中学生在科学实验探究活动中提出问题的初步研究.doc

中学生在科学实验探究活动中提出问题的初步研究作者：绵阳中学物理组 周 勇 摘要：本研究以广西师范大学兴华科学教育团队设计的“怪坡”装置为探究任务, 对40名初三学生进行访谈，从数量和质量两方面对学生在科学实验探究活动中提出问题的特点做了逐步的探测，得出了一些初步的、有进一步讨论价值的结论。关键词：问题；提出问题；问题的结构；实验探究A Primary Study on the Problems Posed by Middle School Students in Inquiring Activities with Science ExperimentsAbstract：Using “the magic slope” designed by the RISE faculties at Guangxi Normal University as a experimental task to “invite” students participating in inquiry learning process, this study interviewed 40 junior high school students in order to explore features of the problems posed by students in the context of inquiring activities with science experiments from two aspects of quality and quantity. Some primary results has been found and discussedKeywords：problem；problem posing；problem structure；inquiry learning with experiments.1.前言科学探究指的是科学家们用以研究自然界并基于此种研究获得的证据提出种种解释的多种不同途径。科学探究也指的是学生们用以获取知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动。 1科学探究既是一种重要的教学方式，也是学生的学习内容之一。在学生的科学探究中，提出问题作为一个不可或缺的要素之一，对科学探究有着重要的意义，科学探究正是紧紧围绕问题来展开并逐渐深入下去的。对于学生课堂提问的功能、影响学生提问的因素、培养学生课堂提问的策略、学生提出问题的类型以及学生提出问题的能力等方面，国内外研究者都做了很多的研究。本研究是让中学生在完整的科学实验探究活动中提出问题，采用访谈的方法，并借鉴科学哲学中关于“科学问题”的研究成果，从问题结构的角度，比较深入地研究学生提问的数量和质量等方面的情况，期望为中学生提出问题以及科学探究能力的研究打下一定的理论和实践基础，也为科学探究式教学的设计与实施提供一些参考建议。2.研究设计2.1研究方法、工具和程序本研究让学生在科学实验探究活动中以书面文字的形式提出问题，采用访谈的方法，以便获得尽量真实、完整的提出问题的信息。本研究以广西师范大学兴华科学教育团队设计的“怪坡”装置为探究素材，如上图所示，该装置由四个木质斜面和一个水平木质底面粘合而成，并配有一个喷有漆的小圆柱形强磁铁和一个喷有漆的小圆柱形铜块。测试程序是：第一，初步测试阶段于2009年10月，我们首先在桂林德智外国语学校进行初试。通过初试，我们发现学生在本次科学实验探究活动中提出了大量的问题和假设，于是在材料上增加了指南针，玻璃球，圆柱形木块等。第二，正式测试阶段于2009年12月，主试分别让每一被试进行单独的科学实验探究活动，探究时间一般在40分钟左右，具体时间要根据被试的探究情况而定。在呈现实验现象之前，由主试告知被试相关注意事项，让被试知道测试目的，放松探究；然后主试为被试演示一部分实验现象，具体操作是：将凹形木质装置水平放置于桌面上，且正对南北方向(这一点不告知学生)，然后让一小圆柱形物体分别在四个斜面上由静止滚下，让学生观察现象，再拿另一个小圆柱形物体进行同样的操作，让学生将现象进行对比，并探索两物体运动情况差异的原因；然后让学生自主探究，主试坐在一旁观察并作好相应记录；最后主试根据对被试的观察情况和被试所填写的提出问题记录表对被试进行访谈并录音，以便获得尽量真实、完整的提出问题的信息。本研究主要借鉴王习胜(2000) 2对问题结构的研究成果，将中学生提出问题的结构分为三个基本要素：即问题的指向、问题的疑项以及问题的解答域。同时，问题的预设，就主要负载于问题的指向和解答域要素之上，包括问题的指向预设和问题的解答域预设。 2.2被试的选取本研究选择四川省隆昌县第七中学初三学生作为被试,该学校初三年级共有6个平行教学班，为了尽量避免学生探究后相互交流，从整个初三年级的花名册中采取等距抽样的方法，抽取了40名学生作为被试样本。被试样本中男生19人,女生21人,平均年龄14.6岁，最大16岁，最小13岁。被试还没有学习物理(9年级)第十六章：从指南针到磁悬浮列车。2.3研究内容(1)学生提出问题的文字表征分析(2)学生提出问题的数量分析(3)分析学生提出问题的指向(4)分析产生错误指向预设的原因及其对解决问题的影响(5)分析学生提出问题的解答域及解答域预设对问题解决的影响3.数据分析、主要结论和讨论3.1学生提出问题的文字表征分析本研究让学生以书面文字的形式表征自己的问题，同时通过访谈法来深入了解学生真实、完整的想法。以文字的形式表现出来的问题是属于外部表征，通过数据分析，反映出部分学生在问题的文字表征上主要存在三个方面的欠缺：第一，用词不准确；第二，语义表达含糊不清；第三，不能准确地表征出探究活动所隐含的规律。本实验探究活动中，清楚、准确地表征出物体偏转现象的规律，可以帮助学生有效地、更优地选择探究策略。还有，准确的措辞以及清晰的语义表达，有助于与合作者之间以及与老师之间的交流、讨论，也有助于查询文献资料等。所以问题的表征将直接影响到问题解决的质量和效率。对于较轻那个物体的偏转条件及规律，很多学生没有清晰地表征出来，即导致这一重要信息的遗漏，因而建构出错误的或者是不完整的问题空间，势必影响随后的探究。这一点类似于傅小兰、何海东(1995) 3对问题表征过程的一项研究中得出的结论即在问题表征过程中，导致建构出错误的或者不完整的问题空间的因素包括：信息遗漏(未能将问题的有关信息全部提取出来)，信息误解(对某些问题信息做了错误的分析和理解)，隐喻干扰(问题信息中潜在的歧义性使被试困惑或误导被试的解题思路)等。3.2学生提出问题的数量分析3.2.1男、女生提出问题的数量比较在本次科学实验探究活动中，40名学生共提出190个问题。男生提出97个问题，占问题总数的51.1，平均提问5.11个；女生提出93个问题，占问题总数的48.9，平均提问4.43个。因此，从提出问题数量上来讲，男生平均提问个数略高于女生。这与吕柯(2008) 4研究得出的结论基本一致。吕柯是以“热水喷泉实验”为情境对中学生进行提出问题的研究，该研究选择湖南省临湘市某镇的一所初级中学的39名初二学生为被试，研究发现：在三个阶段(即观察表征阶段、解释阶段和实验操作阶段)中，39名学生共提出新的问题341个，其中男生提出195个问题，占问题总数的57.2，男生平均提问9.29个；女生提出146个问题，占问题总数的42.8，女生平均提问8.11个；男生平均提问个数略高于女生，但整体上没有显著差异。3.2.2学生提出问题数量的频数分析在本次科学实验探究活动中，每位学生提出的问题最多有10个，最少有1个，平均提问数量为4.75个；有30名学生提问数量在36个，占总人数的75，这表明大部分学生提出问题数量在36个。与此相关的研究还有，吕柯(2008) 5以“热水喷泉实验”为情境对中学生进行提问初步研究。该研究发现：在观察表征阶段，39名被试共提出226个问题，最多提问14个，最少提问1个，平均每个学生提问5.795个，学生提问的数量分布范围比较广；但有27人的提问数量为36个之间，占总人数的69.2%。与此相关的研究还有，黄新华(2005) 6做的中学物理教学中对学生提出问题能力培养的实验研究。该研究以景德镇第八中学初二年级(1)、(2)两个班共82名学生为被试，以文字描述的方式向学生呈现了一个物理情境：夏天，某同学正在用吸管喝一瓶刚从冰柜里拿出来用玻璃瓶装的汽水，瓶还“冒着汗”呢？让学生尽其所想并从物理角度提出与该现象有关的各种问题。研究发现：有10.8%的学生没有提出问题，56.8%的学生提出1个问题，27%的学生提出2个问题，5.4%的学生提出3个及以上的问题。这与本研究得到的学生提出问题的频数分布情况有较大不同，笔者认为，这可能与活动方式的差别有关，即参与科学实验探究活动和仅用文字来描述问题情境之间的差别。3.2.3学生提出问题的数量与物理学业成绩的相关分析笔者结合学生最近的一次期中物理考试的成绩，对问题数量与物理学业成绩之间进行相关分析。研究发现，在本次科学实验探究活动中，40名初三学生提出问题的数量与物理学业成绩之间的皮尔逊积差相关系数为-0.042(p=0.790.05)，没有显著相关。另外，与此相关的研究还有Chevalier和Susan(1996) 7研究调查了不同性别和不同成绩的学生的提问频次、类型及提问感觉。样本为130个男生和138个女生、4个教师和2个科学专家(各教两个5年级和两个六年级班)。用设计的一套科学课问题编码工具作了66个观察，系统记录了学生的问题和科学教学的内容。以教师和成绩水平作为自变量，提问频次作为因变量时，具有显著性差异。至于本研究与Chevalier和Susan(1996)的研究得出的结论不一致，笔者认为可能与研究方法、研究工具以及学生的平均年龄等有关系。这一问题还有待于进一步研究。3.3学生提出问题的问题指向分析3.3.1问题指向的内容在学生提出的190个问题当中，频数大于等于3的问题指向有十一个指向内容。反映出学生在科学实验探究过程中思维比较活跃，勇于探索。3.3.2男、女生问题指向的差异分析对于“问题指向二”，即指向“偏转现象与磁铁、磁性、磁场或地磁场等的关系”，笔者认为这指向了本实验探究中问题的核心。在190个问题中，“问题指向二”的频数为22，占问题总数的11.6；在属于“问题指向二”的22个问题中，男生提问频数为17，占77.3，女生提问频数为5，占22.7。男生提问频数明显高于女生。与此相关的研究还有，宋振韶(2002) 8通过对小学生的问卷调查表明，学生的性别在提问类型上有差异。在高思维卷入类型上，男生的人数多于女生的人数。在低思维卷入类型上，女生的人数又高于男生的人数。另外，随着年级的增加，高思维卷入类型的学生显著增加，而低思维卷入类型的学生则随着年级的增加显著减少。3.4学生提出问题的错误指向预设分析王习胜(2000) 9认为，问题的指向预设，主要是从对象角度，预设某种实体、性质、状态、(因果关系)以及命题等的存在。可见，这类预设其实就是对问题的对象所作的本体论预设。一个问题，如果没有这种预设，就无法提问出来。即使是否定某种实体、某种因果关系，或者假设了某种实体不存在，其本身也就是一种本体的预设。3.4.1学生提出问题中错误指向预设的数量分析在本次科学实验探究活动中，40名初三学生总共提出190个问题，其中有25个问题的指向预设出现错误，占问题总数的13.2%。在25个错误的问题指向预设中，男生提出12个，占48%，女生提出13个，占52%。3.4.2学生提出问题中错误指向预设的原因分析学生提出问题的错误指向预设共有16种类型，这反映出了学生的内心思维活动并暴露出了学生的前概念。通过分析这25个错误指向预设，笔者发现主要有三种原因：第一，学生在实验探究活动中，提出假说或观点之后没有积极去寻找证据来支持或反驳自己的假说，提出假说或观点非常草率，只能算作一种随意的猜想，没有意识到证据在科学探究中的重要性。真正的“科学问题”是一个暗含着理论假说的问题，是启发学生提出更多问题和假说的梯子 10。在学生提出的问题中，就预设了某种实体、性质、状态、(因果关系)以及命题等的存在，也就是暗含着理论假说。有些可以直接看出来，有些需要通过访谈才能得知。在25个具有错误的问题指向预设的问题当中，有18个问题的指向预设错误的原因都属于这种情况，占问题总数的72%。第二，在面临现象与原有假说(观点或结论)相矛盾的时候，学生没有用新的现象去修正或推翻自己原有假说(观点或结论)，只是感觉非常困惑。在25个错误指向预设中，有3个是属于这种情况，占12%。第三，学生的知识性的错误。在25个错误指向预设当中，有4个指向预设错误的原因是属于知识性错误，占错误问题指向预设的16%，而且通过访谈发现，这些错误观点在学生眼里是很有“道理”的，也充分暴露出学生的一些错误的概念或观点。3.5学生提出问题的解答域预设分析王习胜(2001) 11认为，作为一种认识形态，科学问题不仅会提供探索的对象，而且还会提示答案的范围。所谓科学问题的解答域预设，就是问题自身所认定(或假定)的问题解答范围，它指示着解答者到哪个域限中去寻找答案。所以，这类预设，其实就是科学问题的方法论预设。根据问题的方法论预设的限定或指定情况，可将这类预设分为全域型、类域型和特域型三种类型。张红霞认为 12，开放性问题往往暗含有多个“变量”，而封闭性问题只有两个以下的“变量”。通过对本次实验探究的个案分析，我们证实了张红霞的观点 13，即封闭性的科学问题往往产生于开放性问题之后；包含众多变量的问题反映了提问者对问题所涉及的研究对象的认识才刚刚开始，而两个变量的问题说明提问者已初步获得了一个因果关系的假说。4.结语本研究是让中学生在科学实验探究活动中提出问题，采用访谈的方法，并借鉴科学哲学中关于“科学问题”的研究成果，从问题结构的角度，比较深入地研究学生提问的数量和质量等方面的情况，期望为学生提出问题以及科学探究能力的