第一部分科学探究的概述
20世纪80年代以来，世界各国的基础教育都将科学探究引入学生的科学学习之中，强调把科学探究作为获取知识和认识世界的一种方法，将科学知识的学习与推理和思维技能的学习结合起来，从而获得对科学的理解，领悟科学的思想和方法。在这一背景下，“科学探究”指学生们用以获取知识领悟科学思想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动，也称为探究学习。
在作为一种学习方式的科学探究中，学生不是面对教师和课本事先设计好的问题，而是需要自己去发现问题和解决问题。与传统的接受学习和训练学习相比较，探究学习具有更强的问题性、实践性和开放性。在这种学习方式中，学生不仅获得科学知识和技能，而且发展科学探究能力，培养实事求是的科学态度和敢于创新的探索精神。在本讲座中，将分别对科学探究的过程模型、科学探究能力的内涵、小学科学探究目标的内容加以简要的说明。
第二部分科学探究的过程模型
古希腊哲学家亚里士多德提出经验主义的研究方法是科学探究的基本方法。这一方法的过程大致包括以下三个环节：首先，通过对自然现象的观察，获得一些经验事实；其次，对这些经验事实进行归纳推理，概括出一般性的科学原理；接下来，利用这些科学原理去解释自然现象，即以科学原理为大前提，通过三段论推理，演绎出关于自然现象或经验事实的有关陈述。由于归纳在前、演绎在后，这一研究方法被称为“归纳——演绎法”。
13世纪，英国哲学家培根认为科学家在观察自然现象的同时，还应主动进行科学实验，以便获得有关现象的更多经验事实。因此，他在亚里士多德的研究方法中增加了“实验”这一环节。培根还认为，通过归纳得出的科学原理还需接受进一步实验的检验，只有在经受住实验的检验之后，才可以用来解释自然现象。亚里士多德的科学研究方法就变得更加完善（参见图1），这一方法也被称为经验主义的科学探究过程。
图1经验主义的（即归纳——演绎法）科学探究过程
在培根和伽利略等人的大力提倡之下，经验主义的科学探究过程在近代科学家中得到普遍的使用，并使近代科学理论取得了一系列重要的研究成果。著名科学家牛顿、波义耳以及当代众多的逻辑经验主义的科学家都认为他们自己的科学研究活动是符合经验主义的科学探究过程的。
经验主义的科学探究过程虽然是许多科学家在科学研究中遵循的路线，但并不是惟一的路线。在这一过程之外，科学家还常常采用一种“理性主义的科学探究过程”。19世纪末，经典物理学的时空观遇到了迈克尔逊-莫雷实验事实的严重挑战，爱因斯坦对这一问题进行了深入的思考。1905年前后，他首先站在已有的知识背景上，通过“思维的自由创造”，大胆提出两条假设，即“相对性原理”和“光速不变原理”。然后以此为出发点，通过形式逻辑演绎推出了如下著名的命题：(1)运动物体长度会收缩；(2)运动时钟会变慢；(3)物体的质量随其运动速度增长而增长；(4)质能公式E＝mc2（其中E是能量，M是质量，C是光速）。上述两条假设和4条导出命题就构成了现代物理学上著名的“狭义相对论”。后来，“运动时钟会变慢”的命题在μ子衰变实验中得到验证，质能公式在原子核裂变反应的试验中也得到验证。于是狭义相对论经实验检验是正确的科学理论。爱因斯坦在总结自己做出这一发现的认识过程时，把自己的科学探究过程表示为下图（图2）。
英国科学哲学家波普尔(K．Popper)在总结爱因斯坦科学研究经验的基础上，提出了建立科学理论的“假说——演绎法”。他认为，科学研究活动起源于科学问题。科学家首先依托已有的知识背景，通过自己的直觉、灵感等非逻辑活动进行大胆的猜想，提出假设或公理（这一步就是爱因斯坦所说的“思想的自由创造”）；然后再通过演绎方法，由假设或公理出发，推出许多定理，公理和定理的集合就是理论体系；最后，科学家再通过观察或实验所取得的经验事实来检验定理集中的若干定理，若定理与经验事实相符合，则理论被确证；若定理与经验事实不相符合，则理论被证伪。“假说——演绎法”的科学探究过程可以表示为下图（图3）。
图3“假说——演绎法”的科学探究过程[NextPage] 波普尔概括的“假说——演绎法”的科学探究过程得到了科学界的广泛认可。不过，“假说——演绎法”中的问题也是建立在经验事实的基础之上的，这些经验事实有可能来自与观察，也有可能来自于实验。并且，并不是所有的经验事实都会导致问题，在经验事实比较明确和充分的情况下，也可以通过归纳直接得出科学理论。不过，我们应该将由归纳得出的科学原理看成是需要进一步通过观察或实验验证的假说；利用这些假说，可以通过演绎的方法，推出各种解释现象或事实的定理。基于以上分析，“归纳——演绎法”和“假说——演绎法”并不是绝对分离的。实际上，在大部分科学家的实际研究工作中，通常都是将“归纳——演绎法”和“假说——演绎法”综合应用，具体情况可用下图（图4）描述出来。
第三部分科学探究能力的含义
在起源于20世纪60年代的国际科学课程改革中，大多数学者认为，科学探究过程可以被分解为一系列独立的探究活动，如观察、测量、分类、推理等，相应的也将科学探究能力分解为一些独立的技能，如观察技能、测量技能、分类技能、推理技能等。这些技能被成为过程技能（processskill），而科学探究能力则被理解为一系列过程技能的集合；这些过程技能是可以通过练习来独立发展的；学生的过程技能得到发展后，就可以用来解决实际的科学问题，科学探究能力也就得到了发展。
这种模型对课程设计产生了一定影响，例如，美国科学促进会1967年推出的课程《科学：一种过程方法》（SAPA）就是按照这种模型设计的。SAPA课程是为13项科学过程技能设计的。这13项技能分为基本科学过程技能和综合科学过程技能。前者包括观察、分类、应用时空关系、传达、应用数字、测量、推理、预测等技能；后者包括下操作性定义、控制变量、形成假设、实验、解释资料等。综合过程技能被看成是对基本过程技能的综合运用。
将科学探究能力描述成一系列过程技能的集合，是对科学探究能力的人为肢解，不能反映其本质特征。根据这种观点设计的课程打破了学科知识体系，不能使学生建立良好的知识结构，受到来自学科专家的强烈批评。因此，这种将科学探究能力分解为过程技能的做法逐渐退出科学教育的历史舞台，但过程技能的概念被保留下来，成为探究能力的组成部分，在许多科学课程中仍然受到重视。
一些研究者认为，科学探究的本质是科学思维和科学推理，科学探究能力是一种科学思维和科学推理能力。这种观点主要是在双重搜索模型的框架内进行的，这一模型将探究过程划分为三个阶段：假设空间的搜索、实验空间的搜索和证据评价。对科学探究能力的研究主要集中在探究过程的后两个阶段，并因此可以分为两种观点。
一种观点是根据皮亚杰的理论，用控制变量的实验来检测学生的逻辑思维，并将它作为科学探究能力的一个重要特征。所谓控制变量实验，就是在多变量设计中，为了避免一些变量的干扰，要比较的两组中只有一个变量在不同水平上发生变化，其他干扰变量都保持不变。这一观点被称为科学探究能力的逻辑策略模型。
另一种观点强调证据评价的能力是科学探究能力的核心，可以给学生提供一些现成的证据让其完成推论任务，通过考察学生推论时使用的策略和推论结果的正确性来评价其科学探究能力。在推论任务中，学生需要根据实验中得到的证据，推论某变量是或不是某结果的原因，主要有以下三种类型：（1）包含性的推论；（2）排除性的推论；（3）不确定性推论。要使以上推论结果正确、有效，就需要相应的证据评价的策略。
以上两种观点没有描述学生科学探究能力的结构，而是一种简化了的功能特征模型，突出了科学探究的两个功能特征。由于这两个特征具有可操作性和可检测性，在研究和教学实践中得到了广泛的应用。在20世纪70年代末和80年代初，英国的学生成绩评价机构（APU）对学生的科学探究能力进行了大范围的评估，并将控制变量类型的实验探究纳入了英国的国家科学课程之中。然而，也有不少研究者认为，以上两种观点将学生的科学探究限定为控制变量的实验和证据评价，缩小了科学探究的范围，影响了对科学探究包含的其它要素的关注。
无论是将科学探究能力描述为一系列过程技能的集合，还是将它描述为科学思维和科学推理，都是将科学探究看成是一种固定模式的活动。20世纪80年代中期，一些研究者从认知科学角度出发，将科学探究看成是问题解决的一种形式：在开展探究时，探究者从自己的“工具箱”里选择“工具”；对任何一个给定的探究任务，并不需要所有的工具，其技巧就在于正确地挑选并知道如何去使用所需的工具。
根据这一观点，R.米勒将科学探究能力包含的成分分为三类：一般的认知技能（如观察、分类等）、实践的技能（如知道怎样使用不同的测量工具）和探究的策略（如知道用重复测量来提高测量的可靠性）。他认为第一种技能是不需要教的，它是所有孩子都拥有的认知的一般特性，而其他的两种技能是需要教的，但如何选择这些技能并把它们联系起来处理给定的探究任务，并没有“一系列规则”可以遵循。
在此基础上，英国约克大学的一个项目组提出了基于问题解决的科学探究模型——PACKS模型。这一模型将科学探究的主体和探究过程作为一个整体进行研究，描述了学生原有的认识和技能对科学探究过程中各环节的影响。在科学探究的主体方面，列出了影响学生科学探究能力4种内在因素：对科学探究的性质和目的的认识、对科学知识的理解、操作技能、对经验证据的理解；在科学探究的过程方面，列出了影响科学探究能力的外部因素：给定的任务、对任务的理解、一系列的观察和测量、陈述结论、对结论的评价。
PACKS模型提供了一个可以进行深入研究和教学实践的框架，可以在指导学生开展科学探究的过程中发展他们相关的理解和技能，同时也可以对学生存在的问题做出诊断，开展有针对性的教学。该模型存在的问题是从一个给定的任务开始分析，忽略了学生发现和确定探究问题的过程。此外，这一模型将重点放在影响科学探究能力的内部和外部因素上，对科学探究能力的具体内容缺乏说明。
1994年发布的《美国国家科学教育标准》提出科学课程要围绕“科学探究”加以组织，并将科学探究理解为一种多侧面的活动，主要包括以下几个方面：①观察；②提出问题；③查阅书刊及其他信息源以便弄清楚什么情况已经是为人所知的东西；④制定与修改计划；⑤根据实验证据来检验已经为人所知的东西；⑥运用各种手段来搜集、分析和解读数据；⑦需要提出答案、解释和预测；⑧需要把研究结果告之于人。此外，学生还需要明确假设，需要运用判断思维和逻辑思维，需要考虑可能的其他解释（可作为第⑨项活动）。
《美国国家科学教育标准》强调指出，在学习探知自然界的科学方法时，学生不仅需要培养从事某些方面的科学探究活动的能力，而且也需要培养从事完整的科学探究过程的能力。因此，科学探究能力既包括从事单项科学探究活动的能力，也包括从事完成科学探究过程的能力，可以将前者称为单项科学探究能力，将后者称为综合科学探究能力。根据科学探究的基本过程，可以单项科学探究能力以下9种：①观察自然现象的能力；②提出问题的能力；③获取和归纳信息的能力；④提出或修改假设的能力；⑤提出答案、解释和预测的能力；⑥制定与修改计划的能力；⑦搜集、分析和解读数据的能力；⑧检验假设的能力；⑨表达与交流研究结果的能力。显然，9种单项探究活动与科学家所采用的综合性的科学探究过程是基本一致的（参见图4）。
心理学将能力定义为“顺利完成某种活动所必须的，并且直接影响活动效率的个性心理特征”。这些个性心理特征应该是个体在完成特定活动中经常地、稳定地表现出来的特征，一般包括认知特征、情绪特征、行为特征三个方面。其中，认知特征主要指个体在注意、感知、记忆、归纳、演绎、直觉（想象）等方面的特征；情绪特征主要指个体在心境、动机、情感等方面的特征；行为特征主要指个体在肢体动作、实物操作、人际交往等方面所表现出来的特征。虽然我们分别对各种个性心理特性进行独立的分析，但在完成某种活动的能力中，认知、情绪、行为等方面的个性心理特征是相互关联、不可分割的，它们构成一个有机整体。
根据以上分析，可以将科学探究能力定义为顺利完成科学探究活动所必须的，并且直接影响科学探究活动效率的个性心理特征，并可以从认知、情绪、行为三个方面进行具体的分析。下面，就根据这一思路，对10种科学探究能力的心理要素进行简要的分析（表1）：
根据上表的分析，可以对10种科学探究能力的心理特征进行如下说明：
（1）10种科学探究能力中都包含注意、记忆、心境、动机4个方面的心理特征，说明这4个方面的心理特征是各种活动的必备特征；
（2）从事完整探究活动的能力包含所有12个方面的心理特征，是一种高度综合的复杂能力；
（3）有3种单项科学探究能力包含感知这一方面的心理特征，它们是观察自然现象的能力，获取和归纳信息的能力，搜集、分析和解读数据的能力，三种能力感知的对象有所不同，分别是自然现象、科学文献、科学数据；
（4）有4个方面的科学探究能力包含归纳这一方面的心理特征，它们是获取和归纳信息的能力，提出答案、解释和预测的能力，搜集、分析和解读数据的能力，表达与交流研究结果的能力；
（5）有6种单项科学探究能力包含演绎这一方面的心理特征，它们是提出问题的能力，制定与修改计划的能力，提出答案、解释和预测的能力，检验假设的能力，表达与交流研究结果的能力，提出或修改假设的能力；
（6）有2种单项科学探究能力包含演绎这一方面的心理特征，它们是提出问题的能力，提出或修改假设的能力；
（7）有3种单项科学探究能力包含情感这一方面的心理特征，它们是观察自然现象的能力，检验假设的能力，表达与交流研究结果的能力，这3种能力所对应的探究活动的结果与个体有密切关系，通常会引发积极或消极的情感，并反过来对活动的效率产生直接影响；
（8）有5种单项科学探究能力包含肢体动作这一方面的心理特征，它们是观察自然现象的能力，获取和归纳信息的能力，制定与修改计划的能力，搜集、分析和解读数据的能力，表达与交流研究结果的能力，这5种能力所对应的探究活动都需要与外部事物或他人打交道，并且接触中所采用的肢体动作（尤其是表达中的肢体语言）将直接影响探究活动的效率；
（9）包含肢体动作的5种单项科学探究能力也都包含实物操作这一方面的心理特征，因为5种能力所对应的探究活动都需要利用特定的工具，其中，观察自然现象需要利用放大镜、显微镜及各种测量工具，获取和归纳信息的能力需要利用图书、网络、纸笔、文字处理软件等工具，搜集、分析和解读数据的能力需要用到纸笔、数据处理软件等工具，制定与修改计划的能力需要用到相关工具，表达与交流研究结果的能力需要用到计算机、投影仪、模型等工具；
（10）有4种单项科学探究能力包含人际交往这一方面的心理特征，它们是获取和归纳信息的能力，制定与修改计划的能力，搜集、分析和解读数据的能力，表达与交流研究结果的能力，这4种能力所对应的探究活动都需要与他人打交道，并且与人打交道的方式将直接影响探究活动的效率。[NextPage] 根据上表，还可以分别对每一种科学探究能力所包含的个性心理特征进行全面、整体的分析。下面，以“观察自然现象的能力”为例加以说明。首先，为了有效地完成观察自然现象这一探究活动，贯彻者（科学家或学生）需要有从事观察活动地明确动机，并保持平和、稳定的心境，将注意力集中在被观察的对象上，并调用记忆中的相关知识，以上四点是从事观察活动的基础要求，观察者这四个方面的心理特征也会直接影响观察的效率；其次，观察者需要调动身体各种感官系统，利用某种观察或测量工具，采用特定的肢体动作进行感知，并将感知结果用纸笔记录下来，同时记忆在大脑之中，以上要求涉及实物操作、肢体动作、感知、记忆等4个方面的心理特征；最后，在观察过程中，观察者会因观察结果而感到快乐或悲伤，并进而影响其从事进一步观察活动的效率。通常，在观察活动中，观察者不需要进行归纳、演绎、直觉等心理加工，也不需要与他人进行人际交往。
由以上实例可以看出，可以从认知特征、情绪特征、行为特征三个方面，综合地分析各种科学探究能力。需要说明的是，并不是所有的单项科学探究能力都涉及到行为特征。具体说，四种能力一般不需要外部行为的支持，它们是提出问题的能力，提出或修改假设的能力，提出答案、解释和预测的能力，检验假设的能力。
第四部分对小学科学探究能力的内容分析
小学科学课程是以培养科学素养为宗旨的科学启蒙课程。课程将细心呵护儿童与生俱来的好奇心，培养他们对科学的兴趣和求知欲，引领他们学习与周围世界有关的科学知识，帮助他们体验科学活动的过程和方法，使他们了解科学、技术与社会的关系，乐于与人合作，与环境和谐相处，为后继的科学学习、为其他学科的学习、为终身学习和全面发展打下基础。学习这门课程，有利于小学生形成科学的认知方式和科学的自然观，并将丰富他们的童年生活，发展他们的个性，开发他们的创造潜能。
对小学科学探究能力的内容分析。《全日制义务教育科学（3-6年级）课程标准（实验稿）》（以下简称《科学（3-6年级）课程标准》）对科学的总目标规定如下：“通过科学课程的学习，知道与周围常见事物有关的浅显的科学知识，并能应用于日常生活，逐渐养成科学的行为习惯和生活习惯；了解科学探究的过程和方法，尝试应用于科学探究活动，逐步学会科学地看问题、想问题；保持和发展对周围世界的好奇心与求知欲，形成大胆想象、尊重证据、敢于创新的科学态度和爱科学、爱家乡、爱祖国的情感；亲近自然、欣赏自然、珍爱生命，积极参与资源和环境的保护，关心科技的新发展。
显然，这一总目标是按照新课程三维目标的结构陈述的。其中，过程与方法目标实际上就等同于科学探究能力。《科学（3-6年级）课程标准》从以下几个方面对科学探究及科学探究能力进行了说明：
（1）小学科学探究是科学学习的中心环节。科学探究不仅可以使小学生体验到探究的乐趣，获得自信，形成正确的思维方式，而且可以使他们识别什么是科学，什么不是科学。
（2）科学探究不仅涉及提出问题、猜想结果、制定计划、观察、实验、制作、搜集证据、进行解释、表达与交流等活动，还涉及到对科学探究的认识，如科学探究的特征。
（3）科学探究能力的形成依赖于学生的学习和探究活动，必须紧密结合科学知识的学习，通过动手动脑、亲自实践，在感知、体验的基础上，内化形成，而不能简单地通过讲授教给学生。在小学阶段，对科学探究能力的要求不能过高，必须符合小学生的年龄特点，由扶到放，逐步培养。在具体的教学实施过程中，可以涉及科学探究的某一个或某几个环节，也可以是全过程。
基于以上认识，《科学（3-6年级）课程标准》制定了科学探究的内容标准，包括认识科学探究、提出问题、猜想与假设、制定计划、观察、实验、制作、搜集和整理信息、思考与结论、交流与表达等8个方面，这些方面与9种单项科学探究能力的对应关系如下表。
由上表可以看出，科学探究的内容标准与9种单项科学探究能力并不是一一对应的。其中，“认识科学探究”属于知识性内容，与科学探究能力没有直接关联；“提出问题”对应于“提出问题的能力”；“猜想与假设”对应于“提出或修改假设的能力”；“制定计划”对应于“制定与修改计划的能力”；“观察、实验、制作”对应于“观察自然现象的能力”，“搜集、分析和解读数据的能力”以及“制定与修改计划的能力”；“搜集和整理信息”对应于“搜集和归纳信息的能力”，“搜集、分析和解读数据的能力”；“思考与结论”对应于“提出答案、解释和预测的能力”，“搜集、分析和解读数据的能力”和“检验假设的能力”；“交流与表达”对应于“表达与交流研究结果的能力”。
下面，根据以上的对应关系，从科学探究能力的角度，对《科学（3-6年级）课程标准》制定的科学探究内容标准加以简要分析，重点说明除心境、动机、注意、记忆等基本心理特征以外的个性心理特征，包括感知、归纳、演绎、直觉、情感、肢体动作、实物操作、人际交往等。
由上表的分析可以看出，《科学（3-6年级）课程标准》制定的科学探究内容标准可以从9种单项科学探究能力的角度加以解读，每一项内容标准都对应于一个单项科学探究能力，并可以归结为特定的心理特征。以上分析结果不仅可以帮助教师更好地理解科学探究的内容标准，而且能够使教师改变教学和评价方式，更有效地引导学生掌握科学探究能力.
