超越博物學(xué)：邁向數(shù)字時代的科學(xué)教育

博物學(xué)時代是科學(xué)還未分化的時代，科學(xué)思想和研究方法的落后會帶來許多不足和謬誤。伴隨著數(shù)字時代的到來和現(xiàn)代科學(xué)的突飛猛進(jìn)，小學(xué)科學(xué)教育也遇到了“挑戰(zhàn)”：學(xué)生如何通過科學(xué)課認(rèn)識達(dá)爾文、亞里士多德等這些并非嚴(yán)格意義上的科學(xué)家以及他們的研究成果，教師如何引領(lǐng)學(xué)生掌握現(xiàn)代科學(xué)研究方法和數(shù)字化科學(xué)工具，讓他們超越日常的經(jīng)驗(yàn)，更好地適應(yīng)未來？本期特別呈現(xiàn)特級教師吳向東關(guān)于當(dāng)下小學(xué)科學(xué)教育的新思考。

在一次研討課上，我提出一個問題：“上了科學(xué)課后，如何讓學(xué)生超越日常經(jīng)驗(yàn)，從科學(xué)上真正獲得提升？”

為什么提出這個問題？在二年級的科學(xué)課上，教師帶領(lǐng)學(xué)生通過感官區(qū)別物體，比如讓學(xué)生識別真水果與仿真水果；在學(xué)生的背后扔下常見的東西，通過聽到的聲音猜猜是什么；在不透明的袋子里摸物品，僅憑借觸覺猜是什么；教師甚至買了可以吃的包子，讓學(xué)生通過味覺去區(qū)分其他的東西……雖然各種活動非常有趣，學(xué)生熱情參與其中，但40分鐘下來，學(xué)生學(xué)到了什么？日常生活中，類似這樣的觀察活動經(jīng)常出現(xiàn)，學(xué)生從出生起就在不斷獲得這樣的感官經(jīng)驗(yàn)，而科學(xué)教學(xué)超越了這些日常的感官經(jīng)驗(yàn)了嗎？如果沒有或者不明顯，這樣的科學(xué)課又有多大的價值？

從博物學(xué)到現(xiàn)代科學(xué)

由此，讓我想起了近代科學(xué)還未建立起來的博物學(xué)時代，那些被我們稱為科學(xué)家的人，如中國古代醫(yī)學(xué)家李時珍、古希臘科學(xué)家亞里士多德、提出進(jìn)化論的達(dá)爾文、提出生物分類學(xué)的林奈，還有學(xué)生特別喜歡的昆蟲學(xué)家法布爾，他們主要是通過感官細(xì)致入微的觀察去研究自然的。雖然有重大發(fā)現(xiàn)，但用伽利略、牛頓等近代科學(xué)家建立起來的實(shí)驗(yàn)科學(xué)的思想方法進(jìn)行考察，還有許多不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡胤健?/P>

到了現(xiàn)代，現(xiàn)代科學(xué)比近代科學(xué)更加嚴(yán)謹(jǐn)和先進(jìn)，研究的方法早已超越了人的感官，包括射電望遠(yuǎn)鏡在內(nèi)的各種波段的新型望遠(yuǎn)鏡和觀測儀器，可以“看”到光學(xué)望遠(yuǎn)鏡看不到的天文信息，中子星的發(fā)現(xiàn)，引力波的捕捉，已經(jīng)不是增強(qiáng)了人視覺的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡所能及。生物進(jìn)化和分類的研究也是如此，已經(jīng)超越了感官能及的生物形態(tài)學(xué)，可以從分子生物學(xué)，如基因研究的角度去研究生物的進(jìn)化，作出更精準(zhǔn)的分類。

如今的數(shù)字時代，一切都在數(shù)字化，比特到處流淌，現(xiàn)代科學(xué)又迎來了新的飛躍。人類基因組計劃建立人體2.5萬個基因的30億個堿基對的龐大數(shù)據(jù)。以此為基礎(chǔ)，計算生物學(xué)可以大行其道，通過算法和模擬可以從這個龐大的數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)更多的生命奧秘，使科學(xué)家有可能研制精準(zhǔn)靶向的藥物，去治療包括癌癥在內(nèi)的不治之癥。不僅計算生物學(xué)，而且冠以計算的如計算化學(xué)、計算物理學(xué)、計算地理學(xué)等新的科學(xué)門類不斷涌現(xiàn)，再加上傳感器、大數(shù)據(jù)、人工智能的進(jìn)步，數(shù)字時代的科學(xué)思想和方法又邁入了更加智能的嶄新時代。

從博物學(xué)到近代科學(xué)再到現(xiàn)代科學(xué)，延伸到如今數(shù)字化的現(xiàn)代科學(xué)，每一次的科學(xué)進(jìn)步，都意味著對感官觀察的超越，意味著新的科學(xué)思想方法的躍遷。

何必把學(xué)生拉回博物學(xué)時代

盡管如此，小學(xué)科學(xué)教材呈現(xiàn)的科學(xué)研究內(nèi)容似乎還停留在博物學(xué)時代。

在二年級通過感官去比較的內(nèi)容中，教師設(shè)計了比較水溫高低的內(nèi)容。需要用手觸摸杯中的溫水，感受其溫度的高低，但在水溫差別不大的情況下，要辨別溫度差別就困難了，這時就要用到溫度計。而要學(xué)會使用普通的溫度計，教師還要教會學(xué)生認(rèn)識刻度。由于常用的酒精溫度計是根據(jù)液體受熱膨脹上升的原理，測量的時間會比較長，這就帶來了一些不便。網(wǎng)上搜索，有各種數(shù)字溫度計，我們選擇了具有一定靈敏度帶有測溫探頭的數(shù)碼顯示的溫度計，放到水里約1秒鐘就會顯示穩(wěn)定的讀數(shù)。于是，班內(nèi)每個小組發(fā)一個，先讓學(xué)生用手反復(fù)比較溫度相近的三杯水溫度高低的順序，再用數(shù)字溫度計反復(fù)測量——精確的數(shù)值和模糊的感覺一對比，科學(xué)儀器測量的長處顯露無遺。有學(xué)生說，用手感覺水溫會產(chǎn)生“幻覺”，不好把握到底是哪一杯水溫度更高一點(diǎn)，而數(shù)字溫度計測量水溫更準(zhǔn)確。這樣的課使學(xué)生意識到，科學(xué)觀測工具比感覺器官更可靠，從而對科學(xué)研究的本質(zhì)逐漸有所體悟。

二年級還有一個比較“誰輕誰重”的課，也要讓學(xué)生通過感官——用手掂量區(qū)別物體的輕重。這種方法與區(qū)別水溫一樣，也是很難精準(zhǔn)的。教材考慮到了這一點(diǎn)，采用了平衡尺的方法，分別向掛在平衡尺兩端的小盒子里放上需要比較的物體，平衡尺向哪一邊傾斜，哪一邊的物體就重。在此基礎(chǔ)上，還設(shè)計了一種稱量的方法，一邊放重物，一邊放曲別針，當(dāng)兩邊平衡時，數(shù)一下曲別針的數(shù)量，最后據(jù)此對要比較輕重的多個物體從重量上進(jìn)行排序。這種設(shè)計從科學(xué)方法上是有一定訓(xùn)練價值的，但學(xué)生關(guān)于比較輕重的知識，還是難以超越日常的經(jīng)驗(yàn)。為此，我們找來數(shù)字顯示的體重秤、菜市場用的托盤秤、手持電子秤，還有可以稱量輕小物體的珠寶秤，讓學(xué)生去稱量不同輕重的物體。在教學(xué)過程中，教師拿出一張薄薄的紙巾，一個學(xué)生喊道：“它沒重量！”太輕了就沒重量嗎？日常經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生的前概念暴露出來，如果還是用教材上的方法，這個前概念只能暫時放下。幸好有珠寶秤，放上去一稱，原來這么輕的紙巾也是有重量的?。?/P>

這些精確測量的數(shù)字化科學(xué)工具，屬于當(dāng)下所處數(shù)字時代的日常生活用品，小學(xué)科學(xué)的教材內(nèi)容，何必把學(xué)生拉回到博物學(xué)時代呢？

數(shù)字化的科學(xué)探究何其自然

科學(xué)教學(xué)與數(shù)字時代的現(xiàn)代科學(xué)思想方法相連接，并不是什么困難的事情，因?yàn)檫@種連接非常普遍。

在一年級認(rèn)識植物的課程中，教師要記住校園里各種花草樹木不是一件容易的事。不過形色APP、微信中的“識花君”等智能識別軟件可以幫忙。上課時，我們打開手機(jī)的熱點(diǎn)，讓學(xué)生拿著裝有形色APP的平板電腦，去操場周圍植被豐富的地方拍照識別，一個個不知什么名稱的花木野草的名字和資料就顯示出來。

一年級教材中，教師在教學(xué)生認(rèn)識植物的葉子時，如果只是讓學(xué)生知道葉子的簡單名稱：葉柄、葉片和葉脈，難以激起學(xué)生的興趣。為此，我們讓學(xué)生拿著平板電腦，打開照相機(jī)，近距離對著葉子，在屏幕上拉動圖像放大，細(xì)細(xì)的葉脈和葉肉清晰地顯示在屏幕上……我們還可以給學(xué)生多一些葉子的結(jié)構(gòu)名詞：主脈、側(cè)脈、細(xì)脈、葉肉……平板電腦攝像頭和大屏幕的組合，相當(dāng)于提供了一個特殊的放大鏡，不僅可以看清楚，還可以拍下來作為資料。還有一種可以放大500倍的電子顯微鏡，鏡頭前有一圈LED燈，可以把葉子的細(xì)微結(jié)構(gòu)看得更加清楚。

除了平板電腦，手機(jī)的功能似乎更強(qiáng)大，不僅可以隨時接入移動網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)，還可以用內(nèi)置的聲、光、磁場、方位傳感器做探究。比如，用超級瑞士軍刀APP將手機(jī)中各種傳感器的功能集成開發(fā)，做出如指南針、水平儀、角尺和直尺、心率測量等實(shí)用的功能。還有智能工具箱APP，更是把手機(jī)傳感器的功能發(fā)揮到極致，可以測量如噪音、磁場強(qiáng)度等更多內(nèi)容。

認(rèn)識星座一直是教學(xué)的難點(diǎn)，但現(xiàn)在不同了，教會學(xué)生使用手機(jī)中的星圖APP去自己認(rèn)識星座也許是最好的辦法。學(xué)生到了繁星滿天的野外，打開手機(jī)GPS全球定位和星圖APP，把手機(jī)背部指向哪個星空區(qū)域，屏幕上就會顯示這個星空區(qū)域的星座。想想之前的博物學(xué)方法，要在野外認(rèn)識星座，就要找一個會認(rèn)星的人指點(diǎn)，否則即便拿著一紙星圖，也很可能迷失在蒼穹里，不知看到的到底是什么星。

平板電腦、手機(jī)是最平常不過的數(shù)字化工具，其中的一些APP可以使它們變成強(qiáng)大的數(shù)字化探究工具，還有一些數(shù)字化的小玩具，如帶有攝像功能的學(xué)生數(shù)字顯微鏡、電子積木等，教學(xué)中使用起來何其自然，我們?yōu)槭裁床挥煤盟鼈兡兀?/P>

超越經(jīng)驗(yàn)，走向未來

想一想，如果林奈當(dāng)時也有現(xiàn)在的手機(jī)和電腦網(wǎng)絡(luò)，他的生物分類學(xué)會怎樣？如果法布爾有現(xiàn)在的各種數(shù)字化科學(xué)觀察工具，他寫的昆蟲記又會帶來怎樣的驚奇？如果李時珍在編寫《本草綱目》時能有現(xiàn)代科學(xué)的研究方法和設(shè)備，中醫(yī)現(xiàn)在又會是怎樣的一個景象？

博物學(xué)時代是科學(xué)還未分化的時代，科學(xué)思想和研究方法的落后會帶來許多不足和謬誤。當(dāng)我們把達(dá)爾文和林奈稱為生物學(xué)家的時候，當(dāng)我們把法布爾稱為昆蟲學(xué)家的時候，當(dāng)我們把李時珍稱為醫(yī)學(xué)家的時候，教師心中一定要清楚，他們不是現(xiàn)代科學(xué)意義上的科學(xué)家，嚴(yán)格來說是科學(xué)落后時代的先驅(qū)、是博物學(xué)家，他們雖然做了不少奠基性的研究，但其成果已經(jīng)得到了許多修正甚至推翻。我們在敬佩他們的探索時要提醒學(xué)生，掌握現(xiàn)代科學(xué)研究方法和數(shù)字化科學(xué)工具的重要性，這可以讓他們超越日常的經(jīng)驗(yàn)，更好地適應(yīng)未來。

但博物學(xué)也是有一種精神值得我們傳承的，那就是充分應(yīng)用我們的感官去感受自然、感受宇宙萬物，用同理心去感受人與它們的關(guān)系，從情感上去熱愛它們。在數(shù)字時代，人與自然萬物的連接被人工的世界打斷了，以至于環(huán)境污染、生態(tài)凋零、全球變暖。正如林奈在他那個世紀(jì)就感受到的：“極少有人用眼睛去看，極少有人用心去理解。由于缺乏這種觀察能力和這類知識，世界蒙受了巨大的損失?！?/P>

愿數(shù)字時代的小學(xué)科學(xué)教育能用超越的思想去傳承這種博物學(xué)精神，在用數(shù)字化的方法手段去研究“天地玄黃，宇宙洪荒”之時，既能有所發(fā)現(xiàn)，又能心生熱愛，共筑人類美好的未來。

（作者單位系廣東省深圳市龍崗區(qū)依山郡小學(xué)）

《中國教師報》2019年05月01日第4版