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摘要:本文介绍了美国科学教育课堂上的一个案例──探究南瓜种子,并挖掘了此案例中学生活动和教师的教学行为所体现的科学本质。这对我国在科学课堂中科学本质教育的具体实施有一定的启发意义。

关键词:科学本质科学探究案例分析

1.关于科学本质

将科学的本质作为科学教育的内容和目标之一,是一些发达国家极力提倡的,也是国际科学课程教育改革的趋势。在美国的新一代科学教育标准2013年)、加拿大教育部的共同架构1996年)及澳洲课程协会提出的关于科学的声明1994年)中,对“科学本质”的教育都提出了明确要求。我国台湾、香港及上海等地,也同样将科学本质列为理科学习领域中的一项科学素养。但是,各研究机构对于科学本质的界定,还没有完全一致的表述。

例如,新一代科学教育标准对科学本质的论述是:科学研究使用多种方法;科学知识基于经验证据;科学知识是开放的,可以被修正;科学模型、规律、机制和理论能够解释自然现象;科学是一种认识方式;科学知识呈现了自然系统的有序性和一致性;科学是人类的尝试与努力。2061计划──面向全体美国人的科学》则从科学世界观、科学探究活动和科学事业三个方面对科学的本质进行了阐述,其中的观点包括:科学知识是可改变的,但并非很容易就可以推翻;科学并不能解决所有的问题;证据对科学而言很重要;科学是许多不同领域的集合;科学活动受社会价值观的影响……而国际文凭组织认为,科学知识具有不确定性,不能为所有问题提供完整的答案;科学知识是变化的,但也具有持久性。

综上可以看出,虽然各研究团体或研究机构对科学本质的描述不尽相同,但研究者基本上有了相对统一的认识。普遍认为,科学是科学知识、科学方法和科学精神的有机整体。

在我国,从课标层面来讲,义务教育科学课程标准及高中课程标准对科学本质的要求有所涉及,例如,将科学本质定为科学素养的核心内容,同时将科学技术社会及科学探究彰显出来。从教材层面看,人教版义务教育教科书和高中课程标准实验教科书更是将科学本质的内涵融入进去。教科书在编写时,加入了许多科学史的内容,描述真实的过程,目的是使学生认识到隐藏于科学知识背后的科学发展历程、呈现的科学方法、蕴含的科学精神等;既注重科学的结果又注重科学的过程;结合科学知识讲授科学方法,并将科学方法以显性栏目的形式凸显出来,充分发挥科学方法的教育价值;用多种方式联系社会与生活(如“与生活的联系”“从社会中来”“到社会中去”“科学·技术·社会”栏目等),展示科学的人文性。

但是,在实际教学过程中,有些教师觉得关于科学本质的教育太过空洞,无法实施;有些教师会将科学本质的内涵作为一条一条的知识让学生记忆,达不到让学生真正理解科学本质的目的。笔者在美国学习期间,走进科学教育课堂,发现他们以科学探究为载体,在探究过程中,将科学本质的一些内涵融入其中,收到了很好的效果。

2.案例介绍──探究南瓜种子

(案例提供者:美国陶森大学科学教育教师阿斯利·赛曾-巴里)

在万圣节前夕,教师提前一周布置任务:下节课每人带一个中型大小的南瓜来。

课上,在引入环节,教师首先呈现给学生一些介绍南瓜的文字资料,这些资料包括:我们拿来的南瓜是果实,其中含有种子;南瓜原产美洲,已经有几千年的栽培历史;关于“pumpkin(南瓜)”一词的来历;南瓜的营养价值:低热量、低脂肪、高纤维素,是维生素A、维生素B和钾、铁的很好来源;世界上最大的南瓜是由某农场主于某年种植出来的,约1 000 kg;南瓜需要较长的生长季节及丰富的肥料、水分等。

基于以上资料,教师提出如下问题,让学生运用自己已经掌握的知识进行解释。

1)在一个中等大小的南瓜中,有多少枚种子?

学生多数回答:很多,不止一个,但具体有多少枚种子,不知道。

2)南瓜的形状是怎样的?

学生回答:见过有圆形的、柱状的、葫芦状的;估计每个品种的南瓜形状不太一样,但今天课上大家带来的,几乎都是类似的形状──球状或椭球状。

3)南瓜中种子的数量与南瓜的质量、体积还是密度有关?你推论的依据是什么?

学生面面相觑,然后各有各的推测,于是形成了5种假说。

假说1:南瓜种子的数量与它的质量有关。

假说2:南瓜种子的数量与它的体积有关。

假说3:南瓜种子的数量与它的密度有关。

假说4:所有南瓜的种子数量都是一样的。

假说5:南瓜种子的数量与以上任何一种因素都无关。

若要验证自己的假说,需要收集证据,于是学生开始制订自己的实验方案并实施。教师在教室里放置的材料用具包括水桶、秤、皮尺等,还提供了计算椭球体体积、圆柱体积的公式。每位学生都对南瓜进行了认真测量,包括质量、体积,并计算出密度。然后,将南瓜剖开,取出所有的种子,计数。数据统计结果出来后,由两位同学在黑板上设计数据记录表汇总全班数据,表中的内容包括学生的姓名、南瓜的质量、体积、密度、种子数量。全班同学都以此表中的数据绘制种子数量与质量、体积、密度等关系的曲线图。根据曲线图反映的趋势,每位同学判断自己的假设,得出自己的结论,然后将结论明确地在全班表达出来。最后阶段是进一步探究和雕刻南瓜。

3.此案例中学生活动所体现的科学本质

1)科学是一种独特的认识方式,需要有效的证据去支持假说。

每位学生关于南瓜种子的影响因素的推测是不一样的,基于这一假设,他们要去收集证据。

2)学生(或科学家)可以以他们喜欢的方式,基于一定的原则创造性地进行观察和测量。

如何测量南瓜的体积?不同学生所用的方式可能是不一样的。有的学生将南瓜看成椭球体,测量直径后用椭球体的计算公式去计算体积;有的同学将南瓜置于水桶中,以溢出的水的体积来代表南瓜的体积;有的同学将南瓜看成圆柱体,直接用圆柱体体积的公式进行计算。在剖开南瓜时,每个同学采取的方法也不一样,有的挖个小洞将种子掏出来,有些从中间剖开……计数种子的方式也不一样,有的是一个一个计数,有的是一堆一堆(一堆5个或10个或20个)计数……

3)科学是一项呕心沥血的工作,是人类的尝试与努力。

每个学生要想办法将坚硬的南瓜剖开,要把种子数目清点出来。

4)学生在学习中的合作重复了科学家在实践中需要合作的社会本质,科学是人类事业。

仅根据一位同学的数据,得不出任何结论,于是以表格的形式全班共享数据。学生以这些数据为基础,形成自己的结论。当然,在这种情况下,需要大家以统一的原则来操作。在课堂上,当数据出来时,大家质疑,相比较几乎一样大的两个南瓜,由两位同学计算出的体积数值却相差一倍,肯定至少有一位同学计算出了错误,需要重新计算。

5)科学具有公开性,科学结果出来以后,要向公众公布。

实验数据出来之后,每位同学要工整地写出自己的结论、证据及推理的过程,并向全班汇报。这是科学术语的运用过程。科学具有精确性,清晰地交流是从事科学工作的基本条件。准确表达观点或将观点表述出来的过程、呈现资料的过程都可以促进学生反省思考并建构新的知识。当一些观点需要写出来或公布时,作者要进行深入地、基于事实与原理的思考,并符合逻辑地呈现。这一过程,同样也能加深学生对科学本质的理解。

6)科学不迷信权威,科学知识可以接受新证据的修正,今天得出的结论是基于目前的证据,经过一段时间,新证据的加入可能会改变结论。

基于课堂上的数据及绘制的曲线图,很多同学认为不足以得出确凿的结论,认为南瓜种子的多少似乎与它的质量、体积及密度均无关,还需要更多的证据。

7)科学是社会与文化的一部分。

南瓜是万圣节的宠物,本探究就是在万圣节前夕进行的。探究结束后,在“与生物学的联系环节,教师以图解形式展现南瓜的生命周期供学生阅读。在进一步探究中,教师提出了一些其他问题,如“所有城市/州种植相同数量的南瓜吗?”“影响各地种植南瓜多少的因素是什么?”并出示各州南瓜种植分布图、世界前20个南瓜种植国等证据。最后,学生雕刻南瓜。

 

4.此案例中教师的教学行为所体现的科学本质

1)科学的开放性:教师要设计好问题情境,引导学生有目的地观察;但同时不预先告知学生探究的结果,而是鼓励学生进行探究,以明确科学知识是发展的、变化的。

2)科学方法的多元性:教师提供多种测量用具及计算公式,并不作一一说明,让学生以多样的方法解决问题,并鼓励学生之间的交流与沟通。

3)科学的主观性:不管是对于同一个问题作出的假设,还是对于最后呈现出的统一的数据表格,教师鼓励引导每一位学生发表观点。学生的观点多数是不一样的,这使学生认识到对同一现象可以存在多种解释,而这种解释是与自己(或科学家)的经历相关的,具有主观性。

4)科学的可重复性:教师引导学生在实验过程中准确地记录,并对数据进行解读;同时,在探究过程中,使学生了解并评论同伴的实验操作及结果等,也同时接受同伴的评价,当有质疑时,要接受重新实验的考验。

5)科学技术与社会:教师在教学过程中,结合实例,能将科学理论知识与学生的现实生活联系起来,并激发学生的兴趣。例如,呈现的关于南瓜的知识很多涉及社会和文化。

6)新的科学知识应公开、清楚地发布。在上述第3个标题中列出的7条关于“科学本质”的内涵,教师在总结阶段都清晰地表达出来,并让学生就此条的理解表达观点,并给出可能的其他例子或自己的解释。

7)科学不迷信权威,科学知识可以接受新证据的修正。当学生谈及结论时,教师引导学生可以继续去寻找证据,而并没有给出确定的结论。

由于人教版教科书凸显了科学史等内容对于学生理解科学本质、提升科学素养的作用,近些年来,在国内中学生物学教学领域,基于科学史的研究相对较多。笔者介绍的关于南瓜的这一探究案例启示我们,让学生在探究活动中体会与活动有关的科学本质内涵的某些方面,教师在教学过程中明确将这些内涵表述出来,不失为提升学生对科学本质理解的一种有效途径。如果教师在教学过程中能够精心设计并持之以恒,学生经过几年的生物学学习,他们对科学本质的理解会越来越深入,他们的科学素养也将会得到全面的提升。

    
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