科學探究中如何指導學生發現和提出問題

●陳香

問題是探究的出發點，探究在本質上來說就是發現、提出和解決問題的過程?？茖W史上的每一項重大發現都是從問題開始的。 牛頓發現萬有引力是從“蘋果為什么會落地”這一問題開始的。 弗萊明發現青霉素是從“為什么青霉菌菌落周圍不長細菌”開始的。愛因斯坦對于提出問題的重要性作了經典論述，認為提出問題需要創造性的想像力， 標志著科學的真正進步。德國數學家希爾伯特于1900 年在巴黎第二次國際數學家大會上提出了23 個未解決的數學問題，這些問題后來稱為“希爾伯特問題”，它們至今仍是數學家注意的焦點之一，許多數學家把它們作為自己的研究課題[1]。

可見， 發現和提出問題本身就是一個了不起的成就。一項科學研究是否具有重要意義，在很大程度上取決于其所研究的問題是否具有新意和價值。 發現問題是認識到問題的存在， 但是對問題的認識比較粗淺、籠統，沒有形成具體清晰的認識，而提出問題是在發現問題的基礎上結合已有的知識深入思考或進一步查找資料后形成的， 對問題的認識更加深入具體。 盡管如此，為了表述簡便，下文對發現和提出問題不作明顯區分。

一、什么樣的問題是值得探究的問題

可探究的問題和其他問題有所不同， 不是所有的問題都可以通過探究來回答。 即使是可以探究的問題，其探究的價值也有高低之分。 因此，在提出問題之前，首先須弄清什么樣的問題是值得探究的問題。就科學學科來說，表述具體明確、適于探究、屬于科學范疇的問題，是本文認為的值得探究的問題。

PISA 測試對科學素養的評價框架中，有一項是評價學生識別科學問題的能力，具體考查學生在識別那些有可能進行科學探究的問題等方面的能力和表現。 下面以PISA 樣題為例，具體說明探究的問題應具有的某個特征。

大峽谷[2]

大峽谷位于美國的一個沙漠中。 它是一個十分大且深的峽谷，包含許多巖石的地層。 從前某一次地殼運動時，把這些地層提升。 目前大峽谷的部分深度是1.6km。 科羅拉多河則在峽谷的底部流過。

問題：每年大約有五百萬人游覽大峽谷郊野公園。 這么多的游客對公園所造成的破壞是否受到關注。下列問題能否通過科學探究來回答？請就各項問題，圈出“是”或“否”。

這個問題能否通過科學探究來回答？ 是或否？步行小徑的使用是否會造成部分的侵蝕？ 是/否公園地區是否像它100 年前一樣的美麗？ 是/否

上述案例呈現的兩個問題中，“步行小徑的使用是否會造成部分的侵蝕？”里的“侵蝕”是一個科學概念， 指的是地表物質在外引力作用下從地面分離的過程， 侵蝕的情況可以通過定性的觀察或測量大致判斷，這個問題屬于科學問題，可以通過科學探究來回答，比如可以設計對照實驗，比較使用步行小徑的地面和沒有使用步行小徑的地面在侵蝕方面有無明顯差別。 而 “公園地區是否像它100 年前一樣的美麗？ ”中的“美麗”是一種主觀的感受和判斷，不符合科學的客觀性原則， 不可能將公園地區100 年前的狀況與現在的狀況在“美麗”這個層面上進行科學的比較，因此，這個問題不屬于科學問題，不能通過科學探究來回答。

有些問題雖然屬于科學問題， 但是問題大而宏觀，難以探究。例如，在學習鳥這一節時，學生可能會提出這樣的問題“鳥為什么會飛？”，這個問題屬于科學問題，但是影響因素很多，比較復雜。因此，需要引導學生將之細化為更加具體的問題，比如可以引導學生結合鳥飛行有賴于運動系統，想一想“鳥用于飛行的肌肉、骨骼應具有什么特征？”，或者結合鳥飛行需要消耗大量能量，想一想“與能量供應有關的器官系統有哪些？ ”“這些系統具有哪些與飛行相適應的特征？”或者從受力的角度分析，想一想“鳥飛行時是如何獲得浮力以平衡自身重力的？ ”總之，引導學生結合已有的知識，將大而宏觀的問題轉化為具體明確的適于探究的問題?？茖W家的研究也表明，探究現象存在的根源這類問題通常比較復雜，大多以“為什么”打頭，需要轉化為相對具體的問題，縮小探究的范圍，提高探究的可行性[3]。

還有些問題屬于具體的科學問題，但是探究的價值不高。例如“什么是傳染??？”這個問題學生通過查閱資料即可獲得現成的答案，不需要經歷探究的過程。 因此，科學探究的問題首先應是科學問題，問題的表述應具體明確，且有一定的探究價值。在問題形成的過程中， 需要經過仔細分析和深入思考的過程，一方面使問題變得更加明確清晰，另一方面也為后面制訂計劃解決問題提供思路?？梢?，提出問題不但需要想象力，也需要理性思維。

二、如何幫助學生發現和提出問題

（一）豐富學生的知識儲備

探究的問題總是與科學知識相聯系?！叭魏我粋€實際的問題很少是單純的， 總要對于構成一個問題的各項事物的那些詞句的意義和那個問題的展開的步驟，有了正確的認識，方才可以形成一個問題。 ”[4]有經驗的醫生能夠很快發現患者胸片上的病灶，而外行可能連胸片都看不懂， 更別論發現其中的問題了。 因此，提出問題需要以一定的基礎知識為前提。

知識和能力是相輔相成的，探究活動的實施不僅有助于能力的培養，也有助于知識的生成。教材中設計的大多數探究活動承載的不僅僅是能力目標，還有知識目標和情感、態度與價值觀目標。積累的知識越多，知識的系統化和專業化程度就越高，提出的有價值的問題往往越多，提出問題的能力也越高。

此處的知識指的是概念性的知識，特別是科學中的核心概念，而不是零碎的事實性的知識。核心概念是系統化了的知識體系，不依賴于特定的情境，可以遷移應用，教育價值更大，而事實比較零散，不構成體系，不能遷移應用。 《義務教育生物學課程標準（2011 年版）》也強調核心概念的教學。 當然，這兩者是有聯系的， 概念是在豐富的事實基礎上抽象形成的， 核心概念是在一般概念的基礎上抽象概括形成的。 然而， 教學實踐中關注的大多是事實和一般概念，很少深入到核心概念的層面上來。

（二）指導學生發現和提出問題的策略

1.教師的課堂提問給學生提供示范

要提高學生提出問題的能力，教師首先應注意課堂中提問的數量和質量。那么，教師在做教學設計時，應注意課堂提問的數量不宜過多，識記類的問題宜少些，啟發性的問題宜多些。 另外，教師可將問題的形成過程顯性地呈現出來， 以使學生了解內部思維活動的過程，從而學會思考和提問。 例如，在學習蛔蟲等線形動物一節時， 教材介紹了蛔蟲體表有角質層，角質層具有保護作用，可以防止蛔蟲被寄主消化，這是對寄生生活的一種適應。此時教師可呈現這樣的問題：寄生生活的動物有很多，有些寄生蟲如血吸蟲在結構上比蛔蟲簡單，體表沒有角質層保護，但是它們繁衍至今沒有滅絕，應該也能適應寄生生活，那它們是如何防止被寄主消化的呢？ 教師通過呈現問題的形成過程作出示范， 可以使學生逐漸學會如何發現和提出新問題。

2.創設情境引導學生逐漸形成問題

問題通常是在一定的背景下形成的。 教師可事先準備一些素材如小實驗、視頻、圖片等，激發學生思考并提出問題，形成問題的過程可用下圖表示[5]。

例如，在《義務教育物理課程標準（2011 年版）》呈現的《什么情況下磁可以生電》的案例中[6]，教師在新課導入時呈現了一個問題： 我們已經知道電可以生磁，那自然會想到，磁是否可以生電？ 放在磁場中的線圈是否有電流產生？為此，教師做了一個演示實驗， 將與電流表連接的導線懸吊在蹄形磁體的兩磁極中間，讓學生觀察電流表指針是否發生偏轉。學生沒有觀察到指針偏轉， 于是猜測可能是沒有電流產生，也可能是電流太微弱。為了檢驗是否是電流太微弱的原因， 教師根據學生的建議先后換上了更加靈敏的電流計以及磁性更強的磁體， 在更換實驗儀器的過程中，學生發現了問題：更換磁體時，電流表的指針發生了偏轉。 經過教師的反復操作以及學生的親自實驗， 學生確認磁體運動可以使電流表的指針發生偏轉， 磁體不動、 導線運動時也能產生相似情況， 這說明在一定情況下磁場中的導線是可以產生電流的。 由此，學生形成了探究的問題：究竟在什么具體的情況下磁場中的導線才能產生電流？

上述案例以學生的思維活動過程為主線， 通過實驗引導學生自主發現問題和提出問題， 并使學生對問題的認識逐層深入。 從最初的 “磁是否可以生電”這個比較宏觀的問題，到“為什么與磁場中的導線連接的電流表指針沒有偏轉？ ”“是電流太微弱導致電流表指針不偏轉嗎？ ”“更換更靈敏的電流表或磁性更強的磁體， 是否會使電流表指針發生偏轉呢？ ”“更換磁體時，電流表的指針真的偏轉了嗎？ ”，直至形成最終要探究的問題?？梢姡瑔栴}的提出是有賴于具體情境的，而且需要經歷深入思考的過程，通過對一連串相關問題的分析和解決。

3.鼓勵學生在探究活動中發現新問題

探究通常始于發現問題， 但發現問題并非僅僅存在于探究活動的開始，在探究活動的整個過程中，都可能會發現新問題。我們熟悉的青霉素的例子，就是英國細菌學家弗萊明在實驗培養基受到霉菌污染時偶然發現的。因此，引導學生在探究過程中多留心觀察，不放過任何一個異常的現象，從中可能會發現新的值得探究的問題。例如，在筆者聽過的初中生物學七年級下冊“測定食物中的能量”一課中，學生在探究過程中發現了很多問題，如“為什么有些食物不易點燃？ ”“為什么有些食物不能燃燒完全、 剩有灰燼？”“為什么測定的數據與理論值相差很大？”等等。雖然其中有些問題的探究價值不大， 但是這些問題對學生而言是自主發現的新問題， 通過對低水平問題的發現和解決，學生提出問題的能力會逐漸進階。

4.基于對已有知識的分析發現問題

知識之間是有邏輯聯系的，在學習新知識時，如果能夠根據已有的知識通過邏輯分析發現其中的沖突或矛盾，就可能發現新的有價值的問題。 例如，在學習“光合作用”這一重要概念時，學生已經學習了氣孔的有關知識，完成了“綠葉在光下制造有機物”的實驗，通過分析討論，可能發現這樣的問題：葉片表面有許多氣孔， 氣孔是植物體進行氣體交換的通道， 綠葉在進行光合作用時需要通過氣孔從環境獲得二氧化碳作為原料， 然而實驗時用黑紙遮住一半葉片必然會堵塞遮光葉片上的部分氣孔， 那如何證明遮光的葉片沒有產生淀粉是因為沒有光照而不是因為缺少二氧化碳呢？[7]由此可見，即使科學家的經典實驗也可能會存在邏輯上的矛盾。對于學生來說，隨著他們掌握的知識越來越多， 如果能夠將已有的知識前后聯系起來分析思考， 就有可能發現屬于學生的新問題，甚至發現具有科研價值的新問題。

三、結語

培養學生發現和提出問題的能力沒有一套固定的模式，本文呈現的一些方法僅供參考。部分學者認為可以按照逐步放開的方式指導學生提出問題，具體來說，一開始探究的問題直接提供給學生；接著給學生提供參考性的問題， 需要學生做適當修改進而形成探究的問題；然后給學生提供一系列問題，讓學生從中選擇有價值的問題進行探究； 最后學生獨立提出問題。這些方法為教師的教學提供了理論指導，但更需要教師在實踐中不斷嘗試和摸索， 形成一套適于本地學生的行之有效的方法。需要注意的是，對于學生提出的問題， 教師不宜簡單地評價好壞或直接告訴學生答案， 也不宜直接告訴學生真正應該研究的問題是什么， 而是給予正面的反饋和引導，例如，給學生解決問題指明方向，用問題的三個要素引導學生提出更高水平的問題。 有些問題可能難以在課堂上解決， 可以引導學生課后繼續探究并給予適時指導， 如向學生介紹可以參考的書目或者幫助學生分析確定實驗方案等。總之，學生在由不會提問到學會提問， 由提出低水平的問題到提出高水平問題的過程中，都需要教師的悉心指導和幫助。

[1]周昌忠.科學研究的方法[M].福州：福建人民出版社，1983：78.

[2]王蕾.教育評價探新[M].西安：西安交通大學出版社，2007：103.

[3]美國國家研究理事會科學、數學及技術教育中心《國家科學教育標準》科學探究附屬讀物編委會，著.科學探究與國家科學教育標準：教與學的指南[S].羅星凱，等譯.北京：科學普及出版，2004：24.

[4]李四光.地質力學基礎與方法[M].中華書局，1945：1.

[5]韋鈺，P.Rowell，著.探究式科學教育教學指導[M].北京：教育科學出版社，2005：87.

[6]中華人民共和國教育部制定.義務教育物理課程標準（2011年版）.北京師范大學出版社，2011：53-54.

[7]畢曉白，張志文.生物課堂教學與學生提出問題才能的培養[J].課程·教材·教法，2005，25，（6）：61-65.