让科学探究走进初中科学课堂

摘要: 初中科学教材中蕴含着丰富的科学史,科学发现的历史也就是科学探究的历史。科学史上的探究充满了艰巨性和创造性,洋溢着科学精神,渗透着科学的思想和方法。教学实践表明,科学史上的探究是引领学生走向探究的样板,是组织学生探究学习的素材,是渗透科学方法学习的载体,是学生感悟科学本质的渠道和汲取科学精神的源泉,从而成为独特的教学资源。

关键词: 科学史 探究 初中科学课堂

科学的核心是探究,教育的重要目标是促进学生的发展,科学课程应当体现这两者的结合,突出科学探究的学习方式。教育部制订的《科学(7—9年级)课程标准(实验稿)》的总目标中,提出了要使学生“增进对科学探究的理解,初步养成科学探究的习惯,培养创新意识和实践能力”,分目标的四个方面中更是将“科学探究”列在首位。科学探究作为一种让学生理解科学知识的重要学习方式越来越受到广泛重视。

在科学史中,有着无数灿烂辉煌发现的诗篇,无论是海王星的发现、魏格纳大陆漂移说的建立,还是牛顿第一定律的发现和原子结构模型的建立与完善,等等,其探究过程都充满了艰巨性和创造性,闪烁着科学的光芒,渗透了科学的思想和方法。科学家发明发现的过程、思想和方法对我们今天的发明发现,对我们今天的科学教育都是宝贵的财富。教师让科学史上的探究走进科学课堂,有利于学生理解科学知识,领悟科学天空的方法,了解科学基本观念的变革,培养科学精神,理解科学的本质。

一、科学史上的探究是引领学生走向探究的样板

对于初学科学探究的学生来说,选择一个科学性、趣味性俱佳,科学探究思路清晰,基本环节完整的科学探究史实作为学习样板是最适合不过。

初中科学第一册第一章第7节“科学探究”图文并茂地再现18世纪英国医生琴纳探究预防天花的过程:当时天花是一种死亡率很高的传染病,但没有治疗天花的有效方法。第一步,提出问题:哪些人能抵御天花?琴纳开展广泛地调查,发现有两类人不会患天花,一类是已经得过天花的人,另一类是养牛场的挤奶女工。第二步,琴纳作出科学猜想:或许得过一次天花,人体就会对天花产生免疫力。第三步,琴纳对这一猜想进行理论分析:挤奶工得了一次轻微的天花,就有了对天花的免疫力;得过天花的人也是因此而获得对天花的免疫力,所以他们都不会再感染天花。第四步,琴纳做出假设:从牛身上采集牛痘脓浆,接种到人们身上,使他们也像挤奶女工那样得轻微的天花,以产生对天花的免疫力。第五步,进行科学实验:琴纳从一位挤奶女工的手上取出微量的牛痘脓浆,接种到一个男孩的胳膊上,一个月后,这位男孩具有了抵抗天花的免疫力。琴纳的假设被证实,从此获得了抵御天花的有效办法——种牛痘。

虽然当时的琴纳是在实验基础上进行探究,但我们在教学中无法再次以实验为载体进行重现。教材列举这一经典的科学探究,形象地说明科学家所进行的探究活动通常比较复杂,但其基本过程相近,即发现和提出问题——针对所提出的问题,依据自己已有的科学知识和经验,通过思考,建立猜测和假设——依据探究的目的和条件制订探究计划,通过观察、实验等途径获取事实与证据——对假设进行检验,对探究过程和结论进行评价。

七年级学生首次接触“科学探究”这一名词,尚未形成完整的概念性认识,教师以形象的事例来表述“科学探究”而不是概念描述,可消除学生对科学探究的神秘感,激发学生学习、参与科学探究的热情。在教学时,我组织学生一起分析这一科学故事,感受琴纳不怕天花,敢于探究,遵循科学探究方法,从而取得成功的科学情感,共同分析琴纳取得成功的科学途径,从而得出科学探究的一般过程,为学生展开模仿型的科学探究提供“参照物”。

科学史上有许多探究案例具有严谨的科学探究环节,是引领走向探究的良好样板。

二、科学史上的探究是组织学生探究学习的素材

任何科学知识的形成都曾有过曲折的探究历程。浓缩这些科学史上的探究历程,本身就是最具说服力的学习素材,也是学习过程的最佳路线。

第二册第二章第7节“牛顿第一定律”提出一个基本问题:物体不受力作用时,将做什么运动?一个静止的物体,如果不受到力的作用,将保持静止的状态。运动的物体,如果不受到力的作用,是不是立即停止运动了呢?并指出:“这个问题难以直接通过实验作出回答,因为我们很难为运动的物体创造一个‘不受到力的作用’的实验条件。”这就促使我们改进通常的以实验探究的教学策略,采用新的策略,即“实验加推测”的教学策略。

这种研究策略在科学史上也曾起到重要作用。尤其是“牛顿第一定律”的发现历程:300多年前,伽利略设计了“斜面实验”,得出结论:如果物体在运动中不受到力的作用,它的速度将保持不变。后来笛卡尔补充了伽利略的认识,指出:如果物体不受到任何力的作用,它不会向左、右方向偏,将永远沿原来的方向做匀速运动。牛顿总结了伽利略等人的研究成果,进一步得出:一切物体在没有受到外力作用的时候,总保持匀速直线运动或静止状态。

伽利略设计的“斜面实验”实际上是一种“思想实验”,是无实验载体的探究。教材引用了伽利略的斜面实验的设计思想,通过小车从斜面上滑下后为什么最终会在水平面上停下来等问题探究和改变斜面材料猜测探究小车运动速度变化的讨论,重在如何控制实验条件,以及推测改变水平面的光滑度小车最终的运动变化,从而大胆提出设想:假如小车在运动中不受到任何阻力,运动情况会是怎样?

依据实验探究,并在此基础上运用思想探究进行深化,类似的教学活动还可以在课外让学生探究是重的物体下落快还是轻的物体下落快,或是两者一样快。教师可以介绍伽利略另一著名的思想实验:自由落体的运动规律。这些教学活动侧重点不仅是让学生建立起科学认识,而且是让学生认识到科学研究具有多种形式,某些无法用实验来完成的探究可以转换思路,巧妙设计和大胆推测,甚至利用逻辑推理来完成。

三、科学史上的探究是渗透科学方法学习的载体

在科学教育中,教师要改变“重科学结论,轻探究过程”的模式,以学生的探究活动为主线,倡导探究学习,使学生认识到产生科学知识必须依赖探究,让他们像科学家从事科学探究那样来学习科学,领悟科学探究的真谛。英国学者贝尔纳在1939年就指出:“在科学教育中,以普遍的思维指导教育过程,重视探究和发现,是培养学生理性思维的根本途径。”

第四册第一章第3节“原子结构的模型”以粗线条的形式介绍了从1897年发现电子,直到1913年波尔提出现代原子结构模型,以及当代夸克理论的研究历程。教材为什么不是直接提供现代得到公认的原子结构模型,而是提供了原子模型的建立过程呢?知识的获取固然重要,但知道知识是怎样得来的,知道科学是一个不断完善、不断修正的过程,通过探究更接近事物的本质而不是真理的终点更重要。这一点对于学生形成正确的科学观、学会自主探寻、辩证地看待科学具有重要意义。

人类认识原子是一个漫长的、不断求索的历史进程。与其说提出原子结构是一个事件,还不如说是一个历程,是一个不断发展的历程。原子结构理论正是通过几代科学家不断地经历着发现问题—提出问题—建立猜测和假设—获取证据—检验与评价—合作与交流等环节,不断修正而得到发展的。通过模拟科学家的探究过程,学生在掌握原子结构的同时,能够更好地体会到科学家的求索精神,从而更好地掌握科学研究方法,形成科学精神。教师要遵循科学探究的一般过程,沿着原子核发现的历史长河组织教学,让学生了解每一阶段的科学家是怎样发现问题,从而对已有知识产生怀疑,重新建立新的假设,获取证据,从而形成新原子模型观的。这样在模拟探究过程中,学生就会逐渐形成“自己的”原子结构模型和原子观。

四、科学史上的探究是学生感悟科学本质的渠道

科学史上的探究充分说明了科学需要探究,自然界是可以被认识的,科学是认识自然最有效的途径,科学对自然现象有解释和预见的功能,科学是一个开放的系统,科学知识具有相对而言的稳定性并不断发展和进步,科学强调和尊重经验事实对理论的检验,对自然的这一理性态度可促使人积极地去探索自然。从过程的意义来看,科学的本质就是探究,是不断地追求真理,不断地修正错误,是不断的创新。

第二册第四章第6节“地球表面的七巧板——板块”以阅读材料的形式提供了从魏格纳的大陆漂移说到板块构造理论的形成。但由于大陆漂移学说形成及其发展在探究方法、经受的曲折都极具代表性,因此教师需要作适当的补充介绍:19世纪大陆固定论在关于地壳构造理论中占统治地位。它认为地壳只有地槽在垂直方向上的运动,而没有水平方向上的运动(地台是稳定不动的)。20世纪初,向大陆固定论发起挑战,首先提出大陆漂移说的是德国地质学家魏格纳。

有一天,魏格纳躺在病床上,被挂在墙上的世界地图所吸引,他发现大西洋两岸轮廓线有惊人的相似性。次年他又在一本文献中看到有人根据古生物学的证据提出巴西和非洲曾有过陆地连接的观点,这引起了他莫大的兴趣。于是他产生了大陆漂移的猜想,并开始收集资料和配搭证据。他从古生物学、地质学、古气象学方面搜集证据:大西洋两岸存在许多生物的亲缘关系,如有海牛、肺鱼、鸵鸟等;在非洲和南美洲发现了两亿多年前小型的爬行动物的化石;大西洋两岸的岩石、地层和皱褶构造有许多相似性和连续性;两极地区有过热带沙漠,赤道地区有冰川的痕迹。最终他大胆地提出了大陆漂移的假说。在此基础上海底扩张说的板块理论建立起来。从大陆漂移的提出到板块学说的确立,构成了一场名符其实的现代地学革命,被认为是地学史上的一次革命,堪与哥白尼的日心说和达尔文的进化论相媲美。

五、科学史上的探究是学生汲取科学精神的源泉

科学史上的探究中蕴涵丰富的精神资源。客观求实、理性求真、批判创新等科学精神的培养应贯穿于科学教育的过程中。科学史上任何一个成功的探究都离不开科学家强烈的好奇心和求知欲,因而教师通过多种途径激发学生的学习和探索兴趣是非常重要的环节;创造性思维的培养是素质教育的核心,科学史本身就是一部创新史,如海王星的发现是抽象思维产生创造性思维的典例,教师应着力引导学生标新立异,各抒已见,培养其思维的多向性、批判性;合作、交流在探究中有助于对科学过程的理解,当今科学的发展都是人们合作探索的结果,教师要培养学生关于合作的意识和交往、沟通的能力,懂得尊重他人的成果……当然,科学家通过重复他人的实验来验证其结果,就要对问题、步骤、证据、提出的解释和对其他解释的评价进行明确清晰的描述,使自己的研究能够经受更多的质疑,也为其他科学家用这些解释来研究新问题提供机会。在科学探究学习中通过成果的交流,学生能在归纳问题、表达、口头表达、交往、自信心、宽容心等一系列方面得到充分的锻炼。

第六册第一章第2节“太阳系的形成与地球的诞生”渗透了太阳系行星的发现史介绍,对促进学生更好地理解、汲取科学精神都有积极作用。

从天王星到冥王星,其发现历程漫长曲折,是科学力量的生动写照,提示了科学探究永无止境,科学只有不断求真的过程而没有终点的科学精神。

科学史中的探究蕴涵着巨大的教育价值,在教学实践中教师需要更新观念、积极探索,开发利用教材中蕴含着科学史上的探究案例,让这些内容丰富、情节生动、与教学内容联系紧密的科学探究史料激活我们的初中科学课堂。

参考文献:

[1]项红专.科学教育新视野.杭州:浙江大学出版社.

[2]刘德华.“点击”科学课程——走在十字路口的科学教育,福州:福建教育出版社.

[3]教育部.科学(7—9年级)课程标准(实验稿).北京:北京师范大学出版社.

[4]朱清时.科学(七年级至九年级共六册).杭州:浙江教育出版社.