科學本質觀中“科學知識可能隨著研究的深入而改變”對科學教學的啟示

郭舒晨 劉恩山

（北京師范大學生命科學學院 北京 100875）

培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)是科學教育的目標。 學生的科學本質觀是科學素養(yǎng)的重要組成部分。 在最新頒布的《普通高中生物學課程標準（2017年版）》中指出要“注重生物科學史和科學本質的學習”，并列出了7 條在高中課程中適合教授的科學本質內容［1］?！翱茖W知識可能隨著研究的深入而改變”就是這7 條科學本質觀的組成要素之一。

“科學知識可能隨著研究的深入而改變”這一科學本質觀說明，科學知識不是絕對的、固定不變的。 隨著研究中新證據的發(fā)現或者對同樣的數據采用不同的解釋視角， 都可能促使科學知識發(fā)生改變。教師在對這條科學本質進行教學時，可結合科學史或使用科學探究的方法， 結合其他幾條科學本質觀，外顯地強調科學知識的動態(tài)性，幫助學生更好地理解科學知識的暫時性、 發(fā)展性及其內在原因。

1 例證解析

“科學知識可能隨著研究的深入而改變”，即科學知識具有暫時性和發(fā)展性的特點。 科學知識的暫時性說明，現有的科學知識不是絕對真理。各種類型的科學知識，包括：事實、理論、定律等，都可能在未來發(fā)生改變。而科學知識的這種“暫時性”正是緣于其“發(fā)展性”的特點。 科學知識的發(fā)展至少包含2 種基本情況［2］。 第1 種改變是已有科學知識的擴大，即隨著研究深入，原有科學知識的解釋力度變大或解釋范圍變廣。例如達爾文的“自然選擇學說”最初是在宏觀層面的基礎上提出的，隨著基因的發(fā)現和遺傳學的發(fā)展， 基因重組和基因突變等現代遺傳理論從微觀層面對達爾文的“自然選擇學說”進行了解釋，增強了自然選擇學說的解釋力度； 第2 種改變則是原有的科學知識被新的知識完全取代，即隨著研究深入，原有的科學知識被證偽，新的科學知識產生以填補空缺。 例如，進化論中拉馬克提出的“用進廢退”“獲得性遺傳”的觀點，被達爾文的“自然選擇學說”所取代；又如遺傳變異中早期“融合性遺傳”的觀點，隨著孟德爾遺傳定律的產生而被拋棄等。

促使科學知識發(fā)生改變的原因可大致歸為2類［3］。 首先，針對已有的數據，采用新的視角或理論進行研究和解釋時， 可能會產生新的科學主張或是技術上的進步。例如，在促胰液素的發(fā)現過程中，面對相同的實驗現象，沃泰默基于原有的學術理論，認為胰液的分泌受控于神經調節(jié)。而斯塔林和貝里斯則采取了另外的視角，提出“胰液的分泌受小腸粘膜產生的某種化學物質調節(jié)”的假設，證明并發(fā)現了促胰液素的存在。 這一促使科學知識改變的原因也表明， 科學知識的產生會受到研究者所采用的理論影響， 而研究者所采取的研究視角則又受其主觀意向、 所在的社會和文化環(huán)境所影響。 第2 種促使科學知識發(fā)生改變的情況則是研究中產生了新的、 無法被現有理論解釋的觀察事實。針對這樣的觀察事實，有必要修改甚至顛覆原有的科學知識。例如20 世紀60年代，在細胞膜結構的探索過程中， 羅伯特森結合當時科學家的研究結果和在電子顯微鏡下觀察到的細胞膜“暗—亮—暗”圖像，提出了細胞膜的“三明治”靜態(tài)模型。但隨著冷凍蝕刻電鏡技術的出現，科學家發(fā)現膜蛋白并不是全部平鋪在磷脂雙分子層的兩側，而是有的鑲嵌在蛋白質的磷脂雙分子層中。1970年，科學家又使用熒光標記技術證實了細胞膜的流動性。 這一系列新證據的發(fā)現使得細胞膜的“三明治”模型已無法再滿足證據解釋的需要，于是桑格和尼克森基于新的觀察事實所提出的“流動鑲嵌”模型取代了“三明治”模型，至今為止，仍然為大多數研究者所接受。

由上述分析也可以看出，“科學知識可能隨著研究的深入而改變”的原因可以被追溯到其他幾項科學本質，即科學知識是依賴觀察和推論、要高度關注主觀因素的影響、科學受到社會和文化的影響等。 如果在科學研究時擁有了額外的信息、更多實證數據， 或者只是針對相同的數據采用不同的觀點，都可能會得出不同的結論，導致科學知識發(fā)生改變。但同時，不僅止步于此，從邏輯論證的角度來看，人們也不得不承認科學知識的暫時性。例如，某條定律需要被證明為真，則它需要能適用于所有相關的現象和事例。 但在現有研究中，人們并不能窮盡所有的情況?？茖W家無法證明某條定律能解釋未知的現象。 因此，科學知識永遠不可能被完全證明為真，而很可能隨著研究的深入而改變［4］。

在理解這條科學本質時也應該注意到， 雖然科學知識是暫時的、動態(tài)的，但這并不意味著已有的科學知識就不可信、 學習已有的科學知識就沒有意義。雖然科學知識并不是確定的，但在人類現有知識水平上， 所有現有的科學知識是人們在理解自然世界時的最優(yōu)解釋。 即現有的科學知識雖然不是“絕對真理”，但也具有“相對真理性”［3］。尤其是那些被編入教材的科學知識， 相對于其他前沿的科學進展而言， 教材中的科學知識經歷了更多實證數據的檢驗和發(fā)展， 相對而言具有更大解釋力和穩(wěn)定性。但于此同時，科學知識產生的過程是開放的， 已有的科學知識必須經常面對質疑和驗證，或者發(fā)現其不完備的地方，加以修改甚至完全顛覆；或者再次證實其合理性而接受它。

2 教學建議與應用示例

采用科學史的方式進行相關科學本質的教學較為常見。在使用科學史傳達“科學知識可能隨著研究的深入而改變”這一觀點時，應介紹科學史中不同科學家和不同階段的科學觀點， 引導并鼓勵學生思考、提出自己的觀點與問題，明確科學知識是變化的、發(fā)展的。 在教學策略上，可將科學史改編為戲劇， 讓學生小組以角色扮演的方式進行展示。例如，教師在教授“動物循環(huán)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)”這一內容時，就可以融入“科學知識可能隨著研究的深入而改變”這條科學本質觀［5］。 因為涉及學生展示， 教師應該在教授本節(jié)內容時提前給學生布置任務。 在課程開始前，教師就可以先指出“科學并不是一成不變的，而是發(fā)展的、動態(tài)的”這一觀點，并明確課程的目標之一就是通過科學家在“動物循環(huán)和呼吸系統(tǒng)”這一領域的研究工作和發(fā)現歷史，了解和體會科學知識不斷變化的特點。學生分小組作業(yè)，選擇1 位科學家（選擇范圍如表1所示），收集資料并形成敘事類文本，用于進行“角色扮演”的課堂展示。小組中1 位成員扮演科學家，其余人可以扮演科學家的母親、投資人、新聞記者等角色。

表1 史上研究過動物循環(huán)系統(tǒng)或呼吸系統(tǒng)的科學家

同時， 教師在任務布置時可以列出一張問題清單（表2）。 學生在收集材料準備展示的過程中，需要根據問題清單進行自評， 確保了解該科學家足夠的信息，以完成小組展示。為了增強展示活動的趣味性， 教師可鼓勵學生穿著科學家所生活時代的服裝進行展示，或在細節(jié)上自由發(fā)揮創(chuàng)造力。

表2 角色扮演資料收集問題清單

每個小組在展示環(huán)節(jié)有5 min 時間， 其他學生在觀看時需根據問題清單的內容進行要點記錄。展示結束后，教師組織大家討論相應的內容和啟示。 課程結束后，每位學生選擇一位科學家，與本小組的科學家進行對比并完成一篇小文章作為作業(yè)提交。

除了采用科學史進行教學之外， 還可以通過設計一些獨立的科學探究活動， 幫助學生理解這一科學本質。例如Lederman 和Abd-El-Khalick 設計的“黑箱（black box）”活動［6］就是一個很好的例子。 教師首先向學生展示一個不透明結構， 稱為“黑箱（black box）”。 學生能夠觀察到，當有物質輸入和輸出“黑箱”時，該物質會發(fā)生一定的變化（例如，從黑箱“輸入口”倒入60 mL 水，從“輸出口”可獲得330 mL 水）。 但學生無法看到“黑箱”的內部構造和物質在“黑箱”內發(fā)生的變化。 教師展示這一現象后， 學生分小組作業(yè)， 在教師的引導下對“黑箱”進行測試和檢查，試圖發(fā)現其工作原理。在整個活動過程中，學生需要經歷進行觀察、收集數據、進行推斷、提出假設并驗證假設等一系列步驟。 這一過程即是類似于科學家在探索自然世界規(guī)律時會遇到的真實情況。 隨著學生觀察數據的積累和研究思路的變化， 會在探究活動的不同時期對“黑箱”的工作原理作出不同的假設和猜想，在不斷的驗證中改變或修正原有的想法。 親身參與和經歷這樣的探究過程， 能使學生更好地理解和體會“科學知識可能隨著研究的深入而改變”。除了這條科學本質之外， 黑箱活動可用于同時向學生教授眾多科學本質內容， 例如幫助學生認識觀察和推論的區(qū)別、 科學知識的產生會受到主觀因素的影響等。 由于科學知識的暫時性和發(fā)展性與科學研究所依賴的范式密切相關， 將這一科學本質觀和其他幾條科學本質觀相結合進行教學，能幫助學生更加具體、深入地理解“科學知識可能隨著研究深入而改變”的內在原因。

需要注意的是， 不管采用科學史還是科學探究的教學方式，教師都應在課堂上明確“科學知識可能隨著研究的深入而改變”這一觀點。眾多研究證明， 讓學生接觸科學史故事和進行科學探究并不是能讓他們更好地了解科學本質的充分條件［7］。教師需要以“外顯化”的教學方式，例如在資料呈現或探究活動過后， 通過組織學生討論等方式，強調“科學知識可能隨著研究的深入而改變”這一科學本質觀，使學生能明確理解這一觀點。

3 結語

近年來， 國內外的科學教育改革一直強調科學本質這個目標， 并將其作為科學素養(yǎng)的衡量內容之一［8］。 加強K-12 學生對科學本質的理解是培養(yǎng)具有科學素養(yǎng)的學生的一個中心目標。 幫助學生理解“科學知識可能隨著研究的深入而改變”是發(fā)展他們科學本質觀的重要組成部分。 在教學中，由于總是被希望能“正確回答”教師提出的問題和作業(yè)中的習題，學生很容易產生“科學知識是絕對的、正確的”的這一錯誤認識。 但是這種觀點與科學知識產生的真正過程是不符的， 科學知識來源于證據的支持及研究者的推斷、想象和創(chuàng)造，會收到各種主觀因素和環(huán)境因素的影響。 科學知識不是絕對的、固定的，而是暫時的，會改變的。學生需要認識到， 科學知識的積累就是不斷自我檢驗、自我修正的過程。 現有的科學知識，是在研究的不斷發(fā)展中得出的結果， 也可能在未來隨著研究的發(fā)展而產生改變。明確這一科學本質觀，能幫助學生更好地理解科學知識產生的真實過程，提升學生對學習科學和科學探索的興趣， 甚至是未來參與科學事業(yè)的職業(yè)意向。 教師可通過科學史或科學探究教學的策略，采取外顯的教學方式，明確“科學知識可能隨著研究的深入而改變”的觀點，幫助學生了解和體會科學知識的暫時性、發(fā)展性及其內在原因， 促使學生建立更成熟的科學本質觀，提升科學素養(yǎng)。