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[NSTA专栏]揭开黑箱的奥秘——通过黑箱活动向11年级学生讲授电路与科学知识的本质

文_Anna Koumara Katerina Plakitsi Norman Lederman 翻译_王文娴

2024-01/总第334期

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对于“地球内部的构造是怎样的”这类科学问题的答案是不大可能通过直接观察得到的。那科学家对于那些无法直接观测的情况是如何做出科学推测的呢?黑箱活动(black-box activity)似乎是一种非常理想的方法帮助学生理解科学家是怎样工作的。

黑箱是密封的,无法进入其内部。为了确定其内部可能包括的内容(内部结构),需要在不打开箱子的情况下,对假设、测量和观察进行不断的修改。对于它的内部结构,在观测结果一致的情况下可以有不止一个推断。

雷(Wray)在1974年的时候设计出了第一个应用于科学教育领域的黑箱活动,在这个活动中,大学1年级学生被要求答出电路的连接情况,这是一个要求学生解决物理问题的创造性活动。随后在1995年、2006年、2017年和2018年都有人开展了类似的活动。此外,在物理奥林匹克竞赛的实验部分也采用了黑箱活动。

近年来,越来越多的趋势是通过探究性活动使用黑箱教授科学知识。

本节课要求学生使用基于电路问题的黑箱活动学习科学知识的本质,这也是希腊11年级科学课“科学本质”大项目的一部分内容。


科学知识的本质

在过去100年里,有关科学本质(NOS)的定义及其所包含的内容一直是哲学家、历史学家、科学社会学家和教育家之间不断争论的问题。他们之间没有达成共识,但他们都同意科学本质是科学教学的必要组成部分(Lederman、Antink和Bartos,2014;Piliouras和Plakitsi,2015)。在这里,我们更倾向于使用术语“科学知识的本质”(NOSK)表示科学知识的特征,这些特征源于科学探究,并且适合K—12学生学习。这些特征定义如下。

(1)科学知识是经验性的,但是观察和推断则不是 科学知识是以经验数据为基础的。观察是对感官可直接获得的自然现象的描述,或者是对它们的扩展。它们受到现有设备和主导理论的限制,但观察者通常会就他们所看到的、听到的、感觉到的等达成共识。推论是对观察结果的解释,根据研究者的背景,相同的观察结果可能产生不同的推论。

(2)科学知识具有创造性 与人们的普遍看法相反,科学研究并不是一个理性有序的过程。它需要科学家在设计、数据收集和解释发明等研究的各个方面充分发挥创造力和想象力:类似于艺术作品的创作。

(3)尽管客观性是目标,但是主观性依然是不可避免的 在解释结果、观察和研究设计的过程中,每个科学家都会受到自己的个人投入、过往知识、培训、期望等的影响。尽管在整个科学史上,客观性一直是目标(通过标准尺度和精确测量),但主观性一直存在。还有,科学是一种社会活动,科学家通过科学出版物相互交流。他们随后的互相评议和不断的测试增强了它的客观性。

(4)科学知识是持久的,但是会随着新证据的出现而改变 科学知识是可靠的、持久的,但它不是绝对的、确定的,总是有机会改变,要么是因为技术的发展和新的工具导致了新的证据,要么是因为旧的证据被重新解释。

(5)科学的社会文化属性 科学是人类的努力,它影响所有社会、文化、哲学、宗教、政治和经济等,反之也受到这些因素的影响。

(6)科学定律和科学理论是不同种类的知识 定律是对可观察现象之间关系的概括描述,并以许多观察为基础,它们描述了(通常是理想化的)自然界中发生的事情,但从未解释原因。这些推断的解释是由理论给出的(Lederman等,2014)。


调查样本

下面描述的黑箱是一个有关科学知识本质的教学资源,由作者设计并在希腊塞萨洛尼基市的一所高中开展,课程时长90分钟(2课时),对象是11年级的26名学生(12名男生、14名女生,年龄16岁),2019年11月时他们专攻数学和科学。教师得到了课程设计者的指导。


活动的设计与集成

黑箱的外观如图1所示,内部结构如图2所示。

材料

●  黑箱

●  4.5伏电池

●  3.6瓦灯泡

●  压电式蜂鸣器

●  3根电缆

●  欧姆表

●  直尺

●  指南针


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