主题一、科学观念、科学本质与科学探究.ppt

主题一、科学探究、科学观念 与科学本质 化学思想史与思想方法 2009 一、探究学习的历史沿革 1国外探究学习的发展 19世纪末20世纪初，随着自然科学的进 步，特别是达尔文进化论，对人们的思想 方法产生了极为重要而深刻地影响。 “把 曾经认为是固定的和绝对的各种形式看作 发生着和消逝着的东西” 1909年在美国进步联合会的发言中 ，杜威认为科 学教育过于强调知识积累，而对于科学作为一种 思维方式和认识态度等方面没有给予足够的重视 。 1961年，美国教育家、芝加哥大学的教授施瓦布 在哈佛大学的纪念讲演中以“作为探究的理科教学 ”为题，阐述了立足于科学之上的理科教学论。施 瓦布首先使用了“探究学习”一词，明确了科学方 法论在探究中的主导地位。推进了“探究”观念的 发展。 1963年，加涅发表题为旨在探究的学习 条件，为典型的探究学习的实践研究奠 定了基础。 1966年，美国教育家布鲁纳在“发现学习” 理论基础上，在与肯尼合著的认知发展 研究中提出，要帮助学生掌握各学科的 深层结构，而不是让学生记忆那些不相关 联的事实。这一深层结构意味着科学的基 本观念、基本方法与基本态度。 20世纪70年代以来，以探究学习为基础重 构基础教育课程成为世界各国课程改革的 突出特点。不仅将探究作为一种学习方式 ，而且将探究作为课程的内容标准。发展 学生的探究能力和把科学理解为探究过程 的观点在世界范围内得到了广泛的传播， 使得探究学习成为世界科学教育现代化的 一个显著标志。 20世纪90年代以来，在世界范围内的科学 教育改革中，探究的思想更加受到了各国 科学教育界的重视。如美国的国家科学 课程标准(1996年)，英国的国家科学教 育课程标准(2000年)等，都大力提倡探究 学习。并进一步提出通过探究学习，培养 学生的科学素养。 2国内探究学习的发展 20世纪80年代以来，与探究学习相关的教 学改革虽然取得了一定的成效，但是并没 有从根本上动摇以接受学习为中心的传统 的学习与教学方式。 1999年以来，我国正式启动了基础教育课 程改革。其宗旨就是要进行学习方式的改 革，提倡探究学习。 3.我国化学探究教学的现实误区 其一，化学探究学习等同于化学实验。 化学实验作为化学科学研究的基本方法，表 现出化学学科作为一门实验科学的最本质特征 。但探究与实验不能画等号。 除了实验探究这种显性的方式之外，作为 科学理论体系发展的基本逻辑，教学内容的组 织与表述本身就蕴含着探究的基本线索。实验 是探究的手段。 其二，探究教学过程公式化。 对探究学习形式化的理解直接导致的错误 做法就是将形成问题、建立假设、制定研 究方案、检验假设、得出结论等研究环节 做直线化处理，这势必会导致探究教学僵 化 和学生的被动服从。 没有一个简单的一成不变的步骤可 供科学家们遵循，没有一条道路可以确保 正确地引导科学家获取科学真理。 其三，重视过程，忽视结果。 过于关注实验过程的完美和实验仪器、设 备等技术条件，而在发现问题、建立假设中 起关键性作用的概念和原理等内容在探究中 被忽视。 探究的结果不止于理解科学概念、原 理及其研究过程。形成科学态度、科学价值 观、养成探究的思维方式尤其不能忽视。 其四，探究学习的结果走向确定性与封闭性。 探究的方式趋于雷同，在探究结果上往往更 指向不可更改不可怀疑的科学概念和理论。 走向确定性、走向唯一答案的探究学 习不利于激发学生的问题意识、提高学生的问 题解决能力、开发创造潜能、形成一般探究能 力。 4.什么是科学探究 美国国家科学教育标准指出，“科学探究指的是 科学家们用以研究自然界并基于此种研究获得的 证据提出种种解释的多种不同途径。” “科学探究也指的是学生们用以获取知识、领悟 科学的思想观念、领悟科学家们研究自然界所用 的方法而进行的各种活动，包括观察、测量、制 作、提出假设、进行实验、提出模型和交流等。” 1996年美国国家科学院颁布的“美国国家课程标准 ” 美国学者韦尔奇(W.Welch)等人认为：“探究 是人类寻找信息和理解的一般过程。从广义 上说，探究是一种思维方式。科学探究是一 般探究的子集(Subset)，它的研究对象是自 然界，是在某种信仰和假设的指导下进行的 。” 一般探究指的是个体所具有的探究的本 能，它既无明确的研究范围限制，也无严 格的程序、方法和规则，人们在日常生活 中对任何事物的认识都具有一般探究的意 义。就一般探究的本能而言，它是科学探 究的基础与起点；就一般探究的才能而言 ，它是科学探究的目标和归宿。 科学探究与科学探究教学的区别： 科学探究的主体是科学知识渊博的科学家 ，科学探究教学的主体除教师外是知识相 对贫乏的学生； 科学探究的客体是人类从未涉足过的领域 ，科学探究教学的客体是已得到大多数人 承认的稳定的知识； 科学探究的目的是探索未知造福人类，科 学探究教学的目的是培养新一代具有科学 素养的公民； 科学探究是研究者长期摸索，获得直接经 验的过程，这个过程可能是相当漫长的， 也许需要几年的时间或更长。科学探究教 学是学习者在教师指导下通过直接体验， 获得间接经验的过程。学生在一个学期内 就可以学完人类几百年积累的知识。在这 个过程中教师是不可缺少的领路人； 科学探究与科学探究的教学的联系： 科学探究和科学探究教学都是人类特有的认识活动，共同 遵循由实践到理论再到实践的认识规律，都要经历由感性 认识到理性认识的飞跃； 科学探究和科学探究教学的本质过程都是人的一种心理活 动过程，遵循着人的心理活动的一般规律； 科学探究和科学探究教学都是人的一种探究活动。科学探 究是探索未知创造新知的活动，科学探究教学对于个体而 言，也是一个探究自己不知别人已知的知识的过程。 正是科学探究与科学探究教学的这种关系，使探究学 习作为一种“实践的艺术”而成为一种较好的学习方式，使 探究学习过程成为科学探究过程“简约化的精神复演”。 二、科学本质 （一）“科学”的种种界定 从词源学上看，英文“科学”（science）一词 来源于拉丁文中的scientia，意思是知识、求知 ，即有知识，而不是误解或无知。 1英国的科学哲学家乔治奥威尔认为 “科学一 般被定义为：（1）精确科学，如化学、物理等； （2）一种通过逻辑推理从观察到的事实得出可验 证的结论的思维方式”。 2美国著名科学哲学家G萨顿在美国百科全书 中把科学理解为：“科学为系统化的实证知识 ”。 3我国学者郭湛在中国大百科全书哲学 中认为： “科学是以范畴、定理、定律 形式反映现实世界多种现象的本质和运动规 律的知识体系”。 4还有的观点认为：科学是人类籍此获取对 外界环境控制的行为模式。按照这种观点， 科学不仅包含理论知识，而且包含技术。 5也有人提出：科学既是系统的知识体系又 是探究活动。 6科学与技术是两个不同的概念，科学是理论形 态的知识体系，而技术则是应用理论知识来解 决实际问题。 7.美国国家课程标准则认为：科学的目标是 探知自然，技术的目标是对这个世界加以改造 使之适应人类之需。 （二）科学的本质 美国科学促进会在其制定的“2061计划 美国科学促进会在其制定的“2061计划 面向所有美国人的科学”中,从科学世界观、科学 探究、科学事业三个方面对科学的本质进行了阐 述： 1科学世界观 （1）世界是可知的 （2）科学理论是变化的 （3）科学知识的持久性 （4）科学不能为所有的问题提供全部的答案 2科学探究 （1）科学需要证据 （2）科学是逻辑与想象的结合 （3）科学能进行解释和预见 （4）科学家需要明辨是非，避免偏见 （5）科学不奉行独裁主义 3科学事业 （1）科学是一项复杂的社会活动 （2）科学分为不同学科，在不同的机构中进行研究 （3）科学研究中有普遍接受的道德规范 （4）科学家在参与公共事务时，既是专家又是公民 综上所述，科学就其本质来讲，实际上是人类 对所观察或认识到的自然现象进行的合理解释 或说明。为了使其具有可靠性、准确性和预见 性，人们应用了逻辑、数学以及实验的方法， 使其形成经过验证、系统的知识体系。自然界 的复杂性、无限性以及人类认识的有限性，需 要人们不断地进行科学探索才能逐步认识大自 然运行的规律。由于科学是人类努力奋斗的事 业，所以科学与人类社会的发展有着密切的关 系，同时人及其所处社会的价值观、道德观等 对科学探究活动也会产生深刻的影响。 （三）科学的本质在科学教育中的价值 1科学的本质能使我们树立正确的科学观 科学的本质能使我们认识什么样的东西是 科学、什么样的东西不是科学，科学能够作什 么、科学不能作什么以及科学如何在文化中起 作用等一系列的问题。 2科学的本质揭示了科学教育的内涵 科学知识(Science Knowledge)、科学过程能 力(Science Process Skill)和科学态度（Science Attitude）： （1）科学知识包括：事实、概念、定律、原理 和理论。 （2）科学过程能力包括：基本能力和综合能力。 基本能力有：观察、分类、交流、测量、估计、预测和推理。 综合能力有：明确问题、控制变量、给出操作定义、假设、实 验、图形化、解释、模型化和研究 （3）科学态度包括：人们在学习和获得新经验时对自然的好奇 心、毅力、对待失败的正确态度、开放的思维和与他人合作 的精神、对科学-技术-社会关系的认识等 。 3科学的本质加深了对科学探究的认识 科学探究是科学家们用以研究自然并基于此 种研究获得的证据提出种种解释的多种不同途 径，也是学生们用以获取知识、领悟科学的思 想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法 而进行的各种活动。 4科学的本质是科学教育的重要目标 科学教育的目的不仅是让学生获得科学知识， 更主要的是使他们形成关于自然的基本观点，获得 探索自然规律的方法，同时培养学生的创新能力和 科学精神。鉴于科学的本质在形成正确的自然观、 科学观、提高学生进行科学探究活动的自觉性以及 培养创新能力和科学精神中起着不可或缺的作用， 在当前的科学教育改革中，它已成为科学教育的重 要目标之一。 美国国家科学教育标准目的就是要在美国建 立一个有很高科学素养的社会。它认为：良好的科 学素养很重要的一方面是对科学本质的理解，知道 科学是格物致知的一种途径，其基本特点是以实证 为判别尺度、以逻辑作为论辩的武器、以怀疑作审 视的出发点；认识什么样的东西是科学、什么样的 东西不是科学，科学能够作什么、科学不能作什么 以及科学如何在文化中起作用等一系列的问题。所 以，认清科学的本质已成为美国对学生进行科学教 育的一个重要组成部分。 英 乔治奥威尔 科学教育应当是指灌输一种理性的、怀疑的、实验 的思维习惯。它应当是指学会一种方法可以用在 遇到任何问题上的方法 而不是简单地堆砌大量的 事实。科学教育最后往往还是意味着一种观察世界的 方式，而不仅仅是一种知识体系。 三、科学素养 中国科协分别在1992年、1994年和1996 年对我国公民的科学素养进行了三次调查 。 我国科学教育体系对于公民了解和掌握基 本科学知识发挥了积极作用，效果比较显 著。 对于公民理解科学过程、理解科学对于社 会的影响等方面的作用甚微，明显落后于 发达国家。 1996年，我国公民基本理解科学知识的占 30.6%，基本理解科学过程的只占2.7%， 基本理解科学技术对社会影响的占3.3%,基 本具备科学素养的仅占0.3%。而欧共体具 备科学素养的公民1989年就达4.4%，美国 1990年已达6.9%。 19世纪中后期到20世纪50年代，掌握一定 的先进科学知识就是科技素养的主要含义 。这个时代，英国著名哲学家培根的“知识 就是力量”成为人们追求科学知识的巨大精 神力量。重视科学知识的教学就是这一时 期理科教学的主要特征。 20世纪50到70年代，科学素养的含义扩大为7个维度： 理解科学知识的本质； 能准确运用适当的科学概念、原理、法则和理论； 通过科学探究过程解决问题、做出决策并增进对世界的了解； 和周围世界打交道的方式与科学的价值原则相一致； 理解并接受科学与技术是密切联系的事业，理解科学、技术与社 会的互动关系； 通过接受科学教育以及延续终身的科学教育，形成一种对世界更 为丰富的、确信的并且更加激动人心的看法； 掌握多种与科学技术密切相关的操作技能。 20世纪70年代以来，科学素养的含义进一步扩展为： 实用科学素养指一个人拥有能解决日常生活实际问题的 科学知识； 文化科学素养指把科学作为一种主要的人类文化活动的 理解与认同； 公民科学素养指作为生活于现代社会的合格公民，能够 对科学及与科学密切相关的公共课题有充分的理解，以 便参与涉及这些课题的决策过程。 至20世纪80年代，与科学技术、科学政策、 科学在社会发展中的角色等相关的课题成为科 学素养的内容。 科学素养演化为一种多维结构体系，它涉及 3个相互关联的维度：对基础科学知识体系中 重要科学概念术语的充分理解；对科学探究过 程或科学本质属性的理解；在一定程度上对科 学技术之于个人和社会发展影响的理解 在面向全体美国人的科学， 科学素养包括数学、 技术、自然科学和社会科学等许多方面，这些方面包括： 熟悉自然界，尊重自然界的统一性； 懂得科学、数学和技术相互依赖的一些重要方法； 了解科学的一些重大概念和原理；有科学思维的能力； 认识到科学、数学和技术是人类共同的事业，认识它们的 长处和局限性。同时，还应该能够运用科学知识和思维方 法处理个人和社会问题。 加拿大： 20世纪90年代加拿大萨斯凯彻温省（Saskatchewan）教育部制 定的中小学科学素养中，科学素养被细化为七个方面： A、科学的本质； B、核心科学概念； C、科学过程； D、科学技术社会环境之间的相互关系；E、科学和技术技能； F、科学的内在价值； G、与科学有关的态度和兴趣。 我国新课程改革借鉴这一指导思想，并结 合国情提出，从四个维度培养科学素养， 即科学探究（过程、方法与能力）；科学 知识与技能；科学态度、情感与价值观； 科学、技术与社会的关系。 四、科学观念 美国科学家亨利.罗兰曾经在他的一篇文章中这样说过： “如果我们只注意科学的运用，必定会阻止它的发展。如 果我们只注意科学的应用而不注重科学本身，那么要不了 多久，我们就会像中国人那样，他们几代人在科学上没有 取得什么进展，因为他们只满足于科学的应用，而根本不 去探讨为什么要这样做的原因。” 在三十年代，国内外学术界流行一种观点 ：中国的传统文化在政治、道德、文学、 艺术等方面都有突出成就，唯独在科学上 缺少贡献，主要表现在重伦理而轻自然， 忽视逻辑和方法论的研究。 人类文明史上三次科学观念大突破 第一次是以牛顿等的经典力学体系为代表 的科学观念的革命； 第二次是以麦克斯维尔定律等为代表的， 电气革命； 第三次是以量子力学，相对论为代表的， 基本能量革命。 20世纪科学观念的变革在物理学领域的表现 （1）关于原子绝对不可分的观点必须破除。原子可分的科学事实导 致了物质结构层次无限的观念建立，这是人们对物质结构认识上的一 次革命。 （2）关于质量绝对不可变的观念必须抛弃。接受质量随物体运动速 度而改变的新观念。 （3）只承认能量辐射的连续性是片面的，必须同时树立能量分立的 观念。科学事实迫使物理学承认能量是连续与不连续的统一，波动性 与粒子性的统一。 （4）关于物质运动与时间空间没有联系的观念必须改变。这从根本 上改变了旧的时空观。 我国学者的反思 在一个缺乏严格科学标准的国度里，一面 不易做到“科学”的要求，一面又易于把“科 学”作为崇拜的对象，作为权威，所以有意 识地把“科学”、“科学性”加以泛化，以便 把非科学的东西充作科学的东西，满足人 们的“科学瘾”。 科学观念的核心就是规律意识和理性思维。 布鲁纳的知识观言明：“知识是我们为赋予经验中 的规律性以意义和结构而构成的一种模式。任何 知识体系组织中的观念，都是为了经济和连贯地 陈述经验而发明的。” “处于一切自然科学和数学的中心的基本观念（ basic ideas）以及赋予生命和文学以形式的基本 课题(basic themes)，它们既是简单的，又是强 有力的。” 某一学术领域的基本观念，不但包括 掌握一般原理，而且还包括培养对待 学习和调查研究、对待推测和预感、 对待独立解决难题的可能性态度。正 像物理学家对于自然界的基本秩序抱 着确定的态度并深信这种秩序能够发 现那样” 在各门自然科学中都有某种反复出现的观念。对这些基本 观念最有发言权的当属科学家。“要断定代数的基本观念 是以交换律、分配律和结合律的原理为基础的，他必须是 个能够评价并通晓数学原理的数学家。” 对于美国史上的某一事件做出决断，“同样需要对美国历 史有深刻理解的学者的帮助。” 任何一个有成效的科学家通常都能谈些思想方法或态度， 那是他的职业的一部分。” “一门课程在它的教学进展中，应 反复地回到这些基本观念，以这些 观念为基础，直至学生掌握了与这 些观念相适应的完全形式的体系为 止” 。 科学观念不等于科学概念 如果儿童需要掌握某些观念，一定要把这 些观念转译成为内部结构的语言” 需考虑儿童自己观察和解释世界的独特方 式。 杰出的学者和研究儿童发展的心理学家、 有经验的专业教育家（如