STEM 教育的教學(xué)法案例（三）

向世清，博士，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員。長期從事激光物理與工程技術(shù)的前沿研發(fā)，是參與產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略與決策咨詢、基礎(chǔ)教育改革咨詢、科技創(chuàng)新中心發(fā)展戰(zhàn)略設(shè)計(jì)等多領(lǐng)域戰(zhàn)略專家，也是上海市最為活躍的科技創(chuàng)新教育專家之一。

本講我們將給出第3 種類型的STEM 教育的教學(xué)法案例。我們的體例仍然簡單遵循九步法的直接對照說明（再次請大家一直將九步法框架存在腦海中）。

案例類型三：科學(xué)（自然）問題探究型

這一類型是我們?nèi)祟悓ψ匀唤绫澈蟮目茖W(xué)規(guī)律與機(jī)制進(jìn)行探究和研究并最終獲得解釋和揭秘的基本概念，又可稱為科學(xué)規(guī)律發(fā)現(xiàn)型或研究型。狹義的科學(xué)研究正是指的這一內(nèi)涵性概念，它同時也是構(gòu)成后續(xù)人類形成技術(shù)和工程成果的前期準(zhǔn)備和根本基礎(chǔ)。在基本意義上，這一類型與工程問題的解決類型共同構(gòu)成人類科技探索的整體范疇。

科學(xué)探究的本質(zhì)是以大自然為對象（現(xiàn)在也可包括社會科學(xué)探究，它以人類社會和人自身的規(guī)律為對象。但就學(xué)生的知識建構(gòu)過程看，早期應(yīng)盡量以探究自然規(guī)律為好），通過探究和研究過程，認(rèn)識自然界的本質(zhì)、現(xiàn)象背后的原因，以及事物發(fā)展變化乃至演化的規(guī)律。自然界的現(xiàn)象從簡單到復(fù)雜，需要逐步認(rèn)知，這一認(rèn)知過程正是學(xué)生科學(xué)認(rèn)知逐步成長的過程。尤其在當(dāng)今科技高度發(fā)達(dá)的時代，人類已經(jīng)對大自然有了一定的了解和解釋能力，但仍然還處于相對未知的階段（較為可靠的說法，自然界還有超過90% 的內(nèi)容未被我們?nèi)祟愓J(rèn)知），所以我們更需要學(xué)生不僅掌握已經(jīng)建立的認(rèn)知（這是適應(yīng)當(dāng)前科技時代的基礎(chǔ)），而且建構(gòu)起進(jìn)一步認(rèn)知未知的習(xí)慣、方法和愿望（這是人類依靠現(xiàn)有的青少年在未來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)發(fā)展的根本）。在中小學(xué)的STEM 教育中，利用這一類型實(shí)現(xiàn)科技教育乃至創(chuàng)新教育的意義是十分基礎(chǔ)性的，不僅是為了讓學(xué)生認(rèn)識科技，更是為了讓學(xué)生能夠?qū)W會使用以已有認(rèn)知探究更多未知的基本方法、思維和套路，甚至更是為了在早期盡早讓學(xué)生建立科學(xué)探究的習(xí)慣。

簡單而言，科學(xué)探究是通過合適的觀察、測量、實(shí)驗(yàn)和分析，將自然界的事物或者現(xiàn)象所基于的“是什么”和“為什么”予以了解、證實(shí)和確認(rèn)，其結(jié)果是最后知道“那是什么”和“那為什么”，以及“這樣的話又代表了什么或還能怎樣變化”。我們已有的科學(xué)就是通過逐步解決這樣的問題，所以到目前為止我們已了解了自然界如天氣、運(yùn)動、樹木等，以及伴隨的各類現(xiàn)象。一個孩子一生下來，他最必要的就是要逐步認(rèn)識周圍的世界，而認(rèn)知的過程就是逐步探究的過程。不能認(rèn)知自然界的人最終是無法很好地生活于這個世界的（這其實(shí)也說明了學(xué)習(xí)基本物理的必要性和重要性。我國現(xiàn)有的教育中因?yàn)橐挚茟?yīng)試，導(dǎo)致最終物理課可以不學(xué)，這是很荒唐的事情）。

科學(xué)（自然）問題的解決更是任何一名學(xué)生需要建立的知識及其應(yīng)用能力的基礎(chǔ)內(nèi)容。無論是當(dāng)前的哪一學(xué)科，對此都有同樣的要求，而在最終，關(guān)于科學(xué)的認(rèn)知必須合而為一，因?yàn)橐忉尩氖澜缢环挚?。所以，科學(xué)問題的解決以解決為目標(biāo)，可以基于不同學(xué)科的早期或階段性單獨(dú)認(rèn)知，但最終卻是必須形成綜合歸一的整體解釋。這就要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，一開始就遵循科學(xué)的方法，然后將跨學(xué)科、學(xué)科融合內(nèi)置于過程的適當(dāng)階段，最終完成更為符合自然規(guī)律的客觀認(rèn)知。這一要求，不僅適用于學(xué)生對已有科學(xué)的探究，而且適用于對未知的更多探索。

在科學(xué)問題的探究中，在沒有現(xiàn)成規(guī)律可以解釋所遭遇到的新現(xiàn)象時，一個必需的要求就是首先建立一個“假說”，這是解決科學(xué)問題的核心要點(diǎn)。然后，基于假說展開驗(yàn)證和論述，嘗試采取各種手段和方法最終說明假說的正確與否（不正確的則要么重新假說，要么嘗試新的驗(yàn)證），最終達(dá)成科學(xué)問題的解決，并可能直接形成科學(xué)性規(guī)律的總結(jié)，例如定律或者定理（或新定律與新定理系統(tǒng)）等。這也是一個在教育中需要逐漸遞進(jìn)完成的教學(xué)內(nèi)容?；谶@一過程，學(xué)生的知識逐漸累積并進(jìn)一步建立融會貫通，最終可實(shí)現(xiàn)知識的增進(jìn)、拓展和創(chuàng)新。這里，解決問題的方法論的逐步建立同樣最為關(guān)鍵，比知識建構(gòu)更為重要。一個學(xué)生只要逐漸掌握了這些方法論，就會形成類似于從小就會發(fā)現(xiàn)奧秘、長大后就可以探索太空的能力基礎(chǔ)和素養(yǎng)。

為給出一個特別典型化的科學(xué)問題解決的案例，我們選擇“向日葵向陽性的定量探究”作為主題設(shè)計(jì)。和前述2 個例子有所區(qū)分，這個案例選擇針對高中生水平能級的教案予以呈現(xiàn)，但這仍不會失去同樣為了更多的導(dǎo)師或教師可在不同知識程度水平上都能理解案例的要求。

向日葵向陽是非常簡單的自然界現(xiàn)象，但是其向陽的偏轉(zhuǎn)準(zhǔn)確性是否完全跟著太陽而動呢？大部分人是不知道的。于是，針對高中生，這里將向日葵對太陽的角度偏轉(zhuǎn)跟隨準(zhǔn)確性作為定量探究對象。在一開始，我們并不知道其跟隨如何，所以可以假設(shè)其是連續(xù)的角度偏轉(zhuǎn)和實(shí)時的跟隨，這一假設(shè)就是我們的假說（不同的高中學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)假設(shè)具有不同的跟隨規(guī)律，如圖1）。然后，對太陽的轉(zhuǎn)動和向日葵跟隨轉(zhuǎn)動的情況分別測量，繼而進(jìn)行同時刻的轉(zhuǎn)動結(jié)果比對，并最終得出跟隨的規(guī)律究竟是怎樣的（這里的方法也可以不是比對轉(zhuǎn)動角度，例如可以測其他的巧妙地可以轉(zhuǎn)換成角度偏轉(zhuǎn)的量，可讓學(xué)生設(shè)計(jì)更多測試比對的實(shí)驗(yàn)方式）。在不同的探究方式和比對結(jié)果下，在定量分析的基礎(chǔ)上，學(xué)生可更好地完成這一過程中的定量科學(xué)探究的方法論。

實(shí)際上，這個過程看似簡單，但因存在許多測量方法和比對方法，甚至一開始都可以具有不同的假設(shè)，所以這一教學(xué)案例仍需要進(jìn)行更好的教學(xué)方式設(shè)計(jì)和過程選擇。以下，我們按照九步法簡明地給出“教案”。特別強(qiáng)調(diào)，這里不能要求“標(biāo)準(zhǔn)答案”過程和方式（更多的變通和過程正是培育學(xué)生自主思考、設(shè)計(jì)和創(chuàng)意的好教學(xué)載體哈）。

總體來說，對于科學(xué)問題探究的教學(xué)設(shè)計(jì)，應(yīng)圍繞理論研究的方法、內(nèi)涵與過程展開。其中，對于前人如何由現(xiàn)象得到規(guī)律的歷史著名事件等應(yīng)加以引導(dǎo)學(xué)習(xí)和引發(fā)感悟。過程中更應(yīng)特別注意以合適的探究方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化數(shù)據(jù)處理支撐教學(xué)過程（否則就變成按菜譜進(jìn)行固定性實(shí)驗(yàn)了）。教師的作用仍始終是輔助和協(xié)助學(xué)生優(yōu)化實(shí)施，并盡可能放寬在假說階段和探究方法上的干預(yù)。