摘要：本文从科学本质的角度分析基础教育改革中提出的科学探究。尝试用定量的方法分析各版本教科书中的科学探究内容，从而凸显各教材中科学探究的不同特点，为进一步认识中学物理中的科学探究提供一种方法。

 

　　关键词：科学探究　科学本质　教材比较

 

　　一、从科学本质认识中学科学探究

　　在我国正在推行的基础教育改革的过程中，培养学生具有初步的创新精神、实践能力、科学和人文素养是需要实现的一个目标，让学生理解科学本质正是达到这一目标的有效手段。多年来，人们一直在研究讨论应该如何理解科学。当代对于科学本质的认识建立在后现代主义基础上，更加强调科学的相对性和暂定性，强调科学的建构性、创造性和主观性。关于科学世界观、科学探索和科学事业等方面的教育，可以通过科学史、STS（科学、技术与社会）、以及对科学研究方法和过程认识等方式进行。其中，对于科学研究方法和过程的教育统一到了科学探究的旗帜下。由于在不同的学科和阶段中对于科学探究的要求并不相同，我们主要选取高中物理中的科学探究内容进行分析。

 

　　通过参考美国科学促进协会的“2061计划”的标准文献《面向全体美国人的科学》¹中对科学本质的讨论，从科学哲学与科学教育领域对于科学探索的认识、科学家科学探索的过程结合我国科学国情、物理学科特点等几个角度出发，我们给出了科学探究中相应环节可能反映的科学本质的内容描述²：

　　1．发展动力：科学知识的发展并非完全来外部的社会需求，人类自身的探索欲望和创造欲望才是新的概念和理论产生的根源。

 

　　2．研究方法的多样性：在科学研究中可以采用归纳、演绎、分析、比较、实验等各种不同的科学研究方法（包括控制变量等特定的研究方法），但不存在一个统一的或一成不变的标准方法或研究途径。

 

　　3．科学与提出问题：科学研究始于问题，主要特点就是不断地和反复地提出问题和寻求答案，之后引发新的问题。

 

　　4．假设与预测：形成对自然现象的假设和预测是形成新知识的必要环节，假设为证明或证否提供了方向。

 

　　5．证据的重要性：任何假设、推断、解释、结论以及质疑和批判都必须建立在充足的、可信的证据基础上，否则就不会得到其他科学研究者的认可。

 

　　6．观察和推理的区别：科学以观察和推理为基础。科学观察是指通过人的感觉或科学仪器而直接获得关于客观世界的信息，科学推理则是对观察到的现象的解释。

 

　　7．观察是承载理论的：“绝对客观、毫无成见的观察”是不存在的，观察者的知识背景以及对观察结果的期望会影响观察的实际结果和对观察的解释。

 

　　8．数据的分析与解释：科学结论不能简单的出现在数据中，而需要通过一个解释和理论构建的过程，科学家对相同的数据形成不同的解释，彼此出现分歧是可能的也是合理的。

 

　　9．实验的可重复性和误差：科**用实验的方法验证观点，一个实验的结果不能有效地证明一个科学论断，科学实验和观察是可重复的。通过误差理论的分析可以知道，重复测量是提高结果精确度的一条途径，不存在外部权威（如教科书或教师）的评价。

 

　　10．创造性：科学的知识是人类智力的创造，科学研究的整个过程需要人类丰富的想象力和创造力。

 

　　11．主观性：科学追求客观性，但是科学研究会受到科学家个人的知识背景、信念和经历等主观因素的影响，从而可能会得到不同的结果，科学的“偏见”不可避免。

 

　　二、高中物理课程标准实验教科书中的科学探究内容比较方案

　　我们对各个版本高中物理课程标准实验教科书（人民教育出版社教材简称“人教版”、山东科学技术出版社教材简称“司南版”、广东教育出版社教材简称“粤教版”、上海科技教育出版社教材简称“沪科版”、教育科学出版社教材简称“教科版”）之中的科学探究内容进行了分析比较，在前面从科学本质的角度对科学探究进行的研究基础上，结合中华人民共和国教育部制订的《普通高中物理课程标准（实验）》³中关于科学探究的相关要求，我们通过一个表格的形式尝试对于科学探究的各个环节进行细化，并对教科书中的具体内容完成的情况给出量化的评分，表中的数字表示一致的程度，其中1表示不一致，3表示基本一致，5表示完全一致，2和4分别表示中间状态。在此基础上进行分析。为了减小个人的主观印象影响不同教材的分数，我们邀请了八位来自不同地区的专家共同打分，其中包括大学教师和物理教育专业的研究生，出版社的编辑以及教学一线的优秀教师。

 

　　在科学探究内容的选取上，首先对各个版本教材中较为明显的科学探究内容进行了统计。然后，在其中选取有代表性的科学探究内容进行比较。选取的过程中，首先考虑了教科书中内容的科学探究的性质，一些验证性实验没有收录在其中；其次，作为各个版本教材内容的比较，选取的内容是五个主要版本教材中都明确出现的内容，虽然有一些内容，一些版本教材中很有特色，例如人教版和沪科版的动量守恒的探究内容等，但是由于无法比较，也没有被选用；最后，考虑到高中教学的实际情况，对于大多数学校来说，真正实施的科学探究内容并不会太多，教科书主要是提供了教师进行科学探究的基本素材，教师往往会在其中选取有代表性的内容进行探究，所以比较的内容不需要太多。按照以上原则，最后选取了《课程标准》中明确要求的“ 必修1通过实验，探究加速度与物体质量、物体受力的关系。”“必修2通过实验，探究恒力做功与物体动能变化的关系。” “选修3-1通过实验，探究决定导线电阻的因素，知道电阻定律。”“选修3-2通过探究，理解楞次定律。” “选修3-4通过实验，探究单摆的周期与摆长的关系。”共5个探究活动。

 

　　三、高中物理课程标准实验教科书中的科学探究内容比较结果

　　我们尝试给出了作为重点比较的5个科学探究的各个环节的具体分值，通过求各个专家打分的平均值，分析分值的不同，可以看出对于各个探究活动具体每个版本教材的不同特点。在此基础上，可以综合分析各个版本教材在科学探究这个内容上的总体情况。

 

　　1．科学探究中能力的培养是一个反复强调，逐渐深化的过程，只有通过不断的让学生经历这种过程，才能让学生体会到科学探究的精髓。所以，我们画出这5个科学探究中不同教材对于科学探究整体的平均值（见下图），通过比较，就可以看出不同教材在随时间的安排处理的整体情况。

 

 

　　从图中可以看出，各个版本的教材总体基本完成了科学探究的主要目标。在必修1中，高中学生刚刚接触科学探究时，对科学探究的整体要求比较多。特别是沪科版教材，必修1的科学探究的平均分数达到了3．27分。同时也可以看到，沪科版教材各个模块中对科学探究的整体要求相差较大，而粤教版教材不同模块的差距则相对较小。

 

　　2．关于科学探究能力的培养，发现问题和提高兴趣等，是一种“顿悟”的过程。学生在某一次科学探究中，通过自己的努力，学会了一种技能或接受了一种思想，就会对他产生深远的影响。所以，可以比较一个教材在5个主要科学探究中的最大值（见附表），看看这样对学生影响的差别。根据相关数据可以绘制各版本教材中，在科学探究内容中对过程与技能目标和科学本质目标的不同要求程度的柱状图，从而帮助我们进行更加细致和深入的分析。

科学探究中的过程、技能要求	科学探究中的科学本质要求

 

　　结合附表，从图中我们可以看出：

 

　　（1）从整体情况来说，各个版本教材对于各个基本环节的要求整体相差不大，说明各版本教材编者对于科学探究的总体认识基本相近。除个别情况外，对科学探究的各个要素的要求，不论是过程和技能要求还是对科学本质的认识，大部分教材的要求程度都相近。但是，针对不同的科学探究要素，往往要求有所不同。

 

　　（2）对于科学探究的各个过程，由于在课程标准中有明确的要求，各个版本教材都有所体现，但是关于科学探究的本质和目的方面的大部分要求，则基本没有受到重视，只有通过创设情境吸引学生兴趣和控制变量的思想这两点在各版本教材中有所体现。

 

　　（3）各个版本在科学探究之前，基本都注意提供探究的问题情境。其中特别是人教版特别注重提出问题之前的相关物理知识背景，为问题的提出做好铺垫。但相比较而言，各个版本教材对于科学本质的要求并不多，例如司南版教材对于发现问题和提出问题的意义，就强调的不够。

 

　　（4）在猜想与假设的环节中。相比较其他版本教材，人教版教材缺少让学生自己自由的进行猜想与假设的这部分内容，在每个探究过程中，都对猜想进行了提示。而其他版本的教材则至少给过学生较大的猜想空间，虽然可能是因为教材编排的方式上，一些教材以完全留空的方式处理猜想与假设。

 

　　人教版、司南版和粤教版还在不同的探究活动中，强调猜想与假设需要依据。例如，在测单摆周期的探究活动中，司南版强调：

 

　　“单摆的振动周期是由哪些因素决定的呢？要研究影响单摆振动周期的因素，可能要涉及单摆装置本身及单摆在振动过程中的一些因素。我们可以这样猜想：

 

　　（1）单摆装置中，摆球的质量（体积不计）、摆长等因素可能会影响单摆的振动周期。

 

　　（2）描述振动的物理量主要是振幅和周期，二者之间可能有联系。

 

　　（3）单摆的回复力由重力的一个分力来提供，因此重力加速度可能会影响单摆的周期。”

 

　　这里，对于如何提出假设给出了一定的提示，从而帮助学生提出假设。

 

　　人教版教材还特别强调让学生体会研究方法的多样性，通过不同的研究思路调动学生积极参与思考问题。例如，在探究电阻定律的过程中，通过两种方案让学生进行探究活动：“探究方案一：我们可以通过实验在长度、横截面积、材料三个因素中，保持两个因素不变，比较第三个因素的影响；然后研究另外两个因素的影响。”“探究方案二：除了上述探究思路外，我们还可以用刚刚学过的知识，通过逻辑推理来探究导体的电阻与导体长度、横截面积的关系，然后通过实验来探究导体电阻与材料的关系。”通过这样的设计，一方面给学生自己选择实验的空间，培养学生自己思考设计实验的习惯，另一方面，也提示学生研究存在多种方法，改变学生线性的思维方式。

 

　　（5）在制定实验方案的过程中，绝大部分教材基本上能明确实验目的和实验器材。而引导学生实验的环节中，在几个版本教材中都做了细致的提示。而人教版教材特别反复强调了研究方法的多样性及控制变量的研究方法。

 

　　（6）在分析与论证的过程中，与其他教材相比，人教版教材在帮助学生处理数据和得出结论的过程中，都做了更加细致的分析，降低了学生探究过程中的难度，但与此对应，让学生自主分析得出结论的开放性则显得不足。这个矛盾也体现在其他探究的环节中，也就是教材辅助学生的内容越具体，学生自己思考的空间可能越受限制。

 

　　此外，人教版、沪科版还特别强调了在实验中进行分析论证的重要性。例如沪科版教材在动能定理探究活动中，特别强调“科学不能停留在单纯的数据观测中，必须对观测到的数据进行细致的分析，才能找到事物运动的规律。”

 

　　（7）相对于其他科学探究的要素，各版本教材对评估与交流的要求都不高。人教版没有专门安排学生自主设计和写出实验报告，但是在特定的实验中，教材中还是进行了强调。例如：探究加速度与力和质量的关系,人教版在实验的最后对于科学探究有一段深入的分析，反映了科学研究中对于误差、科学研究的成果怎样得到认同、评估与交流等相关的思想意识。相对的，沪科版教材不仅明确给出了相应的要求，还特别强调了实验的可重复性和交流与合作的重要性。

 

　　通过以上分析，我们可以看到，通过把探究过程的各个要点逐条量化的方法，我们能够清晰的看到各个版本教材的不同之处，进而对于整套教材科学探究的内容得到一个整体印象，从而帮助教材的使用者和编写者对于学生对于科学探究有一个统筹安排，加深在科学探究中渗透科学本质的教育。

 

　　附表：各版本教材科学探究内容得分

 

科学探究要素	对科学探究及物理实验能力的基本要求	对科学探究及物理 实验能力的基本要求	人教	沪科	司南	教科	粤教
提出问题	过程基本要求	明确给出引出 问题的情景	4.75	4.875	4.5	4.875	4.625
		有涉及的物理 知识背景介绍	5	4.875	4.875	4.5	4.75
		明确的提出了问题	4.875	4.75	4.75	4.75	4.625
		从物理学的角度较明确 地表述这些问题	4.875	4.625	5	4.75	5
	科学探究的本质和目的	反映发展动力 （引入的情景很有趣）	4.125	4.125	4.375	4.75	4.375
		体现创造性 （问题比较开放）	4	4.375	4	4.375	4.125
		强调发现问题和提 出问题的意义	4.125	4.25	3.875	4.25	4.125
猜想与假设	过程基本要求	让学生自己对解决问题的方式和问题的答案提出假设	3.625	4.375	4.375	4.25	4.375
		让学生自己对物理 实验结果进行预测	3.75	4.25	4.125	4.25	4.25
		强调假设的依据	4.375	4	4.25	3.75	4.25
	科学探究的本质和目的	明确猜想与 假设的重要性	3.875	3.75	3.875	4	4.125
		体现创造性（假设的可能答案比较开放）	4	4.375	4	3.75	4
制定计划与设计实验	过程基本要求	明确实验目的 和已有条件	4.875	4.75	4.5	4.5	4.75
		引导学生制定实验方案	4.625	4.75	4.75	4.75	4.75
		让学生选择实验方法及所需要的装置与器材	4.375	4.25	4	4.25	4.25
	科学探究的本质和目的	明确研究方法的多样性	4.5	4.125	4.125	4	4.5
		考虑实验的变量 及其控制方法	5	5	4.75	5	4.75
		强调制定计划的作用	4.125	4.125	4	3.75	4.125
进行实验与收集证据	过程基本要求	提供记录实验的 表格样例	4.25	4.75	4.625	4.75	4.75
		提倡用多种方式 收集数据	3.875	4	4	3.75	3.625
	操作技能	要求按说明书进行 实验操作	3.875	4.125	3.625	4	4
		明确怎样使用基本 的实验仪器	4.125	4.375	3.5	4.125	4.375
	科学探究的本质和目的	强调安全操作的意识	3.125	3.25	3.125	3.25	2.875
		要求如实记录实验数据，知道重复收集实验数据的意义	4.25	4.25	4.375	3.75	4.375
		强调科学收集实验数据的重要性	4	3.75	3.75	3.75	3.75
分析与论证	过程基本要求	帮助学生对实验数据进行分析处理	4.75	4	4.5	4.375	4.625
		引导学生尝试根据实验现象和数据得出结论	4.625	4.25	4.75	4.625	4.25
		让学生对实验结果进行解释和描述	4.5	4.5	4.5	4.5	4.375
	科学探究的本质和目的	明确观察和推理的区别，观察是承载理论的	4.125	3.875	3.625	3.875	3.5
		明确在实验中进行分析论证是很重要的	4.25	4.75	3.875	4.125	4.25
评估	过程基本要求	尝试分析假设与实验结果之间的差异	3.625	3.625	3.375	3.25	3.875
		注意引导学生探究 活动中未解决的矛盾，发现新的问题	4	3.625	3.375	3.625	3.875
		吸取经验教训，改进探究方案	3.875	3.75	3.75	3.75	3.875
	科学探究的本质和目的	认识实验的可重复性和误差	3.875	4	3.625	3.5	3.5
		认识科学研究的主观性	4.75	4.125	3.625	4.25	4
		认识评估的意义	4	3.875	3.75	3.25	3.75
交流与合作	过程基本要求	让学生写出实验探究报告	3.375	4.25	3.875	4	4.125
		强调在合作中注意既坚持原则又尊重他人	3.5	3.875	3.625	3.875	3.625
		强调有合作精神	3.5	4	3.5	4	3.875
	科学探究的本质和目的	认识交流与合作的重要性	3.5	4.375	3.75	3.875	3.75
合计	总计		166.625	173	162.625	164.75	166.75
	过程和操作基本要求		97	98.625	96.125	97.25	98.875
	科学探究的本质和目的		69.625	74.375	66.5	67.5	67.875

 

　　参考文献:

 

　　[1] 美国科学促进协会著、中国科学技术协会译，《面向全体美国人的科学》。北京：科学普及出版社，2001。

 

　　[3]田春凤。《中学物理教学中渗透科学本质教育的研究》。北京：北京师范大学，2008。

 

　　[3]中华人民共和国教育部。《普通高中物理课程标准（实验）》。北京：人民教育出版社，2003。