科学探究形态举隅及对科学教育的启示，本文主要内容关键词为：科学论文,形态论文,启示论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
2011年5月，在苏州大学举办的第十五届全球华人计算机教育应用大会上，笔者提出了科学探究的第三种形态——数据探究理论，旨在拓展信息环境下科学探究教育的新方式和途径。本文将就科学探究的三种形态做一简要介绍，借以抛砖引玉。
一、从探究“环境”看三种物理科学探究形态
1.传统探究形式
20世纪60年代，美国人施瓦布提出，科学教育应为学生创造体验科学家从事科学研究的环境，以使学生在这种环境中获得基本的科学素养，提出了“探究学习理论”。进入21世纪以来，随着我国课程改革的不断深入，人们对探究教学有了更深的认识。《课程标准》指出，高中物理课程应该让学生“体验科学探究过程，了解科学研究方法；增强创新意识和实践能力，发展探索自然、理解自然的兴趣与热情。”要让其“积极参与、乐于探究”，最终“培养其科学探究能力，使其逐步形成科学态度与科学精神。”那么，究竟什么是科学探究？科学探究的本质是什么？
科学探究的初衷是期望创设和模拟科学家从事科学研究的“环境”，在科学氛围浓厚的“环境”中培养学生对科学的兴趣、对科学的想象力、解决科学问题的方法和技能，并形成科学的世界观和价值观。然而，科学家从事科学研究的“环境”是具有时代特征，并随着时代发展而变化的。
伽利略时代，科学研究主要依赖于平时的生活经验、对哲学问题的思考和利用身边物品进行实践验证，因此，比萨斜塔上用抛球的方法研究物体的下落即烙有那个时代科学研究“环境”的鲜明特征——实验探究。在数学工具进一步发达的时代，科学研究的“环境”也发生了重要的变化。在牛顿时代，实验方法得到了进一步推广，但是如果需要研究更复杂的物理现象则需要更高层次的数学工具，微积分的发明就成为当时推动科学进步的重要工具。至此，科学探究的两种重要形态——实验探究和理论探究相继建立起来，并在科学发展的过程中逐步成熟。
2.数据探究形式及数据素养指标体系
到了近代，计算机技术广泛应用于科学研究中，科学家从事科学研究的环境较之伽利略和牛顿时代已经发生了翻天覆地的变化，这是一种具备新的“探究特征”的“环境”，我们称为“数据环境”。
信息时代的科学研究除了实验探究和理论探究之外，还出现了第三种探究形态——数据探究。所谓数据探究，即学生在数据环境下，依赖于计算机多媒体技术及网络技术展开的一种科学探究活动。与传统的科学探究活动相比，数据探究的主要特征是集成了计算机多媒体技术和网络技术，使得原有的以理论和实验为主要特征的科学探究活动产生了新的形态，例如计算机模拟等。在数据探究中，学生的主动性得到了充分发挥，学生必须具备猜想、动手、设计规划、计算机操作、数据挖掘等多种技能才能够顺利完成学习任务，这对提高学生包括“数据素养”在内的科学素养提供了必要的条件。借鉴美国图书馆协会（American Library Association）1998年颁布的《学生学习的信息素养标准》（Information Literacy Standards for Student Learning），笔者（项华等）开发并研究了数据素养的二级指标体系，如下页表1所示，为数据探究提供了理论支持和依据。
从表中可以看出，数据探究的任务是培养学生进行信息观测、数据挖掘和开发数据价值的能力。数据探究的基本特征是依赖于现代信息技术的发展，要求为学生提供具备现代信息技术条件的“环境”，激发学生在这样的环境中积极、主动参与到探究活动中去。与实验探究和理论探究一样，数据探究的价值体现在它为科学研究提供了方法和途径，成为科学研究必不可少的一部分。
数据探究所体现的科学方法有什么新的特征呢？下面我们来看一个实例。
二、三种物理科学探究形态举隅
本探究选择的课题是《平抛运动》，其目的是探究平抛运动的运动轨迹特征。下面我们通过实验探究、理论探究和数据探究分别进行规律探究活动。
1.实验探究
[环境要求]在进行实验探究前，学生需具备观察能力、画图描点技能等。
为了了解平抛运动的特点，需要描绘出平抛运动的轨迹，在分析轨迹特点的前提下研究平抛物体的运动规律。如何描绘平抛运动轨迹呢？学生可自行设计实验仪器，也可借助于实验室提供的J2154平抛运动实验器（如图1）操作完成。
[探究过程]（1）调节实验仪器竖直放置，并保证斜槽末端水平。将白纸、复写纸、白纸依次固定到白板上。
（2）令小球从斜槽某一位置由静止滚下，小球落到横槽上，即在白纸上打下点迹。
（3）向上移动横槽并固定。令小球从斜槽上同一位置再次滚下，在横槽作用下再次在白纸上留下点迹。
（4）重复（3）的操作。
（5）将印有一系列点迹的白纸（如图2）取下，用铅笔将点迹平滑连接，即得到小球的运动轨迹。
通过上述研究发现，小球的运动轨迹非常像一条抛物线。但限于实验操作的探究只能做定性研究，不能准确获得平抛运动的规律，但是这种直观获取运动轨迹的探究方法为进一步研究提供了条件。
2.理论探究
[环境要求]学生需具备幂函数的数学知识、匀速直线运动规律、自由落体运动规律和运动的独立性原理等知识储备及建立坐标系技能。
[探究过程]（1）如图3所示，让两个小球分别从同一竖直面内的两个相同形状斜槽顶端由静止释放，两小球在水平面上相撞，重复上述实验发现，只要两小球从斜槽上离开的位置相同，即沿水平方向的位置相同，两小球总能在水平面上相撞，说明平抛运动在水平方向的分运动是匀速直线运动。
（2）如图4所示，用小锤敲击振片，一个小球做平抛运动的同时，另一个小球做自由落体运动，多次从不同高度重复实验，演示结果表明两小球总能同时落地，说明平抛运动在竖直方向的分运动是自由落体运动。
上述实验反过来说就是：水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的合成就是平抛运动。那么，平抛运动物体的轨迹究竟有什么特点呢？
（3）以抛出点为坐标原点，沿初速度方向为x轴正方向，竖直向下为y轴正方向。从抛出时开始计时，t时刻质点的位置为P（x，y），如图5所示，有
由于从抛出点开始计时，所以t时刻质点的坐标恰好等于时间t内质点的水平位移和竖直位移，由上述两式可得轨迹方程
从上述探究过程可以看出，理论探究可单独使用，也可与实验探究结合使用。通过理论探究得到的运动曲线，显然比单纯用实验获得的轨迹图象更精确。
3.数据探究
[环境要求]电脑、普通摄像头、Excel软件、几何画板软件、Mr Captor软件等。
[探究过程]（1）利用Mr Captor软件捕获平抛运动小球的运动图像。
①将家用普通摄像头插到电脑上，并调整好视角使其能够完整观察小球下落空间为宜。
②软件安装和参数设定：安装Mr Captor软件，界面如图6所示，单击“选项—参数—定时/视频”选项卡，设定“间隔”为1（即0.01s），并选择设定截图的保存“路径”。
③选择截图区域：将连接好的摄像头正对小球下落区域，然后点击按钮在电脑上的视频区域右击鼠标后拖动选择截图区域，如图6所示。
④定时截图：单击鼠标右键，选择“开始定时捕捉”选项，软件即开始在选定区域内每隔0.01 s截取一张图片，并按照顺序编号后保存在预先指定的文件夹内。
（2）利用ACDSee软件拼接图片。
①安装ACDSee软件并打开保存的截图：从ACDSee软件左侧的文件夹中找到存储截图的文件夹，选择第一张图片，然后按住“shift”键，选择最后一张图片，即可选定所有的图片。
②创建图像表并设定参数：点击“创建—创建图像表”生成图像表，通过设定参数（需根据图像大小和数量设置，简单易操作）生成图像后，将生成的图像表（图像表即所有截图按时间顺序拼接在一起，图表较长文中省略）输出到指定的文件夹中待处理。
（3）利用几何画板标记并测量生成的图像表。
①打开图像表并标记小球的位置：几何画板打开已保存的图像表。
②标记“标志点”：用“画点”工具在斜槽末端标记一个点，作为“标志点”。
③标记小球的位置：用“画点”工具标记第一幅图中小球中心的位置。
④拖动图像，使第二幅图斜槽末端正好与所画的“标志点”重合，这样第二幅图占据第一幅图的位置，用“画点”工具标记第二幅图中小球中心的位置。
⑤重复④的操作，依次在所有图上标记小球的位置。
⑥选择度量工具中“坐标”，再在标记的点上依次点击右键，选中“纵坐标”，把各点的纵坐标标记出来；选中“横坐标”，把各点的横坐标标记出来。
制表：分别选中所测量出的各点的横坐标和纵坐标，点击“图表—制表”生成两个表格。
（4）利用Excel软件绘制图线并生成图线公式。
①将生成的2个表格粘贴到Excel内，进行简单整理后，得到如表2所示的表格。
②选中所有数据，点击“插入—图表”，在选择菜单中选择“XY散点图”，依次点击“下一步”，完成图表的插入。
③在生成的图线上点击右键，选择“添加趋势线”，在弹出的对话框中选择第三项“多项式”，并把阶数设置为2；在“选项”选项卡中选择“显示公式”，点击“确定”，即生成图7所示的图线。
从生成的图线y=-0.3991
-2.5955x+2.1472可以看出，小球下落的轨迹是一条抛物线。通过上述分析我们可以看出，一方面数据探究提供的探究方式融入了信息技术元素，这在现代科学研究中有重要意义。另一方面，数据探究提供的探究结果可信度和精确度都较高。
三、三种科学探究形态的比较对科学教育的启示
通过比较分析可以发现，探究的形态与其探究“环境”有密切联系，探究形态依赖于探究“环境”，不同的“环境”决定了其探究形态的不同。通过上述的对比分析，对我们中学物理教学有如下启示：
1.计算机辅助教学应侧重于“学”，使信息技术成为学习者的工具
长期以来，计算机辅助教学（CAI）的定位一般都是如何为教师的“教”提供辅助，个别为学习者提供更形象认识的动画、视频等也是为克服“难教”服务的。数据探究的不同之处在于，它关注的是“学”，即如何让学生应用信息技术工具完成探究学习任务。而教师和学生在这个过程中的角色也发生了变化，它要求教师充当引导者、组织者、监督者的角色，学生成为学习任务真正的策划者、实施者、评价者。
2.提高学生的数据素养是信息时代对物理学科教学新的挑战
信息时代的到来，不仅改变了人们的生产、生活方式，也改变了人们的学习方式和科研形态。作为21世纪的学生，不能融信息技术于学习之中，就不能适应爆炸性的知识增长；作为21世纪的科研工作者，不能将信息技术应用于科学研究，将永远比别人的脚步慢。在物理学科教学中，适当引入信息技术作为学习工具，是对学生数据素养的培养，也是对学生科学素养的完善。培养学生的数据素养，其目的旨在让学生融信息技术于学习之中，掌握基本的信息观测、数据挖掘以及开发数据价值的能力，为日后进一步学习或从事科研工作做好基础。
3.物理教学应拓展提高学生数据素养的途径
数据素养是一种综合素质，进行无目的地浏览网页、播放视频或动画等并不属于数据探究的范畴。数据探究是基于一定的探究任务，构建探究计划、执行探究任务并进行综合评价的一种学习活动。因此，任务不同、探究计划及手段的不同将会呈现探究的多样性。在中学物理教学中，教师可以借助于数字实验室、仿真实验室、数字截屏技术、Webquest、S-Webquest等多种渠道和手段来实现数据探究的目的，从而提高学生的数据素养。
4.拓展数据探究的选修课建设，培养“数字科学家”
现在，很多学校都配备了数字实验室，但是应用情况却不容乐观。很多学校在使用数字实验室时，只是借助于传感器改变了数据获取的方式，却并没有改变学习的方式，远没有发挥好数字实验室的作用。有条件的学校，应着力开发和建设基于数据探究的选修课程，为培养具备包括数据素养在内的科学素养的未来“数字科学家”而努力。该选修课程应将物理与信息技术结合，使用传统实验器材、各种传感器和各种电脑软件（包括仿真模拟软件），结合精心设计的案例，不仅让学生经历实验和理论探究，还应让学生经历基于模拟的数据探究，使学生在中学时代就对科学研究的方法有比较全面的了解。
数据探究理论开拓了一种全新的视角，是站在教育、科技发展的前沿所提出的教育理论。虽然它还处于起始阶段，但值得欣慰的是，我们看到有很多中学（如北京市景山学校、北京101中学等）已经着力开发和建设这方面的选修课程，也有一批思想先进、勇于创新的教师正在做这方面的尝试和探索。我们相信，数据探究也必将成为未来中学教育不可或缺的元素。