生物學(xué)核心素養(yǎng)視角下的科學(xué)探究

楊 銘 劉恩山

（北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100875）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》明確將生物學(xué)核心素養(yǎng)作為課程宗旨，指出“生命觀念”“科學(xué)探究”“理性思維”和“社會(huì)責(zé)任”是本學(xué)科核心素養(yǎng)的基本組成。科學(xué)探究的重要作用和地位再次受到高度重視，始于世紀(jì)之初的生物學(xué)教學(xué)改革方向得到保持和加強(qiáng)。進(jìn)一步加深對(duì)科學(xué)探究的認(rèn)識(shí)、從學(xué)科核心素養(yǎng)的角度全面提高探究教學(xué)的效率，是落實(shí)課程標(biāo)準(zhǔn)要求的關(guān)鍵。

1 科學(xué)探究在中、外理科課程中均得到高度重視的原因

從孩童時(shí)候開(kāi)始，人們就會(huì)困惑于一些自然現(xiàn)象。這種與生俱來(lái)的好奇心產(chǎn)生強(qiáng)烈的求知或探索欲望，正是自然科學(xué)產(chǎn)生和發(fā)展的動(dòng)因。人們提出問(wèn)題并尋求答案的過(guò)程，既滿足好奇心，也是認(rèn)識(shí)物質(zhì)和生命世界的探索過(guò)程及發(fā)現(xiàn)新知識(shí)的途徑。

正是由于兒童具有尋求周?chē)澜绾x和理解的天然傾向，科學(xué)教育應(yīng)增強(qiáng)學(xué)習(xí)者對(duì)周?chē)澜绲暮闷?、欣賞和探詢［1］。在生物學(xué)及理科課程中，學(xué)生不僅應(yīng)掌握科學(xué)知識(shí)，還應(yīng)學(xué)會(huì)利用他們對(duì)知識(shí)的理解開(kāi)展科學(xué)探究，從而認(rèn)識(shí)自然世界［2］?；谶@樣的認(rèn)識(shí)，國(guó)內(nèi)、外科學(xué)課程的研究和設(shè)計(jì)人員都在基礎(chǔ)教育理科課程中將科學(xué)探究置于重要地位。

美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)1996年公布的《國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中詳細(xì)闡明了科學(xué)探究教與學(xué)的主要組成部分，強(qiáng)調(diào)各學(xué)段所有年級(jí)的學(xué)生都應(yīng)有機(jī)會(huì)進(jìn)行科學(xué)探究，并培養(yǎng)其探究性思維和探究性活動(dòng)的能力［3］。

我國(guó)《基礎(chǔ)教育課程改革綱要（試行）》明確提出，要在教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立性和自主性，引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑、調(diào)查和探究［4］。教育部在新世紀(jì)之初頒布的各門(mén)自然學(xué)科的課程標(biāo)準(zhǔn)也要求開(kāi)展以探究為核心的教學(xué)［5］。例如，2003年教育部公布的《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（試驗(yàn)稿）》明確提出，高中生物學(xué)課程的核心任務(wù)是在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高學(xué)生的生物學(xué)素養(yǎng)，將“倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)”作為課程理念，建議教師運(yùn)用以探究為核心的多樣化教學(xué)方式，推進(jìn)學(xué)生在動(dòng)手和動(dòng)腦的學(xué)習(xí)活動(dòng)中全面達(dá)成課程目標(biāo)［6］。

當(dāng)今，各國(guó)都將科學(xué)探究放在科學(xué)課程的核心地位，科學(xué)探究在今后的科學(xué)教育中也會(huì)對(duì)教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起到?jīng)Q定性作用。

2 深入理解科學(xué)探究

科學(xué)并不是靜止的，科學(xué)理論是與支持它的證據(jù)有關(guān)的，因而當(dāng)新的證據(jù)出現(xiàn)時(shí)，理論可以改變?？茖W(xué)是人類(lèi)活動(dòng)的產(chǎn)物，包含了人的創(chuàng)造性和想象力，以及收集數(shù)據(jù)、解釋數(shù)據(jù)以獲取證據(jù)的過(guò)程［1］。科學(xué)探究是科學(xué)工作的核心和基本范式。

學(xué)生在學(xué)校學(xué)習(xí)科學(xué)也應(yīng)以活動(dòng)的方式進(jìn)行，這種活動(dòng)是一種包括學(xué)生本人參與的實(shí)踐活動(dòng)——他們親歷發(fā)現(xiàn)過(guò)程，將新的經(jīng)驗(yàn)與過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系，這不僅能給他們帶來(lái)激情和快樂(lè)，而且能通過(guò)主動(dòng)探究增加他們的知識(shí)［1］?？茖W(xué)探究也被認(rèn)為是學(xué)習(xí)科學(xué)的有效途徑。

科學(xué)探究是指科學(xué)知識(shí)發(fā)展的方法和活動(dòng)。根據(jù)美國(guó)國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)（NRC，1996），科學(xué)探究包括觀察，提出問(wèn)題，查閱書(shū)籍或其他信息確認(rèn)已有信息，設(shè)計(jì)觀察方案，根據(jù)實(shí)驗(yàn)證據(jù)修正已有信息，使用工具收集、分析和解釋數(shù)據(jù)，提出答案，解釋和預(yù)測(cè)，與別人交流結(jié)果等?？茖W(xué)探究需要檢驗(yàn)假設(shè)，使用批判性思維和邏輯思維，并評(píng)價(jià)多種解釋?zhuān)?］。

科學(xué)探究是指科學(xué)家通過(guò)研究所得的證據(jù)了解自然世界并作出解釋的多種方法?？茖W(xué)探究也指學(xué)生獲取知識(shí)、理解科學(xué)概念、理解科學(xué)家如何工作的學(xué)習(xí)活動(dòng)［7］。如此描述科學(xué)需要擺脫將科學(xué)看作僅僅是知識(shí)積累的觀點(diǎn)，而需要理解科學(xué)本質(zhì)，即科學(xué)概念的發(fā)展過(guò)程和價(jià)值［7］。

真實(shí)的科學(xué)探究是科學(xué)家在科學(xué)研究中進(jìn)行的。拜比（Bybee）指出科學(xué)探究包括3個(gè)方面的意思，①科學(xué)探究開(kāi)展的方法；②科學(xué)探究的本質(zhì)；③科學(xué)教學(xué)的方法［8］。

庫(kù)恩（Kuhn）認(rèn)為科學(xué)探究分為3個(gè)階段，分別是探究、分析和推理。在真實(shí)的科學(xué)探究全部過(guò)程中，探究過(guò)程是最重要的階段。學(xué)生會(huì)在此階段發(fā)現(xiàn)活動(dòng)的意義。若想開(kāi)展有意義的科學(xué)探究活動(dòng)，必須讓學(xué)生相信有些值得發(fā)現(xiàn)的知識(shí)，且這些知識(shí)與他們已經(jīng)知道的知識(shí)不同，他們參與探究活動(dòng)的目的是為了發(fā)現(xiàn)這些知識(shí)，并與他們已經(jīng)知道的知識(shí)相結(jié)合［9］。分析是指收集到證據(jù)之后檢驗(yàn)和解釋證據(jù)［9］。推理是根據(jù)已有的證據(jù)針對(duì)提出的問(wèn)題給出答案［9］。

科學(xué)探究是一種學(xué)習(xí)方式，它涉及探索自然或物質(zhì)世界的過(guò)程，在尋求新的理解的過(guò)程中，它促使人們提出問(wèn)題，獲得證據(jù)并對(duì)這些證據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)?？茖W(xué)教育中的科學(xué)探究應(yīng)盡可能反映科學(xué)研究工作的真實(shí)情況［10］。

作為生物學(xué)核心素養(yǎng)，科學(xué)探究是指學(xué)生能針對(duì)有價(jià)值的問(wèn)題、疑問(wèn)、難題或想法進(jìn)行研究、基于好奇與困惑理解生命世界和構(gòu)建知識(shí)的意愿和能力。

3 從生物學(xué)核心素養(yǎng)的視角理解科學(xué)探究

從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，科學(xué)探究就在眾多國(guó)家的科學(xué)課程中加以推廣，被普遍認(rèn)為是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的有效策略?？茖W(xué)探究對(duì)于學(xué)生掌握科學(xué)概念，參與科學(xué)實(shí)踐，理解科學(xué)本質(zhì)，成為獨(dú)立的思考者和學(xué)習(xí)者都有重要作用。

3.1 科學(xué)探究幫助學(xué)生理解科學(xué)概念 科學(xué)探究重視學(xué)生本能的學(xué)習(xí)沖動(dòng)，探究的過(guò)程可為學(xué)生提供學(xué)習(xí)所需的直接反饋和親身體驗(yàn)，使他們能形成新的、持久的對(duì)外部世界的理解［10］。在生物學(xué)課程中，學(xué)生“對(duì)外部世界的理解”主要聚焦在對(duì)本學(xué)科重要概念的理解和掌握。因此，科學(xué)探究是學(xué)生生物學(xué)課程中不可或缺的部分。

參與科學(xué)探究有助于學(xué)生理解科學(xué)知識(shí)的發(fā)展過(guò)程，直接參與科學(xué)探究過(guò)程可讓學(xué)生認(rèn)同多種用于研究、建模和解釋世界的方法，還可讓學(xué)生更好地理解科學(xué)知識(shí)，并深刻地體現(xiàn)在學(xué)生的世界觀中［11］。在課堂教學(xué)中開(kāi)展科學(xué)探究，要幫助學(xué)生建立生物學(xué)觀點(diǎn)和重要概念，促進(jìn)學(xué)習(xí)效率的提高與概念理解的深化。在生物學(xué)課程中，科學(xué)探究既是學(xué)習(xí)內(nèi)容又是學(xué)習(xí)方式。我國(guó)《義務(wù)教育初中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》將科學(xué)探究作為一個(gè)內(nèi)容主題，具體描述了學(xué)生需要掌握的關(guān)于科學(xué)探究的概念，是科學(xué)探究作為學(xué)習(xí)內(nèi)容的典型體現(xiàn)。這樣的認(rèn)識(shí)和做法在國(guó)外課程中也較為常見(jiàn)。作為一種主動(dòng)學(xué)習(xí)的方式，科學(xué)探究不僅能幫助學(xué)生構(gòu)建生物學(xué)知識(shí)，也促進(jìn)他們對(duì)科學(xué)探究的理解。

3.2 科學(xué)探究是科學(xué)實(shí)踐的重要部分 科學(xué)是解釋世界的方式?？茖W(xué)教育的重要部分就是讓學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)和工程學(xué)實(shí)踐，以及培養(yǎng)基本的科學(xué)概念［2］。同時(shí)，受過(guò)教育的公民應(yīng)理解科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程［2］。在生物學(xué)課堂上安排適當(dāng)?shù)目茖W(xué)探究，可讓學(xué)生很好地理解科學(xué)家的實(shí)踐，包括確定變量，觀察現(xiàn)象，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、觀察方案、收集數(shù)據(jù)方案，構(gòu)建工具，參與實(shí)地調(diào)查等多種過(guò)程［11］，讓他們親身體驗(yàn)科學(xué)家是如何探究世界的。當(dāng)今科學(xué)教育廣泛使用“科學(xué)實(shí)踐”的術(shù)語(yǔ)，其內(nèi)涵完全包容了科學(xué)探究的內(nèi)容，并加入了工程學(xué)實(shí)踐的要素。

作為一種學(xué)習(xí)成果，科學(xué)探究滲透了生命科學(xué)工作范式和工程學(xué)設(shè)計(jì)的習(xí)慣，學(xué)生一旦掌握，將會(huì)在這2類(lèi)實(shí)踐活動(dòng)中變得富有活力，包括更深入地理解科學(xué)知識(shí)，以及對(duì)于科學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)和數(shù)學(xué)（STEM）事業(yè)有積極的認(rèn)知和參與。如今，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)著社會(huì)高速前進(jìn)，創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力是對(duì)STEM領(lǐng)域的工作人員的基本要求。能夠了解并開(kāi)展科學(xué)探究是學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力的標(biāo)志性學(xué)習(xí)成果，對(duì)于他們?nèi)蘸蟛饺肷鐣?huì)有著重要的作用。

3.3 科學(xué)探究有助于學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì) 高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中提出了關(guān)于發(fā)展學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀的建議。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求，教師需要在教學(xué)中幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解科學(xué)本質(zhì)［9］。

理解科學(xué)本質(zhì)是科學(xué)素養(yǎng)的基本內(nèi)容之一，也是許多國(guó)家在基礎(chǔ)教育理科課程中的要求?？茖W(xué)本質(zhì)是指科學(xué)知識(shí)的價(jià)值和固有的假設(shè)，包括科學(xué)研究的影響和局限等。美國(guó)國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)在這一方面提出了明確的要求，包括學(xué)生應(yīng)理解科學(xué)是什么，科學(xué)能解決什么問(wèn)題，科學(xué)對(duì)文化有什么貢獻(xiàn)。

科學(xué)本質(zhì)的知識(shí)屬性是科學(xué)哲學(xué)的范疇，如果以簡(jiǎn)單的講授方式授課，學(xué)生常難以理解。采用科學(xué)探究的方式，可使學(xué)生體驗(yàn)親歷發(fā)現(xiàn)的快樂(lè)，并開(kāi)始了解科學(xué)活動(dòng)的本質(zhì)、科學(xué)的威力和局限性［1］；在探究活動(dòng)的討論和反思環(huán)節(jié)，也是讓學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)形式［12］?？茖W(xué)探究已被認(rèn)為是科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的有效策略。

3.4 科學(xué)探究讓學(xué)生成為獨(dú)立的思考者、學(xué)習(xí)者主動(dòng)的學(xué)習(xí)者是成功的學(xué)習(xí)者。探究學(xué)習(xí)是生物學(xué)課程中具有標(biāo)志性的主動(dòng)學(xué)習(xí)方式。科學(xué)探究活動(dòng)讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何學(xué)習(xí)，掌握探究技能的學(xué)生可為自己的學(xué)習(xí)負(fù)責(zé)，他們選擇最希望研究的問(wèn)題開(kāi)展研究然后尋找答案［9］。

在探究學(xué)習(xí)中，生物學(xué)教師要幫助學(xué)生成為真正懂得思考的人，能自主地為自己的問(wèn)題尋求答案?？茖W(xué)探究策略優(yōu)于其他傳統(tǒng)講授方式，因?yàn)樗寣W(xué)生參與到對(duì)真實(shí)現(xiàn)象的真實(shí)研究中，并在獲取新知識(shí)的過(guò)程中發(fā)展他們的智力技能。

4 在生物學(xué)課堂中開(kāi)展科學(xué)探究教學(xué)

在生物學(xué)課堂開(kāi)展科學(xué)探究教學(xué)不同于教授-演示的教學(xué)方式，在教學(xué)過(guò)程中需要結(jié)合多種策略和技能?？茖W(xué)探究的教學(xué)也不是遵循既定的步驟，按部就班地展開(kāi)工作的固定套路，相反，它是一個(gè)非線性的過(guò)程，鼓勵(lì)學(xué)生提出真正的科學(xué)問(wèn)題。課堂上，學(xué)生所有假設(shè)性的回答都受到重視并經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的實(shí)踐研究?；谶@樣的思路，提出如下建議。

4.1 讓學(xué)生擁有適度的自主權(quán)，動(dòng)腦、動(dòng)手相結(jié)合 探究教學(xué)的課堂管理屬性是以學(xué)生為中心，即學(xué)生要有更多的機(jī)會(huì)和時(shí)間參與思考、觀察、動(dòng)手、記錄和交流等活動(dòng)。這樣，教師在探究教學(xué)過(guò)程中應(yīng)允許學(xué)生擁有適度的自主權(quán)，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)接觸他們感興趣的問(wèn)題，并尋找合適的途徑解答這些問(wèn)題，有機(jī)會(huì)表達(dá)和交流。但這并不意味著每個(gè)學(xué)生都從自己的問(wèn)題出發(fā)進(jìn)行工作或獨(dú)立地進(jìn)行科學(xué)探究。富有成效的探究活動(dòng)也可由全班學(xué)生就同一個(gè)問(wèn)題開(kāi)展探究活動(dòng)，或是分小組探究不同的問(wèn)題。在每個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)間安排上，教師也要收放有度。

在探究式教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)中，教師應(yīng)明確規(guī)劃讓學(xué)生掌握什么科學(xué)概念，允許學(xué)生探究活動(dòng)的不同和多樣，承認(rèn)對(duì)于同一個(gè)問(wèn)題可能存在多種解決方法［10］。

在教學(xué)實(shí)踐中，有的教師認(rèn)為“生物學(xué)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)，生物學(xué)教學(xué)要強(qiáng)化動(dòng)手實(shí)驗(yàn)”。這樣的認(rèn)識(shí)和表述本身并無(wú)不妥，但如果將“動(dòng)手”等同于“實(shí)驗(yàn)”就可能出現(xiàn)偏差。因?yàn)?，?qiáng)調(diào)動(dòng)手并不總能保證科學(xué)教學(xué)的有效性，強(qiáng)調(diào)動(dòng)手的學(xué)習(xí)活動(dòng)不一定就是探究活動(dòng)。在探究活動(dòng)中，學(xué)生應(yīng)有機(jī)會(huì)提出自己的問(wèn)題，計(jì)劃、設(shè)計(jì)并開(kāi)展科學(xué)探究活動(dòng)從而回答其中的一些問(wèn)題，有充足的時(shí)間思考問(wèn)題、互相交流，以發(fā)展他們的概念并為自己的發(fā)現(xiàn)辯護(hù)［10］。通過(guò)動(dòng)手、動(dòng)腦相結(jié)合，解決問(wèn)題促進(jìn)生物學(xué)概念形成是課堂探究學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。

4.2 教師發(fā)揮積極的促進(jìn)作用 生物學(xué)教師要有意識(shí)地設(shè)計(jì)和實(shí)施課堂上的科學(xué)探究活動(dòng)，并提供必要的課堂環(huán)境和良好氛圍。

教師在探究式課堂教學(xué)中起積極的促進(jìn)作用。作為促進(jìn)者或向?qū)?，教師要精心確定一系列“大概念”作為概念性知識(shí)的框架，學(xué)生可基于這一框架開(kāi)展科學(xué)探究活動(dòng)。這種概念性知識(shí)的框架是指導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)科學(xué)概念的基礎(chǔ)［10］，也是教師在備課中充分準(zhǔn)備和授課中應(yīng)注意把控的要點(diǎn)。

教師應(yīng)創(chuàng)造豐富的教學(xué)資源環(huán)境，學(xué)生在這種環(huán)境中學(xué)會(huì)如何組織和使用學(xué)習(xí)材料。教師還要營(yíng)造一個(gè)能促進(jìn)學(xué)生參與探究的課堂氛圍、校園文化和社會(huì)支持的環(huán)境，使學(xué)生能在這種環(huán)境中以小組或大組的形式進(jìn)行合作，積極參與對(duì)話并學(xué)會(huì)尊重別人的看法，同時(shí)也能夠得到其他教師、家長(zhǎng)和社區(qū)的認(rèn)可。

4.3 對(duì)科學(xué)探究進(jìn)行評(píng)價(jià) 在科學(xué)探究活動(dòng)中，學(xué)生的工作記錄和由教師作出的評(píng)價(jià)結(jié)果都能成為了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況的基礎(chǔ)［10］。

教師應(yīng)針對(duì)學(xué)生在探究活動(dòng)中的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，例如測(cè)量、觀察、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、問(wèn)題解決等。學(xué)生在思維和推理技能方面所達(dá)到的水平也應(yīng)成為評(píng)價(jià)的內(nèi)容，即學(xué)生是否得到了有效的結(jié)論、是否選擇了恰當(dāng)?shù)姆椒?、是否認(rèn)識(shí)到自然界具有規(guī)律性等。此外，評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)科學(xué)概念、科學(xué)內(nèi)容的理解也很重要［10］。

4.4 為教師提供多方面的支持 在開(kāi)展探究教學(xué)和探究學(xué)習(xí)過(guò)程中，政府、學(xué)校、教師及家庭都扮演著重要的角色。因此，期待生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)在課堂中落實(shí)、教師能有效地進(jìn)行科學(xué)探究教學(xué)，除了教師應(yīng)作出改變，也需要各方面的支持和改變［13］。 具體包括：

·為教師提供針對(duì)科學(xué)探究教學(xué)的高質(zhì)量專(zhuān)業(yè)發(fā)展課程；

·政策的幫助和支持；

·提供多種教學(xué)材料和設(shè)備；

·讓父母和社會(huì)公眾意識(shí)到科學(xué)探究的重要性；

·在各個(gè)學(xué)科推廣科學(xué)探究作為教學(xué)方式和解決問(wèn)題的方法［13］。

通過(guò)科學(xué)探究開(kāi)展生物學(xué)教學(xué)需要新的教學(xué)手段，教師和社會(huì)、學(xué)校、家庭都必須擔(dān)負(fù)起相應(yīng)的職責(zé)。只有通過(guò)政策的鼓勵(lì)和支持、家庭的認(rèn)可和協(xié)助、學(xué)校提供必要的教學(xué)材料和設(shè)備、教師的精心設(shè)計(jì)和引導(dǎo)，科學(xué)探究教學(xué)才可能在生物學(xué)課堂得以順利實(shí)施。只有成功地開(kāi)展科學(xué)探究教學(xué)，才能讓學(xué)生真正理解、認(rèn)同、主動(dòng)參與到生物學(xué)課程的學(xué)習(xí)中，發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。