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理解科学本质 一个全新而又艰难的命题,方红峰 浙江省教育厅基教处,艰难的命题,关注学生对科学本质的理解，就意味着我们的科学教育与西方工业国家处在同一水平线上了，同时也意味着要真正直面我们的一些传统做法，挑战自我。 这是本轮课程改革重点强调的，却又未能很好展开研究的课题。,寻找答案,火星上有水吗？ 气体加热以后，体积将发生什么变化？ （请注意你做出判断的依据以及可检验性）,到底哪个是正确的？,生物体构成的单位：细胞？蛋白质与核酸（病毒）？蛋白质（朊粒）？,一、科学与科学本质,科学是： 关于自然世界的知识（科学的知识） 关于科学本身的知识（关于科学的知识） 关于科学的态度（兴趣、态度、责任）,（一）科学本质的含义,科学本质即为关于科学本身的知识（关于科学的知识），包括： 如何看待科学家及科学事业 如何看待科学知识与方法 如何看待科学、技术与社会的关系,孩子的问题,孩子问：“妈妈，颜色是什么？” 孩子问：“爸爸，你怎么知道水开的时候是100度?” 第一个问题是形而上学问题，是关于事物本质是什么的问题；第二个问题是认识论的问题，即关于如何获得结论的问题。,（二）理解科学本质,要理解科学本质就得从科学的发展过程去追述，就要从文化中寻根,科学发展的根本动力好奇心,科学缘起和发展的内在动力好奇心 提出问题是人类生活的一个重要的组成部分。这种求知好奇的本能，驱使我们天天做大量的思考。,人类具有思考的能力在于人类具有自我意识（selfconsciousness），即把自己与切身环境相关事物分离出来，以一种更加冷静和公平的方式看待我们周围的事物。,我们的大部分生活是在思考中度过的，并且我们的一些最明晰的想法，就产生于对我们自己和世界所持的怀疑态度。,1古代的巫术阶段,古代的巫术通过两种基本方法起作用： 一是模（mimesis），即以为借助模仿特定的人或物，并可获得他们的力量； 二是接触（contagion），即只要接触一下特定的人或物，他们的力量便可以传递过来。,2描述归纳阶段,世界各民族都经历了描述归纳阶段，试图以全面的观察来描述自然事物，通过整理，归纳出共同的特点。 然而，古代希腊人首先明晰地表达了这些经验，并试图系统地为似乎是他们提出的问题寻找答案。（中国的老子曾有过这种思想，可惜没有得到进一步的发展）,3近代科学发展阶段,近代科学发展植根于古希腊的人文精神之中，又继承了古希腊系统寻找答案的思维方式。,科学起源于西方的一个重要原因,科学起源于西方的一个重要原因：古希腊人的“人文精神”对人的自由和理性的信仰,“人文精神”应具有两个方面的内容：一是“人”，一是“文” 在“人”的方面，它把“人”视为终极关怀的目标，尊重人的尊严和价值，承认人追求自由、幸福的权利 在“文”的方面，它承认人的理性，追求完善的道德和理想的人格，重视“自由艺术”（liberalarts）的功能以提高人的思想和精神境界,“人是万物的尺度” 对古希腊人而言，所谓奴隶就是不能自由表达自己思想的人，而自由的人则是能够自由地以理性追求人生更高境界的人，“爱智慧”（philosophia，即从事哲学活动）是追求这种人生境界的体现,“我们追求它（智慧）并不是为了其他效用，正如我们把一个为自己、并不为他人而存在的人称为自由人一样”。 亚里士多德形而上学,古希腊“人文精神”所开创的自由理性传统，为西方科学思维的产生奠定了最初的、也是最重要的基石 因为好奇心、准确地思考、获得智慧，人才是自由的，才是真正的人,人文精神滋养了近代科学,14世纪文艺复兴时期，人文精神对近代科学思维产生和发展起到了极大的促进所用，表现在3个方面： 第一，在于它恢复和确立了人的自由本质的观念。,哲学家皮科米郎多拉（14631494）借上帝之口表达的对人的尊严的见解：“亚当啊，我们不给你固定的地位，固定的面貌和任何一个特殊的职守，以便你按照你的志愿，取得和占有完全出于你自愿的那种地位，那种面目和那些职守。其他受造物，我们将它们的天性限制在我们已经确定了的法则中，而我们却给了你自由，不受任何限制，你可以为你自己决定你的天性。我把你放在世界的中间，为的是使你能够很方便地注视和看到那里的一切。我把你造成为一个既不是天上的也不是地上的，既不是与草木同腐的，也不是永远不朽的生物，为的是使你能够自由地发展你自己和战胜你自己。你可以堕落成为野兽也可以再生如神明。”布克哈特：意大利文艺复兴时期的文化,这种“人的自由观”奠定了人类自由探索精神的心理基础，使人类在人与自然的关系中获得了应有的自信心；这种自信心克服了人们对自然的恐惧，树立起“人为万物之灵”的信念和人在世界万物中享有的自由地位 。,其次，人文精神确立了人类对理性自由的信念,鼓励人们把理性的思想活动看成是乐趣洋溢的社会性活动，而不是为保存某个前定的正统学说而遁世冥想。 人文精神明确肯定人类理性的重要性，认为人之不同于禽兽的根本原因就在于人的理性；理性使人高尚，使人完善；理性使人掌握知识，具有智慧，创造财富；理性使人创造幸福生活，改变人生的价值。,再者，改变了人对自然世界的态度,自然的神秘感逐渐消失，代之而起的是对自然现象的观察和研究 。 自由理性运用于对自然现象的观察和研究，科学研究活动迈出了具有决定意义的一步。从16世纪下半叶到17世纪中叶，随着自然研究的各个学科初步形成，近代科学思维也告形成，其标志是实证原则和数理逻辑密切结合的观念的确立。,近代科学思维的发展历程说明，科学思维的发育和成长始终得到人文精神的滋润和哺育，人文精神是近代科学思维的酵母，也是近代科学各学科的催生婆和助产士。,近代科学的发展是以两个伟大成就为基础的：一是以欧几里德几何学为代表的希腊哲学家发明的形式逻辑体系，二是文艺复兴时期证实的通过系统的实验有可能找出因果关系的重要结论。（爱因斯坦）,近代科学的两个主要特征： 逻辑原则 实证原则,4现代的科学主义和功利主义,17世纪以后，近代科学各学科取得的空前未有的巨大成就，成为改造自然和社会的巨大力量，科学的实用价值和功利主义的目的日渐突出。 科学主义认为一个陈述只要她符合逻辑，同时又被实证所证明，那么，她就是对的（即真理） 功利主义认为科学能为人类服务，且能提供最大的效用，因此她是有用的。,19世纪以后，科学功利主义无限膨胀，在世界范围内形成对科学“工具理性”的崇拜，而科学背后的人文精神在云蒸霞蔚的科学发展大势中失去了昔日的光彩，也形成了一系列问题。,约翰.密尔（1806 1873 ）,一谈到科学，你会想到什么？,在实验室里忙碌的科学家？ 复杂的仪器？ 高深的知识？ 家用电器厚厚的说明书？ ,在使用“科学”这个词的时候 ，其含义是什么？,一个结论“正确” 一个决策“英明” 一个论述“深刻” ,5后现代思潮,面对人文精神传统的萎缩和工具理性逐渐远离人文关怀的终极目标，20世纪上半叶，西方世界的有识之士不断发出呼吁。 爱因斯坦在不同场合多次忧心忡忡地告诫人们，只懂得应用科学本身是不够的，“关心人本身，应当始终成为一切技术上奋斗的主要目标。”,20世纪50年代科学哲学发生了急剧的变化，涌现了如波普尔（K. Poper）、库恩（T. Kuhn）、邦格（Bunge M.）等一批杰出的科学哲学家，并相继出版了他们的代表作，如汉森的科学发现的模式（1958）、 波普尔的科学发现的逻辑（1959）、库恩的科学革命的结构（1959），都对科学主义的逻辑实证进行了批判。,“科学的目的是寻求真理。这个问题不存在争议，争议在于物理学中真理概念的含义。就拿苹果落地这个简单的、基本的现象来说吧。我不知道在牛顿之前这种现象是如何解释的，很可能其解释和真理在不同文化中是不同的。人们普遍同意在牛顿之后的两个世纪之中，物理学家中确定无疑地认为，真理是地球的重力吸引造成了物体的落地。但是，随着爱因斯坦引力理论的提出（其预言与牛顿理论略有偏离，而实验所得的结果支持了爱因斯坦引力理论）似乎显示出真理已经改变了由此足以说明，在物理学中和科学中，绝对真理之说并不总是有意义的。吴大猷物理学的历史和哲学,在认识论方面，波普尔告诉我们，任何意义上的发现，都需先前概念的支持，离开了头脑中原有的概念不可能指望有任何发现，同时还需“创造的直觉”。,在科学伦理方面，我们不再赞同“科学告诉人们在什么条件下能够克隆出一只绵羊，而不涉及这只绵羊是否应当出世。（科学无非是事实的科学，不回答有关价值的问题）”的观点。,当代关于科学本质的基本观点,1科学家在从事科学活动时并非是一个价值中立、客观的研究者，不可能有绝对客观，毫无成见的观察； 2科学家在科学研究中并非仅是遵循科学方法的技术人员，而是发挥创造力的过程； 3没有对所有情况都适用的唯一科学方法,4逻辑和实证依然是科学思维的基石，任何知识都不是绝对的真理，不断被新的证据质疑，随时可能被修改或代替； 5一个新科学知识的产生，必须由科学社群来共同决定； 6科学、科技与社会是互动的。,二、改革教学方式,将科学本质作为科学教育的核心内容，就意味着科学教育是科学文化在个体心灵中的再生过程： 理解科学文化的特性和每一个个体心灵的独特性，并把两者联系起来，科学文化由此在每一个个体的心灵中重新生长出来并产生了个体意义，这就是科学教育的本质,（一）科学教育的价值取向,把“人”视为终极关怀的目标，追求人的理性，提高人的思想和精神境界，促进人的全面发展，作为科学教育的价值取向。 把培养学生的科学理性（对科学知识和科学本质的深刻理解），作为提升人自由理性的重要内容,（二）教学方式改革的趋势,两大趋势 一是问题解决：以问题为中心，在解决问题的过程中，学习知识、理解过程（包括科学探究科学问题的解决） 二是项目（任务）学习：以完成一项任务为中心，学习完成任务所必须的知识，并在完成任务的过程中理解过程,（三）探究教学,一个核心轴 一个设计中心 两个基本点 三条检验指标,1以“问题与证据”为核心轴,以“问题与证据”为核心轴，就是要求反映探究教学的基本特征 ：问题、证据、解释、评价、交流 没有科学问题就没有探究，不强调科学证据就无法进行探究,2以课堂教学中学生活动为设计中心,课堂内学生动手或动脑的活动是探究教学的核心特点 教学多重目标的实现必须以活动或经验为载体 ，活动总是综合的、整体的，没有一种活动只需要借助于学生知识技能就能完成 活动是围绕着“问题证据”这个核心轴展开的，是一种特定的活动,3以理解科学知识和掌握过程技能为基本点,“好的”科学探究教学应当是能有效达成目标的 知识和技能、过程和方法是显性目标；情感态度价值观是隐性目标，更多是由学生因经历活动而体验得到 过程和方法目标应是科学探究的过程技能,科学探究技能 Science Process Skill,1观察（Observation） 2推理（Inferring） 3预测（Predicting） 4测量（Measuring） 5分类（Classifying） 6交流（Communication） 7形成假设（Constructing Hypotheses）,8控制变量（Manipulated Variables） 9确定操作性定义（Forming Operational Definition） 10完成实验（Finishing Experiment） 11解释数据（Interpreting Data） 12建立模型（Making Models）,对于情感态度价值观类的目标，可能可以基于“如果我们能够设法使学生按一种理想的方式来行动，便可一项达到情感目标迈出第一部”来考虑,4以三方面能力培养效果为检验指标,识别科学问题的能力 解释科学现象的能力 使用科学证据的能力 第一，确定科学的观察所需要的论据 第二，得出或评价结论 第三，传播与交流有效的结论,三、首先要改变我们自己,（一）一个案例的镜子 案例的主角：陈老师，硕士毕业，具有很好的理科基础，9年教龄，曾经修习过科学哲学、科学史、质性研究等课程，对科学本质理解是比较深入的 ，是一个深受学生喜欢的教师,陈老师谈科学本质,陈老师认为整个科学界是由科学家所组织起来的，科学工作着是以提升科学发展为目标，透过科学家的工作，科学家们可以相互沟通、建立一些专业术语、并从中发现新的研究题材。而且，科学家群体有检证功能，对科学家们提出的理论模型做检证的工作，虽说科学家并非是完全的客观与理性，但是，透过科学社群这一种公开的交互检证，科学家们可以尝试找出并且避免偏见,为何认为科学研究报告是准确和诚实的,师：现在目前一些理论和一些报告，它真的是有经过检验，就是会 科学家们会对它的报告或理论做验证 研：做验证的意思（师：嘿）是说有人.会去. 师：就是.会去检查它的结果，或是他所做的方法有没有问题，然后.也有可能有一些科学家他做的跟他很相似，然后就说他支持他的理论，就是说在科学社群的功能来讲，应该是在科学上是很明显的啦，会互相的检查,关于科学家工作的特征,陈老师相当肯定创造力在科学活动中所扮演的角色，他认为从事科学研究最需要的便是创造力，至于其它的因素都是其次，因此在教学中培养学生的创造力是相当重要的教学目标。教师应当避免让学生产生一种错觉，认为科学知识是只有来自一些事实的收集，事实上，一些有创意的想法才是科学进步的原动力,有关科学家特质的问题,师：科学家他假如说本身人格特质就是比较冲动的人、比较暴怒的，那他不会因为受过科学训练就会有很大的改变，或甚至于变得非常非常的理性，其实不是这样，他还是一般人 今日社会大众对科学家的刻板印象是一定要有特殊、很好的条件才可以成为科学家，陈老师认为这种对科学家的刻板印象的塑造，媒体的报导方式扮演着一个重要的角色。其实，科学家并没有特别聪明，但他会比一般人努力,关于科学方法,陈老师认为可以交叉使用、也可以创新，只要可以顺利进行研究的都可以是科学方法的一种。对一般教科书中所列的“发现问题”、“提出假设”等，这一套科学研究的法则，陈老师的看法是：那个可能算是基本的过程哪，那个只是基本的方法，但是你不可能用这一套方法去适用所有的问题吧，它只是算其中一项方法，但是，它不能归类所有的科学方法就是这样，不是啊,这个步骤当然是有，就是等于说对初学者或者是 就像你打空手道一样，你一定是一招一式的这样练，那，真正在打架的时候，不可能还在那边用这个招数,关于科学的目标,研：所以，科学的最终目标可能是对着 师：科学应该是帮助人类生活得更好，而不是在解释一大堆现象，然后这个现象跟你一点关系都没有；科学其实只是生活的一部份，然后，今天科学可能会给你一些答案、给你一些 解释，但是呢，最终目的还是需要靠科学来过生活,关于科学知识,不同于逻辑实证主义的主张，陈老师将科学知识定义为暂时性的真理，在他的观念中知识本身不是绝对的真实，只是我们接受它的时候，我们会把它认定是绝对真实的，当我们接受科学知识的时候会将它视为真理，不过，当把时间拉长，从整个科学史来看时就会发现，真理（科学知识）并非是永恒不变的。,所以当他谈到自然科教学时表示：不要死记死背，因为有些知识可能会改变，不是永久性的，最重要是要了解这个知识怎么来的、这知识怎么形成的，你不要说喔，可能这样就是（固定不变的），把它背下来就可以了，因为你背的这个东西可能十年以后又变了,关于科学与科技两者间的关系,陈老师并不会刻意去区分科学和科技的差别，他在谈到科学的目的时会将科技含括在内。但是提到所谓的“科学家”时却往往指的又是“纯”科学家。至于科学与科技如何区分，他认为所谓的科学是纯理论的，而科技则是将科学建立的理论和知识应用到实际生活中。 若是将科学与科技两者之间的关系用一个简单的关系式来表示，在他的看法中应该是“科学科技”，虽然称不上依赖，不过科技是要应用科学输出的原理原则，两者之间的关系是单向的，也就是说，陈老师并不认为科技会提供给科学发展什么帮助,关于课堂教学,陈老师常提及他心目中理想的教学模式应该是生动、有趣的，而且他也认为学生不该只是被动的接受者，应该要成为课堂上主动的思考、学习者。,陈老师的课堂片段1,在收集氧气的课室教学活动中，当学生将双氧水加入红萝卜后，陈老师先维持常规、学生暂停并坐下，然后开始讨论操作的结果 师：你现在摸一摸放红萝卜那个锥形瓶，温温烫烫的对不对（停、学生试摸），有没有？（停顿） 生：没有啊,师：没有吗（走下来摸），有啦，有一点温啦，没有那么温啦，你们那个已经冷掉了，好 ，我我们也可以发现喔，这是额外的发现，它会同时放出热量，这是化学反应常见的一种现象 生：冰冰的 师：冰冰的？你要不要摸摸看那个 （指着别组），你那个可能已经冷掉了懂不懂，有一些组他们刚刚做的时候有摸摸看、热的；来，给他们摸摸看（学生去摸），有没有？,点评：依照当代科学本质观点，科学知识的价值是由科学家全体的成员来决定，根据这样的观点，若教室中的科学活动可以模拟科学家群体的运作模式，让学生们在实验结果的讨论时也扮演一个角色，这样应该可以让学生有机会去体会科学家群体和科学知识的本质,点评：陈老师在教学中有主导整个学习活动的权威，老师在教学中似乎是扮演着实验结果正确与否的仲裁者角色，并且当学生的观察与理想的实验结果不符时，学生的感官经验往往被教师忽视，然后直接被告知所谓“正确”的观察结果应该是什么，这样的教学过程并没有反映出陈老师科学本质观中对科学社群以及对观察活动的看法,陈老师课堂教学片段2,在介绍氧气的制造法时，陈老师先介绍二氧化锰（板书）的特性后，然后开始在讲桌前示范双氧水加二氧化锰的实验，此时，学生围上前去看实验的反应结果再一一回座，陈老师维持常规，请学生安静并坐下，然后开始讲述实验的结果,师：所以，不是只有猪肝与水果可以当催化剂，化学药品也可以当催化剂翻开课本第 20页，开始说明并示范实验过程与注意事项，其间： 师：你不注意听我说，等一下做错，我器材只有一份喔,师：你哪一组表现不好，不注意听，老师都记在脑子里，扣分 讲述完毕后请一学生复述实验步骤，之后，请另一位不专心的学生再复述一次陈师再一次说明后分组上前领双氧水、塑料袋,点评：在整个示范的活动中，陈教师的角色就像传统对科学家的看法一样（崇高、理性），至于请学生复述实验步骤的作法是否意味着存在有一套按步就班的科学方法？这与陈老师在科学本质问卷和访谈中所表达的有所差异,陈老师课堂教学片段3,示范实验：将双氧水加二氧化锰以收集氧气 生：没有气体啊 师：我只有放一些啦，气体不太够（收集到气体后用点燃的线香放入） 师：这我不知道会不会烧起来喔，因为收集到的氧气没有很多（线香插入，将锥形瓶举高给学生看）,生：没有啊 （示范失败，线香没有明显反应。此时学生纷纷站起来看老师手上的锥形瓶） 师：没有、没有，等一下等一下，老师把它弄多一点喔，坐下来，坐下 （再一次示范，这一次用的二氧化锰比较多）（线香放入后变亮，不过没有烧起来）,师：（将锥形瓶举高）有没有？有没有亮？有没有变亮？ 生： 师：没有亮喔？没有比较亮喔？（疑问的语气） 生：没有着火啊 师：氧气还不够啊，刚才第四组的有啊，第七组、第七组的有喔，（停顿）也就是说你的氧气一定要收集多一点喔，要够、要足够才行 （陈师测试学生收集到的气体，结果线香没有明显反应，陈师说：你们的氧气不够，不过有一点变亮）。,点评：示范性的实验失败了，重新示范的作法将很容易使学生产生“科学知识有唯一正确的解答”的想法,陈老师课堂教学片段4,在星座观察的教学中，向学生介绍星座名称及其由来） 师：有谁知到天上有哪些星座？ 生：仙后座、大熊座、狮子座 师：星座不是天生就有的，而是人类去创造出来的,点评：在陈老师的教学中，科学本质的教学主要是以“讲述”的方式呈现，但是单纯的讲述并不能使学生完全体会科学的本质,陈老师的反思,在学期结束时陈老师反省自己的教学，他说：就是让教学再活泼一点，因为我现在第一次（教学）等于说是摸索阶段，现在还是以能够传达出去为主啦，就是说我知识上比较去 知识的部份喔、然后当然啦，我是希望教学技巧上面能够活泼一点，就是变化一下。,点评：由此可见，知识的传达是陈老师课室教学的重点，且十分关注学生的月考成绩。在某种程度上，陈老师认为学生的成绩表现是反映他的教学成果，所以，他教学的目标会企图使学生考试考好，有余力，才会谈到其它。因此，他没有余力和心思去考虑其它现行课程架构之外的东西，譬如说，有没有教科学本质,照出了什么？,教师科学本质观与教学间并不存在有线性的因果关系，具有当代科学本质观的教师未必能在他的教学思考及课室教学中展现出对等的教学,（二）原因分析,1教师的主观因素 （1）受个人教学目标的限制 如果现在我们把自然科教学想办法拉到跟科学本质做一关联的话？陈老师含蓄的回答： 这个并不是说 （停顿），像科学本质的话，变成说是老师额外强调的,（教学目标之外）剩下的东西我就不必去烦恼这一些东西啦，所以，嗯假如说课本教材没有配合（科学本质观教学）的话喔，是会造成老师在教学之外额外的负担啦。 他（学生）连这一些基本的科学知识都不太清楚的情况下，你要他了解科学本质，我想，可能是有点不太（适合）,陈老师并未将“传达科学本质观”当成是他教学中的一项重要工作，在教学后的检查与思考当中，陈老师所着重的是有没有抓到学科知识的重点以及教学的流畅性 我觉得上第二次跟上第一次，差别就在它的流畅性，因为，有的时候 一个东西上久了，你会觉得重点都抓得住，然后 它的呈现你会重新安排，那第一次上的话，有时候会感觉重点还没办法抓住，所以前后有时候会不一致,点评：在升学主义挂帅的社会中，对教师们来说，不管在他心里“教科学本质观”是多么的重要，但更重要的是：它是一项额外的工作。即使有多余的时间、空间给教师自由支配教学内容，大多数教师们的选择往往会是 -让学生学习多一点知识，为将来升学做准备,（2）教师本身对科学本质教学的信心不足,师：会带来一些好处啦，但是 （停顿）它的负面的我们是不晓得说会不会有一些产生一些负面的效应，这是不清楚啦 研：所以说，如果我们要明确在课程标准里面传达科学本质的话，你是觉得说，以后可能会有负面的一些影响,师：对对对，因为现在有一些方面并没有说哪一种观念一定是最好的，我们说传统的观念到现在已经、也是很久了啊，对不对，这个 其实它一直跟着科学哲学的观点在变嘛，所以 很难、很难有一个定论啦 师：比较有困难的是说，第一个就是说，因为我们没有受过这样的训练,点评：关键点还是在于老师传达科学本质的这种教学能力,2、客观环境因素,（1）现有教材的限制 师：必须要有一个那种情境哪，你知道吗 研：所以你觉得教材可以提供一个情境 师：对，要有一个情境 研：不然你会觉得说你如果去跟学生这样说，就很突然莫名其妙 师：很突然就出来啦，我上课上一上、上到生物，怎么突然讲那个科学本质，就会觉得很奇怪啊对不对，我怎么想我就怎么传达，但是，我们不会说去想到那一个东西，然后去告诉他们，必须要教材刚好遇到，我才会去把这个观念再提一下,师：教材的设计并不是配合这个教材要传达什么（科学本质的）概念，所以变成老师在准备教学之余，除非他还有心去特别去想一下，这个地方可以怎么样传达，否则的话，我只要尽到我该尽的责任就好啦，我把我该教的科学知识或者是科学应该要的东西教给学生，这样就好啦,点评：如果说当初教材在设计时就没有考虑到要呈现适当的科学本质观，那么，教师们为了要教科学本质观，就可能必须对教材做一番重整与设计，但是，对一向依赖教材的教师们，要自行设计教材将会是一项很大的考验,（2）教学时间的限制,师：因为七年级的部份比较会谈到我们的生活啦，还有一些 科学的应用啦，所以我觉得那