解釋的多種不同途徑。科學(xué)探究也指的是學(xué)生們用以獲取知識、領(lǐng)悟科學(xué)的思想觀念、領(lǐng)悟科學(xué)家們研究自然界所用的方法而進(jìn)行的各種活動。（國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)P25/P30* “/”前面的頁碼系指在英文原著中的頁碼，“/”后面的系在科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社出版的中譯本上的頁碼。）正如國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)（美國國家研究理事會1996年發(fā)布）指出的那樣：盡管學(xué)生是使用探究法學(xué)習(xí)科學(xué)知識，而科學(xué)家是在努力增進(jìn)人類對自然界的了解，學(xué)生和科學(xué)家所從事的活動和思維過程有許多相同之處，當(dāng)然，力圖將探究引入課堂的教育工作者，對科

2、學(xué)家從事的活動與思維過程并不總是很熟悉的。本書通過對科學(xué)中的探究和科學(xué)課堂中的探究的描述，揭示科學(xué)教育中探究的方方面面。借助舉例和討論，本書還展示師生怎樣通過探究來學(xué)會做科學(xué)，并從而了解科學(xué)本質(zhì)，以及學(xué)習(xí)科學(xué)知識。探討這個問題，我們這樣來開始：將一位科學(xué)家的研究工作與科學(xué)課堂的探究活動進(jìn)行比較。本章的故事做個引子，后面分許多主題來談。旁邊有注解，說明在科學(xué)上和科學(xué)課堂上的探究中都至關(guān)重要的一些方面?？茖W(xué)探究進(jìn)行觀察表現(xiàn)出好奇，從已有知識背景中提煉出問題使用技術(shù)和數(shù)學(xué)方法收集證據(jù)利用已前的研究一位地質(zhì)學(xué)家繪制華盛頓州的海岸礦產(chǎn)圖時，驚訝地發(fā)現(xiàn)了一片死亡的西洋杉樹林。樹木大部分仍直立在地上，但明顯

3、已死了好多年了。在俄勒岡州和華盛頓州其他幾處海岸邊，他也找到了類似的直立著的死樹林。他感到奇怪：“是什么導(dǎo)致了大面積樹林死亡呢？”他仔細(xì)地考慮自己所知道的有關(guān)地震、地殼板塊邊界及海岸線塌陷等方面的知識，以尋求可能的解釋。他提出了一串問題，“ 這些樹是同時死亡的嗎？”，“這與附近的火山活動或生物學(xué)上的某種枯萎病有關(guān)嗎？”，“既然是發(fā)生在沿海地帶，是否與那咸咸的海水有關(guān)呢？”為了解決第一個問題，地質(zhì)學(xué)家用C-14放射性探測法測出了這些樹的年輪，發(fā)現(xiàn)它們都死于300年前。至于樹木死亡的原因，在繪圖的過程中找不到這些地區(qū)廣為存在火山沉積物的證據(jù)，更為重要的是這些樹木沒有被燒焦，仍直立著。經(jīng)仔細(xì)檢查也沒

4、有發(fā)現(xiàn)曾發(fā)生過蟲害的跡象。地質(zhì)學(xué)家開始考慮，可能是海水毀滅了這些樹木。他回想起，1964年發(fā)生了較大的潛沒帶地震，由于大部分處于太平洋下的一個地殼板塊滑到了北美地殼板塊的下面，而阿拉斯加州正位于北美地殼板塊，結(jié)果其海岸大部分下沉到了海平面以下。地震造成海岸下沉，使阿拉斯加州幾百公里海岸森林浸沒在海水中，死掉了。地質(zhì)學(xué)家知道，在華盛頓州和俄勒岡州海岸地帶也存在類似的潛沒帶，正是它促使喀斯喀特火山形成。他想知道，是否300年前發(fā)生了一次地震，使得華盛頓州和俄勒岡的大部分海岸下陷，從而導(dǎo)致這些地方的樹木被海水淹死呢？提出可能的解釋為了驗證這種解釋，他又搜集了更多的數(shù)據(jù)。他仔細(xì)檢查了這片地區(qū)的沉積物。

5、在從死亡之樹林流向內(nèi)陸的河流的河床里，他找到了保存完好的沉積物區(qū)域，在這里的泥土下面發(fā)現(xiàn)了一層沙子 它完全不像沙層上面和下面的那些土壤，那些土壤黑黑的，富含粘土。他納悶， “這些沙子來自哪里呢？” 地質(zhì)學(xué)家知道，潛沒帶地震常會產(chǎn)生地震海嘯，他想，這層沙可能是海嘯期間沖刷過來的海岸邊的沙子。果真如此的話，這會是一次較大海岸地震的有力證據(jù)。沙層中發(fā)現(xiàn)的化石表明：這些沙來自于海洋，而不是從內(nèi)陸沖刷出來的沙子。這有力地支持了地震海嘯假說。在證據(jù)的基礎(chǔ)上發(fā)表自己的解釋在同行會讀到的幾種科學(xué)期刊上，地質(zhì)學(xué)家發(fā)表了幾篇文章，提出假說：他在海岸邊發(fā)現(xiàn)了死亡的樹林和沙層，這有力證明了，這兒曾發(fā)生過一次較大地震，

6、約300年前，剛好在歐洲殖民者到達(dá)該地區(qū)之前。（Atwater，1987; Nelson et. al.，1995）考慮新的證據(jù)幾年后，遠(yuǎn)在日本，一位地震學(xué)家剛好在研究歷史上的潮汐強(qiáng)度記錄。以證明一些遙遠(yuǎn)地方曾發(fā)生過的地震海嘯。他證實，1900年1月17日，在太平洋邊緣某處，發(fā)生過一次較大地震，但這次地震的原因還處在爭議之中，歷史記錄排除了在太平洋周圍眾所周知的震源帶發(fā)生很大地震的可能性。得知地質(zhì)學(xué)家在太平洋西北部的死亡森林的發(fā)現(xiàn)，那位日本地震學(xué)家提出：這次海嘯起因于一次大潛沒帶地震，這個潛沒帶位于現(xiàn)在的俄勒岡州和華盛頓州下面。（Satake et. al，1296）添加解釋地質(zhì)學(xué)家現(xiàn)在有了更

7、多證據(jù)支持自己的解釋，即那層沙子是一次伴隨地震而來的海嘯的結(jié)果。進(jìn)一步檢查海岸沉積物，他又發(fā)現(xiàn)了一些更多的、更古老的死亡樹林和沙層。他現(xiàn)在認(rèn)為：像他最初證明的那次地震一樣，在過去千余年間，產(chǎn)生巨大海嘯的地震多次發(fā)生，一直在反復(fù)撞擊太平洋西北海岸，就象這些大地震也在撞擊位于日本、菲律賓、阿拉斯加及美洲西南大部地區(qū)下面的其它潛沒帶一樣。地震引起海岸下沉，樹木浸泡在海水中，于是死亡了。解釋作為政策咨詢科學(xué)研究有時能影響到公共政策，這位地質(zhì)學(xué)家的發(fā)現(xiàn)也影響到了公共政策。公共官員詳細(xì)研究了他的調(diào)查結(jié)論，對地震有了更深的理解，在此基礎(chǔ)上重新修訂了華盛頓州和勒岡州的建筑法，把對新建筑物抗震力的設(shè)計要求提高了

8、50%。這個故事展現(xiàn)了科學(xué)探究的幾個重要特征，即科學(xué)家注意到一個現(xiàn)象后，產(chǎn)生好奇心，然后尋求答案。無庸置疑，其它許多人也看到了這些死亡的樹林，但是，他們或是對樹木的死亡原因不感興趣，或是無力尋求答案。地質(zhì)學(xué)家利用地質(zhì)學(xué)知識和關(guān)于樹木及其生活習(xí)性的知識，將死亡的樹木與其它環(huán)境特點，僻如位于海岸，相互聯(lián)系起來。是這些問題引導(dǎo)他去調(diào)查研究。在研究中，他用C-14測量法斷定樹木死亡的年代，并搜集了他所能找到的有關(guān)這一地區(qū)地質(zhì)方面的各種資料，在這些初步證據(jù)的基礎(chǔ)上，他提出了對樹木死因的解釋，而且他還搜集了更多的證據(jù)來驗證這一解釋。然后，他發(fā)表文章，討論他搜集來的證據(jù)與他提出的解釋之間的關(guān)系。后來，遠(yuǎn)在地

9、球另一端的一位科學(xué)家看到了這些文章，因為科學(xué)家們使用的描述方法和測量方法是通用的，所以他能夠?qū)⑦@位美國科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)與自己的進(jìn)行對比。日本科學(xué)家獲得的獨立證據(jù) 1700年1月17日發(fā)生了海嘯 更進(jìn)一步支持了這一假設(shè)，即那次發(fā)生的潛沒帶地震導(dǎo)致了沿太平洋西北海岸眾多樹木的死亡。人類探究的本質(zhì)地質(zhì)學(xué)家為理解自然界進(jìn)行的這一探究，是人類探究本天性的一個很好的說明，正是這種天性使探究成為我們學(xué)習(xí)的有效途徑。人生來就有好奇心，凡是觀察過新生兒的人都知道這點。孩子出生后就一直在使用試誤的方法，認(rèn)識周圍世界。當(dāng)面對新環(huán)境時，無論大小還是小孩，都試圖確定正在發(fā)生什么，以后會怎樣。通過觀察和收集、匯總及分析信息，

10、我們對周圍世界加以思考。我們開發(fā)并使用一些工具來測量、觀察和分析信息，建立模型。對那些我們認(rèn)為將會發(fā)生的事情，我們核實又核實，并將它與我們已知的情況進(jìn)行對照，我們根據(jù)所獲得的新知改變自己的看法。以上一系列復(fù)雜的思維能力幫助早期的人類獲取食物和逃避危難，這就構(gòu)成了高度發(fā)展的我們稱之為探究的能力。在近代人類的歷史上，有些人已不再考慮糊口和生存方面的問題，而是把好奇心轉(zhuǎn)向了諸如天體運動、季節(jié)變遷的原因、物體運動情況和生物起源等等問題。唯有人類才會對這類問題感到好奇。人們研究這些現(xiàn)象、提出假說并給以解釋。人們之間交流自己的假說、思想和觀念，從而形成了方法、規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)和知識這些我們今天認(rèn)定為科學(xué)的東西。

11、對自然的探究有許多種形式。從一個小孩想知道螞蟻如何在地下生活，到一組物理學(xué)家探尋新的粒子，都可稱為探究。同樣，課堂中的探究也有多種形式，本書后面將要談到這一點。然而，不管課堂探究的確切形式如何，它在教育中扮演的角色正引起人們越來越多的關(guān)注。今天，科學(xué)發(fā)現(xiàn)正在越來越深刻地影響整個世界。人們必需作出決定，并評估這些決定，這就需要仔細(xì)地提出問題、尋求證據(jù)并進(jìn)行批判性推理。那種將注意力放在向?qū)W生灌輸已有知識的學(xué)習(xí)氣氛不可能促進(jìn)學(xué)生的探究，相反地，強(qiáng)調(diào)探究性學(xué)習(xí)要求我們思考我們所知道的、為什么知道以及怎樣才能知道。在國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)中，探究處于核心地位。這一標(biāo)準(zhǔn)敦促教師根據(jù)孩子們天生的、人類共有的好奇心

12、構(gòu)建課程、教學(xué)和評估的模式。這樣，教師可幫助所有學(xué)生理解科學(xué)是一種人類努力探究的事業(yè)，并幫助他們獲取日常生活中必須具備的科學(xué)知識和思維能力，以及一旦學(xué)生們選擇從事科學(xué)事業(yè)的話，也有助于他們成功?？茖W(xué)課堂中的探究要了解學(xué)?？茖W(xué)教育中怎樣進(jìn)行探究，去參觀正在進(jìn)行科學(xué)探究實踐的班級，不失為一個相當(dāng)好的辦法。下面講的是一個特定班級的情況，但是，正如本書展示的那樣，課堂探究能夠在所有年級中開展。旁注標(biāo)明探究進(jìn)行的一些方面的情況。表現(xiàn)好奇，從現(xiàn)有知識中提出問題格瑞哈姆小姐在五年級任教，秋天，學(xué)生們體假一天后返回學(xué)校，她班上有幾個學(xué)生很興奮，他們將老師拉到窗前，指著外面說：“操場上那幾棵樹怎么哪？我們發(fā)現(xiàn)它

13、們有些變化。”格瑞哈姆小姐不明白學(xué)生的意思，于是說道：“告訴我你們的意思是什么?！睂W(xué)生們指著并排長著的三棵樹，一棵葉子掉光了；中間那棵樹葉子的顏色參差不齊，但主要是黃色；第三棵樹葉茂密蒼翠。學(xué)生們問道：“為什么這三棵樹會有這么大的不同呢？它們過去看上去不都是一樣的嗎？”格瑞哈姆小姐也無法回答他們。格瑞哈姆小姐知道，按課程計劃，她的班級要到這一學(xué)年后期才開始學(xué)習(xí)植物，不過她認(rèn)為這正好是他們?nèi)フ{(diào)查植物生長情況的機(jī)會，由于問題是學(xué)生們自己提出來的，所以會特別激勵他們?nèi)で蟠鸢?。格瑞哈姆小姐不能斷定這樣做到底會有什么結(jié)果，但是，她還是決定冒一次險，讓學(xué)生在她的引導(dǎo)下進(jìn)行調(diào)查。畢竟他們有過一些經(jīng)驗，去年

14、他們曾觀察過種子在不同條件下的生長情況。于是，格瑞哈姆小姐將一張大牛皮紙掛在學(xué)生們都能看到的位置上，然后說：“讓我們一起列張單子吧！把那些你認(rèn)為有關(guān)外面三棵樹差異產(chǎn)生的所有可能的解釋都寫在上面吧！”立刻，同學(xué)們紛紛舉起了手臂，提出自己的解釋：提出初步的解釋或假說與光照有關(guān)；一定是太多水的緣故；這三棵樹看起來不同，可過去它們看上去是一樣的；秋季到了，有些樹的葉子會比其它樹掉得早一些；地下有有毒物質(zhì)；三棵樹年齡不同；有害蟲吃樹葉；一棵樹比另兩棵要老一些。設(shè)計和實施簡單的調(diào)查研究當(dāng)學(xué)生們認(rèn)為已提出了足夠多的觀點時，格瑞哈姆小姐便鼓勵他們進(jìn)一步思考，在這些觀點中，有哪些解釋可以進(jìn)行調(diào)查，哪些只是描述？

15、然后，她請每一位同學(xué)挑出一個她或他自認(rèn)為是正確的解釋，并據(jù)此將學(xué)生分成小組，例如“水”組，“季節(jié)”組，“害蟲”組等等。她還要求每一個小組制定計劃并開展一次簡單的調(diào)查活動，以弄清能否找到一些證據(jù)能回答他們的問題。當(dāng)學(xué)生們制訂調(diào)查計劃時，格瑞哈姆小姐走到他們當(dāng)中去，仔細(xì)聽他們的計劃，然后，她要求每個小組向全班同學(xué)解釋他們的想法，這促使學(xué)生進(jìn)一步提煉觀點。使用這種迅捷、公開的現(xiàn)場評估，格瑞哈姆小姐能夠幫助學(xué)生們思索自己對付問題的過程，促使他們考慮是否可能有更好的方法。通過觀察收集證據(jù)接下來三周，科學(xué)活動的時間被劃撥出來，留給學(xué)生們開展調(diào)查研究。各小組充分利用各種資源，搜集有關(guān)樹木特性、生長過程及其周

16、圍環(huán)境的信息。例如，“相異年齡”小組很快就找到了問題的答案，他們與參與了操場上部分樹木的種植的家長教師協(xié)會成員取得聯(lián)系，并且得到了購樹的原始單據(jù)，然后，他們到苗圃去核實，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這三棵樹品種相同，購買時樹齡相差無幾。對這樣的完成調(diào)查較早的組，格瑞哈姆小姐就請他們加入到尚未結(jié)束的小組中去。根據(jù)證據(jù)進(jìn)行解釋“水”小組決定：盡量每隔一小時就察看一下地面，他們輪流值日并連續(xù)記錄下各人的觀察。有些同學(xué)住得離學(xué)校較近，課后及周末就由他們繼續(xù)觀察。雖然沒有做到每個小時都觀察記錄了一次，但他們記錄的數(shù)據(jù)足夠向全班同學(xué)報告：“沒有葉子的那棵樹幾乎一直淹在水里；中間那棵有時淹在水里：那棵長滿綠葉的樹周圍地面潮濕，

17、但從來沒有淹在水里?！笨紤]其他的解釋有一位同學(xué)回憶說，幾個月前，他媽媽種的天竺葵中有一株的葉子變黃了，媽媽告訴他，這是由于水太多的緣故。格瑞哈姆小姐給了“水”組一本小冊子，名為栽培健康植物，是從當(dāng)?shù)孛缙阅钦襾淼??！八苯M讀了這本小冊子后，明白了當(dāng)植物的根部被水包圍時，根部無法從周圍的空間里吸取空氣，等于是被水淹著?；趶挠^察和小冊中獲取到的信息，同學(xué)們推斷：無葉的樹被淹，中間那棵部分被淹，而第三棵則正好。“水”組繼續(xù)工作，調(diào)查水的來源。他們發(fā)現(xiàn)：學(xué)校管理員一周有三次打開草坪灑水系統(tǒng)，開放時間太長了，過量的水流過草坪，匯聚在樹基旁，由于地面有點坡度，大部分水流到了植樹帶的一端來。他們同其他小組一

18、起，向全班同學(xué)匯報了調(diào)查結(jié)果。交流解釋各個小組匯報后，同學(xué)們得知：有些觀察結(jié)果和得到的信息不能解釋三棵樹有差異這一現(xiàn)象 例如調(diào)查是否這三棵樹本身存在差異的小組所做的工作；有些只能部分支持觀察現(xiàn)象 例如認(rèn)為這些樹可能遭受到蟲害的小組的工作。對學(xué)生們來說，感到最合理，既符合所有觀察又符合從其它處獲知的信息的，是水太多這種解釋。全班同學(xué)很滿意，在經(jīng)過三周工作后他們找到了一種合理的解釋。在格瑞哈姆小姐的建議下，同學(xué)們給管理員寫了一封信，告知他們的發(fā)現(xiàn)。管理員來到他們班上表示感謝，并表示他將改變澆水程序。他確實這樣做了。最后，格瑞哈姆小姐問學(xué)生，怎樣才能證明他們的解釋是正確的呢？學(xué)生們討論后決定，這只有

19、等到明年看這些樹是否活過來。檢驗解釋來年同月，同學(xué)們看到這三棵樹都掛滿了綠葉，格瑞哈姆小姐班上的學(xué)生們現(xiàn)在更加堅信他們得出的結(jié)論有效地解釋了他們的觀察。附信親愛的湯姆遜先生：我們班同學(xué)注意到，我班窗外三棵樹各不相同，一棵落光了樹葉，一棵樹葉子顏色參差不齊，還有一棵卻長滿綠葉。家長教師協(xié)會成員告訴我們這三棵樹來自苗圃，我們同苗圃取得了聯(lián)系，他們告訴我們這些樹屬同一品種，并且樹齡相同，所以這不是它們產(chǎn)生差別的原因。我們發(fā)現(xiàn)，那棵光禿禿的樹總浸在水中，樹葉顏色參差不齊的樹有時浸在水里，而掛滿綠葉的樹從來沒有浸在水里過。我班同學(xué)看到書上說：植物不能淹在太多水中，否則，它會死掉。我們想這可能是這三棵樹產(chǎn)生差異的原因。我們注意到您經(jīng)常打開灑水系統(tǒng)，水流出來匯聚到了那棵禿樹和那棵葉子顏色參差不齊的樹那兒。我們認(rèn)為您少灑點水也許會更好些。五年級格瑞哈姆小姐班上全體同學(xué)教育中的探究與科學(xué)中的探究的對比如果將格瑞哈姆班的學(xué)生和那位地質(zhì)學(xué)家作個比較，我們會感到地質(zhì)學(xué)家開始調(diào)查起因