在上一期文章中，我们分享了“实验”的前两层意思：“演示”与“动手操作”。“演示”实验可以有效地吸引同学们的注意力，激发大家的学习兴趣，也有助于阐释科学原理，加深同学们对理论知识的理解和记忆。这些实验的安全要求往往也很高，不适合所有同学（尤其是低年龄段同学）直接参与。在保障安全的情况下，教师会利用一切机会为同学们创造“动手操作”的机会。“动手操作”可以增强同学们的实验安全意识，锻炼他们的动手能力，让他们熟悉实验仪器的操作方法。动手的过程也可以激发同学们的思考和讨论，培养他们的问题解决思维。
“实验”另外两层更深入的内涵，将在这一期文章中继续介绍。
科学探究
在“动手操作”的实验中，同学们并不需要收集和分析数据，不需要提出假设和验证假设。“实验”的第三层意思，是从定性实验走向定量实验，掌握和实践科学探究方法，最终成为独立的研究者。
国家2011年版的《义务教育科学课程标准》和上海市的《科学课程标准》，都将“科学探究”置于内容框架之前，指出“科学探究既是学生的学习目标，又是重要的教学方式。” 英国的科学标准在内容框架前提出了“科学地工作”
的理念，强调学生应该得到科学态度、实验技巧、评估和测量等方面的训练。
“科学探究方法”是在近代科学技术革命的过程中逐渐形成发展起来的。一个典型的科学探究过程包括如下步骤：
- 从日常观察或前人的研究工作中提出问题
- 进行背景调研
- 提出假设和预测
- 设计实验
- 收集和分析数据
- 得出结论
- 证实假设或修正假设
- 分享结果
在提出假设的过程中，需要定义自变量和因变量，确定不变量以保证实验的公平性，选择对照组；在设计实验的过程中，除了仔细考虑实验材料和步骤，还需要进行风险评估，提出安全保障措施；在收集数据的过程中，需要注意实验误差，多次测量取平均值；在分享结果的过程中，需要明白同行评审的重要性，感谢研究工作的支持者，思考下一步的研究工作。
在学习科学探究方法时，第一步是通过经典案例让同学们熟悉整个过程。我们采用的经典案例是“哪种纸筒可以承受最多的重量？”麻雀虽小五脏俱全，这一简单的案例包含了科学探究的所有元素，而探究的整个过程和最终结果会以科学展板的形式呈现，成为同学们后续自主探究尝试的模板。
经过经典案例的训练，同学们可以在教师的组织下进行更多的科学探究活动，比如“血滴”的溅射面积与下落距离的关系、本生灯不同类型火焰的加热效果、干燥与潮湿表面的降温效果等。
在多次练习、熟练掌握科学探究的流程后，同学们可以自由选择课题，自己准备材料、设计实验，进行独立自主的探究，并举办科学展汇报自己的研究成果。在这一过程中，同学们的合作能力、演讲技巧和语言的规范性都将得到充分的锻炼。
科学探究必须以扎实的科学知识为基础，否则就会成为无源之水、无本之木。过早引入这一概念，可能适得其反。经过实践探索，我们发现，四年级的同学们已经可以理解科学探究的概念。一位同学以“磁铁在空气中还是水中磁性更强”为题展开探究，她制作的展板显示她对安全问题、对照组、重复测量取平均值等概念都有了清晰的认识。
工程设计
在进行自主科学探究的过程中，有一个小组选择的题目是“降落伞尺寸对降落时间的影响”。在最初的实验设计中，降落伞的制作材料选用了塑料袋。实际降落过程中出现了一个难题，降落伞大多数时间无法保持“伞”的形状：塑料袋在风的作用下呈现奇怪的形状，而连接伞四角与负重的绳子也松松垮垮。在这种情况下，最终测得的降落时间数据毫无规律可循，成为科学探究中最棘手的“负面数据”（negative
data）。科学探究中常常出现技术性难题，而这些难题的解决需要另一种思维。
科学家需要对“问题”（question）提出假设，然后验证假设的真伪，最终形成科学理论；而工程师则需要对“难题”（problem）提出解决方案，然后检验方案的有效性，最终解决某个困难。工程设计也遵循一套基本的步骤，与科学探究的步骤既有相似之处，也有不同之处。工程设计可能面对独立的难题，也可能要处理科学探究中出现的难题。
最终，探究小组使用了透气性更好的布袋作为降落伞的制作材料，用吸管支撑连接绳使其保持笔直，重设了负重的重量。调整之后，降落时间与伞的面积之间呈现出清晰的规律，探究得以顺利完成。
2013年，美国发布了《下一代科学标准》，将”科学与工程实践“作为三大维度之一，将工程设计置于与科学探究同等重要的位置，并主张从小培养学生的工程设计思维。实验的第四层意思，是用“工程设计”的思想解决生活中的难题。我们不仅要培养科学家，也要培养工程师。
在惠立学校，我们在CCA课程中为同学们创造了众多实践工程设计思维的机会：折出飞行距离最长、准度最高的纸飞机；用一张纸制作出吊臂最长的起重机；用限定数量的通心粉和限定长度的胶带搭建能够支持一定重量的最高建筑；用有限的缓冲材料包裹一个鸡蛋使其从高空落下不致破碎等等。这些项目需要同学们发挥创造性，试验不同的方案，用有限的资源解决技术性难题。
惠立学校也成立了自己的Frist Lego League队伍，队员们要结合每一年的主题进行科学探究，并使用乐高的Mindstroms
EV3组件搭建机器人，编写程序，在标准化的场地上完成各项任务。这是一项结合科学探究与工程设计的综合性赛事。随着同学们年龄的增长，我们还将引进如Frist Tech Challenge、First Robotic
Competition等更多的First系列项目。
“Eureka!”
2009年，一部名为《三个傻瓜》的印度电影在中国的教育界引起了很大的反响。电影中有这样一幕：大学教授的女儿临盆，但是天降大雨，道路被堵，去不了医院，教授束手无策。无奈之下，主人公大学生兰彻通过视频向医生请教怎样接生。产妇虚脱了，无法用力，需要一个真空吸盘，可祸不单行，大雨导致学校停电。在这样的绝境中，兰彻把自己发明的变流器搬来，又把汽车里的电池、电线统统拿出来自己发电，并用一个柔软的吸尘器制作了吸盘，成功地将婴儿接生出来。阿米尔·汗的这部电影，让我们反思现存科学教育的误区和出路。
2018年夏天，由于连续大雨导致洪水倒灌，一支泰国少年足球队的12名球员和1名教练被困在一处洞穴中。“钢铁侠”埃隆·马斯克（Elon
Musk）花了不到24小时就研制出充气潜水救援囊送往现场，并迅速研制出一款“迷你潜艇”。在极短的周期内完成模型的设计、制作与测试，SpaceX公司的高效让人惊叹。
“日积跬步，以至千里。”积累丰富的科学知识，锻炼熟练的动手能力，完成系统的科学探究，进行高效的工程设计。在将来的某一天，同学们或将迎来自己的“Eureka!”时刻，成为解决难题、拯救世界的英雄!
一切，都开始于最初的“我们做实验了！”
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