STEM教育中如何開展科學探究

張祿 鐘柏昌

摘要： 以科學探究為取向的STEM教育是培養(yǎng)學生科學精神與科學家潛質的重要途徑。為改善科學探究效果，教師可依據(jù)探究活動設計的四要素（目標、內容、過程和方法），構建在STEM教育中開展科學探究的策略框架，通過強調STEM學科的融合、針對學生的年齡特點和心理特征設計真實有趣的主題、重視技術支持下的科學探究等方式，有效落實核心素養(yǎng)，激發(fā)學生的認知興趣和探究欲望，促進學生自主建構知識。

關鍵詞：STEM教育;科學探究;問題解決;核心素養(yǎng)

隨著中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)的提出，以及國務院《全民科學素質行動規(guī)劃綱要（2021—2035年）》的印發(fā)，培養(yǎng)學生的科學精神與科學家潛質變得愈加重要。長期以來，高中物理、化學、生物等學科是開展科學探究的主要陣地，但由于學科自身的限制及高考壓力，探究活動很難持續(xù)深入推進，科學探究在廣度和深度上均存在不足。STEM教育強調綜合運用多學科知識解決實際問題，契合2017年版普通高中相關學科課程標準對科學探究的要求。從這個意義上說，基于STEM教育開展科學探究，是培養(yǎng)學生科學精神與科學家潛質的有效途徑之一。從目標定位的角度看，STEM教育有作品開發(fā)和科學探究兩種取向。以科學探究為取向的STEM教育專注于跨學科的科學探究活動，以獲得多元知識（如調查報告、解決方案等）為目標，以探究式學習為主要方式，具有培養(yǎng)學生理解跨學科知識和獲得科學探究能力的雙重功能^[1]。那么，如何才能有效開展以科學探究為取向的STEM教育？在開展科學探究時又需要關注哪些問題？筆者經過多年的STEM教育實踐，構建了在STEM教育中開展科學探究的策略框架，取得了較好的效果。本文以“福爾摩斯探案系列”校本課程為例加以說明，供同行參考。

一、STEM教育中開展科學探究的策略

無論何種取向的STEM教育，都強調讓學生在解決問題的過程中展開學習，因此，教師在STEM教育中開展科學探究活動時，無疑要將問題解決作為核心指向。在研究之初，我們圍繞問題解決，由學生自主選題并完成科學探究活動，教師主要負責控制探究活動的時間與進度，但是效果并不理想，科學探究變成了傳統(tǒng)的研究性學習，探究不夠深入，學生選擇的問題得不到很好的解決，對于STEM的學科融合也是毫無章法。為提高教學效果，本研究結合STEM教育的特點，依據(jù)探究活動設計的四要素（目標、內容、過程和方法），構建了在STEM教育中開展科學探究的策略框架，如圖1所示。其中，問題解決是科學探究活動的核心，學科融合、真實有趣、技術支持、層次探究既是科學探究活動的設計依據(jù)（目標、內容、過程、方法），又為科學探究課堂提供了評價角度（素養(yǎng)、興趣、技能、知識）。此外，在學生開展科學探究時，STEM中的各個學科扮演了不同的角色。

在2017年版的普通高中相關學科課程標準中，科學探究成為物理、化學、生物三門學科共有的學科核心素養(yǎng)，其對學生發(fā)展的重要性可見一斑。這三門學科的課程標準中都強調加強與其他學科（環(huán)境科學、數(shù)學、技術、工程學、信息科學等）的橫向聯(lián)系，有利于促進學生理解科學的本質、科學的思想方法以及跨學科的科學概念和過程，有利于引導學生綜合運用跨學科知識解決生產生活中的實際問題，同時也是培養(yǎng)學生科學探究能力、發(fā)展學生學科核心素養(yǎng)的重要手段^[2][3][4]?；诖?，我們認為，在STEM教育中開展科學探究時，應當以科學知識作為解決問題的基礎，以數(shù)學與技術作為解決問題的“工具”，將工程設計貫穿于解決問題的整個過程，以提升學生的核心素養(yǎng)作為科學探究的最終目標。

二、明確目標：強調STEM學科的融合，落實核心素養(yǎng)的達成

中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)以培養(yǎng)“全面發(fā)展的人”為核心，是學生適應未來發(fā)展需要的必備品格和關鍵能力。在STEM教育中開展科學探究，需要強調學科融合，打破學科間的壁壘，引導學生在解決問題的過程中自然而然地完成對知識與技能的學習、內化和遷移，從而達成提升學生核心素養(yǎng)的目標。STEM教育中開展的科學探究， 尤其應體現(xiàn)科學精神（理性思維、批判質疑、勇于探究等）、學會學習（樂學善學、勤于反思、信息意識等）、實踐創(chuàng)新（勞動意識、問題解決、技術應用等）這三個方面的核心素養(yǎng)。

【案例分析】在“齒痕分析”案例中，為了培養(yǎng)學生的科學精神和實踐創(chuàng)新能力，教師是這樣設計跨學科知識的：科學方面，主要是法醫(yī)口腔學知識，比如法醫(yī)口腔學的研究對象和內容、咬痕分析的作用和方法、牙齒的結構和特點、科學實驗的嚴謹性和規(guī)范性等。技術方面，主要是數(shù)據(jù)計算與統(tǒng)計，比如電子表格中的公式和函數(shù)、電子表格對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和差異比較的原理等。工程方面，主要是系統(tǒng)與流程，比如從系統(tǒng)的角度理解法醫(yī)牙醫(yī)的工作流程、對整個工作流程的評估與反思、工程項目的復雜性與反復性、方案的優(yōu)化等。數(shù)學方面，主要是特征分析與測量，比如咬痕特征的差異性、多變量特征分析、特征測量與比對等。

在“玻璃碎片鑒定”案例中，由于玻璃碎片具有不規(guī)則性，很難直接運用折射定律來測定折射率。為此，教師利用技術手段搭建了從科學技術通往學科規(guī)律的“橋梁”。具體來說，學生要通過在顯微鏡下觀察特定液體中玻璃粉末邊緣貝克線的移動情況，判斷玻璃折射率與該液體折射率的大小關系，再更換不同折射率的液體，從而不斷逼近玻璃折射率的準確值，并借助信息技術手段進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，得出結論（如圖2）。值得一提的是，該方法在白光下靈敏度可達0.001，單色光下可高達0.0005，精確度遠高于平時課堂中規(guī)則玻璃磚的測量結果^[5]。學生在完成科學探究之余，也培養(yǎng)了在實踐中應用技術創(chuàng)新性地解決問題的意識。

“福爾摩斯探案系列”課程的科學探究活動主要涉及物理中的折射率、力和運動，化學中的混合物組分的分離與分析方法、溶液濃度的計算，生物中的昆蟲學、DNA、皮膚的解剖結構、口腔學、血液等方面的科學知識。在探究活動中，學生要利用數(shù)學中的線性回歸、三角函數(shù)、多變量分析、數(shù)學建模、概率與統(tǒng)計以及信息技術中的電子表格與數(shù)據(jù)處理等知識作為解決問題的“工具”。此外，法醫(yī)工作的流程、探究方案的優(yōu)化等工程設計貫穿于解決問題的整個過程，可培養(yǎng)學生的物理、化學、生物、信息技術等學科核心素養(yǎng)。

三、挖掘內容：設計真實有趣的主題，激發(fā)學生的認知興趣和探究欲望

求知欲、好奇心和興趣愛好是影響內部學習動機的重要因素。在STEM教育中，針對學生的年齡特點和心理特征，教師結合現(xiàn)實生活設計真實有趣的主題，激發(fā)學生的認知興趣和探究欲望，從而開展沉浸式科學探究，進行有意義的學習。從科學探究的效果來看，真實有趣的主題有利于學生在解決問題的過程中學以致用、遷移創(chuàng)新、獲得成就感，從而對學生的持續(xù)探究發(fā)揮正向的激勵作用。另外，在設計科學探究的主題時，還要考慮所涉及的科學知識與相關學科教學進度的呼應，不宜超前探究，最好能在現(xiàn)有學科知識的基礎上通過探究活動拓展其認知，或生發(fā)出新的探究問題^[6]。

【案例分析】在“足跡分析”案例中，教師向學生展示幾起涉及犯罪現(xiàn)場遺留足跡相關的真實案件后，提出問題：如何采集案發(fā)現(xiàn)場遺留的足跡？根據(jù)案發(fā)現(xiàn)場的足跡形態(tài)，能夠得出哪些案件信息？足跡是所有被發(fā)現(xiàn)證據(jù)中僅次于DNA的第二常見的證據(jù)類型，高中生對此主題也是饒有興趣。

關于第一個問題，受限于自身經驗，只有部分學生提出了想法，比如向足跡中灌入凝膠、鋁水或者鉛水。教師則提出了一種更具可操作性的方法，即使用生石膏，將其溶于水后灌入整個足跡，只需注意操作過程中的安全性與規(guī)范性。關于第二個問題，學生經過頭腦風暴提出了更多想法，比如鞋子的大小、種類、花紋特征及磨損程度，遺留足跡的人數(shù)，遺留足跡人的步長、步寬、步角、身高等。此時，教師可以繼續(xù)啟發(fā)：根據(jù)足跡形態(tài)，除了能知道同學們提到的這些信息，還能夠推斷出性別、年齡、體態(tài)、生理特點、移動方向和速度等。在這些信息中，有的通過觀察能夠直接得出結論，有的則需要通過測量與計算才能夠獲得。以身高為例，足跡跟身高有何關系，能否用函數(shù)式表示？由于學生在高一數(shù)學課上剛剛學習過函數(shù)與數(shù)學建模的知識，解決該問題并不難，而且還能夠體會到知識的力量，進一步激發(fā)其學習興趣和探究欲望。

除上述主題外，“福爾摩斯探案系列”課程還包含了對犯罪現(xiàn)場的各種物理痕跡（如血跡、字跡、指紋、齒痕、玻璃碎片等）的采集，化學成分及含量（如可燃液體、藥物粉末等）的測定，以及生物特征（如等位基因、昆蟲生長周期）的檢測等，對學生而言都是非常有趣的內容。正如一位學生在課程結束時所言：“我是一個‘柯南迷。這門課激發(fā)了我的好奇心。一個學期下來，各種實驗探究讓我在高中就有機會提前對知識進行融會貫通，這培養(yǎng)了我嚴謹認真的科學態(tài)度?！?/p>

四、細化過程：重視技術支持下的科學探究，全面培養(yǎng)學生的“過程技能”

科學探究過程包括提出問題、猜想與假設、制訂計劃與設計實驗、進行實驗與收集證據(jù)、分析與論證、評估、交流與合作七個環(huán)節(jié)。每個環(huán)節(jié)都需要相應的技能，可稱其為“過程技能”?！斑^程技能”是科學探究能力的重要表現(xiàn)。有關調查顯示，中學生在科學探究中的“過程技能”總體表現(xiàn)偏低^[7]。究其原因，主要是一些學科教學中將科學探究能力等同于實驗操作技能，由教師提出問題與假設，甚至提供方案，引導學生按照教師設計好的思路完成探究。學生所做的僅僅是實驗操作、觀察現(xiàn)象、記錄數(shù)據(jù)，這使得探究活動處于“理想狀況”而脫離了現(xiàn)實情況。此類探究不妨稱之為“偽探究”，它不僅限制了學生對知識的深入理解，也不利于對學生科學探究能力的培養(yǎng)，很難達到應有的效果。具體到一次科學探究活動中，雖然上述七個環(huán)節(jié)并非缺一不可，先后次序也并非一成不變，但應該確保探究過程的完整性。因此，在STEM教育中開展科學探究，不能只關注實驗操作環(huán)節(jié)，也要重視實驗前的問題提出與研究假設，以及實驗后的評估與交流，精心設計探究活動的每個環(huán)節(jié)。

筆者認為，STEM教育本身包含技術與工程學科，重視人工智能技術、開源電子技術、3D打印和激光切割技術等現(xiàn)代信息技術在科學探究過程中的應用，是STEM教育的應有之義。其主要的應用方式，是將技術和工程作為開展科學探究的支撐條件，尤其是利用現(xiàn)代信息技術營造沉浸式探究環(huán)境，構建收集數(shù)據(jù)的智能終端和加工數(shù)據(jù)的平臺，不僅有利于提高數(shù)據(jù)收集的效率和保真度，還可以有效提高學生在探究過程中的參與程度，有助于培養(yǎng)學生的“過程技能”^[8]。

【案例分析】在“指紋分析”案例中，學生借助現(xiàn)代信息技術開展科學探究：收集證據(jù)階段，學生借助人工智能攝像頭采集指紋證據(jù);分析數(shù)據(jù)階段，學生通過直接觀察對指紋的分類與特征點進行初步比對，選出相似度較高、難以分辨的指紋，再通過圖像識別技術對被選出的指紋進一步比對，從而得出結論。

在“齒痕分析”案例中，學生則主要通過信息技術手段輔助科學探究：收集證據(jù)階段，學生測量每個證據(jù)樣本的六個特征值數(shù)據(jù)，并填入電子表格;在分析數(shù)據(jù)階段，學生利用電子表格對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，包括計算各個特征的差異值、匹配度和方差等，再根據(jù)計算結果分析得出結論（如圖3）。

由于“福爾摩斯探案系列”課程內容的特殊性，在科學探究過程中，技術支持的作用主要體現(xiàn)于收集證據(jù)與分析數(shù)據(jù)階段。而在其他探究環(huán)節(jié)中仍然可以尋求技術手段的支持，比如利用VR技術、裸眼3D技術創(chuàng)設沉浸式的學習情境，有利于激發(fā)學生發(fā)現(xiàn)問題和尋找探究方法的靈感;也可以借助演示文稿，使辯論交流的環(huán)節(jié)更加流暢，提高課堂教學效率。

五、創(chuàng)新方法：合理選擇探究的層次，促進學生自主建構知識

探究式學習可以激發(fā)學生自主建構知識，是科學探究中最主要的學習方式。根據(jù)教師和學生主導程度以及課程開放程度，我們可以將探究式教學分為結構化探究、引導性探究和開放式探究三類，越趨于結構化探究，教師主導性越強，越趨于開放式探究，學生自主性越強^[9]。如果將驗證性探究看作學生科學探究的水平起點，則可以得到如表1所示的科學探究的四個層次。其中，在驗證性探究中，教師將學習資料直接或間接地提供給學生，用于驗證那些易于探究的科學規(guī)律，另外三個層次的探究都具有一定的開放性，對學生基礎和教學時間都有一定的要求，也更有助于培養(yǎng)學生的科學探究能力和創(chuàng)新意識。在STEM教育中開展科學探究，教師需要根據(jù)學生情況與教學內容合理選擇探究的層次，以促進學生自主建構知識。

【案例分析】驗證性探究：“法醫(yī)昆蟲學”案例中的探究問題比較明顯，由教師提出問題“如何根據(jù)蛆蟲的發(fā)育確定死者死亡時間”。雖然學生在生物課中已經學習過變態(tài)發(fā)育，但他們并不了解通過生命周期計算蛆蟲的生長速率和生命階段的方法，因此解決方案也得由教師提供。由于每組學生拿到的蛆蟲樣本都是在相同的天氣條件（主要指溫度）下生長的，探究的結論自然也是確定的。

結構化探究：“血濺形態(tài)分析”案例中的探究問題也是由教師提出的，即“如何根據(jù)現(xiàn)場血濺形態(tài)確定血液的起始位置”。解決方案同樣由教師提供，即通過血液與墻面撞擊的角度和距離來確定。由于血跡是學生自己設計形成的，因此探究結論并不相同。

引導性探究：“可疑文件分析”案例中的探究問題也是由教師提出的，即“探究給定的收據(jù)文件是否有偽造可能”。由于收據(jù)文件中包含打印字體與手寫字體，因此探究方案也有多種。同時，由于對打印字體對比字符的選擇、手寫字體相對特征與絕對特征的選擇會影響探究結果，所以探究結果具有不確定性。

開放式探究：“足跡分析”案例中，教師在課堂上提出問題“根據(jù)案發(fā)現(xiàn)場的足跡形態(tài)，能夠得出哪些案件信息”。前文已經闡述，學生自己或在教師啟發(fā)下提出了很多具體的探究問題，而解決方案與探究結論也是由學生通過小組合作得出的。

以上案例中，“法醫(yī)昆蟲學”是教師將所有材料都提供給學生，“血濺形態(tài)分析”是教師將除探究對象（血跡）外的其他材料都提供給學生，“可疑文件分析”只是由教師提出了探究問題，“足跡分析”則僅由教師創(chuàng)設了相應的情境。當然，在校本課程的實踐中，應用最多的還是結構化探究和引導性探究;驗證性探究中學生的自主性較低，應用較少;受制于課程的專業(yè)性以及實驗器材的局限性，開放式探究也較難大量開展。

注：本文系江蘇省教育科學“十三五”規(guī)劃課題“江蘇省高中STEM教育基地實驗項目的設計與實踐研究”（課題編號：C-a/2018/02/19）、江蘇省教育科學“十三五”規(guī)劃課題“基于計算思維的高中生設計與智造項目化實踐研究”（課題編號：D/2020/02/283）、2019年江蘇省基礎教育前瞻性教學改革實驗項目“設計與智造：統(tǒng)整理念下高中生學習方式的變革”的階段性研究成果。

參考文獻

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[2] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準：2017年版?[S].北京：人民教育出版社，2018：51-54.

[3] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準：2017年版[S].北京：人民教育出版社，2018：71-72.

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[6][8]張敬云，鐘柏昌.中小學機器人教育的核心理論研究——論科學探究型教學模式[J].電化教育研究，2017（10）：106-111.

[7] 劉東方.中學生科學探究能力表現(xiàn)及現(xiàn)狀測查[J].東北師大學報（哲學社會科學版），2018（5）：178-184.

[9] 陳翠，鄭淵全，時松.不同探究式教學法對幼兒編程學習的影響[J].學前教育研究，2021（3）：52-63.

（作者張祿系江蘇省無錫市第一中學教師;鐘柏昌系華南師范大學教育信息技術學院教授、博士生導師，本文通信作者）

責任編輯：牟艷娜