الاستقصاء العلمي توجه لاكتساب الثقافة العلمية: مجتمع متعلمين وبيئة آمنة
الاستقصاء العلمي توجه لاكتساب
الثقافة العلمية: مجتمع متعلمين وبيئة آمنة
مها قرعان
نتناول في هذه المقالة الاستقصاء العلمي كأحد الجوانب الأساسية لاكتساب الثقافة العلمية. وقد ذكر عزيز العصا في مقالته تعريفان مهمان للثقافة العلمية هما: الثقافة العلمية المدنية، وثقافة المعلومات العلمية. إذ تعرف الثقافة العلمية المدنية بأنها: فهم المفاهيم الأساسية للعلم، مثل: الجزيء، تركيب النظام الشمسي، فهم طبيعة الاستقصاء العلمي، ونمط منتظم من استهلاك المعلومات، مثل: قراءة الكتب العلمية العامة وفهمها (Hobson, 2003). وحسب هوبسون (Hobson, 2004)، هناك قائمة من العقبات التي أعاقت تحقيق الثقافة العلمية لجميع الأمريكان، من بينها الإخفاق في طبيعة الاستقصاء العلمي كما أنه من خلال مراجعة التعريفات المختلفة للثقافة العلمية، نجد أن معظمها ركز على مخرجات العلم من مفاهيم وقوانين ومبادئ في إطار المدرسة فقط. بينما تم إهمال جوانب عدة من بينها عمليات العلوم والذي يعتبر الاستقصاء العلمي من أهمها (انظر مقالة نادر وهبة الواردة في هذا الملف).
هناك تعريفات مختلفة للاستقصاء العلمي. من هذه التعريفات أن "الاستقصاء هو نوع من السلوك الإنساني الذي يظهره الفرد ويصل به إلى المزيد من المعنى في خبرته. والاستقصاء عبارة عن اتجاه العقل وحالته غير المستقرة، وطريقة في التعلم، وعملية بحث. وأخيراً هو أسلوب بحث عن الصدق. ويعرف الاستقصاء بأنه عملية يتم فيها آنياً وصول الفرد إلى تفسير صحيح لموقف محير" (عطا الله، 2002). أما أشمل هذه التعريفات، فهو ما تبناه المركز الاستكشافي للاستقصاء وهو: "الاستقصاء وسيلة للتعايش في العالم" (Explaratorium Institute of inquiry, 1996). وهو تعريف يجعل من الاستقصاء طريقة للحياة، بما في ذلك العمل والتعامل مع الناس.
كمعلمي علوم، يعتبر تعلم الطلبة أساس مهنتنا. وعندما ننظر إلى تعلم العلوم نظرة تتجاوز إكساب الطلبة المعرفة العلمية المرتبطة بالمحتوى، بما تشتمل عليه من حقائق ومفاهيم ونظريات وقوانين، إلى إكسابهم الثقافة العلمية المرتبطة بالحياة، من المهم لنا التعرف على كيفية تبني الاستقصاء العلمي كمنهجية لتعلم العلوم داخل غرفة الصف، لنتجاوز ذلك أيضاً إلى أسلوب للحياة كما أفاد التعريف.
يرتبط الاستقصاء العلمي بالكثير من المفاهيم التربوية الحديثة. من هذه المفاهيم التعلم النشط، ومجتمع المتعلمين، وبيئة التعلم الآمنة، والمعلم البنائي. كما أن معنى الاستقصاء العلمي يدور حول فكرتين كبيرتين هما: أن الاستقصاء العلمي هو جوهر المشاريع العلمية، والثانية أنه إستراتيجية لتعليم العلوم وتعلمها.
تبدأ هذه المقالة بوصف السمات الأساسية للاستقصاء العلمي، تتضمن مثالاً على توظيف الاستقصاء العلمي في عملية التجريب داخل غرفة الصف. ومن ثم تتعرض بشكل رئيسي إلى متطلبين أساسيين لتبني الاستقصاء العلمي، هما: بيئة الصف الآمنة، ومجتمع المتعلمين.
السمات الأساسية للاستقصاء العلمي:
طال الجدال العلمي لسنوات عديدة حول أيهما أكثر أهمية في تعليم العلوم، المحتوى أم العمليات؟ فالفريق الذي يتبنى تعليم المحتوى يتبنى طريقة الاستنتاج العلمي. إذ يبدأ التعليم هنا من النظريات الأكثر عموماً إلى المبادئ والقوانين والحقائق العلمية الأكثر خصوصية وارتباطاً بالواقع. وتستخدم فيه طرق المحاضرة والتوجيه المباشر للتلاميذ. أما الاستقراء العلمي، فيبدأ من الخاص إلى العام، ويستخدم فيه التدريس من خلال المختبر والعمل الميداني. ويتراوح الاستقصاء العلمي ما بين الاستكشاف المفتوح والاستكشاف المخبري الموجه، فهو يطور المهارات التقنية ومهارات التحليل المنطقي، ويعنى بكل من المحتوى وعمليات العلوم. ولنتعرف على الاستقصاء العلمي سنتناول أربع سمات أساسية للاستقصاء العلمي هي: ربط المفاهيم الشخصية للطالب بالمفاهيم العلمية، تصميم التجارب، استكشاف الظواهر، بناء المعنى من البيانات والمشاهدات (Mathematics and Education Center, 1999).
ربط مفاهيم الطالب بالمفاهيم العلمية:
يتطلب تبني إستراتيجية الاستقصاء العلمي الاعتراف بكون عقل المتعلم ليس وعاء فارغاً ينتظر ملأه بالمعلومات الجديدة. وهذا من أساسيات النظرية البنائية، ونطلق على المعلم الذي يتبنى هذه النظرية المعلم البنائي. فالمعلم البنائي يعترف بوجود خلفية لدى الطالب حول المفاهيم العلمية الجديدة. لذا، يرى أن من أولى مهماته الكشف عن البنية الذهنية للطالب، وعن وجود بعض المفاهيم التي تتعارض مع المفاهيم العلمية الجديدة، ومن ثم مساعدة الطالب على مواجهة هذه المفاهيم ضمن آليتي التمثل والتلاؤم وفق نظرية بياجيه المعرفية (النظرية البنائية).
ولمساعدة الطالب على الربط بين مفاهيمه السابقة والمفاهيم العلمية المعترف بها، على المعلم مساعدة الطالب على مناقشة وتفسير فهمه للظواهر العلمية مع الطلبة الآخرين، ومساعدته على تقييم مدى الترابط بين بنيته الذهنية والبنية المعرفية للمادة العلمية، وبناء الفرضيات وعمل ترابطات واضحة (Saul & Reardon, 1996).
هناك ثلاث آليات مهمة تساعد الطالب على ربط مفاهيم الطالب بالمفاهيم العلمية هي التساؤل، والمشاهدة، وربط ما قد يبدو لنا لأول وهلة متباعداً.
يبدأ الاستقصاء العلمي من موقف محير أو قضية غير مفهومة لا تتوافق مع توقعات المتعلم، أو موضوع ما يثير اهتمامه ويرغب في تكوين معرفة حوله. ويدل حدوث التناقض إلى أن التعلم على وشك الحدوث (Foreman, 1998). ومن هنا تنطلق تساؤلات المتعلم (Exploratorium, 1996). إذ يسعى المتعلم عندها إلى حل التناقض القائم بين معرفته أو فهمه السابق الذي يتناقض مع المعرفة الجديدة. وتثير هذه التساؤلات الدافعية لدى المتعلم للبحث، ويتصرف عندها المتعلم كعالم. كما أن المتعلم يشعر عندها بأنه أكثر امتلاكاً للمعرفة. غير أن المتعلم يحتاج إلى الوقت الكافي لبناء المعرفة بهذه الطريقة.
أما المشاهدة، فلا يقصد بها المشاهدة العابرة. وإنما المشاهدة المقصودة التي تجعل المتعلم يطرح تساؤلات تثير اهتمامه، وتدفعه إلى السعي الحثيث لإجابة هذه التساؤلات، ومن ثم بناء معانٍ عميقة. ويتطلب ذلك التفاعل والقيام بإجراءات معينة تساعد الطالب على فحص خصائص هذه الظاهرة. فمثلاً، لوصف ظاهرة تحول الماء إلى جليد يفترض بالطالب ليس ملاحظة درجة حرارة التجمد فحسب، وإنما أيضاً طفو الجليد فوق الماء، ومن ثم محاولة إيجاد تفسير لهذه الظاهرة.
ومن أجل بنا معانٍ عميقة للمعرفة العلمية لدى الطالب، علينا أن نساعد الطالب على مكاملة المعرفة. ويستخدم مصطلح التناسق (Consilience) الذي يعني ربط ما قد يبدو لأول وهلة منفصلاً في هذا الإطار. وهو يشير أكثر إلى توحيد المعرفة، ما يعني الترابط بين العلوم البحتة والعلوم الإنسانية والعلوم التطبيقية، ويغير من طريقة ملاحظتنا وحلنا للإشكالات. وهذا هو جوهر الثقافة العلمية (AAAS, 1993 & Wikipedia Foundation, 2007).
من الأمثلة على ترابط المعرفة، الترابط بين التطور في وسائل النقل وسهولة التنقل بين البلدان المختلفة. فهذا يرتبط بسهولة انتقال الأمراض بين البلدان المختلفة. ومن ثم توفر إمكانيات علاج المرض في البلدان التي انتقل إليها، من حيث الإمكانات المادية والتقدم الطبي. وهذا يرتبط أيضاً بالنواحي الأخلاقية من حيث امتناع الأفراد الذين يعانون من أمراض معينة من التنقل، والتزام الدول التي انتقل منها المرض وتوفر لديها العلاج من تقديم أشكال المساعدة كافة لتطويق المرض وتقديم العلاج. فهذا مثال مقتضب على العلاقة ما بين الاقتصاد والتكنولوجيا والصحة والأخلاق.
تصميم التجارب:
يتطلب حل الكثير من المشكلات تصميم التجربة العلمية. والتجربة العلمية من الركائز المهمة في التعلم الاستقصائي. غير أن توظيف المختبر في الاستقصاء العلمي يتطلب قيام الطالب بتصميم التجربة، واختيار الطرق والاستراتيجيات لجمع البيانات، وضبط المتغيرات، واختيار المواد المستخدمة في التجربة.
ويجمع الباحثون على أن التجريب العلمي يشتمل على معظم عمليات العلم؛ سواء عمليات العلم الأساسية أو عمليات العلم المتكاملة. وتضم عمليات العلم الأساسية: الملاحظة، الاستدلال، التصنيف، التنبؤ، التواصل، استخدام علاقات المكان والزمان، استخدام الأعداد، القياس. أما عمليات العلم المتكاملة فتضم: تحديد المتغيرات وضبطها، صوغ الفرضيات واختيارها، تفسير البيانات، التعريف الإجرائي، التجريب (عطا الله، 2002).
ومن المهم في التعلم الاستقصائي إعطاء الطالب الفرصة لاختيار طريقة إجراء التجربة، بما في ذلك التخطيط والتصميم لجمع البيانات الرقمية والكيفية. ويتيح هذا للطالب فرصة التصرف كعالم في اختيار الطرق المناسبة. كما يسنح له الفرصة في توظيف خياله، ومراجعة خبراته السابقة في محاولة للاستفادة منها. ومحاولة الإجابة عن أسئلة كثيرة مثل: كم مرة عليّ تكرار القياس؟ وما هي المتغيرات التي سأعتبرها مستقلة؟ وأيها سأعتبرها تابعة؟ كما يحتاج للإجابة عن أسئلة تتعلق بتقنيات التجربة، مثل: ما هي الأداة المناسبة لإجراء قياس معين؟ (Doran, Lawrenz & Helgeson, 1994). وقد يبدو لأول وهلة أن شح المواد يقف عائقاً أمام قيام الطلبة بالاستقصاء العلمي من خلال التجارب المخبرية. غير أن سعة اطلاع المعلم وخبرته تعينانه على توظيف الاستقصاء العلمي باستخدام موارد أولية.
ومن أكثر المهارات أهمية في هذا الإطار تشجيع الطالب على استخدام الإستراتيجيات فوق المعرفية. ونعني بالإستراتيجيات فوق المعرفية مراقبة الطالب لتعلمه ووعيه بخياراته. وبمعنى آخر، مقدرة الطالب على تقييم أدائه، وتفكيره في تفكيره. فمن المهم أن يكون الطالب واعياً لمحددات تجربته، ولسبب اختياره طريقة دون أخرى؟ وأدوات دون أخرى في أداء التجربة. وكذلك سبب اختياره لبعض المتغيرات كمستقلة وأخرى كتابعة، وغير ذلك من متطلبات أداء التجربة. ويتطلب ذلك أيضاً مقدرة الطالب على الربط بين المفاهيم العلمية وعمليات العلوم (Licata, 1999 & Hiebert, 1996). من هنا، نؤكد أن الهدف من التجربة العلمية يتعدى محاولة التوصل إلى القانون إلى التركيز على العمليات والافتراضات والإجراءات التي يقوم بها الطالب في سعيه للتوصل إلى القانون، والتي تصبح في نظر المعلم أهم من القانون نفسه.
مثال على توظيف الاستقصاء العلمي في محاولة التوصل إلى قانون زمن ذبذبة البندول:
في غرفة الصف وأمام الطلبة بندول معلق من السقف في نهايته كتلة برونزية. وعلى اللوح سؤال يقول: ما الذي يؤثر على زمن دورة البندول؟
طرح المعلم سؤالاً: حسناً، ما الأمور التي تحدثنا عنها البارحة؟
راجع الطلبة مقدمة درس البارحة عن طاقة الوضع وطاقة الحركة ومصطلح زمن الدورة.
أعاد المعلم العرض لتحديد عدد ذبذبات البندول في الثانية الواحدة. وما أن أعدت برندا ساعة الوقف، حتى سحب المعلم كتلة البندول وتركها تتحرك.
صاحت برندا: توقف! فأوقف المعلم الكتلة في منتصف الذبذبة.
"حسناً، واجهتنا هذه المشكلة البارحة"، قال المعلم. "ما المشكلة في هذه الطريقة"؟
استنتج الطلبة أن ثانية واحدة غير كافية لقياس زمن الذبذبة الواحدة، فاقترحوا قياس زمن 15 ذبذبة بهدف تحديد زمن الذبذبة الواحدة، وأن يجمعوا كمية كافية من البيانات للحصول على قياسات دقيقة. قبل المعلم هذه الاستراتيجية، ثم عرض مشكلة جديدة للتمهيد للنشاط التالي.
"تذكروا، يبدأ العلم بطرح مشكلة"، قال المعلم. "هذه هي المشكلة التي أريد منكم معالجتها خلال الأيام الثلاثة القادمة: ما الذي يؤثر على زمن دورة البندول؟ هل هناك عوامل يمكن أن تؤثر في عدد الدورات في الثانية؟ أم أنها دائماً ثابتة؟ هذا ما ستختبره أنت وزميلك في المختبر".
قبل أن ينقسم التلاميذ إلى مجموعات صغيرة، قادهم المعلم في لقاء عصف فكري، فكتب أفكارهم حول ما يمكن أن يؤثر على زمن الذبذبة على اللوح.
"الضغط الجوي"، اقترح توني.
"حسناً، إذا ما قمنا بإجراء التجربة على كوكب آخر، أو مكان آخر فيه ضغط جوي أعلى، يمكن أن يغير ذلك من زمن الذبذبة"، وافق المعلم، "ولكن هذا متغير من الصعب علينا ضبطه".
"طول الخيط"، اقترح دانييل.
"حسناً، هذا جيد. هل يجعل الخيط الأقصر زمن الذبذبة أطول أم أقصر؟ هل ترغبون في النقاش حول تأثير طول الخيط قبل أن نكمل". انتظر المعلم بضع دقائق قبل أن يكمل: "هل هناك عوامل أخرى"؟
"وزن الثقل"، قالت ميلندا.
"فكرة ممتازة"، قال المعلم. واستطرد "أحببت هذه الفكرة. الوزن، نعم! هل يمكن لوزن ثقيل أن يقلل أم يزيد من زمن الذبذبة؟ كيف يمكننا أن نختبر ذلك"؟
"نجرب أوزاناً مختلفة"، أجاب جريك.
"صحيح"! كانت تعابير السرور واضحة على المعلم، لكنه استطرد: "هل هناك فرضيات أخرى حول زمن دورة البندول"؟
"قطر الخيط يمكن أن يؤثر"، قال ماثيو.
"الخيط يمكن أن يؤثر. حسناً! فكرة جيدة. ليس لدي خيوط كثيرة مختلفة في السمك، لذا فهذا متغير لا يمكن أن يختبره كل شخص، ولكن إذا ما أردت تجربته، ماثيو، بعد أن تختبر المتغيرات الأخرى، يمكن أن تكون هذه تجربة مناسبة".
قال طالب آخر. "الديناميكا الهوائية يمكن أن تحدث فرقاً".
"ما الذي تقصده بذلك؟" استطرد المعلم.
"يمكن أن تعيق حركة البندول".
"حسناً! يفضل فحص هذا العامل أيضاً".
"ماذا عن الاحتكاك في أعلى خيط البندول، حيث يثبت خيط البندول بالسقف؟" سألت برندا.
"حسناً! الاحتكاك عند نقطة تثبيت خيط البندول بالسلك المثبت بالسقف".
تقسم الطلبة إلى مجموعات صغيرة للقيام بتجاربهم. بدأوا حالاً بالبحث في جواريرهم، ورفوفهم، وخزاناتهم عن مواد يمكنهم استخدامها في تنفيذ تجاربهم: خيط، سلك، أوزان من كافة الأنواع. هم معتادون على هذا النمط، فقلما يعد لهم المعلم المواد قبل البدء بالتجربة. بعد جمع المواد، يبحثون في الغرفة عن مكان مناسب وأدوات لتثبيت خيط الزنبرك. وعن كل ما يحتاجونه من أوزان ومقصات لإنجاز التجربة.
يتبادل أفراد المجموعة الأدوار في التوقيت وتسجيل البيانات وتثبيت البندول. بعد 25 دقيقة، عاد الطلبة إلى مقاعدهم لتسجيل البيانات التي قاموا بجمعها. كما تبين، اختبر الطلبة متغيرين؛ الوزن، وطول الخيط.
"تأملوا بياناتكم، ماذا تعتقدون"؟ سأل المعلم. "أعطوني فرضياتكم".
"لا أعتقد أن مقدار الوزن المعلق سيؤثر كثيراً"، قالت ميليندا، وهى تهز حاجبيها.
"كيف استنتجت ذلك"؟ سأل المعلم.
"لأن نتائج كل محاولة كانت متشابهة".
"نعم، أزمان الدورات كانت تقريباً متماثلة، على الرغم من أننا غيرنا الأوزان ثلاث مرات. ربما تكون على حق، ربما الوزن لا يجعل البندول يتحرك أسرع أو أبطأ"، قال المعلم. "ماذا عن طول الخيط"؟
"كلما كان خيط البندول أقصر، قل زمن الدورة"، قال جينيفر.
"يبدو ذلك، أليس كذلك؟" قال المعلم. "كلما قصر خيط البندول، يصبح أسرع، ألا يعني ذلك صحة الاستنتاج؟ هذا ليس مؤكداً، لأننا قمنا باختبار واحد على كل متغير. غداً، عندما نكرر التجربة، سنحتاج لاختبار أثر طول كل خيط أربع أو خمس مرات. سنحصل بذلك على بيانات كافية للوصول لقيم صحيحة نستطيع استخدام متوسطاتها لحساب زمن الذبذبة".
راجع المعلم نشاط اليوم. "اليوم، طبقنا عمليات العلوم، قمنا بعصف فكري للأفكار عما يمكن أن يؤثر على زمن دورة البندول، قمنا باختبارات بسيطة على كل متغير. جمعنا البيانات وأوجدنا المتوسطات، وتوصلنا إلى بعض الاستنتاجات بالاعتماد على البيانات"، قال المعلم.
"على الرغم من أن بياناتنا ليست نهائية، فقد توصلنا إلى بعض الفرضيات القابلة للاختبار. غداً، سوف نعيد اختبار بعض الفرضيات. سوف نختبر كل متغير عدداً من المرات للحصول على