再谈科学探究及其教学

摘要：对科学探究的理解需要在科学史的视角下进行 ，要认识到 “真实 ”和“自然 ”是教学中科学探究的应有追求 ，教学视角下的科学探究应是证实与证伪并存的。科学探究素养体现为 ：学生能够以科学思维方式看待生活中的事物 ，并提出有价值的问题 ;能够在面对问题时对问题解决的方向作出相对准确的判断 ;敢于在解决问题的过程中大胆试错 ，能够认识到证实与证伪有着同样的价值 ;能够在团队中与同学进行协作 ，并在与他人的交流中获得更多的探究智慧。

关键词 ：初中物理 ;科学探究 ;科学史 ;核心素养 ;电磁感应

科学探究是《义务教育物理课程标准 （2022年版 ）》（以下简称 “新课标 ”）指出的 “物理课程要培养的核心素养 ”之一。相对于其他要素而言 ，科学探究可能是最为中学物理教师所熟知的 ，原因之一就是开始于 2001年的第八轮课程改革 ，《全日制义务教育物理课程标准 （实验稿 ）》（以下简称 “实验稿 ”）明确提出科学探究的概念 ，并强调其 “既是学生的学习目标 ，又是重要的教学方式之一 ”[1]。很多中学物理教师就是在提出问题、猜想与假设、制订计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证以及评估、交流与合作的实践中，熟悉了科学探究的流程。

“科学探究是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想与假设、设计实验与制订方案、获取与处理信息、基于证据得出结论并作出解释 ，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。”[2]这是新课标在实验稿阐述基础上的细化 ，对于一线教师而言更容易理解 ，操作性更强。但 “科学探究 ”的内容远比这样的简洁阐述更丰富 ，其重要性也需要在深度解读相关研究的基础上去认识。从教学方式的角度认识科学探究的价值 ，意味着需要让学生基于科学探究体验来获得新的认知方式 ，进而优化思维方式 ，这在客观上对物理观念、科学思维以及科学态度与责任都有影响。因此 ，给学生提供一个货真价实的、没有明显模式化倾向的科学探究过程就显得至关重要。

一、科学史视角下的科学探究

培根说 ，读史可以明智。科学探究同样需要在科学史的视角下来理解 ，以体会其魅力。从科学史而不是从教育或教学中寻找理解，是因为科学探究是指向科学本身的 ，科学史中有科学探究的源头 ，有丰富的科学探究案例 ;只有知道真正的科学探究是什么样子 ，才有可能将其改造成适合学生学习的样子 ，才不至于对新课标中的相关阐述产生误解 ，才不至于使科学探究变成模式化、指令式的操作。当然 ，要想真正还原科学史也是不容易的 ，我们只能借助一些史实去勾勒。幸运的是 ，总有忠诚的历史记录者或科学家自己给我们留下珍贵的科学史料 ———“电磁感应 ”相关的史料就是其中之一。

笔者搜集了相关的史料 [3][4]，现以时间为线索来检索法拉第和其他科学家的重要探索，并给出自己的解读。

史料一 1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了 “电流的磁效应 ”。包括法拉第在内的许多科学家都相信应存在 “磁的电流效应 ”。

由存在 “电流的磁效应 ”推测存在 “磁的电流效应 ”，属于 “基于观察和实验提出物理问题 ”环节。此时 ，科学家相信存在 “磁的电流效应 ”的原因更多地来自哲学观点 ———作用总应伴随着反作用。法拉第也有类似的想法，同时他还有另一个判断 ，即 “静电能够在邻近物质中 ‘感应 ’出电 ，那通电导线以及磁 （场）也应该能在附近的线圈中 ‘感应 ’出电流”。这在某种程度上体现出科学思维。

史料二 1821年，英国物理学家沃拉斯通重做了奥斯特的实验 ，并且试图用固定的强磁铁让通电导线绕自己的轴转动 ，但没有成功。1824年，法拉第将两根导线平行放置 ，然后对其中一根导线通电 ，观察另一根导线中会不会有感应电流。他当时希望看到导线中能够产生稳定的电流 ，结果瞬间的感应电流却未被关注、发现。后来多次实验均无结果。1825年，法拉第用通了更强电流的导线做实验 ，后又把通电导线改成线圈以代替磁铁，希望能够在旁边的导线中 “感应 ”出电流 ，结果电流计指针却纹丝不动。1827年，美国物理学家亨利制成了电磁铁 ，并继续深入研究。1828年，法拉第用磁铁放在悬挂着的铜环旁 ，尝试在铜环中感应出电流 ，结果却是失败了。

科学家们在近十年的探索中 ，有形成猜想与假设、设计实验与制订方案、获取与处理信息等努力。探究之所以出现困境 ，问题出在猜想的环节 ，即几乎所有科学家都期待 （猜想）会获得稳定的电流。猜想方向出错意味着所设计出的实验方案以及对实验现象的预期都大概率出错 ，也意味着即使出现有效的实验现象 ，也不会被研究者纳入注意的范围。事实也确实如此 ，所以探究过程中看到了沃拉斯通选择了强磁铁 ，看到了法拉第不断重复、不断失败 ，不断改进、不断失败。但这些努力仍然是有意义的 ：认为 “磁生电 ”的过程会是 “感应 ”的过程 ，对影响电磁感应现象的诸多因素完成了证伪 ，都是科学思维的具体体现 ，都是科学探究必然要经历的过程。

史料三 1830年 8月，亨利在电磁铁两极中间放置一根绕有导线的条形软铁棒 ，然后把条形软铁棒上的导线接到检流计上 ，形成闭合回路。他观察到 ，当电磁铁的电路接通的时候 ，检流计指针向一方偏转后回到零点位置 ;当电路断开的时候 ，指针向另一方偏转后回到零点位置。1831年8月29日，法拉第在一个软铁环上绕了两段线圈 ，一段线圈与电池相连 ，另一段线圈与电流计相连。实验发现 ：当电路接通时 ，电流计指针产生强烈的振荡 ，但不久后回到零点位置 ;而当电路断开时 ，电流计又发生同样的现象。同年 10月 1日和 17日，法拉第改变实验设计 ，得到了同样的结果。此间 ，科拉顿 “在跑来跑去中丢失了良机 ”。

亨利与法拉第各自独立的发现 ，意味着 “基于证据得出结论并作出解释 ”成为现实。这是科学探究的某种必然 ，即只要持续努力 ，那么总能在一定的时间之后有所发现。在科学探究史中 ，这样的情形并不罕见 ，奥斯特单独的探究就历经 20多年 ，其他有些探究甚至历经上百年。如果说感应电流最初没有被注意到的话 ，那在不同的实验中重复出现时 ，必然会成为科学家关注到的对象 ，这就是所谓的“偶然中的必然 ”。法拉第 1831年设计的三种实验得到了相同的现象 ，这就意味着规律的发现已是水到渠成。值得强调的是 ，在此发现的基础上 ，法拉第还进一步提出了 “场”和“磁力线 ”的概念 ，用以概括电磁感应定律 ，这否定了牛顿的超距作用观点 ，其所设计的用铁屑表示磁场分布的实验流传至今 ，经久不衰 ……

通过以上史料及分析可以发现 ：历史中的科学探究是异常复杂的 ，科学探究的结果也并不必然是成功的 ，很多探究都会面对失败;科学家探究的过程 ，也未必按照新课标所描述的步骤来进行 ，更多地都是在黑暗中摸索，每一次进步的取得都不容易 ，每一次成功都需要得到可重复实验的验证 （否则就不能称之为成功）。

二、教学中的科学探究如何真实且自然

相对于历史中的科学探究而言 ，教学中的科学探究要简易得多 ，新课标所阐述的环节很多时候就对应着科学探究的步骤。当然，这并不意味着学生的科学探究就要按照这样的步骤亦步亦趋 ，让学生在认知经验的基础上、在创设的情境中展开探究且形成必要的体验 ———包括成功与挫折的体验 ，应是科学探究的必要元素。十几年前 ，笔者曾写过一篇小文《科学探究应追求真实与自然》。时至今日 ，笔者依然认为 “真实 ”与 “自然 ”是科学探究保持原生态的关键。

所谓 “真实 ”，是指证伪应与证实同在。科学探究不能只成为证实的过程 ，真正的科学探究并不必然得出正确答案。教师不能根据已经知道了的结果 ，通过 “倒推 ”去设计探究过程 ，这会让教师对学生探究过程的认识变得狭隘 ，难以理性面对学生探究过程中的生成 ……广西师范大学罗星凯教授早就指出：“考察科学教学的现实 ，我们就会发现 ，其中最大的问题在于对证据收集、解释形成和求证的处理方式上。如何根据有限的线索确定证据收集的方向 ，如何在不止一个可能合理的解释面前做出决策呢 ？对于科学探究来说，这些才是至关重要的内容。”[5]罗教授举了探究阿基米德定律的例子 ，指出 ：关“键的问题是 ，人们一开始怎么会想到要设法去收集那一部分刚好由于物体的浸入而被排挤开的液体呢 ？在科学发现的故事中 ，这才是最奥妙、最有魅力的一段 ，而对于学生来说 ，一旦把这变成了 ‘阳关大道 ’，发现阿基米德定律就被等同于几步测量的操作了。”[6]由此可见，当教材由于种种原因而不得不精简的时候，教师要真正实施好科学探究教学 ，就要从教材向科学史还原 ，要在了解科学探究历程、把握学生认知发展规律的基础上 ，给学生设计更合理的科学探究教学。

所谓 “自然 ”，是指科学探究从开始到结束不能成为一个线性过程 ，不要追求一路坦途。教学视野下的科学探究 ，应在大体保持螺旋上升的情况下 ，允许探究过程中出现挫折乃至谬误。科学史上 ，从来没有一帆风顺的探究 ，今天在教材中寥寥数语带过的内容 ，在历史上可能经历了相当复杂的演变历程。尽管物理教学不可能且不需要重演历史 ，知识的传承需要也意味着学生很多时候经历的学习依然是有意义的接受过程。但笔者以为，只要决定了科学探究历程的展开 ，就不能让科学探究缩水 ，不能用流失了 “真实 ”与“自然”要素的所谓 “精简版科学探究 ”来让学生过把瘾 ，这是无法让学生真正形成科学探究素养的。

真实与自然实际上是一体的 ，真实的科学探究必然具有自然属性 ，同时也必然符合事物发展的一般规律。以科学探究中的 “猜想”为例 ，其实无论是科学家还是学生 ，在面对陌生问题的时候 ，都很容易出现错误的猜想。从某种程度上讲 ，猜想时出错就是自然的，出现错误的猜想就是真实探究的一部分。简单如猜想 “滑动摩擦力大小与哪些因素有关 ”时，都有学生猜想与接触面积、组成物体物质的种类等因素有关。当出现错误猜想的时候 ，最佳的方法就是引导学生进行证伪 ，证伪应当是科学探究不可或缺的元素。

站在教学的角度看科学探究的设计与实施，关键还是在把握学生认知发展规律的基础上因势利导 ，不放过任何一个让学生有探究体验、可以生成科学探究素养的环节。真实与自然的科学探究 ，应当是预设与生成的完美结合。对教师来说 ，这样的境界或不能至，但必须心向往之。

三、科学探究的一个教学案例 ———“电磁感应 ”的探究

对于 “电磁感应 ”的探究 ，笔者以为在教学设计的时候要重点关注这样的几个问题 ：

（一）怎样提出 “磁能否生电 ”这一问题 ？

在不同版本的初中物理教材中 ，人教版教材采用了传统的问题 ：“既然电流能产生磁，那么磁能否产生电呢 ？”（苏科版和两版北师大版教材的措辞略有不同）。教科版教材从“科学思维 ”的角度给出了提示 ———“科学思维有许多方式 ，对一个问题的逆向思考 ，往往也是一种有效的思维方式 ”，然后在此基础上提出类似的问题。沪科版教材则是给学生呈现发电机的模型 ，让学生观察手摇发电机使小灯泡发光 ，然后提出问题 ：发电机为什么能发电呢 ？

分析这些教材的编排 ，可以发现对应着两种思路 ：一是如教科版教材的 “逆向思考 ”的思路 ，二是如沪科版教材的 “先给出现象让学生观察 ，然后提问 ”的思路。这两种思路有相通之处 ，即都体现着科学探究的第一步———基于观察和实验提出物理问题 ，只不过前一种思路是基于奥斯特实验的 ，而后一种思路是基于发电机发电实验的。应当说 ，这两种思路并无明显的优劣之分。但如果站在学生的角度看 ，后一种思路可能更容易让学生下意识地提出问题 ，因为初中生不是科学家 ，逆向思考对于很多初中生而言未必是“下意识 ”的直觉思维 ;更何况学生从开始学习物理到此时 ，几乎没有运用过逆向思考，这个时候才强调逆向思考 ，难免有临时抱佛脚的嫌疑 ，效果有限。当然 ，前一种思路也有其好处 ：在后续的探究中 ，当教师基于“电生磁 ”进行引导时 ，学生有先前经验可以利用。如果利用后一种思路 ，教师可能还要回过头来想办法触发学生的逆向思考。

总体而言 ，要在没有任何引导的情况下让学生自主提出问题存在较大的困难 ，除去上述两种思路 ，尚未见到其他有价值的思路。

（二）猜想环节的意义是什么 ？

从之前的分析可以发现 ，科学家们很大程度上是因为猜想出错而拉长了 “电磁感应 ”探究的时间。在当时的现实背景下 ，这样的出错有其必然性 ，因为没有一个人能在当时的逆向思考下想到感应电流并非稳定的电流。电磁感应问题最终被解决 ，很大程度上是在 “偶然 ”当中发现新现象 ，然后去修正猜想并获得结论的。这在科学史上并不鲜见 ，很多时候正是 “意外 ”的现象促进了科学的进步。