科學探究：本質、特征與過程的思考

［摘要］科學探究作為一種個體通過自主地調查和研究來認識和解釋自然的活動，是以自然界為對象的，它要遵循一定的研究程序，運用各種科學方法，問題性、建構性、思維性和合作性是科學探究的基本特征，觀察和提出問題、形成假設、檢驗求證、得出和解釋結論、交流和應用等共同構成了科學探究的全過程。

［關鍵詞］科學探究；本質；特怔；過程

　　隨著基礎教育改革的不斷深入，人們的科學教育觀念也發生了很大轉變、人們越來越清楚地認識到，科學教育的目的不是為了把少數人培養成科學家，而是要把所有的學生都培養成具有科學素養的人。正如《面向全體美國人的科學》中所指出的：“世界的發展要求每個人都必須具備科學素養，而不僅僅是少數享有特權的人，科學教育將不得不使其成為現實[1]”，“人人具有科學素養”正日益成為世界各國一項重要的教育目標、但要真正實現這一目標，就必須對現有的科學教育體制進行改革：改變過去單純注重知識傳授的傾向，加強對學生科學實踐能力，包括理解和運用科學知識、掌握科學研究方法等的培養；改變學生被動接受的學習方式，加強學生的主體意識，變被動學習、機械模仿為主動參與、自主探索；等等。“科學探究”觀念正是適應這一改革需要而產生的。在當代，世界各國都紛紛將“科學探究”作為科學教育的一個重要目標和方法，美國國家研究理事會制定的《國家科學教育標準》（ 1996）明確提出：“科學探究”是學生科學學習中“基本的、起支配作用的原則”，是科學教育的核心。為了促進學生的科學學習，教師必須“鼓勵學生培養科學家的思維習慣、好奇心、興趣和創造性”，“使學生的學習集中于探究”。英國2002年頒布的《國家課程》中所提出的科學課程四個標準中，第一個目標就是“科學探究”，我國教育部2002年新頒布的《科學課程標準》也將科學探究列為科學教育的第一目標。可以說，“以科學探究為核心”己經成為國際科學教育改革的共識。為了更好地理解和把握科學教育中的科學探究問題，本文主要從本質、特征與過程等三個方面對科學探究作一深入的探討和分析。

 一、科學探究的本質

　    要準確地理解和把握科學探究的本質，首先必須搞清楚什么是探究。從語義上講，“探究（inqiry）”一詞源于拉丁文的 in或inward（在---中）和 quaerere（質詢、尋找），在《牛津英語辭典》中，探究是指“求索知識或信息，特別是求真的活動；是搜尋、研究、調查、檢驗的活動；是提問和質疑的活動”，我國1989年版的《辭海》將探究界定為“深入探討、反復研究”。1996年版的《現代漢語辭典》也將探究定義為“探索研究；探尋追究”，即努力尋找答案、解泱問題。由此可見，從基本含義上講，探究的目的是獲得知識、真理，探究的途徑或方法是搜尋、調查、研究、檢驗。為了準確、深入地理解和把握探究的本質，我們進一步對不同領域中的探究概念及其理解進行分析。

　　首先，我們來看社會學對于探究的理解和界定。在社會學領域中．直接的來講無“探究（inquiry）”一詞，社會學家主要是對與探究相關的“探索”（exploration）概念進行了探討。在《社會學詞典》中提出，所謂探索性研究是指研究者在對研究題目的范圍和概念不甚清楚，對研究對象的內在聯系不熟悉，不能確定假設和研究方向，井且缺乏前人的研究信息和理論的情況下，無法提出適合這類問題的具體方法以進行深入、細致研究時所采用的一種研究方法。[2]在社會學家看來，探索的一個突出特點就是未知性。這種未知性不僅體現在對于研究問題本身的認識上，如對研究主題的范圍、研究對象的內部關系等不甚了解，而且體現在整個研究進程中，由于不能明確確定具體的研究方案，必須根據研究的進展不斷地對方案進行調整，正是由于這諸多的未知性使得整個探索也處于動態的、不穩定的摸索狀態。因此，社會學中的探索是對未知事實的一種摸索性的初步研究。
 
　   在心理學領域，研究者們主要是對個體的探索活動及其行為（ Exploratory behavior）進訂了探討。如，在《簡明心理學百科全書》中，探索（行為）是指動物進入新異環境中常常出現的行為，包括向各處探頭、嗅、窺看、輕輕地邁步、慢慢地游走等，這種探索行為可以使動物獲得有關新環境的各種信息，緩解因新異環境而引起的緊張狀態[3]。我國臺灣心理學者張春興認為，探索行為是個體在新的環境中面臨新的事物時企圖對其性質獲得進一步了解或控制時所引發的行為。探索是兒童主動學習的方式之一，包括觀察、觸摸、搖動、敲打等[4]。著名心理學家朱智賢（ 1989）指出，探索是個體解決問題時為搜索解決問題空間的道路而使用的一種策略[5]。從上述定義中可以看到，盡管在心理學領域中研究者們對于探索的分析視角不同于社會學領域，但他們也指出，探索作為個體在面臨新環境時所表現出的試圖認識、了解和控制環境的行為，其產生的一個基礎性前提就是問題，于是問題的存在使得個體必須通過不斷地探索來獲得有關新環境的各種信息，掌握解決問題的新方法，以實現對環境的控制。因此，在心理學家看來，問題是探索產生的主要動因。

　    在教育學領域，研究者們主要是將探究作為個體的一種學習方式來進行研究。例如，美國著名教育家施瓦布認為，探究學習是兒童通過自主地參與獲得知識的過程，掌握研究自然所必須的探究能力；同時，形成認識自然的基礎——科學概念；進而培養探索未知世界的積極態度[6]。我國一些學者提出，探究學習是“學生在教師指導下，為獲得科學素養以類似科學探究的方式所開展的學習活動[7]；“是學生從問題或任務出發，通過形式多樣的探究活動，以獲得知識和技能、發展能力、培養倩感體驗為目的的學習方式”[8]；“是從學科領域或現實社會生活中選擇和確立研究主題，創設一種類似于科學研究的情境，通過學生自主、獨立地發現問題、實驗、操作、調查、信息搜集與處理、表達與交流等探索活動，獲得知識、技能、情感和態度的發展，特別是探索精神和創新能力發展的學習方式和學習過程”[9]；等等。從上述定義中我們可以看到，盡管研究者們對于探究的表述有所不同，但大家普遍認為，探究是個體圍繞著問題或任務進行的一種探索活動，因此，問題是探究的起點。其次，探究作為一種類似于科學研究的活動，要經歷科學研究的一般過程。同時，探究是以問題開始的，但問題的解決并不是探究的全部。通過探究，個體在知識、技能、情感和態度等各方面都獲得了發展和提高。

　　通過上述分析我們可以看到，盡管不同領域的研究者是從不同的視角來認識和理解探究的，但彼此的理解間存在著共同之處，即，問題是探究得以產生的最基本前提，也是探究的核心。探究的實質就是發現問題、解決問題。因此，根據己有的研究、理論探討和我們自己的思考和分析，我們認為，探究是個體在新的環境中通過自主的探索、調查和研究來發現和認識新事物、解決新問題的活動。探究有廣義和狹義之分。廣義的探究是指一切發現和認識活動。人們通常所說的追根究底、好奇、好問、愛琢磨，實際上就是廣義探究的日常表現[10]。廣義探究強調的主要是一種主動探索和發現的活動趨向，而并不一定要圍繞一個明確的主題或經歷一定的程序。因此，它既指科學家的專門研究，也指一般人解決問題的活動；既包括成人深思熟慮式的“實驗”，也包括兒童嘗試錯誤性的摸索或探索。狹義的探究則是指個體圍繞著一個明確的問題或任務，通過假設、推理、驗證等一系列的探索過程而最終解決問題或完成任務的各類活動。狹義探究作為一種比較系統的研究活動，要求具有較廣泛的知識和較強的思維能力，并遵循一定的研究程序等、科學探究或科學研究就屬于狹義探究的范疇。

　　根據上述對于探究本質的分析，我們認為，所謂科學探究，簡言之，就是個體通過自主地調查和研究來認識和解釋自然的活動、要準確地理解和把握科學探究，我們必須明確如下方面：

　    首先，科學探究的對象是自然界，是對自然現象或問題的一種調查和研究。通過科學探究，個體發現和揭示客觀事物的本質及其相互關系，掌握自然發展的規律。正如美國學者韋爾奇所指出的：“科學探究是一般探究的子集，它的對象是自然界”[11]。其次，科學探究作為一種認知活動，要經歷一定的活動程序或階段。盡管其研究問題的方式、途徑和手段也各不相同，不存在絕對統一的模式，但無論是哪一類科學研究，從發現問題到解決問題，都要經過一些類似的活動過程或階段，如形成問題、建立假設、制定研究方案、檢驗假設、得出結論等。正是上述這些活動過程構成了被稱為探究的科學過程，進而也成為判斷某種活動是否是科學探究活動的依據[12]。第三，在科學探究中，為了發現和認識自然現象或事物的特征，揭示自然的發展規律，個體要運用一系列的科學方法，包括觀察、比較、分類、測量、交流、預測、假設、實驗等來尋求對于自然問題的答案，獲得對于自然世界的理解。因此，科學方法是科學探究的靈魂、當然，在不同的研究領域，針對不同的問題，可以運用不同的研究方法，不存在固定或統一的模式。同時，在不同發展階段，具有不同發展水平的個體可以運用不同的方法來進行探究、第四，科學探究作為一種探索活動，具有雙重的含義。它既可以指科學領域里的探究，即科學家所進行的各種探索自然的活動，也可以是指個體以一種類似于科學研究的方式進行的各種科學學習活動。美國的《國家科學教育標準》就明確提出：“科學探究是指科學家們用來研究自然界井根據研究所獲事實證據做出解釋的各種方式，同時，它也指學生構建科學知識、形成科學觀念、領悟科學研究方法的各種活動”[13]。

二、科學探究的特征

　    由于知識經驗、認知水平等的差異，兒童與科學家的科學探究在具體的表現形式上必然存在著一定差異，但兩者在本質上是相同的，都屬于科學探究的范疇，具有科學探究的基本特征。我們認為，科學探究具有以下基本特征：
 
　   首先，科學探究是以問題為核心的，具有問題性特征。科學探究作為一種個體認識自然的活動，是以科學問題為起點的。所謂科學問題，是針對客觀世界中的物體或事件而提出的。在日常生活中，當個體己有的科學知識與經驗不足以對當前的客觀現象或問題做出解釋時，認知沖突就產生了。這種認知沖突促使個體產生探索的愿望和要求，引發其進行科學探究。動物學家康拉德•洛倫茨在其著作《灰雁的時代》中提供了一個典型的例證。他寫道：“當我一連幾個小時坐在沙灘上---和我的鵝群呆在一起或坐在家里的熱帶魚缸前---幾乎每時每刻都有出乎我意料的現象發生。我不能馬上解釋這些新奇的現象，但他們確實引發我去進行更加深入的觀察，同時更頻繁地著手進行研究[14]”。因此，科學問題是個體進行科學探究的原動力，它驅使個體為尋求答案而進行科學探究。同時，在整個科學探究過程中，尋求什么樣的假設，收集哪些信息證據，如何做出解釋等活動都是緊緊圍繞著問題來展開的，是在問題引導下做出的各種決策。因此，科學探究是以問題為導向的，科學探究的過程也就是發現問題、解決問題的過程。盡管兒童的科學問題與科學家相比在性質上有所不同。兒童探究的問題只是對于兒童個體來說是未知的，而對于成人或整個人類而言這些問題可能己經不屬于未知領域，如：“地球是什么形狀的”、“為什么空中的物體會落回到地面”、“人為什么要呼吸”，等等，但正是這些問題的存在，引發兒童去進行探究，從而不斷地豐富和擴展其對于客觀世界的認識和理解，建立科學的世界觀。

　    其次，科學探究是一種主動建構的活動，具有建構性特征。科學探究作為一種認知活動，是個體主動地建構對于客觀世界的理解的過程。在科學活動中，當個體已有的知識經驗不足以對當前的科學現象或問題做出解釋時，就會產生認知沖突，為了解決沖突，實現認知的平衡，個體必須不斷圍繞所面對的問題進行思考，做出計劃，通過各種途徑獲取有關信息，以自己的方式對問題做出基于己有經驗的分析和推論、綜合和概括，將自己的發現與他人的發現進行比較，據此對自己的看法和做法做出反思與評價，井調節自己的活動等。在這一過程中，一方面個體以原有的知識經驗為基礎，通過將新知識與巳有的、適當的知識經驗相聯系，主動地建構對于新知識的理解；另一方面，個體又需要依據新經驗對原有經驗結構本身也做出某種調整和改造，形成新的認知結構，因此，科學探究既是一個對新信息的意義的建構過程，同時又是由于新、舊經驗的沖突而引發的概念轉變和認知結構重組的過程，盡管與科學家相比，兒童的科學探究多傾向于以己有的理論為基礎來建構對于新信息的理解，兒童只有在獲得了大量新的經歷并且這些經歷要求其做出改變的情況下，才會調整和改變原來的理論；并且，當通過實驗所得到的證據與兒童自己原來的想法相矛盾時，他們經常或者忽視不一致的證據，或者通過調整證據以適合于他們的理論，認知重組會相對較少，但正是這種以己有知識經驗為基礎的探究，使得兒童不斷地形成和獲得對于客觀世界的新的認識，實現對于客觀世界的認知建構。

　    第三，科學探究是一種思維的過程，具有思維性特征。科學探究作為一種科學研究，是一種多方面、多層次的活動，它需要做觀察，需要提出問題，需要查閱書刊及其它信息源以便弄清楚什么情況己經是為人所知的東西，需要提出假設和預測，需要設計調研方案，需要進行實驗，需要運用各種手段來分析和解釋數據，需要提出答案和解釋，需要把研究結果告之與人等。在這一過程中，個體不僅要使用觀察、分類、交流、測量、推論、預測、假設等一系列的科學方法，而且要使用概括、分析、類比、歸納、推理等思維方法來形成井修正科學解釋、識別和分析各種模型、交流和應用得出的科學結論。因此，科學探究的過程也就是科學思維的過程。美國教育家杜威曾經指出，探究是“對任何一種信念或假設的知識進行的積極、持續、審慎的思考”，探究的目的是通過使用解釋、證據、推論和概括來證實信念。盡管與科學家相比，兒童的思維能力可能不足以闡明我們稱之為科學的理論。如，他們主要以直接經驗的感性認識而不是理性認識為基礎來形成關于自然現象的知識，因此傾向于以自我為中心來看待世界；對于事物因果關系的思考表現出更多簡單、表面化的特征，很難同時把握太多的因素等。但是兒童所建構的思想、觀點，無論對錯，都不是隨意的，它們往往具有基本的邏輯性，是兒童邏輯分析和推理——盡管與成年人相比這種邏輯分析和推理尚是簡單的、粗淺的、不嚴密的——的結果，并建立在證據和經歷的基礎之上[15]。

　　第四，科學探究重視交流與合作，具有合作性特征。一方面，科學探究作為一種建構活動，每個人都以自己原有的知識和經驗為背景建構對于事物的理解，由于不同個體己有的知識、經驗以及對經驗的看法不同，不同人看到的是事物的不同側面，對同一個問題常會表現出不同的理解，要使個體超越自己的認識，看到那些與自己不同的理解，看到事物另外的側面，使理解更加豐富和全面．就必須通過彼此間充分的合作和廣泛的討論。另一方面，科學研究的一個突出特點就是可重復驗證性，這就要求個體能夠較清楚地說明所研究的問題、程序、證據、提出的解釋以及對不同解釋的考查，以使有疑問者能夠進一步核實，或者他人將這一解釋用于新的研究。科學發展的歷史表明，科學研究離不開合作，與科學家相比，兒童由于知識經驗、認知能力等的局限，其對于自然世界的認識和理解常常可能是片面、不完全、不確切的。因此，兒童要形成對于自然現象或問題的正確認識，建立正確的科學觀念，更需要合作。同時，由于兒童在日常生活中己可能形成許多錯誤概念且可能較頑固，合作探究則能夠促使兒童在表達自己的觀點、交流和討論不同意見的過程中轉變原來不正確的看法，重構新觀念，形成新的更為科學的理解。此外，對于兒童而言，合作探究不僅有助于豐富和深化其對于科學概念的理解，加深其對科學活動性質的認識，同時也有助于兒童科學探究所必需的思想方法、行為方式和價值觀念等多方面的培養、因此、合作是科學探究的一個重要特征。

三、科學探究的過程

　    對于科學探究的過程，國內外的不少研究者都提出了各自的觀點、如，特羅布里奇、拜比爾和鮑威爾等人（1996）認為．科學探究的基本程序包括形成問題、建立假設、設計研究方案、檢驗假設、表達或交流結果等。《美國國家科學教育標準》提出，科學探究的過程主要包括：觀察；提出問題；查閱書籍和其他信息資源來尋找己有知識；利用各種工具搜集、分析并解釋數據；做出答案、解釋或預言；交流結果。美國國家研究理事會（2000）認為，科學探究包括形成科學研究問題、收集數據、建立假設、檢驗假設和交流結果。《英國國家科學課程》將科學探究過程劃分為制定計劃、獲取并表達證據、思考證據、評價四步。我國《全日制義務教育科學課程標準（實驗稿）》（ 2001）提出，科學探究包括提出科學問題、進行猜想和假設、制定計劃和設計實驗、獲得事實與證據、檢驗與評價、表達與交流。此外，還有一些學者認為，科學探究包括了猜想與解釋、實驗與操作、明顯地看到操作結果、記錄獲得的信息、結論與交流等[16]；或者認為提出科學問題、進行假設或猜想、制定研究方案和收集數據、得出結論井做出解釋、對研究方案進行評估、交流和推廣是科學探究的六個基本步驟[17]等等。

　    盡管對于科學探究過程的認識仁者見仁、智者見智，研究者們依據不同標準對科學探究過程進行了不同的劃分，但綜合而言，他們對于科學探究的一些基本過程，如提出或形成問題、建立假設、制定研究方案檢驗假設、得出結論、交流結果等的認識卻較為一致。因此．根據己有研究成果，結合自己的研究，我們認為，科學探究主要包括觀察和提出問題、形成假設、檢驗求證、得出和解釋結論、交流與應用五個步驟（見圖1）。