基于学生课题研究的教学案例研究

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【摘　要】学生课题研究作为科学教育的一类形式,是学生在体验课题研究的过程中,将研究思路、科学方法、科研流程以及科学思维习惯构建到自己的知识体系中的教学过程。本研究通过阐述并分析两则教学关键事件,展现了学生在课题研究过程中存在的思维偏见,并从学生学习准备和教师教学方式两个角度深入探讨了影响学生思维偏见的原因。研究指出,科技辅导教师应注意观察并发现学生在科学过程再认识问题上存在的思维偏见,及时调整辅导策略,将关注、发现、分析、引导学生对科学研究过程再认识作为一项重要的科技辅导内容。本研究进一步探讨了改善教学实践的对策:科技教师辅导学生课题研究应抓住各阶段利于培养科学思维习惯的教学关键点:加强与校内科学教育的结合,关注并适当干涉学校教育对学生科学思维方式的影响。

【关键词】课题研究　科学思维　科技辅导

一、研究问题

学生在基础教育阶段接受科学教育进而获得的科学思维习惯是帮助他们在成人后解决日常问题的基本思维习惯。其中,如何看待科学家的科研过程,如何对待科学研究成果,这些都是构建学生科学思维习惯的一类关键因素。在引领学生进行课题研究的实践中,我们发现,课题研究是培养学生认识科研过程、构建科学思维习惯的一种机制。学生通过完成课题研究的科研流程,与指导教师和小组成员开展讨论与合作。学习采取符合各阶段需要的思考模式,并从思考体验中识别和掌握基于完整科研流程的阶段分布(什么时期做什么事情)、思考要点(什么阶段思考什么问题)等较为标准的思维习惯。

然而,在指导课题研究时,我经常发现学生存在某类思维偏见,这可能由于认知水平有限或某种定式的思维习惯造成。参与课题研究的学生,往往会表现出对科研流程、高级思考技能的无知,这是符合孩子的认知水平的,但他们表现出的思维误区,则会受到学习生活经验的影响。

思维习惯,因其内隐性,往往不易表现或被辅导教师发现。因此,关注学生对科研过程的已有认识,分析其产生的原因,并尝试建立基于学生认识水平的、具备科学教育教学效力的辅导方式是我要探讨的关键问题。

二、研究过程

本研究将着重阐释学生从事课题研究时与科学思维习惯――尤其是对科学过程的再认识――有关的教学关键事件,从学生学习准备和教师教学方法两个角度分析发生该类案例的原因,讨论可能的改善机制。

(一)案例描述

案例1:

2008年暑假我辅导一个六年级男生。他是那种说话声音很大,反应敏捷,具有优越感的聪明学生。2008年夏天,我们用一个月的时间观察记录了入侵昆虫美国白蛾的天敌周氏啮小蜂羽化放飞的情况。观察后,我认为他的精力和理解力可以尝试更难一些的研究。于是在我的指导下。他完成了探究周氏啮小蜂潜在寄主的实验。实际上,我们整理分析了数据,进入到讨论阶段。

师:我们的数据和图片都在这里了。孔××,根据你手里的这些统计结果,能得到什么结论呢?

生:　(马上看表格)10只面包虫蛹里有9只都死了,可是有1只羽化了(说到这里,他有些犹豫)……

师:　(我发现他的犹豫后,想主动提示)9只都死了,那能不能说明周氏啮小蜂是面包虫的寄主呢?

生:不能,不然就不应该有羽化的。

师:　(我故作偏激)那么,面包虫就不是寄主!

生:不对啊,第3天小蜂落在面包虫的蛹上了,这是我亲眼见到的,而且有9只都死了。(他迅速抛出一个问题)老师,我的第二个实验是不是失败了?

师:　(这是我第一次听到这样的问题,很惊讶)为什么这么问?

生:因为这个实验什么也说不清(这个男孩一贯的自信全没了,他沮丧极了)。

案例1背景分析:

2008年夏天,我和小学六年级学生孔××作完周氏啮小蜂释放观察记录实验后,发现还有5个没有出蜂的茧。观察实验前,孔××就对周氏啮小蜂是否有其他寄主存疑,于是我们趁茧还未出蜂,便迅速找到10只面包虫蛹,创设了最基本的观察条件。这样的观察实际上是试验性的,仅能从表象上看出周氏啮小蜂是否对面包虫感兴趣。若要检验寄生关系,可以从解剖死亡虫蛹、将观察调整为对照,增加虫蛹数量等角度综合设计实验。

真实的科学研究往往存在定性的预试验,需要以预试验的反馈为基础,综合考虑各种影响因素才能更好地设计和完善实验。分析案例1,孔某在释放观察实验中并没有这种经历。观察实验实际上仅要求学生记录周氏啮小蜂的出蜂情况。分析释放的位置对出蜂情况的影响,并不存在对未知领域的开创性探索。认为一个实验就能解决最终问题是学生科学思维方式中存在的一类误区。

案例2:

我的研究小组由两名女生和一名男生组成,他们都是8年级。我们在2009年用了7个月的时间在汉石桥湿地自然保护区研究收割旧芦苇对新芦苇生长情况是否存在影响。讨论阶段,两个女生向我提出质疑。

生:老师,现在情况是这样,芦苇的密度,收割的比不收割好;可是高度那一项两种差异不大。那么我们的研究到底能不能说明收割对新芦苇好啊?

师:密度那项根据你的数据可以说明,但是高度上差别不大,因此不能说明(我认为自己解释得很严谨)。

生:　(这时我才注意到她们的疑惑加重了)啊?那我们怎么办啊?

师:一般来说,得到这个结果以后,可以再增加其他的有关因素做实验进一步验证(我自以为是地认为这样想是理所当然的)。

生:　(她们反应更大了)啊?那老师,咱们这个实验是不是就失败了?

师:　(学生的这个反问令我困惑)为什么?

生:我们没有结果,怎么提建议啊(这个课题原自湿地芦苇收割工作的实际问题,因此学生们以为她们可以通过一个实验就提出解决方案)?

案例2背景分析:

8年级学生为了验证收割旧芦苇对新芦苇的成长存在促进或抑制影响设计了对照实验,检验收割旧芦苇与保留旧芦苇两类样地中,新生芦苇在生长高度和密度上存在的差异。这个研究源自网上公示的生态学会的学者对收割湿地芦苇影响鸟类栖息地的一篇提示,学生们认为收割旧芦苇破坏鸟类栖息地的说法与普遍认为的促进新芦苇生长之间存在一种非常实际的矛盾,便从新芦苇的生长高度和密度两个参量设计对照,期望找到较为明显的差异,为“真实世界”里的科学问题提出自己的观点。

但是,实际发展并没有如学生们预期。就像所有真实的科学研究一样,影响结果的参量种类繁多,单一实验往往不能为解决真实问题提供有说服力的答案。学生们需要具备的科学思维方式是,真实世界的问题,往往需要综合考虑一系列影响参量,创设一系列可检验少数参量的对照实验,整合这些实验的结果才能得到在一定讨论范畴内具有效力的结论。因此,案例中的8年级学生尚缺乏上述思维方式,在讨论阶段对不存在明确差异的结论表示疑惑,得知无法通过他们的实验解决问题时表现出慌张,并对真实问题涉及大

量影响因素等现象表示失望。

三、案例研究结果分析

(一)学生学习准备分析

学生在校内理解科学研究主要是通过教师讲授科学发现史和学生参与探究性学习。校内讲授科学发现史,因教学要求,多关注发现故事,少谈到科研过程,多引导学生分析实验现象,而少涉及设计实验的方法和科学研究的态度;现阶段倡导的探究性学习,不但占时较多,而且学校选择的探究问题和提供的辅助资料与真实的课题研究也存在极大差异。因此,学生缺乏体验真实科研问题的经历,反而可能会形成对科学研究的偏见。

(二)教师教学方式分析

刚开始,我没有注意到学生对科学研究的认识实际上是存在偏见的。我遵循一般科研思路回答问题,却使学生更加困惑和恐慌。如果我可以在开题前,和学生在“开放性问题很难得到简单确定的结果”这一认识上达成一致,就可以避免他们产生“到了讨论阶段才发现自己实验失败了”的想法和“在实验课和实验报告里学到的东西在这里不适用”的困惑。

另一方面,我也要避免给学生造成“科学研究没有结果”的偏见,继续帮助他们在提出假设阶段掌握如何依据现有的研究结果和资料进行预测和推测的技巧。同时,在开题阶段投入更多的精力,通过反复论证实验设计,使实验结论更加有说服力。

四、进一步的建议

作为刚刚接触科学教育的指导教师,我原以为按部就班地引导和指导学生完成各个阶段的思考和操作就可以帮助他们构建对科学研究的整体认识。然而,学生已有的学习经历或生活经验可能使他们形成了某种偏见和思维定式。我刚开始忽视了这一问题,结果导致学生在经历了实验失败的感觉之后,才重新认识到探究现实问题的科学研究与他们对科研的虚幻构想之间存在着差别。我认为,作为年轻的科技辅导教师,可以从以下几方面尝试发现、分析和解决上述教学中凸显的问题。

(一)辅导学生开展课题研究

1.开题阶段

充分论述问题的复杂性,事先明确观察、调查和实验中涉及的变量与研究问题、研究假设之间的关系,进一步预测实验结果在论证研究假设中是否具备效力。

2.实施阶段

强调在实验过程中不断审视中问阶段的实验结果,思考实验结果与研究假设是否一致,帮助学生养成在实验进程中诊断和调整计划的习惯。

3.讨论阶段

教师除了关注实验结论本身,还要向学生明确以下观点:好的研究不是提供一个答案,而是引出下一个问题;讨论真实问题要综合考虑影响因素,高级批判性思维实质上是一种“有意识的混乱”的思维过程。

4.引导学生回顾与反思课题研究过程

课题结束时,教师一方面可以引导学生反思研究过程的几个阶段、每个阶段的意义、学生在研究过程中的具体任务和效果等,另一方面可以和学生探讨在掌握了科学的思维习惯后,应该如何面对科学成果的报道、医疗产品的广告以及政府在环境或健康一类公共事务上的决策等问题,促进学生将课题研究中获得的科学思维习惯应用到今后的学术发展和日常生活中。

(二)分析并结合校内科学教育

关注并适当干涉学校教育对学生科学思维方式的影响。以光合作用的发现史为例,北京版生物七年级教材是将几个里程碑式的科研成就,按照时间顺序编排的。将1648年赫尔蒙特的柳树实验作为起点,学生了解到赫尔蒙特设计了巧妙的柳树实验,验证了植物的增重来自雨水而非土壤,随后便进入了普里斯特里的“好空气”故事。但是,激发赫尔蒙特从事柳树实验的根源(科学研究的动机)和现代人对柳树实验的再认识(对科研过程、实验结果的再认识)并没有涉及。

2007年11月,我在北京育才学校初一年级对赫尔蒙特柳树实验的教学中引入了上些内容。课堂上,学生对我介绍的以下背景表现出极大兴趣:

1.赫尔蒙特开展柳树实验,是为了验证他对圣经创世记第一章关于上帝第三天创造水的信仰。

2.历史上,赫尔蒙特的柳树实验记录存在不符合现阶段科研标准的瑕疵。比如,他将柳树从土里拿出时根系上携带了土;种了五年的树,他的记录里只有四年的落叶;给土称重的方法不准确;没有记载柳树的种类,别人无法重复他的实验;他没有称重自己所加的水,柳树实验的直观结果应该是少量的土对树的作用;赫尔蒙特的时代已经知道了矿物质,但他却忘了讨论施肥对树生长的影响等。

因此,在科学教学的过程中,教师与学生就他们熟悉的科学发现史开展一系列与科研思路、实验设计有关的讨论,并还原这些发现故事的真实性和科学性,可以引导学生理解科学发现的过程,帮助他们养成严谨的科学思维习惯进而形成对科学方法、科学过程的理解。

【参考文献】

1.张伟刚,科研方法导论,科学出版社,2009

2.卡萝尔・塔佛瑞斯,卡萝尔,韦德,白学军译,心理学的邀请(第三版),北京大学出版社,2006

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