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【STEM文献】如何培养学龄前儿童的科学行为? ——西班牙幼儿园的蜗牛研究
陈鲁，纽约大学发展心理学博士，纽约市立大学李曼分校心理系副教授，纽约市少儿华文书园创办人，加州教育部学前双语发展教师指导纲要编写专家，纽约市教育局中文双语学校中文试题编写组高级顾问，贵州市遵义市西西弗教育中心英语教学顾问。其作品有：《0-6岁A+育儿法》、《语言是这样被习得的》（2017年面世）、专业论文数十篇。
原文刊于《科学大众·STEM》2017年1/2月合刊
一、引言
什么是科学？什么是科学教育？什么是适合不同年龄儿童的科学教育？这是家长和老师都关心的问题。
多年前，我在曼哈顿的美国自然历史博物馆参观达尔文的文献展时，被达尔文十岁左右写的一页日记深深吸引。日记上面，他用大大的英文字体记录着每天观察到的自家花园的花开数量。现在我的脑海里还常常浮现出，这个十岁的男孩一大早就迫不及待地跑出家门，认真地点数花朵的场景。无独有偶，儿童认知心理学泰斗皮亚杰15岁就在专业杂志上发表了数篇有关软体动物的论文。达尔文和皮亚杰都是在儿童时期就有机会拓展他们的科学兴趣。也许我们并不期待自己的孩子、学生长大都能成为科学家，但是现今日趋复杂的世界要求我们具备一定的科学素养。
科学是什么？现今科学教育界的共识是，科学不仅包括科学知识，也包括科学行为，即创造科学知识的行为。儿童的科学教育，最重要的是培养儿童的科学行为，而不是灌输科学知识。具体而言，科学行为包括以下四个核心要点：
1. 会提出能够通过实证来回答的问题。
2. 知道论点需要论据来支持，并且具备这样的言行（比如不把自己的想象、希望当作客观现实来传播）。
3. 知道产生论据的过程是什么，并且会参与到获取证据的过程里。
4. 知道当一个论点没有论据支持的时候，如何根据科学数据来修正论点。
我们可以通过从事科学观察、科学实验来培养科学行为。并不是所有的观察都是科学观察，具有系统性(systematic)、主动性 (active)以及目的性 (purposeful)的观察才是科学观察。除此之外，长期观察 (prolonged observation) 也非常重要，也就是根据研究的问题选择一个有效的时间段来观察自己感兴趣的对象和行为。而科学实验则是通过人工设计，让研究对象处于不同的环境和状态，以测量其变化的过程。
二、研究介绍
以上所述的科学行为，都是可以从学龄前儿童开始培养的。下文介绍的研究就是针对这个问题进行探讨，此研究由西班牙的科研人员和幼儿园老师合作进行，研究内容是幼儿园大班儿童如何参与对一种动物——蜗牛的科学认识。
（一）研究问题
1. 学龄前儿童能否提出能够通过实证来回答的问题？
2. 学龄前儿童能够使用什么样的方法来获取证据？
3. 学龄前儿童如何使用证据来修正他们原来的认识？
4. 老师在这个过程中扮演的角色是什么？[4]
根据前文对科学行为的定义，本研究的研究目的是发现学龄前儿童科学学习的潜力和相关的激励方法。
（二）研究人员
研究由西班牙圣地亚哥联合大学（University of Santiago de Compostela） 的Sabela F. Monteira 和María Pilar Jiménez-Aleixandre 博士主持，后者是著述颇丰的科学教育研究专家。
（三）研究对象
研究对象为25名幼儿园大班的幼儿，年龄5～6岁，其中16个女孩，9个男孩。
（四）研究过程
1.选择学习目标
目标：蜗牛
蜗牛是幼儿生活中较为熟悉的动物，本研究选取的学校坐落在西班牙的一个小城，很多家庭都有花园，里面常有蜗牛出没。
2.提出问题
老师通过经典的“问题三类论”来引发幼儿的问题。
①有关蜗牛，我们知道什么？
②有关蜗牛，我们还想知道什么？
③有关蜗牛，我们学到了什么？
活动一开始，老师就把三个大问题写在一张大纸上并贴在墙上，然后询问：“有关蜗牛，你们都知道什么？”幼儿提供的有关蜗牛的信息，不管是否属实，老师都会记录下来。在整个学习过程中，问题①最早定稿，往往一两堂课就能完成。问题②可以在项目过程中不断被充实。问题③是研究结果一一出来后被逐渐充实的。学习项目结束后，三个大问题下面的分问题以及答案就是学习内容的清晰总结。
3.探究问题
幼儿每天都需要做一些事务性工作，如清点蜗牛的数量、检查它们吃掉了什么食物。每天有两个幼儿值日，清理蜗牛箱子，给蜗牛身上撒水。
为了获取回答问题的数据、寻找支持假设的证据，在老师的带领下，幼儿从事了一系列的探究活动：
①长期、持续性的观察
蜗牛学习项目从一月中下旬持续到六月初，跨时整整一个学期。通过科学的观察，幼儿可以回答很多自己提出的问题。
②实验研究
当有的问题无法通过纯粹的观察获得答案时，幼儿们设计、开展了多个实验。以下为两个例子：
a）蜗牛能听到声音吗？——蜗牛的听力测试
幼儿将蜗牛放在安静状态下观察，记录它们的表现，同时制造三种噪音状态：大叫、敲打两根棍子、击鼓，分别观察、记录三种情况下蜗牛的表现。
b）蜗牛的力气有多大？——蜗牛的力气测试
幼儿在蜗牛身上绑上不同重量的东西，比如一个小塑料漏斗、一个纸壳子做的小车等，观察蜗牛在负重的情况下能否推动一片生菜叶。
（五）研究发现
1.学龄前儿童能否提出能够通过实证来回答的问题？
在“问题三类论”中，第二类问题是：有关蜗牛，我们想知道什么？幼儿提出了很多相关问题，主要分为三小类：
①通过观察就能回答的问题
* 蜗牛有嘴吗？
* 蜗牛有牙吗？
* 它们头下的东西，是它们的脚吗？
* 它们的触角是干什么用的？
* 蜗牛生下来就有壳吗？
* 它们要壳子做什么？
* 蜗牛的黏液是从哪里来的？
②通过实验能回答的问题
* 蜗牛能听见声音吗？
* 蜗牛有味觉吗？
* 如果蜗牛的壳破了，还能存活吗？
* 蜗牛的黏液有什么功能？（幼儿最早提出的问题是：蜗牛的黏液是把蜗牛的壳和蜗牛粘在一起的吗？）
当幼儿提出这一类问题后，老师要求幼儿想办法做实验，老师从中提供咨询、引导。实验设计好以后，老师要求幼儿对实验结果提出假设，例如实验发现 A，可以得出什么结论，如果发现 B，又能得出什么结论。回答一个问题所花费的时间，从一天、数天到数月不等。
③ 通过搜寻信息（从家人、书本、网上）能回答的问题
* 我们如何照顾蜗牛？
* 它们平常住在哪里？
* 蜗牛有多少种？
* 有没有生活在地下的蜗牛？
* 蜗牛的生殖器在哪里？
* 蜗牛需要钙质吗？
* 海里的蜗牛吃什么？
* 它们为什么需要水和阳光？
启示一：虽然幼儿年幼且面对的是不起眼的蜗牛，但只要成人加以引导，幼儿能够提出科学性的问题。正如前文提及的，科学行为之一就是会提出能够通过实证来回答的问题。
2.学龄前儿童使用什么方法来获取证据？
①有目的性的观察
幼儿带着问题去观察，搜集相关的数据，回答自己的问题。有时候，观察到的现象，会让幼儿涉入之前没有想到的问题。
比如，蜗牛所吃的食物和大便颜色的关系是幼儿在观察中新产生的问题。以下为幼儿和研究人员的对话。
幼儿1： 如果蜗牛吃了胡萝卜，大便就是橙色的，因为胡萝卜是橙色的。
研究人员：那如果它们吃了生菜呢？
幼儿（众）：绿色的！
幼儿1：大便的颜色和吃的东西的颜色一样。
研究人员：你们是怎么知道的呢？
幼儿（众）：我们研究了。
幼儿1: 我们先看见了不同颜色的大便，接着进行了研究。
②实验
当发现对于某些问题，观察并不能产生足够可靠的数据来回答它们时，幼儿就会在老师的带领下设计实验。每做完一个实验，幼儿被要求画一幅图画来描述实验过程，设计好的实验记录表中有 “结论”一栏，幼儿可以记录下自己的结论。
例1：蜗牛能闻到味道吗？——嗅觉实验
“蜗牛有嗅觉，因为我们放了一盘水，一盘醋，而蜗牛朝着水爬去。”（幼儿的实验报告）
例2 ：蜗牛能听到声音吗？——听觉实验
“蜗牛没有听觉。因为我们大叫时，它们并没有藏起来。我们击鼓，它们也没藏起来。它们没有藏起来，说明它们没听到什么东西。（暗含的前提条件是蜗牛听到声音后会藏起来。）”幼儿可以将证据和结论相联结。
例3：蜗牛有味觉吗？——味觉实验
幼儿1： 我们做了一个面粉和盐的实验。我们把三只蜗牛放在面粉和盐的中间，他们朝面粉爬去，并且吃了面粉。但是有人把一只蜗牛掉到面粉里了，我们当时不知道它是否死了。
研究人员：那后来呢？
幼儿1：它开始吐泡沫。
幼儿2：西尔维娅把它治好了。她往蜗牛身上倒了很多水，把蜗牛冲干净。我们接着把蜗牛放在一张纸上。
幼儿3：因为我们想知道它是否会死，老师就在它身上画了一个红十字做标记，像医院里的一样。第二天我们发现它还活着。
研究人员：你们怎么知道它还活着呢？
幼儿2：因为我们看见了！……它藏在壳子里。
研究人员：它从壳子里出来了吗？
幼儿2：是的！
这是一个意外的事故，幼儿不仅要追踪起始的问题以及相关的实验结果，还要处理突发状况、通过观察为过程中新产生的问题寻找答案（蜗牛是否还活着）。
③集体推理
集体推理是指幼儿通过分享观察，一起合作推理。比如，有关蜗牛如何吃东西的问题。
幼儿1: 我认为它们是这样吃东西的（用手做出前后滑动的动作）。
幼儿2: 它们通过（嘴巴）摩擦 （食物）来吃东西（用语言表达幼儿1的手势）。
幼儿3: 它们的嘴必须很粗糙才能这么吃东西。因为如果不粗糙，它们不可能用这种方法吃东西（解释两名同伴之前描述的现象）。
在这段对话之前，幼儿在讨论他们观察到的其它相关现象：蜗牛嘴上的小刺，食物上的嘴印等。
启示二：学龄前儿童有能力通过科学观察和科学实验来回答科学性的问题。同时，他们在这个过程中会自然地产生互动。
专家认为，人类科学的发展来自集体互动，我所在的心理科学领域就是被强大的集体互动往前稳步推进的。而要产生集体互动，必须要有一个健康的科学社区（scientific community）。每个班级都可以成为一个科学社区，社区里的成员——幼儿，会通过科学行为集体创造知识。
3.老师扮演什么角色？
此项研究发现老师具有三个功能：
①科学直谈 (explicit talk about science)：老师清楚直接地说出什么是证据，什么是假设，什么是研究。
幼儿1: 有的蜗牛爬得比别的蜗牛快。
老师: 哪些？
幼儿1: 小的蜗牛。
幼儿1: 小的蜗牛爬得快是因为它们的身体轻。
老师：但是我们不知道这说法是否完全正确，我们需要做实验来发现。
②回忆反省 (reflection)：老师启发幼儿通过回忆事件、过程、经历，激发他们集体分析和解读研究数据，从中得出结论。
老师：那天，一名幼儿用手抓起蜗牛后，发生了什么让你们很伤心的事情？（老师让幼儿集体回忆事件和当时的心情）
幼儿（众）：蜗牛壳破了。（幼儿回忆当时的观察）
老师：当时我们觉得会发生什么事？（老师诱导幼儿回忆当时的思维）
幼儿（众）：它会死掉。（幼儿描述当时的想法）
老师：可是我们发现了什么？（老师诱导幼儿回忆更新后的观察）
幼儿（众）：壳又长回来了。（幼儿描述更新后的观察）
幼儿1：鸡蛋壳子有钙，它让蜗牛壳又长出来了。（幼儿提供现象背后的原因）
幼儿2: 因为蜗牛吃了鸡蛋壳。（接着幼儿1分析现象和原因的链接，就是蜗牛壳和鸡蛋壳的关系）
幼儿3: 后来壳再也没有破，因为它比以前的更结实。（丰富了之前幼儿提出的结论）
③持续性追踪 (recurrence)：老师持续性地在不同的时间和场合用不同的方式推动幼儿对同一个问题的探索。
以下是老师如何通过四步活动来推动幼儿对蜗牛嘴巴功能的研究。
a) 当某天幼儿在看蜗牛吃面粉的时候，老师鼓励他们观察蜗牛的嘴巴。
幼儿1: 它们吃胡萝卜和我们不一样。
幼儿2: 它们弄出小洞来。
幼儿3: 为什么有洞呢？
幼儿4: 因为它们有牙齿。
老师：我们要研究一下它们的牙齿是什么样子的。（抓住机会提出问题）
幼儿5: 是的，我们还不知道它们是否有牙齿。
老师：是的，我们还不知道。
b) 在观察了蜗牛两周后，老师布置了一个任务，就是画出蜗牛的嘴。二十名幼儿交上了画作，把蜗牛的嘴都画成半圆形，其中十张画有像人一样的牙齿。这是正常的，幼儿在开始的时候从人的特征推断动物的特征，是一种正常逻辑思维的表现。
c) 一个多月以后，经过更多的观察，及其在家里收集到的信息，幼儿交上来第二批画作。
老师：我们看看Luis 的画。
Luis： 蜗牛的嘴像一条带子。
老师：像一条带子。那些小小尖尖的东西是做什么用的？
Luis：它们把食物给磨下来。
老师：把食物给磨下来。那它们算不算是蜗牛的牙齿？
Luis：不算。它们只是小小尖尖的东西。
至此，幼儿通过学习，不再把蜗牛嘴里的尖状物叫 “牙齿”， 也不再把蜗牛嘴里的齿舌叫“舌头”，也了解到蜗牛不会咀嚼，而是靠摩擦来弄碎食物。这样，幼儿就开始脱离了“人本位”的思考模式，获取了科学思维的正确角度。
对话继续：
老师：我们第一次想象的蜗牛的嘴对吗？
幼儿（众）：不对！
老师：那现在你会怎么画呢？
幼儿（众）：像一条带子。
老师：周围有东西吗？
孩子们：没有。
老师让幼儿直接对比自己以前和现在的认识。老师的态度就是，你们以前的想象行为是自然的，之后的研究行为也是对的，现在发现了和原来想象不一样的东西也是很正常的。老师往前推动了一个班级集体的科学意识，在过程中建造了一个科学社区。
d) 后来幼儿还通过显微镜观察了另一种动物——扇贝和它的嘴部形状。通过对比，幼儿又进一步修正了他们对蜗牛嘴部特征的认识。
启示三：老师的职责，不是拱手把知识交给幼儿，而是带领幼儿去创造知识。
被拱手送来的知识是枯燥的，留下的印象是不深刻的。而自己动手动脑去创造出来的知识，是融入血液，不容易被时间剥夺的。幼儿获得的能力、学到的思维方式，是可以应用在探索任何事物上的。
某年我在北京的一所幼儿园，眼看着幼儿的小手都背着，认真地听老师讲，我突有感悟：当幼儿不动手、不参与、不推动学习过程的时候，老师变成了知识的所有者。这会给老师很大的安全感，不少老师难以放弃这种做法。当我们要把幼儿拉进来一起“折腾”的时候，需要老师们有勇气、有信心。要成就这样的老师，学校、家长、社会都要给老师们的尝试提供足够的心理空间。
科学教育是“让孩子知道为什么我们知道我们知道的东西 （why we know what we know）”。当孩子知道了为什么我们知道我们知道的东西，他们就成了科学行为的实践者，我们的科学教育就成功了！
1 本文据作者授权转载于《陈鲁一周一点：心理成长与语言学习的科学》，公众微信号ID：Giselajia。
2 本文所介绍之研究为：Monteira，S.F. & Jiménes-Aleixandre，M.P.(2016).The practice of using evidence in Kindergarten：The role of purposeful observation. Journal of Research in Science Teaching，58(8)，1232-1258.
3 【作者简介】陈鲁，纽约大学发展心理学博士，纽约市立大学李曼分校心理系副教授，纽约市少儿华文书园创办人，加州教育部学前双语发展教师指导纲要编写专家，纽约市教育局中文双语学校中文试题编写组高级顾问，贵州市遵义市西西弗教育中心英语教学顾问。其作品有：《0-6岁A+育儿法》、《语言是这样被习得的》（2017年面世）、专业论文数十篇。
4 作者注：家长也有机会扮演和老师一样的角色。