向世清

本講我們將給出第3 種類型的STEM 教育的教學(xué)法案例。我們的體例仍然簡(jiǎn)單遵循九步法的直接對(duì)照說(shuō)明（再次請(qǐng)大家一直將九步法框架存在腦海中）。

案例類型三：科學(xué)（自然）問(wèn)題探究型

這一類型是我們?nèi)祟悓?duì)自然界背后的科學(xué)規(guī)律與機(jī)制進(jìn)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(xué)規(guī)律發(fā)現(xiàn)型或研究型。狹義的科學(xué)研究正是指的這一內(nèi)涵性概念，它同時(shí)也是構(gòu)成后續(xù)人類形成技術(shù)和工程成果的前期準(zhǔn)備和根本基礎(chǔ)。在基本意義上，這一類型與工程問(wèn)題的解決類型共同構(gòu)成人類科技探索的整體范疇。

科學(xué)探究的本質(zhì)是以大自然為對(duì)象（現(xiàn)在也可包括社會(huì)科學(xué)探究，它以人類社會(huì)和人自身的規(guī)律為對(duì)象。但就學(xué)生的知識(shí)建構(gòu)過(guò)程看，早期應(yīng)盡量以探究自然規(guī)律為好），通過(guò)探究和研究過(guò)程，認(rèn)識(shí)自然界的本質(zhì)、現(xiàn)象背后的原因，以及事物發(fā)展變化乃至演化的規(guī)律。自然界的現(xiàn)象從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，需要逐步認(rèn)知，這一認(rèn)知過(guò)程正是學(xué)生科學(xué)認(rèn)知逐步成長(zhǎng)的過(guò)程。尤其在當(dāng)今科技高度發(fā)達(dá)的時(shí)代，人類已經(jīng)對(duì)大自然有了一定的了解和解釋能力，但仍然還處于相對(duì)未知的階段（較為可靠的說(shuō)法，自然界還有超過(guò)90% 的內(nèi)容未被我們?nèi)祟愓J(rèn)知），所以我們更需要學(xué)生不僅掌握已經(jīng)建立的認(rèn)知（這是適應(yīng)當(dāng)前科技時(shí)代的基礎(chǔ)），而且建構(gòu)起進(jìn)一步認(rèn)知未知的習(xí)慣、方法和愿望（這是人類依靠現(xiàn)有的青少年在未來(lái)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)發(fā)展的根本）。在中小學(xué)的STEM 教育中，利用這一類型實(shí)現(xiàn)科技教育乃至創(chuàng)新教育的意義是十分基礎(chǔ)性的，不僅是為了讓學(xué)生認(rèn)識(shí)科技，更是為了讓學(xué)生能夠?qū)W會(huì)使用以已有認(rèn)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(xué)生建立科學(xué)探究的習(xí)慣。

簡(jiǎn)單而言，科學(xué)探究是通過(guò)合適的觀察、測(cè)量、實(shí)驗(yàn)和分析，將自然界的事物或者現(xiàn)象所基于的“是什么”和“為什么”予以了解、證實(shí)和確認(rèn)，其結(jié)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(xué)就是通過(guò)逐步解決這樣的問(wèn)題，所以到目前為止我們已了解了自然界如天氣、運(yùn)動(dòng)、樹(shù)木等，以及伴隨的各類現(xiàn)象。一個(gè)孩子一生下來(lái)，他最必要的就是要逐步認(rèn)識(shí)周圍的世界，而認(rèn)知的過(guò)程就是逐步探究的過(guò)程。不能認(rèn)知自然界的人最終是無(wú)法很好地生活于這個(gè)世界的（這其實(shí)也說(shuō)明了學(xué)習(xí)基本物理的必要性和重要性。我國(guó)現(xiàn)有的教育中因?yàn)橐挚茟?yīng)試，導(dǎo)致最終物理課可以不學(xué)，這是很荒唐的事情）。

科學(xué)（自然）問(wèn)題的解決更是任何一名學(xué)生需要建立的知識(shí)及其應(yīng)用能力的基礎(chǔ)內(nèi)容。無(wú)論是當(dāng)前的哪一學(xué)科，對(duì)此都有同樣的要求，而在最終，關(guān)于科學(xué)的認(rèn)知必須合而為一，因?yàn)橐忉尩氖澜缢环挚?。所以，科學(xué)問(wèn)題的解決以解決為目標(biāo)，可以基于不同學(xué)科的早期或階段性單獨(dú)認(rèn)知，但最終卻是必須形成綜合歸一的整體解釋。這就要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，一開(kāi)始就遵循科學(xué)的方法，然后將跨學(xué)科、學(xué)科融合內(nèi)置于過(guò)程的適當(dāng)階段，最終完成更為符合自然規(guī)律的客觀認(rèn)知。這一要求，不僅適用于學(xué)生對(duì)已有科學(xué)的探究，而且適用于對(duì)未知的更多探索。

在科學(xué)問(wèn)題的探究中，在沒(méi)有現(xiàn)成規(guī)律可以解釋所遭遇到的新現(xiàn)象時(shí)，一個(gè)必需的要求就是首先建立一個(gè)“假說(shuō)”，這是解決科學(xué)問(wèn)題的核心要點(diǎn)。然后，基于假說(shuō)展開(kāi)驗(yàn)證和論述，嘗試采取各種手段和方法最終說(shuō)明假說(shuō)的正確與否（不正確的則要么重新假說(shuō)，要么嘗試新的驗(yàn)證），最終達(dá)成科學(xué)問(wèn)題的解決，并可能直接形成科學(xué)性規(guī)律的總結(jié)，例如定律或者定理（或新定律與新定理系統(tǒng)）等。這也是一個(gè)在教育中需要逐漸遞進(jìn)完成的教學(xué)內(nèi)容?；谶@一過(guò)程，學(xué)生的知識(shí)逐漸累積并進(jìn)一步建立融會(huì)貫通，最終可實(shí)現(xiàn)知識(shí)的增進(jìn)、拓展和創(chuàng)新。這里，解決問(wèn)題的方法論的逐步建立同樣最為關(guān)鍵，比知識(shí)建構(gòu)更為重要。一個(gè)學(xué)生只要逐漸掌握了這些方法論，就會(huì)形成類似于從小就會(huì)發(fā)現(xiàn)奧秘、長(zhǎng)大后就可以探索太空的能力基礎(chǔ)和素養(yǎng)。

為給出一個(gè)特別典型化的科學(xué)問(wèn)題解決的案例，我們選擇“向日葵向陽(yáng)性的定量探究”作為主題設(shè)計(jì)。和前述2 個(gè)例子有所區(qū)分，這個(gè)案例選擇針對(duì)高中生水平能級(jí)的教案予以呈現(xiàn)，但這仍不會(huì)失去同樣為了更多的導(dǎo)師或教師可在不同知識(shí)程度水平上都能理解案例的要求。

向日葵向陽(yáng)是非常簡(jiǎn)單的自然界現(xiàn)象，但是其向陽(yáng)的偏轉(zhuǎn)準(zhǔn)確性是否完全跟著太陽(yáng)而動(dòng)呢？大部分人是不知道的。于是，針對(duì)高中生，這里將向日葵對(duì)太陽(yáng)的角度偏轉(zhuǎn)跟隨準(zhǔn)確性作為定量探究對(duì)象。在一開(kāi)始，我們并不知道其跟隨如何，所以可以假設(shè)其是連續(xù)的角度偏轉(zhuǎn)和實(shí)時(shí)的跟隨，這一假設(shè)就是我們的假說(shuō)（不同的高中學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)假設(shè)具有不同的跟隨規(guī)律，如圖1）。然后，對(duì)太陽(yáng)的轉(zhuǎn)動(dòng)和向日葵跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)的情況分別測(cè)量，繼而進(jìn)行同時(shí)刻的轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)果比對(duì)，并最終得出跟隨的規(guī)律究竟是怎樣的（這里的方法也可以不是比對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，例如可以測(cè)其他的巧妙地可以轉(zhuǎn)換成角度偏轉(zhuǎn)的量，可讓學(xué)生設(shè)計(jì)更多測(cè)試比對(duì)的實(shí)驗(yàn)方式）。在不同的探究方式和比對(duì)結(jié)果下，在定量分析的基礎(chǔ)上，學(xué)生可更好地完成這一過(guò)程中的定量科學(xué)探究的方法論。

實(shí)際上，這個(gè)過(guò)程看似簡(jiǎn)單，但因存在許多測(cè)量方法和比對(duì)方法，甚至一開(kāi)始都可以具有不同的假設(shè)，所以這一教學(xué)案例仍需要進(jìn)行更好的教學(xué)方式設(shè)計(jì)和過(guò)程選擇。以下，我們按照九步法簡(jiǎn)明地給出“教案”。特別強(qiáng)調(diào)，這里不能要求“標(biāo)準(zhǔn)答案”過(guò)程和方式（更多的變通和過(guò)程正是培育學(xué)生自主思考、設(shè)計(jì)和創(chuàng)意的好教學(xué)載體哈）。

總體來(lái)說(shuō)，對(duì)于科學(xué)問(wèn)題探究的教學(xué)設(shè)計(jì)，應(yīng)圍繞理論研究的方法、內(nèi)涵與過(guò)程展開(kāi)。其中，對(duì)于前人如何由現(xiàn)象得到規(guī)律的歷史著名事件等應(yīng)加以引導(dǎo)學(xué)習(xí)和引發(fā)感悟。過(guò)程中更應(yīng)特別注意以合適的探究方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化數(shù)據(jù)處理支撐教學(xué)過(guò)程（否則就變成按菜譜進(jìn)行固定性實(shí)驗(yàn)了）。教師的作用仍始終是輔助和協(xié)助學(xué)生優(yōu)化實(shí)施，并盡可能放寬在假說(shuō)階段和探究方法上的干預(yù)。■