科學(xué)本質(zhì)中“科學(xué)是創(chuàng)造性的工作”對科學(xué)教學(xué)的建議與啟示

邴 杰 劉恩山*

（北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100875）

科學(xué)本質(zhì)教育是當(dāng)前國際科學(xué)教育發(fā)展的重要趨勢，在科學(xué)課程中幫助學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)是一項(xiàng)重要內(nèi)容［1］。我國《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》于2018年1 月正式頒布，在教學(xué)和評價建議中提出高中生物學(xué)課程要適當(dāng)教授科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)容，其中“科學(xué)是創(chuàng)造性的工作”成為其中內(nèi)容之一［2］。因此，在生物學(xué)課堂上教師需要促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)中科學(xué)是創(chuàng)造性工作的理解，并在科學(xué)教育的課堂中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性，以達(dá)到課程的要求。 關(guān)于創(chuàng)造性的話題是教育中的永恒話題，然而其內(nèi)涵及如何在學(xué)科教學(xué)中將其與生物學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，進(jìn)而應(yīng)用到課堂教學(xué)之中，國內(nèi)學(xué)術(shù)界并沒有深入的研究探討。 為了能更好地理解“科學(xué)是創(chuàng)造性的工作”，有效地將其應(yīng)用于一線教學(xué)，本文將從內(nèi)涵、教學(xué)應(yīng)用和教學(xué)建議3 個方面對其進(jìn)行介紹和分析。

1 科學(xué)是創(chuàng)造性的工作

科學(xué)是創(chuàng)造性工作，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展推進(jìn)的原動力。 創(chuàng)造性關(guān)鍵在于創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，并能提出創(chuàng)新性的理論和方法等。奧斯本（Osborne）等利用Delphi 技術(shù)研究科學(xué)領(lǐng)域中不同專家對科學(xué)的認(rèn)識歸納，認(rèn)為在科學(xué)教育的課程中，應(yīng)包括科學(xué)本質(zhì)中重要的一條是“理解科學(xué)的創(chuàng)造性”，認(rèn)為“科學(xué)家在形成科學(xué)概念時需要創(chuàng)造性”［3］；霍爾頓（Holton）從反證的角度指出，科學(xué)并非純粹理性和系統(tǒng)性的活動而需要科學(xué)家的創(chuàng)造性,否則計(jì)算機(jī)也能創(chuàng)造科學(xué)了［4］；因此，科學(xué)的產(chǎn)生與人的思維活動密切相關(guān)，需要人的主觀能動性。 著名細(xì)胞生物學(xué)家克勞德在細(xì)胞學(xué)說建立100年后，破除傳統(tǒng)的思維模式對形態(tài)學(xué)觀察的桎梏，提出的定性定量分離細(xì)胞組分的方法，為研究細(xì)胞內(nèi)部組分的結(jié)構(gòu)和功能開辟了新的途徑。

然而，科學(xué)的創(chuàng)造性中的主觀能動性并非是空中樓閣的空想和假設(shè)，而是建立在觀察和前期知識之上的理論與假設(shè)。 例如高中必修1 中的重要事例，關(guān)于酶本質(zhì)的研究中，起始于對葡萄酒的釀制等生活問題，在探索糖類變?yōu)榫凭倪^程中，不同的科學(xué)家提出不同的理論。 初期階段化學(xué)家認(rèn)為此過程與生命活動無關(guān)，隨著顯微鏡的發(fā)現(xiàn)，微生物學(xué)家觀察到了酵母細(xì)胞，并提出酵母細(xì)胞是糖類轉(zhuǎn)化為酒精的重要條件，認(rèn)為該過程是有生命參與的； 但是德國化學(xué)家李比希仍堅(jiān)持引起發(fā)酵的是酵母細(xì)胞中的特定物質(zhì)，而這些特定物質(zhì)需要在酵母細(xì)胞死亡裂解后才會發(fā)揮作用。 2種爭論一直持續(xù)到德國化學(xué)家畢希納將酵母裂解物與葡萄糖反應(yīng)后變?yōu)榫?，得出酵母?xì)胞中引起發(fā)酵的物質(zhì)，并提出了酯酶這一概念。由于技術(shù)問題和酵母細(xì)胞提取液的混合物問題，科學(xué)家在此結(jié)果基礎(chǔ)上作出假設(shè)，認(rèn)為酶是一種蛋白質(zhì)，但是受制于技術(shù)等，并不能確定其成分。隨著技術(shù)的發(fā)展，美國科學(xué)家薩姆納從刀豆中提取出脲酶，并成功在丙酮中提純出結(jié)晶，該結(jié)晶溶于水后催化尿素分解為氨和二氧化碳，并用不同方法證明了脲酶為蛋白質(zhì)，此后大量的酶被提取出結(jié)晶，并被證明為蛋白質(zhì)。

當(dāng)前我國已成為世界科技創(chuàng)新中心之一，生命科學(xué)一方面揭示生命科學(xué)發(fā)展的規(guī)律，生命科學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了神秘的傳說—模糊的猜測—可被觸及和拆解的規(guī)律的過程，正如《創(chuàng)新中國——生命》中所言，“沒有神話傳說，沒有宗教傳說，生命有時候可以簡化為一個化學(xué)作用，對科學(xué)家來說，如果創(chuàng)造出必要條件讓特定的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，生命就可以誕生。”另一方面為了解決當(dāng)前人類面臨的基本生存問題：食物、對抗疾病延緩衰老等，如何制造更多的食物滿足未來需求？ 科學(xué)家不斷利用生物學(xué)技術(shù)和新思路加以創(chuàng)造性解決?！翱茖W(xué)創(chuàng)造”正在科學(xué)規(guī)律和現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)的問題解決中開出璀璨的花朵、結(jié)出豐碩的果實(shí)。

2 教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的理解和應(yīng)用能力

“科學(xué)是創(chuàng)造性的工作”作為科學(xué)本質(zhì)的組成部分，是學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)中的重要概念之一，而“創(chuàng)造性”也是科學(xué)中的永恒話題。 科學(xué)是漸進(jìn)的、動態(tài)的變化發(fā)展過程，生命科學(xué)也是如此。在科學(xué)課堂教學(xué)上，教師在教學(xué)過程中對該概念的理解和掌握需要從認(rèn)識科學(xué)研究的一般步驟開始，引導(dǎo)學(xué)生形成高質(zhì)量問題的提問能力。 問題是創(chuàng)造性發(fā)展的源動力，是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和完成有意義學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)。 Krajcik 等認(rèn)為高效的科學(xué)課堂中實(shí)現(xiàn)學(xué)生有意義的科學(xué)學(xué)習(xí)、 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性，需要將課堂教學(xué)與提出的問題相整合［5］。

學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的過程其實(shí)質(zhì)是對科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程的再梳理，基于建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程其實(shí)質(zhì)上與科學(xué)家的創(chuàng)造性發(fā)現(xiàn)過程具有相似性。 學(xué)習(xí)中的創(chuàng)造性是建立在觀察和前期知識之上的理論與假設(shè)，受到客觀條件的控制。明確創(chuàng)造性的思維方式，讓學(xué)生認(rèn)識到發(fā)散性思維與收斂性思維（理性思維）在問題解決中的作用，進(jìn)而習(xí)得解決問題的路徑和方式方法。

因此，在教學(xué)策略上引入以問題為導(dǎo)向的學(xué)生開放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生理解“科學(xué)是創(chuàng)造性工作”，鼓勵學(xué)生在提出問題、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)表現(xiàn)出創(chuàng)造性。

在科學(xué)課堂上實(shí)現(xiàn)“創(chuàng)造性”的教學(xué)，需要教師指導(dǎo)學(xué)生時特別注意以下幾點(diǎn)： ①基于生物學(xué)觀點(diǎn)或概念提出探究性問題； ②利用發(fā)散性思維激發(fā)學(xué)生多種符合邏輯的猜想、假設(shè)和方案；③利用收斂性思維讓學(xué)生審核創(chuàng)造性成果的條件性和合理性；④科學(xué)實(shí)踐為學(xué)生檢驗(yàn)想法提供嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖C據(jù)和符合邏輯的解釋。

這些環(huán)節(jié)是結(jié)合生物學(xué)教學(xué)主題將科學(xué)本質(zhì)之創(chuàng)造性融為一體的教學(xué)過程。 教師首先要將教學(xué)活動聚焦生物學(xué)核心概念或觀點(diǎn)，進(jìn)而利用創(chuàng)造性要求中的發(fā)散性思維，調(diào)動學(xué)生的主觀能動性； 利用收斂性思維讓學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)創(chuàng)造中的客觀條件制約性； 最后實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生能利用科學(xué)工作中的研究范式促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生在科學(xué)中的創(chuàng)造性和對創(chuàng)造性的理解，能提升學(xué)生對日常生活問題和解決問題的敏感性。 教師在真實(shí)課堂中可根據(jù)實(shí)際的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的認(rèn)知水平，將科學(xué)本質(zhì)——科學(xué)是創(chuàng)造性的工作滲透到相關(guān)的教學(xué)活動中，并采用明示的方法強(qiáng)調(diào)科學(xué)本質(zhì)的要點(diǎn)。

除了將科學(xué)是創(chuàng)造性工作與學(xué)科知識融合的教學(xué)活動之外，在一線生物學(xué)教學(xué)中，“科學(xué)是創(chuàng)造性的工作”還可以從科學(xué)史的角度開展。 對在科學(xué)史中選取的具有標(biāo)桿性的實(shí)驗(yàn)加以分析，并在有條件的基礎(chǔ)上還原真實(shí)條件下的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對科學(xué)本質(zhì)之科學(xué)是創(chuàng)造性工作的理解和應(yīng)用。 教學(xué)設(shè)計(jì)可參考蒙克（Monk）和奧斯本（Osborne）所提倡的科學(xué)史教學(xué)歷程［6］，這是用科學(xué)史與科學(xué)探究凸顯學(xué)生科學(xué)本質(zhì)理解的模式。 該模式通過對特定主題下科學(xué)家的研究事例與學(xué)科課程內(nèi)容結(jié)合加以設(shè)計(jì)，將教學(xué)分為7 個環(huán)節(jié)：引入、沉浸、整合、計(jì)劃、實(shí)驗(yàn)、檢驗(yàn)、評價。

引入（engagement）環(huán)節(jié)由教師提供歷史上關(guān)于某個特定現(xiàn)象，例如具有不同觀點(diǎn)的科學(xué)家案例，結(jié)合生物學(xué)知識介紹相應(yīng)背景材料，讓學(xué)生閱讀相關(guān)材料。在沉浸（immersion）環(huán)節(jié)，教師提出有針對性的問題，讓學(xué)生沉浸于所給材料，思考?xì)v史上經(jīng)典的爭論。 在整合（consolidation）環(huán)節(jié)中，教師組織學(xué)生對問題展開討論，學(xué)生充分利用理性思維歸納、比較不同觀念及不同的實(shí)證資料，幫助學(xué)生歸納科學(xué)史中出現(xiàn)的不同理論，并對照學(xué)生觀察到同一現(xiàn)象后會得出怎樣的科學(xué)觀念。 在計(jì)劃（plan）環(huán)節(jié)，根據(jù)科學(xué)家提出的創(chuàng)造性假設(shè)與理論，學(xué)生提出自己的觀點(diǎn)表明支持或不支持，并作出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，評判新、舊理論的優(yōu)劣。 實(shí)驗(yàn)（experiment）環(huán)節(jié)是讓學(xué)生根據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃實(shí)施實(shí)驗(yàn)，收集數(shù)據(jù)并提出研究結(jié)果，教師通過過程技能評價學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作。 在檢驗(yàn)（examination）環(huán)節(jié)中，教師讓學(xué)生根據(jù)所獲得的實(shí)證數(shù)據(jù)評判、 分析自己與其他同伴提出的不同的科學(xué)觀念，啟發(fā)學(xué)生對自己的結(jié)論和其他組學(xué)生的結(jié)論，以及所選材料中科學(xué)家的結(jié)論作出比較；讓學(xué)生評價自己觀點(diǎn)的創(chuàng)造性，并在歸納與比較中完成對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的修正。 讓學(xué)生充分理解科學(xué)是創(chuàng)造性工作的本質(zhì)，以及如何在科學(xué)研究中對權(quán)威產(chǎn)生質(zhì)疑，并充分體會其創(chuàng)造性所在。 最后，在闡明（clarification）環(huán)節(jié)，教師提出學(xué)科中涉及該研究或現(xiàn)象相應(yīng)的科學(xué)概念，從而強(qiáng)化學(xué)生理解應(yīng)該掌握的科學(xué)概念，并掌握當(dāng)代的科學(xué)觀念及新觀念中創(chuàng)造性的產(chǎn)生機(jī)制。

3 結(jié)語

引導(dǎo)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)之科學(xué)是創(chuàng)造性工作的理解和應(yīng)用，需教師付出更多的努力，以上對其內(nèi)涵的理解和教學(xué)應(yīng)用的建議，旨在讓教師理解科學(xué)在形成過程中科學(xué)家的主觀能動性、 條件局限性，以及科學(xué)研究過程的嚴(yán)謹(jǐn)性。當(dāng)前我國生命科學(xué)高速發(fā)展，其自然地理優(yōu)勢和豐富物種等為我國生命科學(xué)的發(fā)展提供了重要戰(zhàn)略性資源，新技術(shù)發(fā)展后的全球科學(xué)共享性和同步性，沖擊著科學(xué)家對事物的認(rèn)知發(fā)展，無論是揭示生命的規(guī)律還是解決現(xiàn)實(shí)中的問題，科學(xué)家建立在觀察、前期理論技術(shù)基礎(chǔ)上所表現(xiàn)出的主觀能動性創(chuàng)造著一個又一個奇跡的發(fā)生。 科學(xué)的發(fā)展離不開科學(xué)家的創(chuàng)造性，但是科學(xué)的創(chuàng)造性又離不開科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性，無論是科學(xué)的發(fā)展還是科學(xué)課堂上對學(xué)生創(chuàng)造性的培養(yǎng)，不能僅站位于對思維的無限擴(kuò)展，要基于對客觀存在的認(rèn)真觀察、分析。 不能因?yàn)閷?chuàng)造性的追求忽略了對生物學(xué)知識的理解。因此，對于科學(xué)是創(chuàng)造性的工作的理解要從實(shí)際出發(fā)，讓學(xué)生理解生物學(xué)概念和觀點(diǎn)的重要性和基礎(chǔ)性。創(chuàng)造性也非空想和無邊的發(fā)散，而是要建立在已有知識之上的再發(fā)展與再創(chuàng)造。 教師要在調(diào)動學(xué)生主觀能動性的基礎(chǔ)上，有針對性地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的理性思維方式和科學(xué)探究方法，讓學(xué)生在思維和實(shí)踐的過程中理解科學(xué)本質(zhì)中“科學(xué)是創(chuàng)造性的工作”，從而促進(jìn)學(xué)生理解基于科學(xué)研究嚴(yán)謹(jǐn)性基礎(chǔ)上的創(chuàng)造性，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的全面提升。