STEM 教育的教學法案例（三）

向世清，博士，中國科學院上海光學精密機械研究所研究員。長期從事激光物理與工程技術的前沿研發，是參與產業經濟戰略與決策咨詢、基礎教育改革咨詢、科技創新中心發展戰略設計等多領域戰略專家，也是上海市最為活躍的科技創新教育專家之一。

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（自然）問題探究型

這一類型是我們人類對自然界背后的科學規律與機制進行探究和研究并最終獲得解釋和揭秘的基本概念，又可稱為科學規律發現型或研究型。狹義的科學研究正是指的這一內涵性概念，它同時也是構成后續人類形成技術和工程成果的前期準備和根本基礎。在基本意義上，這一類型與工程問題的解決類型共同構成人類科技探索的整體范疇。

科學探究的本質是以大自然為對象（現在也可包括社會科學探究，它以人類社會和人自身的規律為對象。但就學生的知識建構過程看，早期應盡量以探究自然規律為好），通過探究和研究過程，認識自然界的本質、現象背后的原因，以及事物發展變化乃至演化的規律。自然界的現象從簡單到復雜，需要逐步認知，這一認知過程正是學生科學認知逐步成長的過程。尤其在當今科技高度發達的時代，人類已經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% 的內容未被我們人類認知），所以我們更需要學生不僅掌握已經建立的認知（這是適應當前科技時代的基礎），而且建構起進一步認知未知的習慣、方法和愿望（這是人類依靠現有的青少年在未來進一步實現發展的根本）。在中小學的STEM 教育中，利用這一類型實現科技教育乃至創新教育的意義是十分基礎性的，不僅是為了讓學生認識科技，更是為了讓學生能夠學會使用以已有認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生建立科學探究的習慣。

簡單而言，科學探究是通過合適的觀察、測量、實驗和分析，將自然界的事物或者現象所基于的“是什么”和“為什么”予以了解、證實和確認，其結果是最后知道“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、運動、樹木等，以及伴隨的各類現象。一個孩子一生下來，他最必要的就是要逐步認識周圍的世界，而認知的過程就是逐步探究的過程。不能認知自然界的人最終是無法很好地生活于這個世界的（這其實也說明了學習基本物理的必要性和重要性。我國現有的教育中因為要分科應試，導致最終物理課可以不學，這是很荒唐的事情）。

科學（自然）問題的解決更是任何一名學生需要建立的知識及其應用能力的基礎內容。無論是當前的哪一學科，對此都有同樣的要求，而在最終，關于科學的認知必須合而為一，因為要解釋的世界它不分科。所以，科學問題的解決以解決為目標，可以基于不同學科的早期或階段性單獨認知，但最終卻是必須形成綜合歸一的整體解釋。這就要求學生在學習過程中，一開始就遵循科學的方法，然后將跨學科、學科融合內置于過程的適當階段，最終完成更為符合自然規律的客觀認知。這一要求，不僅適用于學生對已有科學的探究，而且適用于對未知的更多探索。

在科學問題的探究中，在沒有現成規律可以解釋所遭遇到的新現象時，一個必需的要求就是首先建立一個“假說”，這是解決科學問題的核心要點。然后，基于假說展開驗證和論述，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，要么嘗試新的驗證），最終達成科學問題的解決，并可能直接形成科學性規律的總結，例如定律或者定理（或新定律與新定理系統）等。這也是一個在教育中需要逐漸遞進完成的教學內容?；谶@一過程，學生的知識逐漸累積并進一步建立融會貫通，最終可實現知識的增進、拓展和創新。這里，解決問題的方法論的逐步建立同樣最為關鍵，比知識建構更為重要。一個學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現奧秘、長大后就可以探索太空的能力基礎和素養。

為給出一個特別典型化的科學問題解決的案例，我們選擇“向日葵向陽性的定量探究”作為主題設計。和前述2 個例子有所區分，這個案例選擇針對高中生水平能級的教案予以呈現，但這仍不會失去同樣為了更多的導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象，但是其向陽的偏轉準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跟隨準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，所以可以假設其是連續的角度偏轉和實時的跟隨，這一假設就是我們的假說（不同的高中學生可以實現假設具有不同的跟隨規律，如圖1）。然后，對太陽的轉動和向日葵跟隨轉動的情況分別測量，繼而進行同時刻的轉動結果比對，并最終得出跟隨的規律究竟是怎樣的（這里的方法也可以不是比對轉動角度，例如可以測其他的巧妙地可以轉換成角度偏轉的量，可讓學生設計更多測試比對的實驗方式）。在不同的探究方式和比對結果下，在定量分析的基礎上，學生可更好地完成這一過程中的定量科學探究的方法論。

實際上，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，所以這一教學案例仍需要進行更好的教學方式設計和過程選擇。以下，我們按照九步法簡明地給出“教案”。特別強調，這里不能要求“標準答案”過程和方式（更多的變通和過程正是培育學生自主思考、設計和創意的好教學載體哈）。

總體來說，對于科學問題探究的教學設計，應圍繞理論研究的方法、內涵與過程展開。其中，對于前人如何由現象得到規律的歷史著名事件等應加以引導學習和引發感悟。過程中更應特別注意以合適的探究方案設計和優化數據處理支撐教學過程（否則就變成按菜譜進行固定性實驗了）。教師的作用仍始終是輔助和協助學生優化實施，并盡可能放寬在假說階段和探究方法上的干預。