科學(xué)本質(zhì)及其教學(xué)建議

作者簡介：曹寶龍，教育學(xué)博士，教授，中學(xué)正高級，中學(xué)物理特級教師。浙江省科學(xué)教育學(xué)會會長，浙江省物理學(xué)會副會長，杭州市特級教師協(xié)會副會長兼秘書長，浙江省督學(xué)。教育部課程教材專家委員會委員，高中物理課標(biāo)修訂組核心成員。浙江大學(xué)教育博士導(dǎo)師，杭州師范大學(xué)應(yīng)用心理學(xué)碩士生導(dǎo)師。現(xiàn)任杭州市基礎(chǔ)教育研究室主任。研究方向：學(xué)科教育（物理、科學(xué)）與心理發(fā)展。

摘 要：科學(xué)本質(zhì)包括了科學(xué)知識、科學(xué)過程與方法、科學(xué)家共同體、科學(xué)研究的成果和科學(xué)應(yīng)用與社會實(shí)踐幾個(gè)方面。構(gòu)建科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)容體系與教育要求可以使科學(xué)本質(zhì)教育的目標(biāo)更明確。要認(rèn)識到科學(xué)本質(zhì)教育的重要性；研究與實(shí)施基于科學(xué)課程的科學(xué)本質(zhì)教育的內(nèi)容；實(shí)施義務(wù)教育全學(xué)段的綜合科學(xué)課程；在科學(xué)課程中融入科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)的內(nèi)容；改進(jìn)科學(xué)探究式教學(xué)；改革科學(xué)教育的評價(jià)體系，突出考查科學(xué)本質(zhì)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)本質(zhì)；科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)容；科學(xué)本質(zhì)教育要求；探究式教學(xué)；HPS教育；科學(xué)課程評價(jià)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）9-0001-5

科學(xué)有其本質(zhì)特征，科學(xué)本質(zhì)反映了科學(xué)發(fā)展的過程和科學(xué)發(fā)展的成果。科學(xué)家研究與創(chuàng)新的科學(xué)活動過程及科學(xué)成果的應(yīng)用過程與方法都有其本質(zhì)特征。通過科學(xué)課程的教學(xué)，讓學(xué)生在探究科學(xué)的過程中理解科學(xué)本質(zhì)，這是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的一個(gè)重要方面。

1 科學(xué)本質(zhì)的概念

1.1 科學(xué)本質(zhì)的觀點(diǎn)

Collette和 Chiapetta 認(rèn)為科學(xué)本質(zhì)包括三個(gè)方面：①科學(xué)探究是自然界的“思考方式”：以證據(jù)為基礎(chǔ)；科學(xué)知識是主觀的，它與客觀之間有區(qū)別；從假說到驗(yàn)證再得出結(jié)論是科學(xué)的一般過程；②科學(xué)是 “探究”：進(jìn)行科學(xué)探究需要合適的研究方法，但在研究方法正確的情況下，有些問題還是不能解決；③科學(xué)知識是暫時(shí)的、動態(tài)性的：科學(xué)知識必須經(jīng)常面對質(zhì)疑、驗(yàn)證，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)其錯(cuò)誤的地方，再加以修改，甚至完全推翻，或證實(shí)其合理性從而接受它。[1]

萊德曼從科學(xué)知識的暫定性、經(jīng)驗(yàn)性、創(chuàng)造性和主觀性、社會性、科學(xué)理論的建構(gòu)性、實(shí)證性、科學(xué)理論的來源等幾個(gè)方面對科學(xué)的本質(zhì)作出了解釋。[2]

美國科學(xué)促進(jìn)協(xié)會則認(rèn)為科學(xué)本質(zhì)可從科學(xué)世界觀、科學(xué)探索和科學(xué)事業(yè)三個(gè)方面進(jìn)行描述。而邏輯實(shí)證主義則認(rèn)為科學(xué)本質(zhì)包括科學(xué)知識、科學(xué)方法和科學(xué)事業(yè)三個(gè)方面，認(rèn)為任何沒有經(jīng)過科學(xué)探究方式所得到的結(jié)論， 都不是科學(xué)知識。觀察是科學(xué)知識的來源，通過觀察所得到的資料一定是客觀的?？茖W(xué)探究方法是由收集資料；分析、比較、歸納資料；提出假設(shè)；驗(yàn)證假設(shè)；得出結(jié)論等程序構(gòu)成的。凡是沒有依據(jù)此模式的探究方法不能確定為科學(xué)方法?？茖W(xué)家的任務(wù)就在于發(fā)現(xiàn)自然界的真理。科學(xué)家應(yīng)該永遠(yuǎn)保持價(jià)值中立，做客觀的研究者。[3]

麥克馬斯從國家課程標(biāo)準(zhǔn)比較研究中得出科學(xué)本質(zhì)的共同性，認(rèn)為有以下幾個(gè)方面：科學(xué)知識是可信的，同時(shí)又是試探性的；科學(xué)知識依賴于觀察、實(shí)驗(yàn)證據(jù)、理性的辯論和質(zhì)疑；科學(xué)試圖解釋自然現(xiàn)象；定律和理論在科學(xué)中具有不同的角色；所有文化背景的人都對科學(xué)有貢獻(xiàn)；應(yīng)清楚地、開放地報(bào)告新知識；科學(xué)需要精確地記錄保存、同事評議；科學(xué)結(jié)果有可重復(fù)性；觀察建立在理論的基礎(chǔ)上；科學(xué)家是創(chuàng)造性的人；科學(xué)的歷史既是進(jìn)化的， 又具有革命性；科學(xué)是社會和文化傳統(tǒng)的一部分；科學(xué)和技術(shù)相互作用；科學(xué)觀點(diǎn)受社會和歷史背景影響。[4]

PISA則認(rèn)為科學(xué)素養(yǎng)是個(gè)人應(yīng)對環(huán)境的需要，受科學(xué)知識和科學(xué)態(tài)度的支持與影響，而科學(xué)知識則分為“科學(xué)的知識”（knowledge of science，主要是由物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與空間系統(tǒng)和技術(shù)系統(tǒng)組成）和“關(guān)于科學(xué)的知識”（knowledge about science，主要由科學(xué)探究和科學(xué)解釋組成）。[5]因此，從PISA的分類來看，科學(xué)本質(zhì)應(yīng)該是“關(guān)于科學(xué)的知識”和“科學(xué)態(tài)度”兩個(gè)部分組成的。它們由科學(xué)探究（源起、目的、實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)、測量和結(jié)果描述）、科學(xué)解釋（類型、方法、規(guī)則和結(jié)果）、對科學(xué)探究的支持、作為科學(xué)學(xué)習(xí)者的自信、科學(xué)興趣和對資源與環(huán)境的責(zé)任等組成，其大部分體現(xiàn)了科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)容。

科學(xué)本質(zhì)研究是科學(xué)哲學(xué)與科學(xué)社會學(xué)的重要內(nèi)容，它對科學(xué)的發(fā)展、科學(xué)教育、科學(xué)普及教育和提高全民的科學(xué)素養(yǎng)有重要意義。因此，理解科學(xué)本質(zhì)的概念，界定與厘清科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)容框架體系是科學(xué)本質(zhì)教育研究的關(guān)鍵。

1.2 科學(xué)本質(zhì)的概念

對科學(xué)本質(zhì)研究的各種觀點(diǎn)都是為了厘清科學(xué)的內(nèi)在本質(zhì)，使科學(xué)研究活動更能看清大勢，使科學(xué)教育活動符合科學(xué)的本質(zhì)，突出培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)?？茖W(xué)本質(zhì)應(yīng)該反映科學(xué)本身的性質(zhì)、科學(xué)創(chuàng)造的過程與方法及科學(xué)對技術(shù)和社會的互動性等幾個(gè)方面。雖然對科學(xué)本質(zhì)的研究的觀點(diǎn)比較多，但沒有形成一個(gè)系統(tǒng)性的結(jié)構(gòu)，所以需要我們在各種觀點(diǎn)之上形成自己的科學(xué)教育的語言體系，以利于科學(xué)教育和科學(xué)本質(zhì)教育。

我們認(rèn)為：科學(xué)的本質(zhì)是反映科學(xué)知識、科學(xué)方法與過程、科學(xué)家的創(chuàng)造活動和科學(xué)與技術(shù)及社會等相互關(guān)系的，是體現(xiàn)科學(xué)內(nèi)在特性和外在表現(xiàn)的科學(xué)解釋。

縱觀科學(xué)本質(zhì)研究的各種觀點(diǎn)，其主要的研究可以概括為以下幾個(gè)方面：①科學(xué)知識的性質(zhì)。我們認(rèn)為科學(xué)知識是科學(xué)研究的結(jié)果，反映了科學(xué)研究對象的內(nèi)在規(guī)律；科學(xué)知識反映客觀規(guī)律，但其呈現(xiàn)方式和結(jié)果具有主觀性；科學(xué)知識總是在從相對真理向絕對真理逼近的過程中。②科學(xué)研究的過程與方法。我們認(rèn)為科學(xué)活動依賴于科學(xué)研究的工具和方法；科學(xué)依賴于觀察、實(shí)驗(yàn)及通過它們獲得的證據(jù)；科學(xué)探究的方法既具有共同的范式，更具有靈活的創(chuàng)造性。③科學(xué)研究的共同體?？茖W(xué)是人類共同創(chuàng)造的文化，科學(xué)家是創(chuàng)造的主體；科學(xué)研究需要有懷疑與批判的精神；科學(xué)家們具有共同的中立的價(jià)值觀，他們的任務(wù)是發(fā)現(xiàn)和完善真理。④科學(xué)研究的成果?？茖W(xué)成果是建立在可靠的證據(jù)之上的，是可以被重復(fù)與檢驗(yàn)的；科學(xué)結(jié)論的獲得過程遵從理性精神；科學(xué)結(jié)果具有系統(tǒng)性與嚴(yán)謹(jǐn)性。⑤科學(xué)應(yīng)用與社會實(shí)踐。科學(xué)可以應(yīng)用于技術(shù)與社會；科學(xué)與技術(shù)有互動作用；科學(xué)技術(shù)可推動社會的進(jìn)步與發(fā)展；科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該保護(hù)與改進(jìn)生存環(huán)境。我們可以用圖1來表示這5個(gè)方面之間的關(guān)系。endprint

2 科學(xué)本質(zhì)教育的內(nèi)容體系

科學(xué)本質(zhì)教育需要有綱領(lǐng)性的要求，教育內(nèi)容必須系統(tǒng)化。尤其是中小學(xué)科學(xué)教育中，應(yīng)該讓全體科學(xué)教師明確科學(xué)課程的科學(xué)本質(zhì)教育內(nèi)容，主要圍繞以下幾個(gè)問題展開：科學(xué)教育的框架是什么？科學(xué)本質(zhì)教育框架體系中各條目的具體要求是什么？一個(gè)具體科學(xué)知識可以承載的科學(xué)本質(zhì)教育的內(nèi)容與要求是什么？如何實(shí)施科學(xué)本質(zhì)教育？為此，筆者試圖構(gòu)建一個(gè)具體的中小學(xué)科學(xué)教育內(nèi)容框架（見表1），以供科學(xué)教育工作者參考。

3 科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)建議

科學(xué)本質(zhì)教育是要保持和提高科學(xué)興趣、提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)?？茖W(xué)本質(zhì)教育的主陣地應(yīng)該在科學(xué)課堂，因此，課堂教學(xué)中注重學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)教育十分重要。針對目前我國中小學(xué)科學(xué)課堂的實(shí)際，提出如下教學(xué)建議。

3.1 充分認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)教育的重要性

①科學(xué)本質(zhì)教育是培養(yǎng)學(xué)生正確的世界觀與價(jià)值觀的需要。正確的世界觀與價(jià)值觀是建立在學(xué)生的實(shí)踐與體驗(yàn)基礎(chǔ)上的?？茖W(xué)實(shí)踐與體驗(yàn)可以使學(xué)生形成尊重客觀事實(shí)、尊重實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的意識。學(xué)生通過科學(xué)實(shí)踐活動就會逐步認(rèn)識到：人們對世界的認(rèn)識是建立在對客觀世界的觀察、分析、推理基礎(chǔ)上的。我們所有對客觀世界的認(rèn)識都需要證據(jù)支持。人們對世界的觀點(diǎn)與看法需要在對現(xiàn)象進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上來建立理想化的模型，并揭示模型遵從的規(guī)律?？茖W(xué)規(guī)律反映了客觀規(guī)律，但科學(xué)規(guī)律本身并不是客觀的。

②科學(xué)本質(zhì)教育可以加深學(xué)生對科學(xué)活動的認(rèn)識?？茖W(xué)探究活動可以使學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)研究的艱難性與復(fù)雜性，認(rèn)識到科學(xué)探究需要各種科學(xué)方法。認(rèn)識科學(xué)探究活動需要進(jìn)行觀察、猜想、假說、實(shí)驗(yàn)、操作等各種方式，科學(xué)活動是艱苦而有趣味的探索活動。

③科學(xué)本質(zhì)教育可以使學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)探索活動需要質(zhì)疑與批判精神?？茖W(xué)知識反映了客觀現(xiàn)實(shí)，但科學(xué)理論不是絕對真理，它的形式會受到新的事實(shí)的挑戰(zhàn)，科學(xué)永遠(yuǎn)走在趨向絕對真理的路上。因此，科學(xué)沒有迷信與崇拜。

3.2 研究與實(shí)施基于科學(xué)課程的科學(xué)本質(zhì)教育的內(nèi)容

①研究科學(xué)本質(zhì)教育的內(nèi)容框架體系。作為中小學(xué)科學(xué)教師應(yīng)該學(xué)習(xí)科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會學(xué)等系統(tǒng)性的理論，搞清科學(xué)本質(zhì)教育與科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)之間的關(guān)系。研究科學(xué)本質(zhì)教育的具體要求，最重要的是讓科學(xué)本質(zhì)教育的內(nèi)容條目與學(xué)生學(xué)習(xí)的學(xué)科內(nèi)容、學(xué)生的學(xué)習(xí)階段特征、學(xué)生的心理發(fā)展特征等因素聯(lián)系起來，構(gòu)建有效的且適合自己學(xué)校、學(xué)段的內(nèi)容體系。

②研究科學(xué)本質(zhì)教育的方法與途徑?？茖W(xué)本質(zhì)教育與科學(xué)的學(xué)科內(nèi)容的學(xué)習(xí)是一個(gè)整合的學(xué)習(xí)體系，科學(xué)本質(zhì)教育的融入可以使科學(xué)教育更符合科學(xué)素養(yǎng)的要求，以此提升學(xué)生學(xué)習(xí)的動力，提高學(xué)生的科學(xué)能力。因此，科學(xué)本質(zhì)教育依賴于科學(xué)學(xué)科內(nèi)容的教學(xué)，科學(xué)學(xué)科內(nèi)容的學(xué)習(xí)質(zhì)量的高低當(dāng)然也依賴于科學(xué)本質(zhì)教育的成敗。

3.3 建議實(shí)施全義務(wù)教育段的綜合理科課程

科學(xué)教育的課程體系應(yīng)該是一個(gè)從綜合逐步走向分科的過程。一般來說，小學(xué)與初中實(shí)施綜合理科課程。目前除了浙江省以外，其余各地在初中階段都采用了分科的物理、化學(xué)、生物等課程，這使得科學(xué)本質(zhì)教育在初中這個(gè)關(guān)鍵階段難有滿意的結(jié)果。一般來說，科學(xué)的分科教育會過多地強(qiáng)調(diào)學(xué)科知識的邏輯體系，而弱化作為體現(xiàn)科學(xué)共同性的科學(xué)本質(zhì)教育的內(nèi)容。例如，過分強(qiáng)調(diào)“科學(xué)的知識”而弱化“關(guān)于科學(xué)的知識”；過分重視作為結(jié)果的知識而輕視知識發(fā)生與發(fā)展的過程；過度重視科學(xué)知識應(yīng)用于簡單而非實(shí)際的問題與情境，而忽視科學(xué)知識在真實(shí)情境的實(shí)用性的項(xiàng)目學(xué)習(xí)（Project-based learning）。

初中階段實(shí)施科學(xué)綜合課程，可以培養(yǎng)學(xué)生對真實(shí)情境問題的探索興趣和能力，實(shí)施綜合性問題為基礎(chǔ)的項(xiàng)目學(xué)習(xí)方法。例如，河道治理的生態(tài)修復(fù)工程、農(nóng)村污水的小型綜合治理工程、學(xué)校操場的跑道設(shè)計(jì)等，都是良好的綜合學(xué)習(xí)項(xiàng)目。學(xué)科的綜合性越強(qiáng)，綜合性問題越容易進(jìn)入學(xué)生的學(xué)習(xí)并成為探究內(nèi)容。

3.4 課堂教學(xué)設(shè)計(jì)中融入科學(xué)史的內(nèi)容

從建構(gòu)主義思想分析，學(xué)生對科學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)是建立在科學(xué)已有知識的基礎(chǔ)上的，是一種新舊知識整合的重新建構(gòu)過程。因此，科學(xué)研究的一般性方法及科學(xué)家的研究方法等內(nèi)容有助于學(xué)習(xí)者建構(gòu)新的知識結(jié)構(gòu)。

建構(gòu)主義的科學(xué)教育專家們倡導(dǎo)HPS（History， Philosophy and Sociology of Science，縮寫成HPS）教育，即把科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會學(xué)納入中小學(xué)的科學(xué)教育課程中，有助于提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。孟克（M.Monk）和奧斯本（J.Osbone）認(rèn)為，把科學(xué)史融入科學(xué)課程可以采用六步教學(xué)模式[6]：①演示現(xiàn)象；②引出觀念；③學(xué)習(xí)歷史；④設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；⑤呈示科學(xué)觀念和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)；⑥總結(jié)與評價(jià)。

這種教育模式的優(yōu)點(diǎn)是：①有助于發(fā)揮學(xué)生的主體性；②有利于培養(yǎng)學(xué)生的探究設(shè)計(jì)與操作能力；③讓學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)可能會成功，但很多時(shí)候是艱難的、失敗的；④使學(xué)生從科學(xué)研究中“知識的獲得—產(chǎn)生問題—重新假設(shè)與實(shí)驗(yàn)—新的結(jié)論”的循環(huán)歷史中，認(rèn)識到科學(xué)成果的暫時(shí)性；⑤讓學(xué)生從科學(xué)家的研究史中體會科學(xué)研究的艱難性，同時(shí)體驗(yàn)科學(xué)研究的樂趣。

3.5 改進(jìn)科學(xué)探究式教學(xué)

科學(xué)課程的實(shí)施要選擇合適的內(nèi)容來進(jìn)行真實(shí)情境下的問題探究活動。探究是科學(xué)的本質(zhì)，探究的過程既能提升學(xué)生的科學(xué)能力，又能使學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)過程最重要的本質(zhì)特征。目前，我國中小學(xué)科學(xué)課程比較重視探究性教學(xué)，但也遇到了一些問題。

筆者認(rèn)為，目前我國中小學(xué)科學(xué)課程實(shí)施中存在以下問題：①探究的內(nèi)容選擇不當(dāng)。科學(xué)課程的內(nèi)容體系中有些內(nèi)容適合于講解，有的內(nèi)容適合于師生共同討論，而有的內(nèi)容適合于學(xué)生合作探究或獨(dú)立探究。教師要從教材體系、探究的本質(zhì)、學(xué)生的能力幾個(gè)方面來考慮，選擇與設(shè)計(jì)合適的探究問題。②探究教學(xué)設(shè)計(jì)不當(dāng)。探究教學(xué)的設(shè)計(jì)要依據(jù)科學(xué)探究內(nèi)容的本質(zhì)特征、學(xué)生的認(rèn)知實(shí)踐能力和科學(xué)探究的精神進(jìn)行有效的活動設(shè)計(jì)。在活動的設(shè)計(jì)中，即使有一個(gè)方面考慮不周，也會使得探究流于形式，起不到探究應(yīng)該有的效果。例如，有的教師用探究的六個(gè)全程步驟來解決一個(gè)小問題；有的教師用八股式的設(shè)計(jì)來進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施，使得探究活動變得僵硬、乏味；③重視探究的形式，而忽視探究的內(nèi)在本質(zhì)。探究的靈魂在于其進(jìn)入未知世界的神秘，如果不是，那就是流于形式。endprint

改進(jìn)探究式教學(xué)，需要重視以下幾個(gè)方面：①重視探究問題的本質(zhì)；②重視探究過程的思維活動；③重視處理好探究活動中獨(dú)立思考與合作學(xué)習(xí)間的關(guān)系；④重視探究活動中學(xué)生的實(shí)踐與體驗(yàn)的份量；⑤重視學(xué)生自主探究與教師必要的指導(dǎo)的關(guān)系。

3.6 改革科學(xué)教育的評價(jià)體系，突出考查科學(xué)本質(zhì)

科學(xué)本質(zhì)教育的內(nèi)容應(yīng)該占科學(xué)教育不小的比例，一般有三分之一左右（例如PISA測試框架中“關(guān)于科學(xué)的知識”占30%～35%）[7]，因而要研究科學(xué)課程的考試與評價(jià)方案，突出科學(xué)本質(zhì)教育?？茖W(xué)本質(zhì)教育的測試題的研制一般比“科學(xué)的知識”的測試題更難，但質(zhì)量較好的科學(xué)本質(zhì)測試題會受到教師與學(xué)生的青睞?？荚囋u價(jià)的問題設(shè)計(jì)要突出科學(xué)的問題性、過程性和綜合性，問題必須基于真實(shí)情境的真實(shí)問題，考查學(xué)生基于真實(shí)情境的綜合問題的解決能力。

科學(xué)本質(zhì)教育是科學(xué)教育的重要內(nèi)容，科學(xué)本質(zhì)的深度理解有助于學(xué)生科學(xué)能力的提升。同樣，學(xué)生對科學(xué)課程的深度學(xué)習(xí)也會有助于對科學(xué)本質(zhì)的進(jìn)一步認(rèn)識。

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（欄目編輯 廖伯琴）endprint