將“科學工作采用基于實證的范式”落實到科學課堂中

靳冬雪 王笑梅 劉恩山

（1 東北師范大學生命科學學院 吉林長春 130024 2 東北師范大學附屬中學 吉林長春 130022 3 北京師范大學生命科學學院 北京 100875）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》對我國新一階段的生物學課程發(fā)展提出了落實科學本質教學的實施建議，強調不僅要幫助學生理解生物學方面的知識，還應當促使其學習一些“關于自然科學的知識”，即科學本質（nature of science，NOS）?？茖W本質的內容反映了科學知識產生過程的特點和局限性。學習科學本質有助于學生把握自然科學的特點，更好地建立生物學觀念，辨別現(xiàn)實生活中的科學與非科學，促進生物學學科核心素養(yǎng)的達成[1]。

科學工作采用基于實證的范式是科學本質的重要內容，指明了科學研究遵循的理論體系與根本理念，也是理解其他科學本質內容的基礎。在教學中，教師應強調實證在科學工作中的必要性，幫助學生理解科學證據(jù)的使用能支持或反駁而非證實科學觀點，培養(yǎng)其形成尊重事實與證據(jù)并基于生物學事實和證據(jù)進行科學思考的思維方式。

1 科學工作采用基于實證的范式

實證是指恰當、合理地使用證據(jù)的過程。當人們評論一個觀點是“科學的”或“不科學的”時，其實是在討論該觀點是否經過了基于證據(jù)的充分論證。在科學研究中，證據(jù)可能以數(shù)據(jù)為基礎，但并不等同于數(shù)據(jù)本身?？茖W研究者通過觀察和測量可獲得直接的研究數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可能是定性的，也可能是定量的[2]，例如，格雷戈爾·孟德爾（Gregor Mendel）在研究生物性狀遺傳時收集到的不同顏色和不同飽滿程度的豌豆顆粒數(shù)量。而證據(jù)的構建則需要研究者以既定的知識和假設為基礎，結合自身的邏輯推理對數(shù)據(jù)加以處理[3]，例如，孟德爾基于對數(shù)學比例和分離定律的理解，發(fā)現(xiàn)了不同性狀豌豆種子之間的比例模式。最后，研究者在證據(jù)的支持下構建科學解釋進而形成研究結論，例如，孟德爾進一步結合了測交實驗提供的證據(jù)，解釋了豌豆親代配子組合方式與形式，以及豌豆子代性狀表現(xiàn)比例的形成機制，最終提出了遺傳因子會發(fā)生自由組合現(xiàn)象的科學觀點。

證據(jù)的使用能支持或反駁科學觀點，但不能證實或證明某一科學觀點為真。從邏輯學的角度分析，人們無法窮盡所有的證據(jù)以論證一個觀點是成立的，只能無限逼近“成立”，而不能完全地、真正地“證明它成立”。這就是為什么科學知識不是真理，因為其永遠無法被證明為真。而反駁一個科學觀點，只需要提供一個反例，但這種反駁仍然需要進行基于證據(jù)的論證。這就是為什么科學是可被證偽的，同時，這也是科學與非科學、偽科學之間的重要區(qū)別。正因為科學觀點的論證需要使用證據(jù)，因此，科學一直處于發(fā)展和完善之中。任何科學知識，無論在目前被多么地認可和廣泛地普及，一旦出現(xiàn)新的證據(jù)，這些科學知識都有可能被改變甚至被推翻[3]。對于那些在科學發(fā)展歷史中被充分的證據(jù)支持、并經過了時間考驗的科學知識，例如，科學教材中的生物學理論和定律，會具有相對較強的穩(wěn)定性。但這些科學知識并不是固若金湯的真理，隨著新證據(jù)的發(fā)現(xiàn)和使用，其仍然有可能會被修正和完善。

使用證據(jù)論證觀點是科學研究遵循的底層邏輯，這使得它與其他科學本質內容緊密相關。在基于數(shù)據(jù)構建證據(jù)的過程中，研究者的主觀因素可能會對收集、處理和呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的方式產生影響，從而形成不同的證據(jù)，并進一步影響對科學觀點的論證。例如，在孟德爾提出分離與自由組合的遺傳規(guī)律之前，也有許多學者做過動物和植物的雜交實驗，也觀察到了生物遺傳中的性狀分離現(xiàn)象，但卻未能總結得出相關的遺傳規(guī)律[4]。人為因素的存在也促使科學成為一項創(chuàng)造性的工作，例如，拉扎羅·斯帕蘭扎尼（Lazzaro Spallanzani）讓鷹吞下包有肉塊的小籠子，巧妙地收集證據(jù)研究消化作用[4]。此外，社會和文化也會對證據(jù)的形成和使用產生影響，例如，歷史上基督教會作為當時西方社會的意識形態(tài)權威，推崇神創(chuàng)論，并曾一度打壓達爾文關于自然選擇的進化研究證據(jù)與觀點。盡管這些社會和文化因素可能會對科學研究的方向、科學證據(jù)的構建和使用產生導向作用，但這并不會改變基于實證這一基本范式。

2 在科學教學中引導學生重視實證

考慮到基于實證這一重要特點在科學中的普遍存在性，本研究建議教師可將其與其他科學本質內容相結合，利用科學史（history of science，HOS）、科學探究等策略對該內容進行外顯化教學[2]，引導學生討論具體情境中的證據(jù)是什么，這些證據(jù)又是如何被用于支持或反駁科學觀點的，并簡潔、明確地明示科學采用基于實證的范式這一科學本質內容。

2.1 通過科學史強調實證的重要性 科學史的使用可引導學生沿著科學家探索自然世界的道路，體會科學研究的思路和方法，以及科學家獻身科學的精神，理解科學本質，促進生物學學科核心素養(yǎng)的達成[1]?？茖W史教學策略，一方面能讓學生在合適的時間尺度上觀察到科學發(fā)生的顯著變化，通過思考和分析發(fā)生這些變化的原因，從而理解科學本質；另一方面，科學史的呈現(xiàn)方式往往是以故事形式呈現(xiàn)，學生對此有較大的興趣，并關注故事的前因后果，教師在此基礎上外顯科學本質的內容，將進一步加深學生的理解。在使用科學史的教學策略時，首先，教師應對史實加以篩選和精簡，重點呈現(xiàn)能幫助學生理解科學本質的材料。其次，科學本質的學習需要外顯化，教師在呈現(xiàn)科學史資料后，應引導學生明確地討論科學本質，明示相應的科學本質內容。最后，教師可靈活地組織素材，在使用一段科學史材料時，開展多項科學本質內容的教學。

以DNA 結構的科學史為例，教師可著重呈現(xiàn)科學家對DNA 化學組成及物理特性的發(fā)現(xiàn)、對DNA 作為遺傳物質的論證，以及對DNA 雙螺旋結構的探索與構建這3 段主要發(fā)展歷程，幫助學生理解多項科學本質內容[5]。故事開始于1869年，德國科學家弗里德里希·米歇爾（Friedrich Miescher）通過對傷口滲出液中的細胞進行化學成分分析，發(fā)現(xiàn)細胞核中除蛋白質外，還包括一種物質。他當時簡單地認為這種物質是磷元素的儲存庫。至1930年，科學家分離出脫氧核糖，了解到其與磷酸基團上下相連，并與4 種含氮堿基共同構成一個生物大分子。1948年，埃爾文·查戈夫（Erwin Chargaff）為了反駁菲伯斯·列文（Phoebus Levene）提出的“四核苷酸”觀點，通過計算不同生物中4 種含氮堿基的占比，發(fā)現(xiàn)腺嘌呤（A）的量總是等于胸腺嘧啶（T）的量，鳥嘌呤（G）的量總是等于胞嘧啶（C）的量，這就是現(xiàn)在被人們熟知的查戈夫法則。教師需要引導學生明確地討論證據(jù)的使用對于提出或反駁DNA 化學組成觀點的重要作用，進而明示科學研究采用基于實證的范式，沒有證據(jù)支持的觀點最終會被拒絕。同時，教師可促使學生注意證據(jù)的增加逐漸完善了人們對DNA 化學組成的認識，強調科學知識具有暫時性。

在探討DNA 是生物的遺傳物質方面，1884年，奧斯卡·赫特維格（Oskar Hertwig）在顯微鏡下觀察了細胞的受精過程，由此推論，細胞核是性狀遺傳的主要原因。此后，1928年弗雷德·格里菲斯（Fred Griffith）的肺炎鏈球菌轉化實驗、1952年阿弗雷德·赫爾希（Alfred Hershey）和瑪莎·蔡斯（Martha Chase）的噬菌體侵染細菌實驗等證據(jù)，支持了性狀是通過親代的DNA 遺傳的，而非蛋白質。這一重要結論促使科學家推論，DNA 的結構應當具備使其產生多種變異的復雜性，這樣DNA才能控制十分復雜的生物性狀。在教學中，教師可促使學生分析證據(jù)對于DNA 是遺傳物質這一觀點的支持，并明確在科學工作應采用基于實證的范式。同時，教師也可借此幫助學生理解和區(qū)分科學研究中的觀察與推論。

在構建DNA 結構的過程中，莫里斯·威爾金斯（Maurice Wilkins）和羅莎琳德·富蘭克林（Rosalind Franklin）通過DNA 成像技術獲得了高質量的DNA 衍射圖，這為詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）提出DNA 呈螺旋結構提供了重要的證據(jù)。然而，沃森與富蘭克林關系相處得并不好，富蘭克林在最初得到高質量DNA 衍射結果時想要保密，而沃森在他1968年出版的暢銷書中對富蘭克林的描述也很差。這不僅反映了當時2 人性格上的差異，也反映了這一時期科學領域內、外對女性的性別歧視，可見，科學也會受到社會文化的影響。沃森和克里克在使用DNA 衍射結果這一證據(jù)時，創(chuàng)造性地選擇了建立三維模型的方法探索DNA 的螺旋結構，更好地幫助他們發(fā)現(xiàn)了DNA 結構中各部分分子的排列方式。因此，科學是一項創(chuàng)造性的工作。但在構建模型之初，沃森花費相當多的時間試圖使相同的堿基配對，即C 與C 配對，G 與G 配對，T 與T配對，及A 與A 配對。盡管查戈夫法則已提供了反駁他這一觀點的證據(jù)，但沃森在早期始終堅持這一想法?？梢姡茖W家的主觀因素也會影響科學研究的進程。在這一段科學史中，教師可引導學生討論證據(jù)的使用如何促成了DNA 雙螺旋結構的提出，強調科學采用基于實證的范式。同時，教師也可向學生指明人為因素會對科學研究產生影響。

2.2 通過科學探究促使學生獲得并使用證據(jù) 除了使用在科學家身上發(fā)生的研究故事可幫助學生理解實證對于科學的必要性外，在課堂上開展科學探究也是促使學生理解科學本質的重要途徑。參與科學探究將為學生提供動手和動腦的親身經歷，通過觀察獲得數(shù)據(jù)，進而梳理形成證據(jù)并利用證據(jù)構建科學解釋。這些直觀的、具體的證據(jù)將刺激學生思考現(xiàn)象背后的因果關系，更好地理解抽象概念和科學本質，促進科學思維的形成和社會責任的培養(yǎng)[1]。教師在使用科學探究幫助學生理解科學本質時，不僅要注意凸顯學生的主體地位，讓學生有機會進行觀察、動手、記錄和交流等活動，還要引導其直接、明確地討論科學本質，從而實現(xiàn)科學本質內容在課堂上的外顯化。此外，在一次科學探究活動中，教師也可將多項科學本質內容相結合加以強調。

以酵母菌細胞呼吸方式的科學探究活動為例，教師通過引導學生經歷并分析基于證據(jù)的論證過程促進科學本質的學習。活動中，學生通過觀察發(fā)現(xiàn)，有氧呼吸條件下的實驗裝置在間歇性通入空氣之后，澄清石灰水變渾濁?；谝延械幕瘜W知識，即澄清石灰水的溶質為氫氧化鈣，它與二氧化碳反應后生成沉淀碳酸鈣，導致宏觀上出現(xiàn)澄清石灰水變渾濁的現(xiàn)象，學生可根據(jù)觀察到的事實推理得出，裝置中的酵母菌培養(yǎng)液在通入除去二氧化碳的空氣后，產生了二氧化碳。在這些證據(jù)的支持下，學生進一步推論得出實驗結論：酵母菌在有氧條件下能進行呼吸。教師應當引導學生分析論證酵母菌能進行有氧呼吸的證據(jù)及其作用，并向學生明示科學研究基于實證。此外，教師可借助該探究經歷，促使學生討論觀察與推論之間的區(qū)別，還可在學生完成酵母菌能進行無氧呼吸的論證后，強調證據(jù)的增加會逐漸完善人們對自然的認知，使得科學知識不斷發(fā)展和修正。

3 結語

科學本質作為科學教育的重要內容，已受到國內、外基礎教育改革團隊的重視。目前，美、澳、加等多個國家已將科學本質納入課程標準中，并將其作為衡量學生科學素養(yǎng)達成情況的指標之一[6-8]。我國高中生物學課程標準也建議教師注重科學本質在課堂上的落實，引導學生理解科學工作采用基于實證的范式。在科學研究中，通過觀察獲得的事實數(shù)據(jù)經組織和整理后形成證據(jù)，在此基礎上構建科學解釋，進而支持或反駁某一科學觀點。證據(jù)的使用使得科學觀點是可被驗證的，培養(yǎng)學生形成尊重事實和證據(jù)的科學思維，將促使其更好地區(qū)分科學與非科學，從而在科學相關的問題上作出理性的決策。教師在課堂上可借助科學史中科學家進行研究工作的史實，或科學探究活動中學生親身的探究經歷，明示科學是對證據(jù)的推理過程[9]這一根本理念，并可密切結合其他科學本質內容，引導學生理解自然科學的特點，促進學生生物學學科核心素養(yǎng)的達成。