向世清

本讲我们将给出第3 种类型的STEM 教育的教学法案例。我们的体例仍然简单遵循九步法的直接对照说明（再次请大家一直将九步法框架存在脑海中）。

案例类型三：科学（自然）问题探究型

这一类型是我们人类对自然界背后的科学规律与机制进行探究和研究并最終获得解释和揭秘的基本概念，又可称为科学规律发现型或研究型。狭义的科学研究正是指的这一内涵性概念，它同时也是构成后续人类形成技术和工程成果的前期准备和根本基础。在基本意义上，这一类型与工程问题的解决类型共同构成人类科技探索的整体范畴。

科学探究的本质是以大自然为对象（现在也可包括社会科学探究，它以人类社会和人自身的规律为对象。但就学生的知识建构过程看，早期应尽量以探究自然规律为好），通过探究和研究过程，认识自然界的本质、现象背后的原因，以及事物发展变化乃至演化的规律。自然界的现象从简单到复杂，需要逐步认知，这一认知过程正是学生科学认知逐步成长的过程。尤其在当今科技高度发达的时代，人类已经对大自然有了一定的了解和解释能力，但仍然还处于相对未知的阶段（较为可靠的说法，自然界还有超过90% 的内容未被我们人类认知），所以我们更需要学生不仅掌握已经建立的认知（这是适应当前科技时代的基础），而且建构起进一步认知未知的习惯、方法和愿望（这是人类依靠现有的青少年在未来进一步实现发展的根本）。在中小学的STEM 教育中，利用这一类型实现科技教育乃至创新教育的意义是十分基础性的，不仅是为了让学生认识科技，更是为了让学生能够学会使用以已有认知探究更多未知的基本方法、思维和套路，甚至更是为了在早期尽早让学生建立科学探究的习惯。

简单而言，科学探究是通过合适的观察、测量、实验和分析，将自然界的事物或者现象所基于的“是什么”和“为什么”予以了解、证实和确认，其结果是最后知道“那是什么”和“那为什么”，以及“这样的话又代表了什么或还能怎样变化”。我们已有的科学就是通过逐步解决这样的问题，所以到目前为止我们已了解了自然界如天气、运动、树木等，以及伴随的各类现象。一个孩子一生下来，他最必要的就是要逐步认识周围的世界，而认知的过程就是逐步探究的过程。不能认知自然界的人最终是无法很好地生活于这个世界的（这其实也说明了学习基本物理的必要性和重要性。我国现有的教育中因为要分科应试，导致最终物理课可以不学，这是很荒唐的事情）。

科学（自然）问题的解决更是任何一名学生需要建立的知识及其应用能力的基础内容。无论是当前的哪一学科，对此都有同样的要求，而在最终，关于科学的认知必须合而为一，因为要解释的世界它不分科。所以，科学问题的解决以解决为目标，可以基于不同学科的早期或阶段性单独认知，但最终却是必须形成综合归一的整体解释。这就要求学生在学习过程中，一开始就遵循科学的方法，然后将跨学科、学科融合内置于过程的适当阶段，最终完成更为符合自然规律的客观认知。这一要求，不仅适用于学生对已有科学的探究，而且适用于对未知的更多探索。

在科学问题的探究中，在没有现成规律可以解释所遭遇到的新现象时，一个必需的要求就是首先建立一个“假说”，这是解决科学问题的核心要点。然后，基于假说展开验证和论述，尝试采取各种手段和方法最终说明假说的正确与否（不正确的则要么重新假说，要么尝试新的验证），最终达成科学问题的解决，并可能直接形成科学性规律的总结，例如定律或者定理（或新定律与新定理系统）等。这也是一个在教育中需要逐渐递进完成的教学内容。基于这一过程，学生的知识逐渐累积并进一步建立融会贯通，最终可实现知识的增进、拓展和创新。这里，解决问题的方法论的逐步建立同样最为关键，比知识建构更为重要。一个学生只要逐渐掌握了这些方法论，就会形成类似于从小就会发现奥秘、长大后就可以探索太空的能力基础和素养。

为给出一个特别典型化的科学问题解决的案例，我们选择“向日葵向阳性的定量探究”作为主题设计。和前述2 个例子有所区分，这个案例选择针对高中生水平能级的教案予以呈现，但这仍不会失去同样为了更多的导师或教师可在不同知识程度水平上都能理解案例的要求。

向日葵向阳是非常简单的自然界现象，但是其向阳的偏转准确性是否完全跟着太阳而动呢？大部分人是不知道的。于是，针对高中生，这里将向日葵对太阳的角度偏转跟随准确性作为定量探究对象。在一开始，我们并不知道其跟随如何，所以可以假设其是连续的角度偏转和实时的跟随，这一假设就是我们的假说（不同的高中学生可以实现假设具有不同的跟随规律，如图1）。然后，对太阳的转动和向日葵跟随转动的情况分别测量，继而进行同时刻的转动结果比对，并最终得出跟随的规律究竟是怎样的（这里的方法也可以不是比对转动角度，例如可以测其他的巧妙地可以转换成角度偏转的量，可让学生设计更多测试比对的实验方式）。在不同的探究方式和比对结果下，在定量分析的基础上，学生可更好地完成这一过程中的定量科学探究的方法论。

实际上，这个过程看似简单，但因存在许多测量方法和比对方法，甚至一开始都可以具有不同的假设，所以这一教学案例仍需要进行更好的教学方式设计和过程选择。以下，我们按照九步法简明地给出“教案”。特别强调，这里不能要求“标准答案”过程和方式（更多的变通和过程正是培育学生自主思考、设计和创意的好教学载体哈）。

总体来说，对于科学问题探究的教学设计，应围绕理论研究的方法、内涵与过程展开。其中，对于前人如何由现象得到规律的历史著名事件等应加以引导学习和引发感悟。过程中更应特别注意以合适的探究方案设计和优化数据处理支撑教学过程（否则就变成按菜谱进行固定性实验了）。教师的作用仍始终是辅助和协助学生优化实施，并尽可能放宽在假说阶段和探究方法上的干预。■