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科学探究与教学的启发艺术
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科学探究与教学的启发艺术
作者:guofeife…    文章来源:本站原创    点击数:3875    更新时间:2007/12/19

【摘要】科学探究教学存在训练分立的探究技能、传递固定的探究思路的误区。为此,我们需要深刻、全面地把握科学探究的心理机制:建构性的科学归纳、以联想和想象等方式进行的科学猜想。相应地,启发性的科学探究教学可以从指导发现科学概念、科学原理以及激发相似联想和科学想象着手。

【关键词】科学探究 探究学习 教学启发艺术

【作者简介】刘华/南京师范大学教科院博士研究生

一、科学探究教学的误区

新课程标准倡导探究的学习方式,要求让学生体验、经历基本的科学探究过程,从而帮助学生更好地理解科学知识,掌握科学研究方法,形成科学探索精神和创新意识。然而,在具体的课程实践中,这一要求却难以得到落实。教材、教师倾向于直接教授、训练科学探究的固定思路或操作技能,课堂教学中学生往往处于消极、被动的状态,其探究流于机械化、表面化、形式化,学生很难亲身体验、经历真实的、反映科学探究本质的科学探究活动。

1.训练分立的探究技能

这种做法背后的信念之一是实证主义科学观,即科学发现的实质就是忠实地收集、记录、概括客观事实,观察、实验是获取客观事实的可靠方法,严密的归纳推理是获取科学知识的根本途径。在这种哲学(实验哲学)中,特殊的命题总是从现象中推论出来,然后用归纳法加以概括而使之带有普遍性的。因此,科学探究无非是运用观察、实验、归纳等方法,科学探究教学无非是训练观察、实验、归纳等操作或思维技能。

训练取向的科学探究教学的具体表现有:(1)脱离问题情境训练观察技能,如要学生观看叶子的颜色、形状、大小等等,越细越好,而不问为什么观察(要解决什么问题),怎么深入观察(带着某种理论设想或预期进行观察,并不断通过观察检验、修正原先的设想、预期)(2)排除理论猜想训练实验技能,教材往往先用下定义的方式教给学生一个个科学概念,如速度、加速度、力等等,然后将这些概念放在一起,告诉学生概念与概念之间的关系,物体的质量一定时,受力越大,其加速度越大;物体受力一定时,它的质量越小,加速度也越大,接着让学生通过实验探究加速度、力和质量三者之间的定量关系,即牛顿第二定律。探究的问题成为教材、教师明确布置的任务,探究活动成为按要求设计、操作标准实验。这种探究的意义是使学生获得变量操纵、实验操作、数据收集和处理等程序性知识,而不是使学生获得真实的科学探究体验。(3)与上述两方面问题紧密相连的就是把科学归纳等同于纯逻辑的经验概括,甚至观察数据的整理。总之,训练取向的科学探究教学把观察、实验和科学归纳人为地分割开来,忽视了观察、实验过程总是伴随并指向理论归纳。观察、实验和科学归纳是内在联系、不可分割的:观察、实验是渗透理论的主动建构活动,科学归纳是理性的自由创造活动。科学探究并不是先通过观察、实验获得客观事实,再通过归纳获得普遍规律的纯逻辑的线性过程。

2.传递固定的探究思路

造成前述那些做法的依据是:科学探究往往遵循一套相对固定的程序,即发现疑难、提出问题、做出假设和猜想、实验检验、做出结论或修正假设。但是,课程实践者往往不了解程序背后具体的心理机制,比如由模糊的困惑、疑难到界定清晰、有探究价值的科学问题需要经历哪些信息加工、整理的过程,又需要哪些知识储备;再如科学猜想是如何进行的,它与我们日常生活中的猜想有什么异同,它需要什么内部和外部条件。因此,他们常常无法引导学生结合具体问题情境创造性的展开这些程序——展开为丰富多样、充满意外和偶然的探索路径,而只能结合知识点确定一条固定不移的探究思路。彭加勒说,企图用任何机械程序代替数学家的自由的首创精神,将是多么愚蠢啊。把标准的问题、假设、实验设计强加给学生,就将学生探究的兴趣和热情连同探究的自由,包括犯错误的自由一同剥夺了。

在教学实践中,我们看到教材把学生提出的问题、做出的猜测、设计的研究方案全部以标准的形式直接呈现出来,既不加以任何启发和引导,也不容纳任何例外或意外,似乎这只是一个完全理性化、机械化的逻辑推演过程。与此相应,教师常常受这种标准化、逻辑化探究范式的诱惑,直接教授、反复讲解探究的过程、猜想的思路,似乎只要学生理解、掌握了这些过程、思路就算经历并学会了科学探究。更为严重的是,有些教材只是将原来学科化的科学知识按照现象——问题——猜想——检验——结论的格式重新组装一下,就当作科学探究课程了。重新组装后的课程不再符合学生逐渐分化的接受知识的心理逻辑,而由于内容仍然是学科化的抽象知识,又无法满足学生由具体而抽象、由现象而概念的探究的心理需要。这些教材呈现的问题、猜想、方案往往流于概念化、抽象化,既与学生的感性经验脱节,又缺少使新旧经验连接起来的固定点。学生理解这些充满学术味道的问题、猜想、方案尚且有困难,更何况自己提出这些问题、猜想、方案呢?与这种趋向一致,许多教师满口问题猜想,实际上非常轻率、任意地把书本或自己的问题、猜想塞给学生,而不管以学生当前的经验和知识储备、思维能力和习惯,他们能否在短时间内提出那些问题、做出那些猜想。

综上所述,不管是偏向分立技能的训练,还是偏向固定思路的传递,都没有准确地把握科学探究的实质。只有先全面、深刻、动态地把握住了科学探究的心理机制,才能采取有效的措施,启发、引导学生主动活泼地展开充满挑战性和创造性的科学探究活动。二、科学探究的心理机制科学探究既不像实证主义者想象的那样,是对特定方法论规范的严格遵循,或是对客观事实纯客观的归纳。也不完全是科学哲学的历史主义流派眼中任意的带有神秘色彩的非理性活动。它是对我们获得的感觉印象的整理和理解——它不刻意背离我们的感觉印象,也不完全依附我们的感觉印象,相反它是在现象世界的基础上自由地创造与之联系的观念世界的活动。简而言之,科学探究是建立在经验基础上的创造活动:从本体论上看,科学归纳具有建构性;从方法论上看,科学归纳又常常借助联想、想象等启发性、创造性思维方法进行。前者要求教师重视理论猜想在科学知识发现中不可或缺的地位,后者启发教师采用激发联想、想象的方法来引导学生进行理论猜想。

1.科学归纳的建构性

由特殊到一般必须借助科学归纳,而作为一种不完全归纳,它之所以比简单枚举归纳推理更高级,就在于它蕴涵着理性能动的创造因素。尽管这一点常常被人忽视或否认,但建构性和创造性确实是科学归纳的固有属性。爱因斯坦曾这样批评近代的实证主义科学观,那时的自然哲学家,大多数都有这样的想法,即认为物理学的基本概念和假设,在逻辑意义上并不是人类思想的自由发明,而是可以用抽象法’——即用逻辑方法——从经验中推导出来。实际上,只是由于出现了广义相对论,人们才清楚认识到这种见解的错误。

科学归纳的建构性首先表现为:观察、实验作为科学归纳的基本组成部分,从本质上说是构成性的,是离不开科学主体的理论知识和理论思维的。一方面,背景理论必然影响着科学主体对现象的感知、理解、描述和解释,比如观察和实验所使用的特定的测量语言,实质上就是相应的科学理论系统提供的意义框架。另一方面,当前的理论假设(清晰的或模糊的)又会潜在地影响科学主体对观察和实验的设计和实施。实际上,在探究过程中理论假设寻找它需要的科学事实,而获得的科学事实又促进理论的精致化和完善,使之具有相应的经验基础。这样,通过观察和实验获得的科学事实与概括、归纳的科学理论就成为相互支持、相互证明的循环论证系统。总之,观察和实验与归纳的内在联系、科学事实的理论渗透性,从基础上决定了科学归纳活动的建构性。在科学探究中,纯粹的事实归纳只是人们的幻觉。比如,培根的排除归纳法和牛顿的抽象归纳法似乎是从现象出发的纯逻辑的推导过程——通过观察和实验排除一些无关的偶然的性质和因素,最后剩下的就是本质特征和相关因素。但实际上哪些性质和因素被考虑进去,甚至被考虑的性质和因素本身,都打上了人为的烙印,都与人的感知方式、背景知识、原初经验以及当前的理论预期紧密相关。

科学归纳的建构性还集中体现为:科学归纳的主要目的和成果是对世界做出的统一的因果性解释,即给出因果关系之所以普遍与必然的合理性说明,而不仅仅是做出一般的描述。因此,统一的因果性解释不仅建立在经验的基础上,而且在很大程度上依赖于主体的理性力量。一般说来,经验性的概念和描述性的定律的发现更多地依赖于经验,有意识的理论创造成分较少;而随着理论研究向深度(因果解释)和广度(统一解释)的延伸和拓展,就为研究主体的理论创造提供了更为广阔的空间。比如牛顿建立的重力概念是对物体运动的因果关系进行创造性猜想的结果,而爱因斯坦创立的相对论修正牛顿力学的时间、空间、质量等概念,颠覆了牛顿的重力概念,是对直观经验的故意违反,堪称科学家自觉发挥理论创造性的典范,爱因斯坦本人就常常用自由创造自由发明纯粹思维纯粹虚构幻想等等来描述自己进行科学归纳时的思维状态。他说,物理学的最高使命是得到普遍性的物理学定律,然而要通向这些定律并没有逻辑的道路,只有通过那种以对经验的共鸣的理解为依据的直觉,才能得到这些定律。他所说的直觉其实就是对事物因果性和对称性、统一性关系的敏锐洞察力。

2.科学猜想中的联想和想象

既然科学归纳具有建构性,并常常先以假设和猜想的形式出现,那么我们要继续追问的就是猜想是如何产生的,它是否有迹可寻,是否可以创造条件使之产生。科学家往往把自己的猜想归功于直觉,而实际上通过分析他们的思维过程,我们可以发现直觉并非完全神秘、不可捉摸,而是以潜隐的方式进行着合理的联想、想象等创造性思维活动。

具体说来,科学猜想有时以联想的方式进行,即先通过相似联想建立类比关系,随后进行类比推理来进行。类比推理是科学探究中被广泛运用的启发性思维方式,尽管很多时候科学家的联想处于不自觉、无意识的状态。科学哲学家夏佩尔阐明了几种科学发现的推理模式,这些模式表明科学发现是以由观察、理论、方法等有关知识所组成的信息域为基础的合理推断过程,同时也表明信息域不具有决定意义,它往往启发科学家将之与相似的信息域加以类比——将那些信息域里取得成功或有预见性的理论、方法、模型移植到自己的信息域中,从而帮助形成理论假设。

科学猜想有时又以想象的方式进行。首先,科学家通过科学想象来构想经验不可能达到的理想情境,从而发现隐藏在纷乱现象背后的简洁的普遍规律。比如,伽利略由理想实验推想出惯性定律,爱因斯坦由思维实验推理出钟慢效应尺缩效应等时空相对现象和狭义相对论。其次,科学家还通过科学想象创造关于世界的实在图景,将可观察之物与不可观察之物联系起来以获得对世界的深入理解。以太、真空、电流体、磁流体、分子、原子、电子、场、波等概念,不管它们后来的命运如何——是被证实或证伪、保留或淘汰、修正或发展,原先都是观念构造物,是科学家想象的实体或实在。这些共同想象物构成特殊的研究传统,对科学研究产生深刻影响,恰恰因为它们假设了某类实体和某些研究那些实体属性的方法,研究传统才能在特殊科学理论的建构中起至关重要的助发现作用。总之,为了建立简单、和谐、能解释科学事实和解决科学问题的理论,科学家必须在基本不违背已有事实的前提下,最大限度地发挥创造性想象力,进行理想实验,建构理想模型和理论实体。正如贝费里奇所说:科学家必须具备想象力,这样才能想象出肉眼观察不到的事物如何发生、如何作用,并构思出假说。

三、探究学习的启发艺术

由于科学探究本质上是一种创造活动,它不遵循固定的思路、不依赖特定的方法,它不能被授予,而只能借助教学的启发艺术加以激发和引导。从课程的设计、编排到教学活动的动态生成,都指向一个目的,即给学生主动、自觉、自由的科学探究创造外部条件:知识、方法可以作为工具由教师提供,也可以作为结果由学生单独或合作发现,但都必须整合进完整、连续的探究过程;思路可以在教师点拨或同学启发下产生,但在本质上必须是学生自己理智的产物。启发学生进行自主、自由的科学探究不是为了复演一部简化的科学发现史,因为具体历史时期科学家面对的问题域、信息域和技术条件与学生的情况是很不相同的。科学家具体的探究路径既体现了科学探究共同的本质,又是特定历史条件与个人心理素质的产物,因此,教师引导学生经历的也应该是体现科学探究本质、同时结合学生具体条件的个性化的探究活动,而体现科学探究本质的心理机制就是建构性地进行科学归纳,借助联想和想象做出科学猜想。与此相应,启发性的科学探究教学可以从以下两个方面着手:

1.指导发现科学概念和科学原理

把观察、实验和归纳分割开来的探究教学,必然导致科学知识与科学探究的割裂:先把科学概念和科学原理(概念与概念之间的关系)明示或暗示给学生,然后让学生观察相关现象或者设计、操作实验,最后归纳总结观察、实验的结果(实际上是印证原先传授的知识)。鉴于此,我们应该把观察、实验和理论归纳有机融合起来,把科学知识的学习整合进探究过程之中,即指导学生发现科学概念和科学原理。

其一,引导学生利用观察和实验将非结构化的经验结构化。探索性观察和实验与验证性观察和实验的最大区别就在于:前者是结构化的过程,而后者面对的本来就是结构化的材料。没有确定无疑的解释框架,学生面对的是原初的纷繁复杂的现象。要关注哪些因素、排除哪些因素、操纵哪些因素、控制哪些因素,是学生根据先前的知识经验以及对普遍联系的直觉做出的猜测和尝试。经过不断的猜测和尝试,学生发现了将现象组织起来的结构——概念和定律。实践表明,在教师的帮助下,借助必要的测量仪器,学生可以发现大量的经验性概念和描述性定律,如速度、加速度的概念以及自由落体定律等等。当然,这里的发现是指从经验中抽象、提取概念的意义,而不是发明概念的名称。

其二,引导学生有意识地追问、寻求统一的因果性解释。不管是经验性的规律,还是通过逻辑推理获得的数学定律,都有待人们进一步理解其意义,做出统一的因果性解释。教师要让学生在了解是什么的基础上进一步探求为什么,由为什么再引申出更隐秘的是什么,由此,经验和理性相互碰撞,不断深化对自然的理解。解释性的科学概念和科学原理就可以通过这种方式来引导发现。比如,要求学生思考自由落体、月球绕地等现象的原因,启发学生将这些现象和日常生活中物体受力运动的现象联系起来,学生完全能够发现重力、万有引力的概念,猜测物体运动的定量关系。在此基础上,继续引导学生追问重力、万有引力是什么,又可以导向引力场弯曲时空等概念的发现和质量、能量等概念的重建。

指导学生发现科学概念和科学原理最需要避免的一个错误就是固守学科的逻辑,而不能遵循探究的心理逻辑。固守学科的逻辑就是将探究活动点缀在系统知识之中,每一次探究都是由掌握知识的需要发动,并终止于某一知识点的获得;而遵循探究的心理逻辑意味着围绕探究的经验组织知识,因为探究活动是连续的——一个问题的暂时解决常常导致一连串相关问题的提出,知识就不能以点状、线性的方式来组织,而应该是网状、弥散性、开放性的结构。因为探究活动是动态生成的,是富有个性和创造性的过程,知识的组织就应该具有弹性和灵活性:不是把固定知识点按统一步调分配给所有的学生,而是根据学生探究的需要灵活的引入相关知识。

2.激发相似联想和科学想象

因为科学猜想往往借助相似联想(包括随后的类比推理)及科学想象进行,所以教学应该在启发学生进行相似联想和科学想象上下工夫,而不是将固定的探究思路直接告知学生。

尽管类比的结论具有或然性,需要进一步检验,但相似联想和随后的类比推理绝对是打开人们视域,产生新观点的有效方法。为此,教师可以提示学生科学史上著名的利用类比产生新观点、新理论的事例,如近代引力观念(类比了磁力)、光的波动说(类比了声波)、麦克斯韦电磁波假说(类比了沿法拉第力线方向的管子中运动的不可压缩的流体场)、卢瑟福的原子模型(类比了太阳系)、卡诺的理想热机(类比了水车)等等,激发学生的相似联想。然后教师可以让学生在联想的基础上进行类比推理,以生成观点、建立假说,即利用类象与本象的相似性,推断类象的隐含属性、结构、关系。最后教师可以启发学生对自己经历和体验到的相似联想和类比推理加以反思,发现自己思维过程中的合理性和局限性。此外,教师还可以鼓励、启发学生建立自己的启发性的相似联想——在自己的经验库中找到与眼前现象存在相似点的事例,通过进一步的类比推理,可以获得对新的事物、事件的特性或关系更深刻的洞见。比如在探究平抛运动规律时,教师可以启发学生将二次函数曲线与平抛运动轨迹加以比较,或将平抛运动与自由落体运动、惯性运动加以比较,然后做出自己的猜想,而不是将书本上固定的探究过程直接教授给学生。

引导学生进行相似联想和类比推理不仅能够帮助学生产生新观点、提出科学假设,而且有利于提高学生基本的科学素养。这种素养就是对事物之间和谐、对称、巧妙平衡、内在秩序的超乎寻常的敏锐感受或执著信念。彭加勒强调直觉——一种数学的雅致感在数学创造中的关键作用,雅致”“向我们揭示出以前没有辨认出的亲缘关系从而我们就有更多的机会推测可能的概括。爱因斯坦则认为如果不相信我们世界的内在和谐性,那就不会有任何科学。通过相似联想和类比推理,人们可以直观到世界的普遍联系和内在和谐性;反过来,这种直觉或信仰又有利于人们冲破纯逻辑思维的桎梏,产生更多、更广泛的独特而又具有启发性和建设性的相似联想。

为了激发学生的想象力,实现科学想象的助发现作用,教师必须帮助学生化抽象为形象,建立能够反映事物或事件本质属性和普遍联系的直观形象。具体说来,教师可以先将科学理论所假设的实体或实在图景以通俗易懂、整体大略的方式传递给学生,使学生获得研究对象的整体、直观的印象。这些实体或实在图景反映了事物或事件的本质属性和普遍联系,具有强大的解释力,如原子结构和导体中自由运动的动态图景可以很好地解释电热现象和电流规律,电场和磁场的图景可以形象地说明电磁现象和电磁规律。利用这些直观形象,学生可以进一步展开科学想象,明确、扩展事物或事件的本质属性和普遍联系。比如,电学单元的传统教学采用的是由现象到定律再到原理、由概念到实体的路径:学生先通过定义以抽象的方式学习电流、电压、电阻、电功等概念,然后通过观察各种电现象归纳描述性的定律,最后接触包括电磁场理论、量子力学在内的解释性的理论,获得对电现象的深人直观的理解。而启发学生进行科学探究的教学则可以这样展开:先将电磁场理论、量子力学的基本思想传递给学生,使学生获得关于电场、电流的直观图景,然后借助各种现象启发学生想象这幅图景的具体细节和各种情况下可能的变化。由于有了理论实体的支持,学生的想象获得了依托而得以展开,从而能够自主地建构概念、建立假说、设计实验,并最终归纳出定律、定理。此外,教师还可以引导学生抓住本质特征和必然联系,舍弃次要特征和偶然联系,发挥想象,进行理想实验,建立理想模型(来源:《全球教育展望》2007.10)

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