一 前言
1909年，教育家杜威（J.Duwey）在美国科学促进协会的一次报告中，对大多数的教育工作者把科学看作是可以直接传授给学生的一堆知识的观点进行了批判，认为对科学作为一种思维方式和认知态度却没有给予足够的重视。1950年美国成立国家科学基金会，开始资助科学教育的项目，为美国的科学教育改革起了重要的作用。1985年美国科学促进会组织几百名科学家启动“2061计划”，对新的科学课程改革产生了很大的影响。1995年法国诺贝尔奖获得者夏帕克（G. Charpak）访问美国深受启发，回国后与另外两位科学家发起了旨在改革法国小学科学教育的“动手做”计划，得到法国教育部的支持和推广，2000年法国教育部正式公布要求法国全部350000班级进行科学教育改革的计划。日本自1947年以来历次课程改革中都对哲学思想、课程标准和结构等问题作了讨论和实施。2007年欧盟国家也酝酿在科学教育上的联合行动。从2000年起，我国教育部在有关科学的课程计划中设置探究性学习，要求教学实践中如同科学家那样“做”科学，从而经历科学探究的过程。目前世界上已有三十多个国家都在为科学教育改革与实施作出实质性的努力。
探究性教学之所以得到教育界的认同并积极提倡，成为科学教育改革的重要内容，是因为它实际上与近年来国际教育界发展起来的一种新的学习科学理论——“问题解决”相一致。“问题解决”是科学家探索未知领域思维过程的重要方法，它应用于科学教育，从形式上看类似科学家的研究，而实质上是一种培养和发展学生创造性思维能力的重要教学方法和教育思想。
二 对一个科学探究经典实例的剖析
美国国家研究理事会的科学、数学及技术教育中心，美国“国家科学教育标准”科学探究附属读物编委会编著的权威著作：“科学探究与国家科学教育标准——教与学的指南”（简称“教与学的指南”）的第一章第一节，提供了一个著名的科学探究的范例，简述如下：
一位地质学家在俄勒冈州和华盛顿州海岸边发现了一片死亡的西洋杉树林。他感到奇怪：“是什么导致了大面积树林死亡呢?”（进行观察）。他从已有的背景知识中提出了一连串问题：“这些树是同时死亡的吗?”，“与某种枯萎病有关吗?”，“是否与海水有关呢?”（提出问题）。他测量这些树的最外层年轮形成的时间，发现它们都死于300年前。经过检测他没有找到火山沉积物的证据，也没有发现曾发生过虫害的迹象（收集证据）。地质学家回想起1964年发生了较大的潜没带地震，地震造成海岸下沉，使阿拉斯加数km2海岸森林浸没在海水中，死掉了。他想知道，是否300年前发生了一次地震呢?（利用以前的研究）。为了验证这种解释，他找到了沉积物区域泥土下面的一层沙来自海洋，这有力地支持了地震海啸假说。（提出可能的解释）。他在科学期刊上发表了几篇文章，提出假说：海岸边发现死亡树林的原因是300年前曾发生过一次地震（发表论文）。 几年后，远在日本的一位地震学家在研究历史上的潮汐强度记录时，确认1700年1月17日，在太平洋边缘某处，发生过一次大地震，当他得知地质学家在太平洋西北部的死亡森林的发现，那位日本地震学家确定震源在俄勒冈州和华盛顿州下面（发现新的证据）。地质学家进一步检查海岸沉积物，他又发现了一些更多的、更古老的死亡树林和沙层。他现在可以认为：在过去千余年间，产生巨大海啸的地震多次发生，引起海岸下沉，树木浸泡在海水中，于是死亡了（添加新的解释）。
这个真实的成功故事经过精心编排成为科学探究的经典案例，目的是为了展现科学探究的几个重要特征。正因为这个故事编排得过于理想、完美和简单，使人们产生了一些误解，其中主要的是认为这是一张经典药方，按方抓药便能使探究变得简单、容易和获得成功。另一方面，如果将从观察到发表论文这样的探究过程看成一个循环，这个案例给出了几年时间的大循环，但更多的是其中各阶段时间（甚至于每天）内无数的小循环，这些小循环（成功和失败）经验的积累和提升最终构成完整的大循环。可以说大循环是经过取舍总结出来的，每个小循环则是真实的存在。
这位地质学家的实际探究过程应该是，首先，他需要得到他所供职部门的认可和有关部门（如基金会）科研经费的支持。因此他要多方面地提出申请，要阐述此项研究的科学意义和学术价值；说明前人已做了什么自己要做什么的调研报告；要提出研究方案、条件和可行性报告；要给出预期结果和评价方式等等的申请材料。也就是说，他必需经过从提出问题、调研、设计实验方案、给出假说和预测结果这样一个个预研的过程。其次，重要的是以后的科学研究中，他要给出没有发生火山爆发；没有发现过虫害；以及沙子来自海洋而不是来自陆地等等的实验证据；包括除外其他因素所走的弯路；他还要提供阶段研究结果报告和接受评议和评审……这些具体的研究中都会经历很多探究过程大大小小的循环。幸运的是他得到了成功，以致他的经历成为探究的范例。
但是魏格纳（A.Wegener）就没有那么幸运了，1910年魏格纳根据古地质学、古气候学、古生物学和陆桥说的思想，于1915年提出著名的大陆漂移的假说，著作一出版，便有反对者也有支持者，对者的理由是魏格纳没有提出物理模型，没有说明漂移的动力来自何处，魏格纳本人也感到证据不足，他在反对声中努力搜集证据，1930年死于搜集证据的考察途中，没有看到他的成功。直到30年以后的1961年，赫斯（H.H.Hess）根据古地磁学和海洋地址学的研究成果，加上魏格纳的结果提出海底扩张说，支持了魏格纳。1965年威尔逊（J.T.Wilson）的板块构造学说解决了魏格纳的漂移动力问题（能量来自地幔内物质的热对流）。这一探究的总过程（大循环）经历了55年，魏格纳还算是幸运的。
那么，应该如何评价那些很有科学意义，研究过程清晰而有价值，但没有得到总体成功的探究呢？又如何认识多样化探究模式的存在价值呢？
三 对科学探究过程的理解
美国国家科学基金会针对众多的对科学探究过程的不同理解，特别推荐哈伦（Harlen）和詹利（Jelly）在1997年将科学探究的教学归纳为七个过程：
① 观察——仔细查看，做好笔记，进行类比和对比。
② 提问——针对观察到的现象提问，提出能够引发调查的问题。
③ 假说——提出与观察结果相一致的解释。
④ 预测——基于观察，预测一件将来会发生的事件。
⑤ 调查研究——制订计划，开展活动，测量，收集数据以及控制变量。
⑥ 解释——归纳综合，得出结论，找出合适的模型。
⑦ 交流——将自己探究的情况以口头、书面表达或派代表陈述等多种形式告知别人。
现在对这七个探究的具体过程作进一步探讨：
1．对于观察。一般来说，学生有一定的观察能力、但缺乏理性的、内在的、逻辑联系的观察能力，分析判断能力也不成熟，自主独立性还不强。因此还需要教师给予正确的、及时的指导，起到较强的主导作用。例如指导学生进行观察，教师要根据教学内容提出观察对象，明确指出观察的范围和具体内容，是物理特性？化学特性？还是生物特性？再具体为电学特性？光学特性？提得范围越小越具体，观察就越有针对性，就越能培养与提高学生观察的能力和水平，效果也就越好。
2．提问也一样。当老师问学生：“光是什么？”时，不同知识储备的学生便会有不同的回答。例如：光是一定波长范围内的电磁波（物理问题）；光是具有一定能量的一个一个粒子——光子（物理问题）；光是闪电（物理问题）；光是燃烧（化学问题）；光是“鬼火”（化学问题）；光使植物生长（植物学问题）；光是荧火虫的尾巴（生物问题）等不一而足。当然，还有更多有趣或有错误的回答。所以教师应根据具体的教学要求给出一级问题（或概念性框架），让学生去提出二级、三级问题，提问范围越小越具体，越能聚焦到问题的实质，启发学生提出“问题中的问题”的思考与能力，才是探究的目的。在探究学习中完全放手，不仅不能实现教学目标，对后续课程的学习也有所影响。
3．假说对于一个不是科学工作者的教师在解释科学探究时，常常希望科学探究必须源自一个假说（或猜想），否则探究的过程便不完整。 但是假说（或猜想）是根据已有知识对提出问题的逻辑推理和最初判断。对一项未知的有重大发现的探究，已有的知识是不能对新的发现提出超前的“合理的假说（或有根据的猜想）”的。例如伽利略在做自由落体实验前，不可能提出“物体具有相同的加速度”的假说。在一些探究活动中，教师应鼓励学生提出“合理的假说”，但不要为假说（过程）而提出牵强的假说（行为）。同样，预测也不是一个充要的过程。
4．调查研究和解释。说得具体一点是实验设计、实验过程、原始数据处理和给出结论，这是科学探究活动最最重要的环节。早在1604年伽利略就给出了数学与实验相结合的研究方法，可分为三个步骤：①先提取出从现象中获得的直观认识的主要部分，用最简单的数学形式表示出来，以建立量的概念；②再由此式用数学方法导出另一易于实验证实的数量关系；③然后通过实验来证实这种数量关系。他对落体匀加速运动规律的研究便是最好的说明。牛顿也十分重视归纳和数学演绎，并认为演绎的结果必须通过新的实验验证。在探究活动中体会伽利略和牛顿的思想和方法，并加以融会贯通是完成科学实验的重要保证。
5．交流过程对于中国的科学教育尤为重要，中国过去的社会结构和环境不可能产生科学文化，首先是对科学知识的产生与获得缺乏理性的认知过程。西方的科学文化认为：当个体的创新知识用发表论文或公布发现的公开交流形式呈现后，将会充分地接受集体的评议、判断、筛选，才可能有选择地被接纳为共识而成为集体知识。只有充分认识到个体知识和集体知识的相互的联系和转换，科学才拥有坚实的社会基础。而中国的文化只有个体知识，却没有转化为集体知识的意识和环境，即使有也是家族或师徒范围内拥有的知识，更不具备交流的渠道和条件。因此，重视科学交流的意义、加强科学交流的意识、培养善于总结表达的能力，增强提出问题和接受批评的修养等交流过程的实施，将会大幅度提高我国学生的科学素养。
四 科技发展与探究过程
学生从小学到大学，受到科学教育的情况是：
①“科学”（包括专业分科）课程的内容绝大多数是19世纪都已得到解决的基础知识；
②当时科学家历尽艰苦的实验与思考得到的定理、原理，现在看来是习以为常和很容易复现的事情了，探索的过程已成为历史；
③当时的科学研究往往是科学家的个人行为，实验设备的要求也不高，探究过程的轨迹很清晰；现代的科学研究是很多科学家分工明确的集体行为，要求团队意识与合作精神，要有沟通交流与正确处理利益、荣誉和伦理等问题，导致很多有意义的探究过程很难归纳；
④…………。
正因为学校科学教育的知识点还没有（或比较少）涉及现代科学，学生对研究的技术化趋势和物理学所支持的各种新技术之间的密切结合的了解也很少。
回顾一下自从量子力学建立以后物理科学的发展无论怎样丰富多彩，但是在质的深化方面却没有划时代的成果，因为很难找到全局性和根本性规律的新发现。现在的情况是基本的定律和方法已经存在，多数的研究是属于如何应用和解决具体问题。在这种意义上，可以说现代物理学的研究多数都是技术性的。即使在探索基本粒子理论这种基础的高能物理学领域内，研究人员承担着庞大而复杂的装置的研制和运转等技术工作，即使对数据的理论计算也是接近于技术性的处理。同样，探月的地月转移轨道共有四种可行方案，它们的轨道参数都已计算得清清楚楚，至于选择哪一种则取决于能源、测控精度和安全系数等技术因素。再如月球表面照片的分辨率，不完全在于CCD的像元数的多少，而是取决于像元的灵敏度、图像处理、数据压缩和传输速度，以及环境等。由此可见，在现代科学技术条件下，科学探究的过程中的观察和提问：“为什么？”，更多的变成技术性的问题：“怎么办？”了。于是乎，疑问和猜想常被可行性论证和技术途径等不可或缺的重要过程所替代了。
就现代物理学而言，新的发现很难，社会更需要新的发明。发现与发明不同之处在于，发现是对自然界或其客观规律的新认识，发明则是对现有生产技术进行变革所取得的科学技术新成就。许多引发科学和技术革命的重大发明并不来自当时社会生产的直接需求，而是在生产和技术提供的整体背景上，出现在科学实验室的探究之中。另一个现状是当大部分的科学问题已经得到很好的认知后，发现的好奇心便会转向诸如天体运动、大爆炸理论、宇宙和时空的起源、四种相互作用力（引力、强力、弱力和电磁力）的统一、最基本的物质形态、基本粒子等等问题。
在这种当代科学特点和研究技术化趋势下的探究过程，与哈伦和詹利总结的七大过程在总体的角度看可能一致，但在局部范围和重点上便有较大的不同。
五 对探究性教学的几点认识
关于探究的定义、目的、形式、要求、理解和评价，以及认识的误区等已有很多的论述，这里只就一些普为关注的问题作原则上的简要讨论：
1．探究是一种学习的方式和活动，在学习新的科学知识的过程中，涉及到观察现象；提出问题；利用信息资源调研；设计可行的研究方案；严格精确的实验；分析和处理原始数据；得出答案与解释；撰写论文并接受检验。探究的驱动力是一个人的好奇心、疑惑、兴趣，或是要理解现象、解决问题的热情。
2．探究性学习的特点是让学生经历和体会科学探究的过程，让学生学到科学知识和概念的同时，又要提高他们科学的创造性思维和逻辑思维能力。如果只是简单地学习诸如“假设”、“推论”这样的术语、定义或者记忆诸如“科学探究的七大步骤”这样的过程，不但不可能理解探究的意义，也学不好科学知识。这两者必须密切结合，互相促进，缺一不可。否则，要不就是学到一些具体的但不能融会贯通的科学知识，要不就是只有空洞的概念而不会解决问题。
3．科学探究性学习是鼓励学生积极参与所经历的各个过程，也就是“做中学”，“做”是让学生“动手干”、“动脑想”、“用眼看”、“用耳听”……。在参与（收集资料、设计实验、做计划、实验、原始记录的数据处理、撰写科学报告等）中引导他们独立思考和解决问题。逐步形成从质疑到反思的科学思维习惯，从而理解和学习科学的思想和方法。由于探究的过程是随教学具体内容而改变，所经历的探究过程和呈现的顺序也不同。学生在学习期间经过大大小小、形式多样的探究过程，逐步形成并不断巩固从质疑到反思的科学思维习惯，从而理解、掌握和应用科学的思想和方法去应对今后的问题。
4．“教与学的指南”一书指出：“从一个小孩想知道蚂蚁如何在地下生活，到一组物理学家探寻新的粒子，都可称为探究。”这就意味着与新的学习科学理论——“问题解决”相一致。可见“探究”十分平常，并不神秘，只不过是解决问题而已。“一个小孩想知道蚂蚁如何在地下生活”的“问题解决”有很多途径，譬如他去挖掘一个蚁穴（自主探究）；父亲和他一起去挖掘一个蚁穴（有指导的探究）；听老师讲课或看“动物世界”的电视节目（直接获得知识）；听课或看电视后去挖掘一个蚁穴（实验验证）；挖掘一个蚁穴后看电视或上课（解惑提高）等等方式，这些探究的立意、过程、所用时间和方法都不相同，收效也不会一样，所以也为教师设计探究过程提供了很大的空间。
5．探究性教学应理解是一种艺术行为，它不是唯一的和不变的形式，因此需要高水平教师的精心设计和编排，需要师生的共同努力，在教学过程中形成积极的互动。要避免随心所欲完全开放的教学实践。教师要在学生自主学习的基础上起到指导和促进作用，将教学实践按照预先设计好的“概念性的框架”下面进行，带领学生完成艺术化完美的教学过程。
6．在讲解探究时常会引进科学史，但要避免对科学传奇故事的过分渲染，如牛顿的苹果、瓦特的壶盖、阿基米德的洗澡和伽利略的斜塔实验等。虽然这些故事使学习变得有趣，但对深入理解科学理论并不有益，因为它过分强调科学发展的偶然性、机遇性，忽略了历史条件、背景、必然性和科学的继承性。同样，对探究的故事也不要编写得太完满（如前述“树为什么会死亡”的案例），其理相同。
7．在探究性教学所经历的每一个活动过程中，学生自主探究的程度越多，探究就越开放；如果教师给定得越多，则指导的程度就越多。学生自主探究的程度不应是评价的标准；不能片面地追求前者，要根据课程的内容、条件和时间来选择；对于低年级的学生应多采用后者，高年级学生宜多采用前者，让学生有一个循序渐进、学习提高的过程。另一方面，探究教学的开放程度也取决于客观条件，例如班级的学生数（是20名还是60名），学校的地区差别和教学资源的不同等等，探究教学就要因地制宜了。
8．探究性教学要求教师理解探究的意义，并采用新的观念和思维方式、新的技术手段、新的教学行为来实现。不要认为只要教师的观念和思维方式转变了，就能用“探究”来改进教学实践。研究表明，只有教师在尝试新的教学方法时，发现学生的思考能力和学习效果有所提高，尝到了甜头后，这时教师的观念和态度才会真正实现这个转变。由此可见贯彻探究性教学至关重要之处在于：教师对教改的积极性和实践的重要性。
六 结语
探究可以看作是“问题解决”，探究性教学是用“问题解决”的方法学习科学；“问题解决”的方法很多，探究性教学也没有固定的程式，所列的具体过程只是提供参考。探究性教学需要教师精心编排，师生配合和互动，是创造性的但也不是唯一的教学方式。探究性学习的特点是让学生重在参与，在经历和体会科学探究的过程中，让学生学到科学知识和概念的同时，又要提高他们科学的创造性思维和逻辑思维能力，达到激发和保护学生的好奇心与求知欲的目的。面对科学发展、技术进步、知识爆炸的现实；科学的社会化和社会的科学化的特征；以及知识结构的变化，探究性教学的方式、内涵和立足点也必然有所改变和创新。
毋庸置疑，探究性教学是学习科学非常有效的手段和方法，又极富有创造性，需要在不断的教学实践过程中总结、交流和提高。
参考文献：
[1] 国家研究理事会[美].国家科学教育标准.科学技术文献出版社，1999
[2] 国家研究理事会的科学、数学及技术教育中心[美]，美国“国家科学教育标准”科学探究附属读物编委会.科学探究与国家科学教育标准——教与学的指南.科学普及出版社，2004
[3] 韦钰, P. Rowell[加].探究式科学教育教学指导.教育科学出版社，2005
[4] 美国国家科学基金会教育与人力资源部中小学及校外教育处.探究——小学科学教学的思想、观点与策略.人民教育出版社，2003
[5] 霍益萍，王建军.科教合作——高中科学教师培训新探索.科学普及出版社，2007
[6] 张开逊.回望人类发明之路.北京出版社，2007
[7] 广重彻.物理学史[日].求实出版社，1988
[8]“On Being A Scientist”----Committee on Science, Engineering,and Public Policy
[9]L. Viennot.Reasoning in physics.Kluwer.Academic Publishers，2001
陈佳圭 中国科学院物理研究所 北京市 100190
（发表于：“物理教学探讨”，Vol.26 ，No.315，(2008 No.5)
