让学生走进真实科研环境、操作先进科学仪器、亲身体验科学探究，是科学教育连接课堂知识与科学实践的重要途径。但一个值得进一步追问的问题是：学生参与了真实的科学活动，是否就能真正理解科学知识如何产生、科学理论为何会改变，以及科学家的观察和解释为什么可能存在差异？

近日，发表于国际期刊 Science & Education 的研究《情境如何影响真实科学学习情境中科学本质理解的发展》，通过比较两种基于扫描电子显微镜的高中化学实验活动发现：真实的科学学习体验固然重要，但其对科学本质理解的促进作用，还取决于学习情境如何设计。

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从参与科学活动

到理解科学如何运作

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比较两种真实实验，

追踪理解如何变化

研究采用混合研究方法，结合问卷测量和学生开放式回答，对两种具有相同教学框架、但科学主题不同的实验活动进行比较。

研究于2024—2025年开展，共有364名以色列高中化学学生参与，年龄为15—17岁，来自10—12年级。其中，260名学生参加晶体实验活动，104名学生参加超疏水性实验活动。两种活动均持续4小时，并结合科学史叙事、动手实验和扫描电子显微镜观察。

第一种活动：晶体实验。 学生了解以色列科学家丹·谢赫特曼（Dan Shechtman）发现准晶体的历史，认识这一发现如何挑战传统晶体定义。随后，学生通过沉淀反应制备离子晶体，在不同条件下比较晶体形态，并使用扫描电子显微镜观察其微观结构。

第二种活动：超疏水性实验。 学生围绕德国植物学家威廉·巴特洛特（Wilhelm Barthlott）发现荷叶效应的历史，了解微观结构研究与技术发展的关系。随后，学生尝试制备具有超疏水特性的铜表面，并利用扫描电子显微镜分析其纳米结构。

两种活动都围绕五个科学本质方面展开明确教学：科学知识的经验基础、观察与推论的区别、科学知识的暂定性、科学研究中的创造与想象，以及科学的理论负载性。需要注意的是，研究实际量化测量的是四个构念：观察与推论、科学知识的暂定性、创造与想象，以及理论负载性。

教学过程包括五个环节：引入当代科学史故事；组织学生依据观察和证据进行小组推理；通过科学家访谈等多媒体材料深化历史叙事，并明确讨论科学本质；开展动手实验与显微成像；最后组织全班总结和反思。研究人员与研究生参与指导，使学生有机会了解实际科研工作及仪器操作。

数据收集包括三部分。首先，研究者在活动前后实施李克特量表问卷，以测量学生科学本质理解的变化；其次，活动结束后通过问卷评价学生对学习真实性的感知；最后，研究第二年收集了181名学生的开放式回答，分析他们认为哪些活动要素帮助自己理解科学本质。研究者对开放式回答进行归纳编码，并对750个编码片段进行双人核查，编码一致率为99.2%。

这种设计既比较了活动前后的变化，也通过学生自己的解释，进一步探查量化结果背后可能发挥作用的情境因素。

Figure 1 研究数据收集的时间安排

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相同的教学框架，

为何产生不同效果？

1. 两种活动都具有较高真实性，但学生的科学本质理解提升并不相同

问卷结果显示，两种活动均被学生评价为具有较高真实性。以5分制计算，晶体活动的平均真实性评分为4.18，超疏水性活动为3.86，前者显著更高。

Figure 2 两种活动的真实性评价比较

真实性评价的差异也体现在学生对科研工作方式、研究问题、科学仪器使用、研究成果分析等方面的感知中。两组学生在与科学家交流、体验真实科学环境等部分项目上的评价则没有显著差异。

更重要的区别出现在科学本质理解的前后测结果中。晶体活动组在四个被测量的科学本质构念以及总体科学本质得分上均取得显著提升；超疏水性活动组则在创造与想象构念及总体得分上取得显著提升。

活动前，两组学生的各构念平均得分没有显著差异。活动后，晶体活动组在观察与推论、科学知识的暂定性、创造与想象三个构念及总体科学本质得分上显著高于超疏水性活动组。

Figures 3 晶体活动组前后测比较

Figures 4 超疏水性活动组前后测比较

这说明，不能仅根据学生是否进入真实实验室、是否接触先进设备，判断一项科学学习活动的教育成效。在相同教学框架下，具体情境与实验设计的差异，可能影响学生对科学本质的理解。

Figure 5 两组学生活动后科学本质理解得分的比较

2. 历史叙事的关键，不只是讲述发现，更是呈现科学知识如何被重新认识

学生的开放式回答显示，科学史叙事为理解科学知识的变化提供了具体案例。

晶体活动以谢赫特曼发现准晶体的经历为主线，呈现新发现如何挑战既有认识，以及科学家如何面对来自科学共同体的质疑。学生能够借此理解，科学知识虽然具有可靠的证据基础，却并非永远不变。

一名学生在反思中指出，科学理论会因新发现而发生变化，并以谢赫特曼提出不同于传统晶体理论的新观点为例。学生还明确提到，观看科学家的访谈帮助自己形成了这一认识。

相比之下，超疏水性活动中的荷叶效应故事，更突出技术发展如何支持对自然现象的新认识。学生较多地将自己的理解与科学仪器、纳米技术等联系起来。

研究者认为，晶体活动的历史叙事更容易引发学生对科学知识暂定性及科学发现中人的作用的思考。谢赫特曼作为以色列本土科学家，其访谈使用学生熟悉的语言，科学家的经历与学生所处的社会文化背景较为接近。这种文化关联性可能增强了历史故事的可理解性与感染力。

3. 实验是否贴近学生的知识基础，会影响探究能否转化为理解

两种活动在实验可及性方面也有所不同。

晶体实验与学生已有的化学知识联系紧密，沉淀反应也是较为熟悉的实验形式。学生可以在不同温度和浓度条件下制备晶体，比较不同晶体的形态，并通过同伴讨论解释观察结果。

超疏水性实验涉及更复杂的表面制备过程，技术要求相对较高，部分实验未能产生预期结果，造成了一定的困惑和挫折。

这些差异并不意味着真实科研活动中的失败没有教育价值。相反，学生在实验中遇到的问题同样可以帮助其认识科学探究的不确定性，以及实验操作和结果解释之间的联系。但研究结果提示，实验的复杂程度与学生已有知识之间需要合理衔接，否则学生可能难以将操作经历转化为对科学本质的深入理解。

4. 丰富的视觉证据，让抽象的科学本质问题变得可讨论

视觉经验是学生开放式回答中另一个突出主题。

在扫描电子显微镜下，同一晶体或微观结构可能引发不同的描述和解释。一名参与超疏水性活动的学生发现，同学们会用不同词语描述铜表面的微观形态，例如有人将其称为“毛线球”，但他们仍能够意识到自己观察的是同一个对象。

这一经历帮助学生区分直接观察到的现象与基于已有知识形成的解释。它也提示，科学观察并不意味着观察结果会自动产生唯一、完全一致的解释；研究者的知识背景、理论认识和所使用的工具，都可能影响观察与解释过程。

研究还发现，晶体实验产生的扫描电子显微镜图像在形态和大小方面更为丰富，能够支持学生开展比较分析和讨论。超疏水性活动的学生则更频繁地提到先进技术对科学发现的作用。

由此可见，先进仪器的价值不仅是提供更清晰的图像，更在于帮助学生以具体证据思考科学知识如何形成、观察如何被解释，以及新技术如何改变人们认识自然的方式。

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研究结论

真实情境的教育价值

取决于如何设计