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      问道课堂·科学教育

      超越博物学:迈向数字时代的科学教育

      发布时间:2019-04-30 作者:吴向东 来源:中国教师报

      博物学时代是科学还未分化的时代,科学思想和研究方法的落后会带来许多不足和谬误。伴随着数字时代的到来和现代科学的突飞猛进,小学科学教育也遇到了“挑战”:学生如何通过科学课认识达尔文、亚里士多德等这些并非严格意义上的科学家以及他们的研究成果,教师如何引领学生掌握现代科学研究方法和数字化科学工具,让他们超越日常的经验,更好地适应未来?本期特别呈现特级教师吴向东关于当下小学科学教育的新思考。

      在一次研讨课上,我提出一个问题:“上了科学课后,如何让学生超越日常经验,从科学上真正获得提升?”

      为什么提出这个问题?在二年级的科学课上,教师带领学生通过感官区别物体,比如让学生识别真水果与仿真水果;在学生的背后扔下常见的东西,通过听到的声音猜猜是什么;在不透明的袋子里摸物品,仅凭借触觉猜是什么;教师甚至买了可以吃的包子,让学生通过味觉去区分其他的东西……虽然各种活动非常有趣,学生热情参与其中,但40分钟下来,学生学到了什么?日常生活中,类似这样的观察活动经常出现,学生从出生起就在不断获得这样的感官经验,而科学教学超越了这些日常的感官经验了吗?如果没有或者不明显,这样的科学课又有多大的价值?

      从博物学到现代科学

      由此,让我想起了近代科学还未建立起来的博物学时代,那些被我们称为科学家的人,如中国古代医学家李时珍、古希腊科学家亚里士多德、提出进化论的达尔文、提出生物分类学的林奈,还有学生特别喜欢的昆虫学家法布尔,他们主要是通过感官细致入微的观察去研究自然的。虽然有重大发现,但用伽利略、牛顿等近代科学家建立起来的实验科学的思想方法进行考察,还有许多不严谨的地方。

      到了现代,现代科学比近代科学更加严谨和先进,研究的方法早已超越了人的感官,包括射电望远镜在内的各种波段的新型望远镜和观测仪器,可以“看”到光学望远镜看不到的天文信息,中子星的发现,引力波的捕捉,已经不是增强了人视觉的光学望远镜所能及。生物进化和分类的研究也是如此,已经超越了感官能及的生物形态学,可以从分子生物学,如基因研究的角度去研究生物的进化,作出更精准的分类。

      如今的数字时代,一切都在数字化,比特到处流淌,现代科学又迎来了新的飞跃。人类基因组计划建立人体2.5万个基因的30亿个碱基对的庞大数据。以此为基础,计算生物学可以大行其道,通过算法和模拟可以从这个庞大的数据库中发现更多的生命奥秘,使科学家有可能研制精准靶向的药物,去治疗包括癌症在内的不治之症。不仅计算生物学,而且冠以计算的如计算化学、计算物理学、计算地理学等新的科学门类不断涌现,再加上传感器、大数据、人工智能的进步,数字时代的科学思想和方法又迈入了更加智能的崭新时代。

      从博物学到近代科学再到现代科学,延伸到如今数字化的现代科学,每一次的科学进步,都意味着对感官观察的超越,意味着新的科学思想方法的跃迁。

      何必把学生拉回博物学时代

      尽管如此,小学科学教材呈现的科学研究内容似乎还停留在博物学时代。

      在二年级通过感官去比较的内容中,教师设计了比较水温高低的内容。需要用手触摸杯中的温水,感受其温度的高低,但在水温差别不大的情况下,要辨别温度差别就困难了,这时就要用到温度计。而要学会使用普通的温度计,教师还要教会学生认识刻度。由于常用的酒精温度计是根据液体受热膨胀上升的原理,测量的时间会比较长,这就带来了一些不便。网上搜索,有各种数字温度计,我们选择了具有一定灵敏度带有测温探头的数码显示的温度计,放到水里约1秒钟就会显示稳定的读数。于是,班内每个小组发一个,先让学生用手反复比较温度相近的三杯水温度高低的顺序,再用数字温度计反复测量——精确的数值和模糊的感觉一对比,科学仪器测量的长处显露无遗。有学生说,用手感觉水温会产生“幻觉”,不好把握到底是哪一杯水温度更高一点,而数字温度计测量水温更准确。这样的课使学生意识到,科学观测工具比感觉器官更可靠,从而对科学研究的本质逐渐有所体悟。

      二年级还有一个比较“谁轻谁重”的课,也要让学生通过感官——用手掂量区别物体的轻重。这种方法与区别水温一样,也是很难精准的。教材考虑到了这一点,采用了平衡尺的方法,分别向挂在平衡尺两端的小盒子里放上需要比较的物体,平衡尺向哪一边倾斜,哪一边的物体就重。在此基础上,还设计了一种称量的方法,一边放重物,一边放曲别针,当两边平衡时,数一下曲别针的数量,最后据此对要比较轻重的多个物体从重量上进行排序。这种设计从科学方法上是有一定训练价值的,但学生关于比较轻重的知识,还是难以超越日常的经验。为此,我们找来数字显示的体重秤、菜市场用的托盘秤、手持电子秤,还有可以称量轻小物体的珠宝秤,让学生去称量不同轻重的物体。在教学过程中,教师拿出一张薄薄的纸巾,一个学生喊道:“它没重量!”太轻了就没重量吗?日常经验产生的前概念暴露出来,如果还是用教材上的方法,这个前概念只能暂时放下。幸好有珠宝秤,放上去一称,原来这么轻的纸巾也是有重量的啊!

      这些精确测量的数字化科学工具,属于当下所处数字时代的日常生活用品,小学科学的教材内容,何必把学生拉回到博物学时代呢?

      数字化的科学探究何其自然

      科学教学与数字时代的现代科学思想方法相连接,并不是什么困难的事情,因为这种连接非常普遍。

      在一年级认识植物的课程中,教师要记住校园里各种花草树木不是一件容易的事。不过形色APP、微信中的“识花君”等智能识别软件可以帮忙。上课时,我们打开手机的热点,让学生拿着装有形色APP的平板电脑,去操场周围植被丰富的地方拍照识别,一个个不知什么名称的花木野草的名字和资料就显示出来。

      一年级教材中,教师在教学生认识植物的叶子时,如果只是让学生知道叶子的简单名称:叶柄、叶片和叶脉,难以激起学生的兴趣。为此,我们让学生拿着平板电脑,打开照相机,近距离对着叶子,在屏幕上拉动图像放大,细细的叶脉和叶肉清晰地显示在屏幕上……我们还可以给学生多一些叶子的结构名词:主脉、侧脉、细脉、叶肉……平板电脑摄像头和大屏幕的组合,相当于提供了一个特殊的放大镜,不仅可以看清楚,还可以拍下来作为资料。还有一种可以放大500倍的电子显微镜,镜头前有一圈LED灯,可以把叶子的细微结构看得更加清楚。

      除了平板电脑,手机的功能似乎更强大,不仅可以随时接入移动网络获取数据,还可以用内置的声、光、磁场、方位传感器做探究。比如,用超级瑞士军刀APP将手机中各种传感器的功能集成开发,做出如指南针、水平仪、角尺和直尺、心率测量等实用的功能。还有智能工具箱APP,更是把手机传感器的功能发挥到极致,可以测量如噪音、磁场强度等更多内容。

      认识星座一直是教学的难点,但现在不同了,教会学生使用手机中的星图APP去自己认识星座也许是最好的办法。学生到了繁星满天的野外,打开手机GPS全球定位和星图APP,把手机背部指向哪个星空区域,屏幕上就会显示这个星空区域的星座。想想之前的博物学方法,要在野外认识星座,就要找一个会认星的人指点,否则即便拿着一纸星图,也很可能迷失在苍穹里,不知看到的到底是什么星。

      平板电脑、手机是最平常不过的数字化工具,其中的一些APP可以使它们变成强大的数字化探究工具,还有一些数字化的小玩具,如带有摄像功能的学生数字显微镜、电子积木等,教学中使用起来何其自然,我们为什么不用好它们呢?

      超越经验,走向未来

      想一想,如果林奈当时也有现在的手机和电脑网络,他的生物分类学会怎样?如果法布尔有现在的各种数字化科学观察工具,他写的昆虫记又会带来怎样的惊奇?如果李时珍在编写《本草纲目》时能有现代科学的研究方法和设备,中医现在又会是怎样的一个景象?

      博物学时代是科学还未分化的时代,科学思想和研究方法的落后会带来许多不足和谬误。当我们把达尔文和林奈称为生物学家的时候,当我们把法布尔称为昆虫学家的时候,当我们把李时珍称为医学家的时候,教师心中一定要清楚,他们不是现代科学意义上的科学家,严格来说是科学落后时代的先驱、是博物学家,他们虽然做了不少奠基性的研究,但其成果已经得到了许多修正甚至推翻。我们在敬佩他们的探索时要提醒学生,掌握现代科学研究方法和数字化科学工具的重要性,这可以让他们超越日常的经验,更好地适应未来。

      但博物学也是有一种精神值得我们传承的,那就是充分应用我们的感官去感受自然、感受宇宙万物,用同理心去感受人与它们的关系,从情感上去热爱它们。在数字时代,人与自然万物的连接被人工的世界打断了,以至于环境污染、生态凋零、全球变暖。正如林奈在他那个世纪就感受到的:“极少有人用眼睛去看,极少有人用心去理解。由于缺乏这种观察能力和这类知识,世界蒙受了巨大的损失。”

      愿数字时代的小学科学教育能用超越的思想去传承这种博物学精神,在用数字化的方法手段去研究“天地玄黄,宇宙洪荒”之时,既能有所发现,又能心生热爱,共筑人类美好的未来。

      (作者单位系广东省深圳市龙岗区依山郡小学)

      《中国教师报》2019年05月01日第4版 

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