科学思维与FOSS教学理念.doc

科学思维过程与FOSS教材的教学理念我们人类发现规律的能力比任何其它动物都要强。大多数生物与环境的关系都是一种简单的刺激反应形式。鸟儿们遇到危险的时候，就会表现出一种能帮助自己逃离危险的行为。昆虫经过的时候，青蛙就一动不动，假装没有看到，然后就伸出舌头，美餐一顿。植物的生长受到阳光的影响。但是人类能够通过发现环境中存在的规律来认识环境。并且根据自己的需要对环境进行改造。有的时候，人类是在无意中寻求规律的，比如在白日做梦的时候，在闲荡的时候，或者只是在观赏某物的时候。而当他们在尝试猜谜，解决一个问题或者理解意义时，他们又是带着目的在寻求规律的。由于人类具有这种寻求规律的能力，所以他们几乎能够生活在地球上的任何一个环境中。其它任何动物都不能做到这一点。科学的一个基础就在于它是一项积极寻求规律的活动。它反映了我们人类的思维能力。科学家们思考关于物体和现象的问题，并有意识的作用于它们，然后对各种结果做出深思熟虑的解释，这样就产生了科学知识。科学的知识部分就是它的内容。科学的活跃部分就是它的科学思维过程。FOSS是一个完整的小学科学方案，它利用了科学是一项借助人类思维能力以发现规律的活动这个特点。它认为我们所有人天生就是规律探求者，科学家是一个专业的规律探求者。FOSS教材旨在帮助儿童发展他们寻求规律的能力，以便能更好的适应21世纪技术和科学水平都高度发达的社会。科学内容内容是由发现的事实组成的（比如运动就是改变位置或地点。昆虫有六条腿和三个部分组成）。事实之间的关系就构成了法则（比如如果没有其它力的作用，物体进行匀速运动；金属遇热会膨胀）。各种法则综合在一起就形成了普遍性的规律。理论是由各种相互联系的规律组成的（比如宇宙是无限延伸的，当一种物质受热的时候，物质里的分子就会发生剧烈的运动，当除去热源时，分子运动得越来越慢，结合得越来越紧密）。知识总是朝理论的方向发展的。科学思维过程能力科学的活跃部分是过程，它也是不断发展的。科学家们利用感官以及其它感官的延伸物来感知周围的世界，尽可能客观的观察世界的特点和运作方式。科学家们用各种方法描述他们观察到的东西，然后把自己的想法传达给其它人，互相进行交流，信息也就是这样得以代代相传。他们用已知的东西验证未知的东西，记录各种特点和行为之间的异同点。他们通过排序、分组、分类等过程把各种观点以更容易让人们理解的形式加以组织。他们把具有因果关系的各种因素联系起来，研究物体之间的相互作用，描述各种事件。他们根据自己积累的知识和猜想，对将要发生的事件进行假设和预测，推断出一些没有发生或者不能直接观察到的现象。他们的知识随着使用这些科学思维过程而增加，并逐步形成一种能力：通过有意识的运用科学内容和思维过程来做出新的解释，并推出新的可能性。我们对环境的思考能力以及认识和控制它的方式都是人类独有的生存能力。除了直立行走、一个能倾斜和摇晃的脑袋、能够看见三个维度颜色光谱的眼睛，可以帮助我们摆弄物体的手指以外，人类还有一个通过探求和发现规律来认识环境的大脑。所以作为一种有生命的生物，我们天生就是规律的探求者。科学思维过程就是起源于我们探求规律的能力。观察：建构世界的基本科学思维过程最基本的科学思维过程是观察。只有通过这个过程我们才能够把环境的信息输入大脑，就玩耍的物体而言，孩子们通过看、触摸、品尝、闻，如果会发声的话，还通过听来观察物体。活动能够很好的帮助孩子们认识世界及其运行方式。同样的，科学家把宇宙空间探测器放在火星的表面，打开电视眼睛观看探测器所能发现的现象。机械手碰到火星的表面，把土壤弄松。传感器负责“闻”大气层的气味。天线负责“听”声音。利用这些活动孩子们亲自运用自己感官的经历和科学家们发明的这些感觉器官的延伸物，人类就收集到用以建构基本知识的信息。有时，我们通过观察并不能看到很多东西。如果我们不知道怎样看，我们就不能观察到实质性的内容。过去观察经历中获取的知识可以使我们在特定情景下发现更多的意义。例如，一个人可能听到门外鸟儿的歌唱声，他只是观察到鸟儿在歌唱。另一个人知道更多关于鸟叫声的知识，他就可能认识到有三种不同的鸟在唱歌白眉麻雀，美洲的知更鸟和兰色鹦鹉。虽然没有看到鸟，但是这个人在头脑中对发生的事情有一个更丰富的认识。还有一个人对鸟叫声很有研究，可能就会意识到一只鸟在发出警告的信号，而另一只鸟则表示要发生侵略行为。这个人利用他的原有知识，观察到完全不同与其他两个人的现象。知识随着观察活动而增加，知识的增加反过来又会使观察变得更深入全面。例如，对一些人来说，叶子仅仅是叶子。但是仔细观察一张普通的叶子，就可以发现叶子有形状（这个形状可以叫做椭圆形），有基部（心状形的），有顶部（针状形），有边缘（锯齿状）和叶脉（互相交错）。当再次观察叶子或者把这张叶子和其他叶子做比较的时候，先前观察到的这些特点是很有用的。科学家作为一个观察者，通过直接和创造性的间接使用人类的感觉器官，仔细的收集关于世界的知识。他们利用其他科学思维过程比如比较、分类、推理对信息或者数据进行加工处理，试图更好地认识或者解释观察到的现象。科学家们尽可能保证观察过程的客观性。一片落叶要从它可以观察到和能证实的特点进行描述大小、形状、顶部、叶脉等等。不能把它描述为有病的叶子，除非有迹象表明它得病了。也不能把它描述为冬天的第一片叶子，除非事实真的是如此。由于客观性在科学中的重要性，这些年来，一直有这种看法，认为科学家是完全客观的人，他们能够不受收集到的信息的影响。其实，科学家也是人，他们的观察也要受到和影响我们观察客观性的因素一样的影响。其中一个因素就是原有的经历。在唱歌的鸟儿这个例子中，从先前经历中获得的知识使一个人能发现某种情景更多的现象。学生们入学之前已经有大量的经历。教师们能预料到学生会表现出各种各样的行为，这些不同的行为取决于他们的背景和价值观。另一个影响因素是教师的期望，即教师想让学生看到什么，一些学生常常受到这一因素的影响。还有一些学生会受他们同龄组学生期望的影响。所以很难保证客观性，但是科学家们尽可能地做到客观地进行观察。要求学生参与观察过程的许多科学活动都给他们提供了一系列物体固有的关于大小、形状、颜色、质地和其他可以观察到的属性。这些概念丰富了学生对物体的认识，对于帮助学生理解科学中更复杂和抽象的观点非常有必要。 可以促进学生运用观察法的教师陈述和提问：“告诉我你所看到的。”“这看上去像什么？”“告诉我它的形状和大小。”“你听到了什么？”“指出你观察的特点。”“你能找到什么特点。”“哪些特点是主要的？” 交流：通过人际交往传递意见的科学思维过程所有动物都能以某种方式进行交流。但是和其他动物不一样的是，人具有创造和使用语言和符号进行交流的能力。语言使我们能够把意见和想法传达给其他人。而书面语言可以把想法永久地保留给未来的一代。姿势、声音、图片和词语是把想法、感情和形象传递给另一个人或者另一代的途径。通过交流，世界上的其他人可以知道科学家们的发现。那些一个世纪前不能看到的、有关地球状况的书本和电视节目现在几乎每个人都能很容易得到。科学家主要通过在学术期刊上发表的文章或者在会议的演说，互相进行交流。每年在科学杂志上发表的文章是不计其数的。互相阅读和研究彼此著作的科学家形成了一个社团，为科学著作的客观性和准确性提供了一个检查程序。其他对这一主题感兴趣的人会对发表的研究结果做进一步的充实和深化。如果研究结果有失客观性和准确性，很快就会被发现。不同的观点或者提供了支持或者提出了挑战。交流过程有多种形式。有时，通过口述传达，所以汇报能力是很重要的。有时，通过书面文字传达，所以写作能力也是有效交流所不可缺少的。又有些时候，图片也可以很清楚的传达信息。为了能够以这种形式传递信息，人们常常需要训练。科学家使用的其他交流形式包括表格和曲线图。这不仅要求具有从图表中推出结论的能力，而且要求能够绘制这些图表，比如在统计全班学生身高或者豆荚里种子数量的时候，直方图就可以显示出某一类情况出现的次数。柱状图可以显示物体的数量，比如不同颜色眼睛的人数或者在相同条件下不同种类种子的发芽数量。笛卡儿坐标图能呈现两个因素之间的关系，比如钟摆摆动的次数和钟摆的长度。学校的学习不能将科学课和语言艺术活动分开，描述数据的数学题目也不能和科学教育分开。某一领域的交流技能可以提高其他领域的交流技能。可以促进学生运用交流过程的教师陈述和提问：“你看见了什么？”“把你用手持透镜看到的情况画出来。”“把你收集到的数据在图上表示出来。”“用直方图表示出葡萄干面包中的葡萄干数量。”“写出你的实验过程，以供其他人参考。”“总结你的发现结果，并向全班同学汇报。” 比较：处理概念之间相同和不同点的科学思维过程比较过程建立在观察过程之上。不幸的是，一些人会同时使用这些话：“观察这两个动物的相同点和不同点。”其实他们的意思是说：“比较相同点和不同点。”通过比较一个物体和其他不同形状的物体，我们可以发现这个物体各方面的许多情况。通过比较不同点，我们可以区分出物体。通过比较相似点，我们又可以把物体放在一起。当我们这么做的时候，我们的认识已经不仅仅局限于物体固有的那些观察到的属性。例如，通过比较，学生们就了解了长度可以作为两种不同的度量单位：长度可以描述物体的特点，长度也可以表示两个物体或者两个点之间的距离。比较是一个非常有益的过程，它可以帮助理解许多重要的科学思想。科学家和学生们一个一个的比较几组不同物体，以确定相对数量或者对其进行匹配，以确定它们之间的相同点和不同点。为了更多的了解一个还没有被认识的物体或现象，科学家就把它的特点和一些他们已经充分认识的物体进行匹配、比较。通过这一活动，他们就能进一步认识这一未知物体它和已知物体的相同点和不同点。所有科学测量都依赖于对已知物体和未知物体的比较过程。例如，科学家在用尺子测量物体的时候，他就在比较尺子的长度和未知物体的长度。比较完以后，他就知道了以前所不知道的关于这个物体的一些情况（比如长度和宽度）。同样的，一个人在用天平比较已知物体和未知物体的重量时，用尺子测量距离时，用温度计测量温度时，用有刻度的容器测量体积时，用时钟确定时间都是这样一个过程。科学家们也注重比较过程的客观性。尽管许多人都进行过宽泛的比较，但是科学家试图作到比较的精确性。由于实验已经达到很高的精确性，所以旧的度量标准已经无法满足要求了。过去的米制标准是以法国一根金属柱状物表示的长度单位，各国的度量单位都以此为依据。近来出现了一种更精确的测量仪器，时钟。今天，科学家们使一束激光从物体的一端发射到另一端，读出经过的时间，然后根据米的定义把时间转化成距离，这样就算出了距离。这一方法使许多装备良好的实验室不用去法国就可以测量出距离。时间，曾经根据地球的运动加以测量，现在根据原子进行测量。原子以光波和电波的形式发出确定的不会改变的频率这就可以用来比较的每个单位时间的震动次数。这些新的比较方法使科学家们能更准确的利用其他如重量和体积的测量单位。可以促进学生运用比较过程的教师陈述和提问：这些物体有什么相同点？有什么不同点？根据相同点和不同点比较这些物体。哪一个更大/更小（声音更轻/更响，更光华/更粗糙 更湿/更干，等等）哪一个更多/更少？多多少/少多少？ 组织：涉及顺次排列、按顺序排列、分组、分类等的科学思维过程组织是一个根据某种逻辑规律把物体或者现象放在一起的过程。有几种组织过程：按顺序排列、顺次排列、分组、分类。顺次排列当科学家在使用顺次排列法时，他们就在一个连续体内给物体排列顺序从小到大、从粗糙到光滑、从轻声到大声，从轻到重，从锋利到钝，从昏暗到明亮等等。这些极端被确定了，增量也就确定了。检查一下增值的频率会揭示出简单观察所不能看到的规律。每一个顺次排列都呈现出有关某个物体更多的情况。例如，计算每个豆荚里的豌豆数量可以确定豌豆植物结出的种子数量的范围。根据确定的范围和直方图上的合适单位，所有豆荚的统计结果就能显示出结出的种子在这个范围内的频率分布情况。而这一分布情况可以给我们提供仅通过观察豆荚里的豌豆所不能发现的信息（比如，自然分布曲线图表明豆荚种子的最常见数量和最少见的数量。）给物体或者现象进行顺次排列可以包括无数多的属性。许多都在科学仪器中经常见到：风速计，温度计，拉力计等等。思想家们就是利用了给物体或者现象顺次排列的知识发明了这些仪器。按顺序排列事情接二连三的发生时，它们就隐含着一种逻辑顺序。当科学家在进行按顺序排列的活动时，他们就在一个时间的连续体内给事件排列顺序从最早发生的行为到最近发生的行为，从最初时刻到最后时刻。所有这些排序都隐含着某种规律。当科学家在给事件进行排序的时候，呈现出两种规律：线形排列和循环排列。线形排列能使我们更多的了解关于植物或者动物的生长和腐烂、物体的运动以及行为的原因和结果等方面的信息。含有化石的岩石层的位置能反映出历史的发展和地球上的生命进化过程。昆虫依次经过的各个生长阶段说明了昆虫的一生。猎食者和猎物之间的关系说明了食物链的顺序。循环排列使我们了解反复发生的事件。水循环可以告诉我们水是怎样蒸发，怎样上升到大气层中，又是怎样凝结并落到地球上的，如雨或者雪等等。季节的变换以及植物和动物的有序变化都呈现出循环性。所有天体的运动也是一种反复的顺序。分组当科学家在给物体或者观点分组的时候，他们就是根据研究对象固有的一个特点把对象放在一起。比如，根据叶子的一些共同点如叶脉的类型、顶部、基部、边缘等等就可以把叶子分组。每一次根据不同物体的一个共同特点对物体进行分组就加深了科学家对这个物体的认识。科学家常常能够灵活的给物体分组，又很容易的把物体分开，根据另一个维度重新进行分组。分类当科学家在给物体或者观点进行分类的时候，就是根据物体固有的两个或者更多个特点把物体放在一起。比如，有五个花瓣的黄色花朵可以根据花都是黄颜色的这个特点给花分组，至于花瓣的数量可以不用考虑，或者根据五个花瓣的颜色都不同进行分组，或者要求花瓣是五个即可。所以，科学家在运用分类法的时候也是非常灵活的。科学原则的概念化只有通过对资料进行系统的组织才能实现。知识是从长期的积累过程中形成的。比如今天的生物学研究着许多生物学家一个多世纪以来就已经整理出来的特点。通过观察许多不同的叶子、比较并描述他们的特点，生物学家已经认为分组是识别和研究叶子的一种有效方法。各个领域的科学家化学、物理学、地质学、天文学等等都利用组织过程给各自领域的物体进行分组和分类。孩子一般都是先通过挑选和分组根据一个特点把物体放在一起（比如颜色：所有棕色的放在一堆，所有红色的放一堆，所有黄色的放一堆）来发展他们的组织能力的。要形成能够根据任何一个特点把物体放在一起的能力并不困难，只要给他们提供这样的机会。随着年龄的增大、经历的丰富和认知能力的提高，孩子们开始给物体分类一次根据一个以上的特点把物体放在一起（比如，根据有冠和长嘴这两个特点给鸟分组，符合这两个条件的放在一起，并和其他有长嘴却没有冠的鸟或者有冠却没有长嘴的鸟区分开来。）在进行分组以后，学生可能会说：“这些都是根据颜色分组的。”在进行分类以后，学生可能会说：“这些放在一起，因为他们都是棕色并且有冠的；红色并且有冠的；棕色并且长嘴的；红色并且长嘴的；棕色、有冠并且长嘴；红色、有冠并且长嘴。促进学生运用组织过程的教师陈述和提问：你收集的资料范围是多少？（顺次排列）你把这些放在序列中的什么位置？（顺次排列）指出能够说明某一规律反复发生的证据。（顺次排列）这些事件的发生顺序是怎样的？（按顺序排列）哪件先发生，第二，第三呢？（按顺序排列）给这些动物分组。（分组）把你认为属于同一类的动物放在一起。（分组）你是根据什么来组织这些动物的？（分组/分类）还可以用什么方法对这些动物进行分类？（分类）识别你用来给岩石分类的几个特征。（分类） 建立联系：涉及相互作用原则的科学思维过程发现环境中事物之间的关系完全不同于根据特征对物体进行比较或者组织。关系包括相互作用、相互依存以及事件的起因和结果。动物学家研究狮子，认识了狮子的行为特点，饮食特点以及生存环境的特点。但是动物学家不仅仅局限于这些特点，他们还要确定这些特点之间的关系。母狮子是雄狮子的主要食物供给者（雄狮子的特点），只能看见灰色，没有颜色（母狮子的特点）。它坐在草原的茂密草丛中，通过草丛注视着她的猎物斑马，并决定什么时候发出攻击（母狮子的行为特点）。斑马有黑白条纹（斑马的特点）。动物学家会问自己：“母狮子透过草丛看到的东西和斑马的颜色和条纹形状有什么关系吗？”斑马是群体行动的，让负责注意敌情的马呆在斑马群中的适当位置，在面临危险的时候发出警告（斑马的行为特点）。动物学家会思考：“斑马的颜色和条纹结构和群居行动有什么关系吗？要拉倒一匹斑马，母狮子必须扑向斑马肩部附近的背部，用她的尖牙咬进斑马的脖子，然后打滚，在滚动的时候就咬断了脖子（母狮子的行为特点）。动物学家发现母狮子捕食猎物的成功率是1/5。如果它没有扑向斑马肩部附近的背部，就会从斑马上滑下来。动物学家又会提出疑问：“母狮子的成功率和行为与斑马的颜色图形有什么关系吗？”很清楚，从这个情境中得出的原则是通过识别和理解几件事情之间的关系而得到的在这个情境中，猎食者和猎物的行为和颜色是环境固有的因素。科学家为了理解发生的事情，会寻找行为和特点之间的联系。物理学家把一辆小车放在一个斜面上，让它撞到一块已知重量的石头上，然后观察物体间的相互作用并进行记录。她有秩序的增加小车的重量重复这一行为。接着又有秩序的增加石头的重量，小车的重量保持恒定，重复这一行为。她又使小车和石头的重量都保持恒定，有秩序的调节斜面的坡度，又重复这一行为。小车在坡度上的出发位置逐渐增高。每次相互作用都说明了小车和石头之间的关系。通过反复让小车下滑，她可以检查收集的资料。通过实验，她发现了资料中存在的规律：小车开始滚动的位置越高，它把石头推得更远；斜面越陡，石头推得更远；小车的重量越大，石头被推得更远，等等。如果她发现的这个规律被反复证实，她就可以提出反映这种关系的一个公式。许多科学公式就是通过建立联系的方法得到和被理解的。在科学中，关于关系的信息可以是描述性的（像斑马/狮子的例子），或者是实验性的（如小车的撞击例子）。描述性的关系是指那些不能立即用实验来验证描述的关系。天文学和微粒子物理学中的很多观点都是描述性的。到目前为止，我们不能用实验验证银河系、黑洞、类星体等，但是我们对它们也有比较多的了解。对关系的科学描述是建立在囊括手头上全部资料的逻辑论证基础上的。例如，遗传学家通过注意母鸡和孵出的小鸡的行为，就能够那些行为和某一类鸟生存之间的关系。通过比较其他种物父母和后代之间的关系就可以揭示不同种物的后代对父母的倚赖程度是不一样的。把孵化后一段时间内完全要依靠父母到完全独立的过程进行排序，就可以确立一个相关行为的范围，以更好的理解某一种类的鸟儿。鸟类后代的依赖性和独立性：极为倚赖：不会飞，喂养，眼睛闭合，无绒毛；比较依赖 ： 不会飞，眼睛睁开，喂养，有绒毛；依赖 ： 会飞，带在巢里，喂养；比较独立 ： 会飞，跟着父母外出，喂养，有绒毛；很独立： 会飞，跟着父母，提供食物，有绒毛；极为独立： 会飞，跟着父母，自己找食物，有绒毛。从实验中获得的关系要求科学家运用建立联系的过程，先提出假设然后控制和操作变量。例如，科学家可能通过分离各种可能因素，然后在保证其他因素恒定的情况下每次验证一个因素这一方法来确定影响钟摆摆动速度的各种因素。他们会考虑这些变量：1、 摆子上的物体重量（W表示重，w表示轻）；2、 摆子的长度（L表示长，l表示短）；然后整理出四个变量的组合（在实验前进行）并利用这些组合提出假设：（W、L）重并且长 ，（w、L）轻并且长 ，(l、W)重并且短， (w、l)轻并且短。把变量分开的能力（为了确定哪些变量是有关的，哪些是没有影响的，必须在保持其他所有变量恒定的条件下，有秩序的验证一个变量）是非常有价值的。科学家不是在一个实验作完后马上得出结论，而是会思考：如果我改变这个，会发生然后用必要的实验来验证或者推翻这个猜想。科学家所验证的是他的假设假设是对关系的合理描述，提出以供验证。这种验证是科学家对与假设有关的各种变量进行审慎和系统操作的过程。虽然科学家已经广泛运用实验法，并取得了很大的成效，但是教育者们不能误认为科学总是实验性的。就象狮子和斑马的例子中，科学知识是通过从某一合乎逻辑的角度对关系进行描述的过程中得到的。促进学生运用建立联系过程的教师陈述和提问：什么因素导致了事件的发生？说明实验设计之所以好或者不好的原因。说说你要检验的假设。动物的颜色、生存的环境和它的敌人之间有什么关系？利用这个曲线图，说说距离和时间之间的关系。设计一项研究比较不同液体的蒸发速度（比如酒精和水）。 推理：处理时间和空间上相隔遥远的观点的科学思维过程推理得到的观点不是此时此刻现存的观点，也不能直接获得。它们或者在时间上（古生物学家关于远古时代地球生命的推理）或者在空间上（天文学家关于黑洞的推理）存在很大的距离。这些观点是通过推理得到的从一系列推理中获得的逻辑结论或者从证据或者前提条件中推得的答案。古生物学家研究岩石层中植物和动物的化石遗体。这些动物和植物生活在岩石生成的时代。通过研究这些化石，考古学家就可以确定在地球演化的各个历史阶段分别存在哪些种类的动物和植物。他们还能够通过推理找出现存动物和植物的祖先。今天对许多动物灭绝原因的解释，比如恐龙，都可以从许多研究者发现的地质和化石结果中推得。在我们把探测器放到火星上以前，科学家已经做出了关于行星的推论。一个世纪以前，推理的基础只来自于通过望远镜观察收集到的资料。火星被认为是红色行星，上面有运河一样的沟沟堑堑。后来人们利用更先进的技术发现了火星上存在大气和水。更重要的是，科学家们推断火星上曾经存在生命。今天，在探测器已经收集了大量的资料后，我们关于火星的描述已经越来越完整和全面。但是关于火星上存在生命的这个推论还没有被证实或者推翻。利用在一个情境中获得的知识（火星）来推断另一个情境中的知识（如地球），是人类用来理解相隔遥远的地点和事件的一个基本推理模式。一个有效的推理必须是一个事实或者没有给出的原则，必须隐含在我们了解的一系列自然事件中，或者隐含在我们已经知道的各种对关系的描述中。如果你仔细看看大量的开花植物，发现所有叶子都长在花蕾下面的茎杆上和花蕾与根之间，并且除了最后一个花蕾以外，其他花蕾都是长在一片叶子的上面和叶子与茎杆顶部之间，然后你就可以推断每个长在花蕾下面的茎杆上和花蕾与根之间的结构都是叶子，无论这些结构与普通叶子看上去有多大的差异。所以，由于仙人掌的就在花蕾下面和这个花蕾与根之间，这就意味着仙人掌的刺，就像其他和仙人掌有同样关系的植物上的组织一样，也是叶子。如果你接着发现鳞苞也存在相同的关系，你就可以推断鳞苞也是一种叶子。这是对新情境的推断，也就是鳞苞。树干和附枝之间的关系是你原有的知识，它可以帮助你理解隐含的意义。这种知识在新情境中也不会改变。新的内容是你发现了这一结构关系可以适用于一类新的结构，这样你就可以推断出这种新的结构也是一种叶子。现在可以利用这一新发现的关系把各种各样的叶子连接成一个有意义的整体，也使我们能进一步认识叶子的概念。因为这种引申关系不能超出你的个人知识，所以并没有出现新的知识。可是，无论引申意义产生在什么地方，它都可以帮助你对新资料或者新物质进行推断。你会发现如果某一规律适用于旧的事物或现象，它也适用于新的事物和现象。引申意义的基础必须是正确的事实，推论的前提条件必须站得住脚。通过推理过程，我们可以更好的认识宇宙中各种实体之间的关系。根据各种证据和推理，我们可以推断出各个大陆的运动情况，从这些推理中，我们提出了板块漂移说。我们能推断宇宙中的各种现象，从这些推理中，我们提出了大爆炸理论。就如我们对植物的叶子所做的推理，也可以对动物进行推理，从这些推理中，我们建立了能够表明进化关系的等级分类图比根据可直接观察到的特点建立的分类图所包含的概念要复杂得多。但是无论推理过程如何有秩序，推理结果并不是最终的。某一天，必须用某种方法来检验确定推理结果是否正确。科学家认为推理过程的一个重要成分是论证过程必须符合已有的知识。结论正确与否取决于从证据或者前提条件出发的推理过程：所有玫瑰都是花；所有花都是植物的一部分；所以所有玫瑰都是植物的一部分。从这个简单的例子中，我们可以确定论证是合理还是不合理的。教育者们必须关心科学中的引申意义和正确的推理，因为它们要求学生进行有序、连续的思维活动。运用推理过程，学生们懂得了论证过程的结论是对前提条件所隐含意义的清楚阐释。只有通过合乎逻辑的思考才能够证实它的正确性和一致性。为了保证思维的有效性，学生们需要从某一观点的来源出发，然后判断这一来源的正确性，借此判断观点的正确性。促进学生运用推理过程的教师陈述和提问：从这些资料中你能推出什么结论。你能给出什么证据来证明你的猜测。说明我们是如何认识类星体的。在什么条件下我们能够对资料进行内推或者外推。你如何确定有多少只青蛙生活在池塘中 。应用：专家运用知识的科学思维过程圣弗朗西斯科海湾地区的金门桥是一个奇迹。它需要几百个各个领域的专家合作把桥安放在合适的位置。熟知金属的膨胀和收缩特性的冶金家计划如何组合各种部件以保证大桥在高温天气或者寒冷的夜晚都不会变弯需要在不妨碍交通的前提下，能根据膨胀和收缩而移动的桥。熟知当地地形结构和石床位置的地质学家计划把用以支撑桥重的桩基放在什么地方以及如何放置。熟知当地天气情况的气象学家运用天气的知识判断桥在有风的情况下最大的摆动幅度是多少。精通物质物理的工程师运用他们的知识设计路基、墩距、桥基等等以符合其他专家提供的资料。这座桥的修建是专家们运用他们的知识共同努力的结晶。应用是使用各种科学知识的一个过程。有时，知识被用于实际情景中，如修建大桥。有时，它把各种复杂的资料联系成一个全面的理论或准则。可是，专家们有很灵活的应用能力，能从不同的角度看问题，能想出新的运用方法，他们认识到理论是暂时的，随着新资料和新观点的出现而发生改变。每次科学领域的努力都会产生新知识，或者深化原有的思想。问题的解决办法以及知识的产生有很多形式。科学由于在更高层次上的应用而越来越受人们的关注。达尔文整理了关于所有生命体是如何相互关联的这一问题的看法，提出了一个全面的理论并用它来解释收集到的全部资料。爱因斯坦也为物理界做了同样的贡献。门德列夫在给当时已知的50多种不同元素进行逻辑排序的这个过程也是对知识的运用。他的元素周期表清楚的表明了还存在没有识别的元素，在亲眼看到这些未知元素之前，他预测这些元素具有质量和其他重要属性。对于一个科学技术高度发达的社会，教育者必须提供一种课程，使孩子们能从一些基本思想逐步发展到掌握一些专业知识，以便于他们在以后的生活中，无论作为消费者还是生产者，选民还是政治家，劳动者还是管理者，都能够对与科学有关的各种问题做出明智的决定。促进学生运用应用过程的教师陈述和提问：看看谁能发明能在高空中停留最长时间的滑翔机。设计一个方法，使你桌子上的冰块放一天也不会溶化。制定一个可以用来修建化学实验室的策略性计划。如果我们要保护鸟类在几个国家之间的迁徙路线，必须考虑哪些政治问题。如果要做动物实验，必须考虑哪些因素。我们如何应用基因知识来改变DNA为人类造福。有什么证据能够证实或者驳斥进化论。研究是否已经提供足够的证据来支持大陆漂移说。 科学思维过程的发展顺序FOSS方案涉及的所有科学思维过程都可以在某种程度上为不同年纪的学生所运用。但是，研究结果表明不同的科学思维过程在个体发展的不同阶段作用不一样，有些思维过程在某些阶段能大大的促进学习，而有一些作用则很小。例如，小学低段水平的学生非常善于观察、交流和比较。虽然他们能做一些简单的推理（如果地面到处都是湿的，昨天晚上一定是下过雨了）但是还不能领会一些重大的推理结果（原子结构，行星和恒星的运动）和理论（进化论等）。如果理解是教育的一个目标，最好从青少年开始就教授一些重大的推理结论。由于人类个体的发展性质，科学思维过程的教育价值有一定的顺序。幼儿园至2年级的孩子能够理解科学但是必须界定幼儿园至2年级孩子的发展水平以及与此相应的科学知识和科学步骤。FOSS方案已经描述了各个发展阶段所要求的科学思维过程，并且给每个发展阶段的孩子匹配了他们能够有效进行学习的内容。具有一定科学知识的学生在每个阶段都表现出不同类型的思维能力。每一类思维能力本身都是完整的，是其他思维能力的准备。每一种思维能力都按一定的顺序排列在由早期发展的思维能力和后期发展的思维能力组成的层级综合体中，在形式上逐渐完善，结构上逐步巩固（统一了相关的行为、概念和技能）。发展的美妙之处在于科学思维能力的每个阶段都能为下一个阶段做准备。学生不是不完整的成年人，相反，每个阶段都是一个完整的人。科学内容和科学过程必须根据学生不同的发展阶段做出相应的调整。下面列举了FOSS方案各个年级水平的组成部分。幼儿园至2年级对于这个年级的学生而言，最有价值的科学思维过程是观察、比较和交流。孩子们正在对生活的世界形成一个初步的看法。他们擅长于识别物体的特点、判断物体之间的相同和不同点，并向其他人交流自己已经做过的事情。在运用这些方法的过程中所获取的最佳知识是认识到物体所固有的特征。这一基础内容是学习更复杂思想的基石。一般来说，幼儿园至2年级的学生能很快并很容易的掌握任何一个科学领域所发现的物体特征。所以幼儿园至2年级应该强调通过在各个科学领域运用前三种思维方法来丰富他们的描述性语言和感官经历。幼儿园至2年级学生运用相应思维过程获取的内容：所有物体（如动物）都具有可以识别的特征。可以根据物体（如动物）的特征来对其进行比较。世界上有各种各样的物体。具有相应科学知识的幼儿园2年级学生所能做的：认识和列举多种多样的物体。识别和描述所有物体的基本特征。根据物体的相同和不同点对物体进行比较3-4年级小学生不会失去他们在早期形成的运用科学思维过程的能力，但是由于学生个体和人类整体的发展，组织过程对于中段的小学生来说变得非常有用。通过这个方法，学生们逐步学会了给物体按顺序排列、顺次排列、分组和分类等方法，也掌握了从这些活动中获取的知识，包括分类法是以特定的维度为基础的，分好的类别内部可以变换，以及可以根据不同的维度重新进行分类。3-4年级运用组织过程获得的内容：叶子有一些可以识别的特征，根据这些特征能对叶子进行整理：顶部、边缘、叶脉、形状；可以根据声音的特点来识别不同的声音：音量、音高、音质；电流可以在一些物质中传播，但在另一些物质中就不行；矿物是构成岩石的成分。具有相应科学知识的3-4年级学生所能做的：根据一定的维度给任一数量的物体进行分组，并理解其他人分组的依据；理解物质在物理性质方面的重新组合不会改变物体的数量或者物质的大小多少。5-6年级学生们继续巩固先前习得的科学思维过程和科学内容。在这个阶段，建立联系的过程对他们变得非常有用。如果早期活动已经提供了合适的经历，他们就能够设计简单的实验来检验自己的想法。学生们运用这个方法和先前习得的知识就能够理解许多原则。5-6年级学生运用建立联系过程获得的内容：一些植物和动物已经经过自然选择，具有伪装的特征；摆子的长度决定了单位时间的摆动次数；在滑轮装置中，用来支撑重物的绳子数量和提起重物所需要的力量之间存在关系；当尽可能多的固体物质已经溶解在液体中时，这样形成的溶液就是饱和的；水和风能侵蚀岩石，改变地形；河流经过的陆地倾斜度对腐蚀和沉积过程有很大的影响。具有相应科学知识的5-6年级学生所能作到的：根据多个特点给物体分类；识别和描述因果关系；进行实验检验某一观点，包括对变量的操作和控制；描述和解释笛卡儿坐标图上的数据。7-8年级当学生到了13、14岁的时候，他们的推理能力日益增强，对未来和过去有更深入的思考和理解。他们能够理解物体和物质没有显示出来的概念。他们能够从科学的角度来预测科学定律，并使其概念化。他们能领会用来解释现象的上层理论。7 -8年级学生运用推理过程获得的科学内容：化石表明了过去存在的动物和植物；根据达尔文理论，进化过程已经进行了很长的时间，产生了现存的所有种类的动物和植物以及已经灭绝的其他动物和植物；根据牛顿定律，动力和质量与速度成正比；根据粒子原理，光能是由微小的粒子组成的；根据光波理论，光能被认为是使能量在分子中像波浪一样转移的震动；根据某一理论，所有物质都是由包含微小的电粒子的原子构成的；根据某一理论，地壳是由不停运动的大板块组成的。具有相应科学知识的7-8年级学生所能做的：根据资料的分析结果推断过去或者未来发生的事件；利用互补的变量设计一个实验；遵循“如