科学探究的特征与步骤

第二节　科学探究的特征与步骤

一、科学探究的本质

要准确地理解和把握科学探究的本质，首先必须搞清楚什么是探究。从语义上讲，“探究（inquiry）”一词源于拉丁文的in或inward（在……中）和quaerere（质询、寻找），在《牛津英语辞典》中，探究是指“求索知识或信息，特别是求真的活动；是搜寻、研究、调查、检验的活动；是提问和质疑的活动”，我国1989年版的《辞海》将探究界定为“深入探讨、反复研究”。1996年版的《现代汉语辞典》也将探究定义为“探索研究；探寻追究”，即努力寻找答案、解决问题。由此可见，从基本含义上讲，探究的目的是获得知识、真理，探究的途径或方法是搜寻、调查、研究、检验。为了准确、深入地理解和把握探究的本质，进一步对不同领域中的探究概念及其理解进行分析。

首先，在社会学领域中，直接的来讲，无“探究（inquiry）”一词，社会学家主要是对与探究相关的“探索”（exploration）概念进行了探讨。在《社会学词典》中提出，所谓探索性研究是指研究者在对研究题目的范围和概念不甚清楚，对研究对象的内在联系不熟悉，不能确定假设和研究方向，并且缺乏前人的研究信息和理论的情况下，无法提出适合这类问题的具体方法以进行深入、细致研究时所采用的一种研究方法。在社会学家看来，探索的一个突出特点就是未知性。这种未知性不仅体现在对于研究问题本身的认识上，如对研究主题的范围、研究对象的内部关系等不甚了解，而且体现在整个研究进程中，由于不能明确确定具体的研究方案，必须根据研究的进展不断地对方案进行调整，正是由于这诸多的未知性使得整个探索也处于动态的、不稳定的摸索状态。因此，社会学中的探索是对未知事实的一种摸索性的初步研究。

在心理学领域，研究主要是对个体的探索活动及其行为（Exploratory behavior）进行了探讨。如，在《简明心理学百科全书》中，探索（行为）是指动物进入新异环境中常常出现的行为，包括向各处探头、嗅、窥看、轻轻地迈步、慢慢地游走等，这种探索行为可以使动物获得有关新环境的各种信息，缓解因新异环境而引起的紧张状态。我国台湾心理学者张春兴认为，探索行为是个体在新的环境中面临新的事物时企图对其性质获得进一步了解或控制时所引发的行为。探索是儿童主动学习的方式之一，包括观察、触摸、摇动、敲打等。著名心理学家朱智贤指出，探索是个体解决问题时为搜索解决问题空间的道路而使用的一种策略。从上述定义中可以看到，尽管在心理学领域中研究者们对于探索的分析视角不同于社会学领域，但他们也指出，探索作为个体在面临新环境时所表现出的试图认识、了解和控制环境的行为，其产生的一个基础性前提就是问题，于是问题的存在使得个体必须通过不断地探索来获得有关新环境的各种信息，掌握解决问题的新方法，以实现对环境的控制。因此，在心理学家看来，问题是探索产生的主要动因。

在教育的领域里，研究者们主要是将探究作为个体的一种学习方式来进行研究。例如，美国著名教育家施瓦布认为，探究学习是儿童通过自主地参与获得知识的过程，掌握研究自然所必需的探究能力；同时，形成认识自然的基础——科学概念；进而培养探索未知世界的积极态度。我国一些学者提出，探究学习是“学生在教师指导下，为获得科学素养以类似科学探究的方式所开展的学习活动；“是学生从问题或任务出发，通过形式多样的探究活动，以获得知识和技能、发展能力、培养情感体验为目的的学习方式”；“是从学科领域或现实社会生活中选择和确立研究主题，创设一种类似于科学研究的情境，通过学生自主、独立地发现问题、实验、操作、调查、信息搜集与处理、表达与交流等探索活动，获得知识、技能、情感和态度的发展，特别是探索精神和创新能力发展的学习方式和学习过程”；等等。从上述定义中可以看到，尽管研究者们对于探究的表述有所不同，但都认为，探究是个体围绕着问题或任务进行的一种探索活动，因此，问题是探究的起点。其次，探究作为一种类似于科学研究的活动，要经历科学研究的一般过程。同时，探究是以问题开始的，但问题的解决并不是探究的全部。通过探究，个体在知识、技能、情感和态度等各方面都获得了发展和提高。

通过上述分析可以看到，尽管不同领域的研究者是从不同的视角来认识和理解探究的，但彼此的理解间存在着共同之处，即，问题是探究得以产生的最基本前提，也是探究的核心。探究的实质就是发现问题、分析问题、解决问题。因此，根据已有的研究、理论探讨和自己的思考和分析，可以得出，探究是个体在新的环境中通过自主的探索、调查和研究来发现和认识新事物、解决新问题的活动。探究有广义和狭义之分。广义的探究是指一切发现和认识活动。人们通常所说的追根究底、好奇、好问、爱琢磨，实际上就是广义探究的日常表现。广义探究强调的主要是一种主动探索和发现的活动趋向，而并不一定要围绕一个明确的主题或经历一定的程序。因此，它既指科学家的专门研究，也指一般人解决问题的活动，既包括成人深思熟虑式的“实验”，也包括儿童尝试错误性的摸索或探索。狭义的探究则是指个体围绕着一个明确的问题或任务，通过假设、推理、验证等一系列的探索过程而最终解决问题或完成任务的各类活动。狭义探究作为一种比较系统的研究活动，要求具有较广泛的知识和较强的思维能力，并遵循一定的研究程序等、科学探究或科学研究就属于狭义探究的范畴。

根据上述对于探究本质的分析，所谓科学探究，简言之，就是个体通过自主地调查和研究来认识和解释自然的活动、要准确地理解和把握科学探究，必须明确如下方面：

首先，科学探究的对象是自然界，是对自然现象或问题的一种调查和研究。通过科学探究，个体发现和揭示客观事物的本质及其相互关系，掌握自然发展的规律。正如美国学者韦尔奇所指出的：“科学探究是一般探究的子集，它的对象是自然界”。其次，科学探究作为一种认知活动，要经历一定的活动程序或阶段。尽管其研究问题的方式、途径和手段也各不相同，不存在绝对统一的模式，但无论是哪一类科学研究，从发现问题到解决问题，都要经过一些类似的活动过程或阶段，如形成问题、建立假设、制定研究方案、检验假设、得出结论等。正是上述这些活动过程构成了被称为探究的科学过程，进而也成为判断某种活动是否是科学探究活动的依据。第三，在科学探究中，为了发现和认识自然现象或事物的特征，揭示自然的发展规律，个体要运用一系列的科学方法，包括观察、比较、分类、测量、交流、预测、假设、实验等来寻求对于自然问题的答案，获得对于自然世界的理解。因此，科学方法是科学探究的灵魂、当然，在不同的研究领域，针对不同的问题，可以运用不同的研究方法，不存在固定或统一的模式。同时，在不同发展阶段，具有不同发展水平的个体可以运用不同的方法来进行探究、第四，科学探究作为一种探索活动，具有双重的含义。它既可以指科学领域里的探究，即科学家所进行的各种探索自然的活动，也可以是指个体以一种类似于科学研究的方式进行的各种科学学习活动。美国的《国家科学教育标准》就明确提出：“科学探究是指科学家们用来研究自然界并根据研究所获事实证据做出解释的各种方式，同时，它也指学生构建科学知识、形成科学观念、领悟科学研究方法的各种活动”。

二、科学探究的特点

由于知识经验、认知水平等的差异，儿童与科学家的科学探究在具体的表现形式上必然存在着一定差异，但两者在本质上是相同的，都属于科学探究的范畴，具有科学探究的基本特征。科学探究具有以下基本特征：

首先，科学探究是以问题为核心的，具有问题性特征。科学探究作为一种个体认识自然的活动，是以科学问题为起点的。所谓科学问题，是针对客观世界中的物体或事件而提出的。在日常生活中，当个体己有的科学知识与经验不足以对当前的客观现象或问题做出解释时，认知冲突就产生了。这种认知冲突促使个体产生探索的愿望和要求，引发其进行科学探究。动物学家康拉德？洛伦茨在其著作《灰雁的时代》中提供了一个典型的例证。他写道：“当我一连几个小时坐在沙滩上——和我的鹅群呆在一起或坐在家里的热带鱼缸前——几乎每时每刻都有出乎意料的现象发生，我不能马上解释这些新奇的现象，但他们确实引发我去进行更加深入的观察，同时更频繁地着手进行研究”。因此，科学问题是个体进行科学探究的原动力，它驱使个体为寻求答案而进行科学探究。同时，在整个科学探究过程中，寻求什么样的假设，收集哪些信息证据，如何做出解释等活动都是紧紧围绕着问题来展开的，是在问题引导下做出的各种决策。因此，科学探究是以问题为导向的，科学探究的过程也就是发现问题、解决问题的过程。尽管儿童的科学问题与科学家相比在性质上有所不同。儿童探究的问题只是对于儿童个体来说是未知的，而对于成人或整个人类而言这些问题可能已经不属于未知领域，如：“地球是什么形状的”、“为什么空中的物体会落回到地面”、“人为什么要呼吸”，等等，但正是这些问题的存在，引发儿童去进行探究，从而不断地丰富和扩展其对于客观世界的认识和理解，建立科学的世界观。

其次，科学探究是一种个体建构的活动，具有建构性特征。科学探究作为一种认知活动，是个体主动地建构对于客观世界的理解的过程。在科学活动中，当个体已有的知识经验不足以对当前的科学现象或问题做出解释时，就会产生认知冲突，为了解决冲突，实现认知的平衡，个体必须不断围绕所面对的问题进行思考，做出计划，通过各种途径获取有关信息，以自己的方式对问题做出基于己有经验的分析和推论、综合和概括，将自己的发现与他人的发现进行比较，据此对自己的看法和做法做出反思与评价，并调节自己的活动等。在这一过程中，一方面个体以原有的知识经验为基础，通过将新知识与已有的、适当的知识经验相联系，主动地建构对于新知识的理解；另一方面，个体又需要依据新经验对原有经验结构本身也做出某种调整和改造，形成新的认知结构，因此，科学探究既是一个对新信息的意义的建构过程，同时又是由于新、旧经验的冲突而引发的概念转变和认知结构重组的过程，尽管与科学家相比，儿童的科学探究多倾向于以已有的理论为基础来建构对于新信息的理解，儿童只有在获得了大量新的经历并且这些经历要求其做出改变的情况下，才会调整和改变原来的理论；并且，当通过实验所得到的证据与儿童自己原来的想法相矛盾时，他们经常或者忽视不一致的证据，或者通过调整证据以适合于他们的理论，认知重组会相对较少，但正是这种以己有知识经验为基础的探究，使得儿童不断地形成和获得对于客观世界的新的认识，实现对于客观世界的认知建构。

第三，科学探究的体质是一种思维的过程，具有思维性特征。科学探究作为一种科学研究，是一种多方面、多层次的活动，它需要做观察，需要提出问题，需要查阅书刊及其他信息源以便弄清楚什么情况已经是人所共知的东西，需要提出假设和预测，需要设计调研方案，需要进行实验，需要运用各种手段来分析和解释数据，需要提出答案和解释，需要把研究结果告之与人等。在这一过程中，个体不仅要使用观察、分类、交流、测量、推论、预测、假设等一系列的科学方法，而且要使用概括、分析、类比、归纳、推理等思维方法来形成并修正科学解释、识别和分析各种模型、交流和应用得出的科学结论。因此，科学探究的过程也就是科学思维的过程。美国教育家杜威曾经指出，探究是“对任何一种信念或假设的知识进行的积极、持续、审慎的思考”，探究的目的是通过使用解释、证据、推论和概括来证实信念。尽管与科学家相比，儿童的思维能力可能不足以阐明称之为科学的理论。如，他们主要以直接经验的感性认识而不是理性认识为基础来形成关于自然现象的知识，因此倾向于以自我为中心来看待世界；对于事物因果关系的思考表现出更多简单、表面化的特征，很难同时把握太多的因素等。但是儿童所建构的思想、观点，无论对错，都不是随意的，它们往往具有基本的逻辑性，是儿童逻辑分析和推理——尽管与成年人相比这种逻辑分析和推理尚是简单的、粗浅的、不严密的结果，并建立在证据和经历的基础之上。

第四，科学探究重视交流与合作，具有合作性特征。一方面，科学探究作为一种建构活动，每个人都以自己原有的知识和经验为背景建构对于事物的理解，由于不同个体己有的知识、经验以及对经验的看法不同，不同人看到的是事物的不同侧面，对同一个问题常会表现出不同的理解，要使个体超越自己的认识，看到那些与自己不同的理解，看到事物另外的侧面，使理解更加丰富和全面.就必须通过彼此间充分的合作和广泛的讨论。另一方面，科学研究的一个突出特点就是可重复验证性，这就要求个体能够较清楚地说明所研究的问题、程序、证据、提出的解释以及对不同解释的考查，以使有疑问者能够进一步核实，或者他人将这一解释用于新的研究。科学发展的历史表明，科学研究离不开合作，与科学家相比，儿童由于知识经验、认知能力等的局限，其对于自然世界的认识和理解常常可能是片面、不完全、不确切的。因此，儿童要形成对于自然现象或问题的正确认识，建立正确的科学观念，更需要合作。同时，由于儿童在日常生活中已可能形成许多错误概念且可能较顽固，合作探究则能够促使儿童在表达自己的观点、交流和讨论不同意见的过程中转变原来不正确的看法，重构新观念，形成新的更为科学的理解。此外，对于儿童而言，合作探究不仅有助于丰富和深化其对于科学概念的理解，加深其对科学活动性质的认识，同时也有助于儿童科学探究所必需的思想方法、行为方式和价值观念等多方面的培养、因此、合作是科学探究的一个重要特征。

三、科学探究的步骤

对于科学探究如何进行，国内外的不少学者都提出了自己的观点，如特罗布里奇和鲍威尔等人认为，科学探究的基本程序包括形成问题、建立假设、设计研究方案、检验假设、表达或交流结果等。《美国国家科学教育标准》提出，科学探究的步骤主要包括：观察，提出问题，查阅书籍和其他信息资源来寻找己有知识，利用各种工具搜集、分析并解释数据，做出答案、解释或预言，交流结果。美国国家研究理事会认为，科学探究包括形成科学研究问题、收集数据、建立假设、检验假设和交流结果。《英国国家科学课程》将科学探究过程划分为制定计划、获取并表达证据、思考证据、评价四步。我国《全日制义务教育科学课程标准（实验稿）》提出，科学探究包括提出科学问题、进行猜想和假设、制定计划和设计实验、获得事实与证据、检验与评价、表达与交流。此外，还有一些学者认为，科学探究包括了猜想与解释、实验与操作、明显地看到操作结果、记录获得的信息、结论与交流等；或者认为提出科学问题、进行假设或猜想、制定研究方案和收集数据、得出结论并做出解释、对研究方案进行评估、交流和推广是科学探究的六个基本步骤等等。

尽管对于科学探究过程的认识仁者见仁、智者见智，研究者们依据不同标准对科学探究过程进行了不同的划分，但综合而言，他们对于科学探究的一些基本过程，如提出或形成问题、建立假设、制定研究方案检验假设、得出结论、交流结果等的认识却较为一致。一般来说，科学探究主要包括观察和提出问题、形成假设、检验求证、得出和解释结论、交流与应用五个步骤（见下页图2－1）。

图2－1　科学探究的步骤

1.观察和提出问题

观察是科学探究的基石、通过观察可以发现自然世界中未知的各种事物和现象，从而提出问题，确立探究的主题。因此，观察和提出问题是密不可分的。但是，并不是所有的观察都能导致提出问题。很多时候，我们会深陷于“已知的幻觉”之中，也就是说，当你“掌握”某些知识的时候，会使你所看到的现象符合自己理解的事物模型并从中得到解释。正如德国文学家歌德所说的：“我们只看到我们所知道的”。因此，在科学探究中，个体要经常审视自己知识的界限，发现自己已有知识的局限和矛盾，探寻运用自己的理论所无法解释的难点，从而确立需要探究的事实。从某种意义上讲，科学探究就是要寻找一扇由已知通向未知的“大门”，推动“已知的幻觉”的不断扩张。

2.形成假设

假设源于个体所提出的问题，是对于问题的一种简洁的陈述，它试图解释一种模式或预测一种结果，是个体在已有的知识经验的基础上所提出的关于问题的可能性解释。假设是科学发展的必经之路，虽然假设只是一种试验性的观点，必须通过观察或实验加以验证，但它能帮助探究者澄清思想和说明关系。德国文学家海涅就曾说过：“谁若为我们指出了走不通的道路，那么他就像为我们指导了正确道路的人一样，对我们做了一件同样的好事”。假设可能有一种，也可能有多种，但不论多少，假设必须具有合理性，才有助于制定解决问题的可行性方案，由于一个假设只是对问题的一种观点和看法，因此在实际的探究中，个体不能将自己限制在一种假设之中，而要尽可能地提出多种假设，以避免那些有可能局限于某种观点的偏见，从而保证研究的开放性，以获得客观、真实的研究结果。

3.检验求证

检验是对观察和假设的一种验证，通过检验，假设就可能被证实或支持，也可能被否定或推翻，而那些由“权威”传递的错误观念也可以被抛齐、检验使我们能够探查自然世界中那些隐藏在自然现象和事物背后的奥秘，揭示自然的本质。检验的方式主要有两种：一种是引证式，即根据已选择的方案去收集支持假设所需要的事实和证据，经分析、概括而得出结论，从而证明假设成立或者不成立；二是实验式，即个体亲自动手实验，通过分析实验和总结实验结果来验证假设的正确性和有效性。如果所提出的假设在实践过程中行不通，那么就需要重新对问题和假设进行分析，再次提出新的假设和验证假设，实验是有明确程序，并可重夏进行的，但同时也不能过度地信任实验，因为实验错误的可能性总是存在的，这种实验错误可以导致错误的结果。

4.得出和解释结论

在对假设进行验证的基础上，个体概括、归纳其发现，得出并解释结论，形成关于某一现象或问题的科学认识。在此过程中，不仅要收集证据，而且要将观察与实验的结果与自己已有的知识经验联系起来，借助于分析、推理提出现象或结果产生的原因，并在实验证据和逻辑论证的基础上建立各种变量间的联系，从而形成以己有知识和当前观察与实验结果为基础的新的理解、解释必须同自然观察或实验结果所获得的证据一致，遵循证据规则，同时，解释还须接受公开的批评和质疑，并要求运用各种科学的认知方法和过程，如分类、分析、推论、预测、批判性推理和逻辑推理等。

5.交流和应用

在形成关于某一现象或问题的结论、解释后，个体还需要与他人进行相互交流，在这种交流中，一方面，个体要准确地向其他人阐明自己所探究的问题、方法、探究过程以及结果，并倾听他人对证据和解释的看法和态度；另一方面，他人也有机会就这些结论、解释提出疑问，指出其中有悖于事实证据的地方，或者就相同的观察提出不同的解释等。通过交流，个体可以获得各种可能的解释，有助于将实验证据、已有的科学知识和他们所提出的解释这三者之间更紧密地联系起来，最终解决彼此观点中的矛盾，巩固以实验、事实为基础的论证，促进科学结论的获得。最后，个体还需要将其所获得的结论应用到其他情境中，以进一步验证结论，并扩大和丰富对于自然世界的认识。

当然，对于科学探究过程的认识，不能采取绝对化、机械化的理解，以为只有经历上述五个阶段的探究才是科学探究。实际上，科学探究的问题是多种多样的，针对不同问题，人们所可能经历的探究过程、采取的探究方式就可能不同，不可能存在某一种绝对、固定化的模式或统一化的模式、同时，在科学探究的步骤中，形成假设和检验求证是连续循环交叉重叠的两个过程，正是在不断地假设—检验—再假设—再检验的过程中，个体不断地丰富、调整和完善对于自然世界的认识，形成科学的世界观。