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(shí)、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(dòng)。（國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)P25/P30* “/”前面的頁(yè)碼系指在英文原著中的頁(yè)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(yè)碼。）正如國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)（美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)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(shí)，而科學(xué)家是在努力增進(jìn)人類對(duì)自然界的了解，學(xué)生和科學(xué)家所從事的活動(dòng)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(duì)科

2、學(xué)家從事的活動(dòng)與思維過程并不總是很熟悉的。本書通過對(duì)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(huì)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(shí)。探討這個(gè)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(dòng)進(jìn)行比較。本章的故事做個(gè)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(shí)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(shí)，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(shí)，以尋求可能的解釋。他提出了一串問題，“ 這些樹是同時(shí)死亡的嗎？”，“這與附近的火山活動(dòng)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(gè)問題，地質(zhì)學(xué)家用C-14放射性探測(cè)法測(cè)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(gè)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(yàn)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(huì)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(huì)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(huì)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(shí)，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(zhēng)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(gè)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(shí)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(duì)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(duì)新建筑物抗震力的設(shè)計(jì)要求提高了

8、50%。這個(gè)故事展現(xiàn)了科學(xué)探究的幾個(gè)重要特征，即科學(xué)家注意到一個(gè)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(duì)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(shí)和關(guān)于樹木及其生活習(xí)性的知識(shí)，將死亡的樹木與其它環(huán)境特點(diǎn)，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(cè)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(duì)樹木死因的解釋，而且他還搜集了更多的證據(jù)來驗(yàn)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?yàn)榭茖W(xué)家們使用的描述方法和測(cè)量方法是通用的，所以他能夠?qū)⑦@位美國(guó)科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)與自己的進(jìn)行對(duì)比。日本科學(xué)家獲得的獨(dú)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(gè)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(diǎn)。孩子出生后就一直在使用試誤的方法，認(rèn)識(shí)周圍世界。當(dāng)面對(duì)新環(huán)境時(shí)，無論大小還是小孩，都試圖確定正在發(fā)生什么，以后會(huì)怎樣。通過觀察和收集、匯總及分析信息，

10、我們對(duì)周圍世界加以思考。我們開發(fā)并使用一些工具來測(cè)量、觀察和分析信息，建立模型。對(duì)那些我們認(rèn)為將會(huì)發(fā)生的事情，我們核實(shí)又核實(shí)，并將它與我們已知的情況進(jìn)行對(duì)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(yùn)動(dòng)、季節(jié)變遷的原因、物體運(yùn)動(dòng)情況和生物起源等等問題。唯有人類才會(huì)對(duì)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(shí)這些我們今天認(rèn)定為科學(xué)的東西。

11、對(duì)自然的探究有許多種形式。從一個(gè)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(diǎn)。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?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。今天，科學(xué)發(fā)現(xiàn)正在越來越深刻地影響整個(gè)世界。人們必需作出決定，并評(píng)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(shí)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(guó)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(píng)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(shí)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。科學(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(shí)踐的班級(jí)，不失為一個(gè)相當(dāng)好的辦法。下面講的是一個(gè)特定班級(jí)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(jí)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(shí)中提出問題格瑞哈姆小姐在五年級(jí)任教，秋天，學(xué)生們體假一天后返回學(xué)校，她班上有幾個(gè)學(xué)生很興奮，他們將老師拉到窗前，指著外面說：“操場(chǎng)上那幾棵樹怎么哪？我們發(fā)現(xiàn)它

13、們有些變化?！备袢鸸沸〗悴幻靼讓W(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(zhǎng)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(huì)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(jì)劃，她的班級(jí)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(zhǎng)情況的機(jī)會(huì)，由于問題是學(xué)生們自己提出來的，所以會(huì)特別激勵(lì)他們?nèi)で蟠鸢?。格瑞哈姆小姐不能斷定這樣做到底會(huì)有什么結(jié)果，但是，她還是決定冒一次險(xiǎn)，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(yàn)，去年

14、他們?cè)^察過種子在不同條件下的生長(zhǎng)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(huì)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(jì)和實(shí)施簡(jiǎn)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(diǎn)時(shí)，格瑞哈姆小姐便鼓勵(lì)他們進(jìn)一步思考，在這些觀點(diǎn)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(qǐng)每一位同學(xué)挑出一個(gè)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(gè)小組制定計(jì)劃并開展一次簡(jiǎn)單的調(diào)查活動(dòng)，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(jì)劃時(shí)，格瑞哈姆小姐走到他們當(dāng)中去，仔細(xì)聽他們的計(jì)劃，然后，她要求每個(gè)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(diǎn)。使用這種迅捷、公開的現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估，格瑞哈姆小姐能夠幫助學(xué)生們思索自己對(duì)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(dòng)的時(shí)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(zhǎng)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(chǎng)上部分樹木的種植的家長(zhǎng)教師協(xié)會(huì)成員取得聯(lián)系，并且得到了購(gòu)樹的原始單據(jù)，然后，他們到苗圃去核實(shí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這三棵樹品種相同，購(gòu)買時(shí)樹齡相差無幾。對(duì)這樣的完成調(diào)查較早的組，格瑞哈姆小姐就請(qǐng)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(shí)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(gè)小時(shí)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(bào)告：“沒有葉子的那棵樹幾乎一直淹在水里；中間那棵有時(shí)淹在水里：那棵長(zhǎng)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(gè)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(cè)子，名為栽培健康植物，是從當(dāng)?shù)孛缙阅钦襾淼?。“水”組讀了這本小冊(cè)子后，明白了當(dāng)植物的根部被水包圍時(shí)，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(cè)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?！八苯M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(shí)間太長(zhǎng)了，過量的水流過草坪，匯聚在樹基旁，由于地面有點(diǎn)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(bào)了調(diào)查結(jié)果。交流解釋各個(gè)小組匯報(bào)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(duì)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(shí)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(yàn)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(jiān)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(zhǎng)滿綠葉。家長(zhǎng)教師協(xié)會(huì)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(shí)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(huì)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(diǎn)水也許會(huì)更好些。五年級(jí)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(duì)比如果將格瑞哈姆班的學(xué)生和那位地質(zhì)學(xué)家作個(gè)比較，我們會(huì)感到地質(zhì)學(xué)家開始調(diào)查起因