科學本質觀與科學教育陳志偉

科學本質觀與科學教育陳志偉杭州師范大學生命與環(huán)境科學學院chzhwei@126.com130718660691可編輯ppt1、請您回答什么是科學？2、提1-2個您最想我回答的問題。2可編輯ppt科學（Science）這個詞的本義為“學問”、“知識”。在我國，形成科學這個概念并有科學這個名詞遲于西方，大致是在十六世紀以后。當時我國學者把它翻譯成為“格物致知”。所謂“格物”，就是要以“物”為本，要解決實際問題，它強調“實踐”的重要。所謂“致知”，是指人們可以獲得知識。然而，科學究竟是怎么樣的，至今沒有一個公認的結論。幾個世紀以來，人們一直想給科學下一個定義，到現(xiàn)在，這種努力還在繼續(xù)。3可編輯ppt可是，大家發(fā)現(xiàn)每一個定義都不能令人滿意。后來漸漸感覺到世界上有很多東西是不能下定義的，不下定義的比下定義的往往更好。于是，大家傾向于從另外一個方面去理解科學，去說科學到底應包含哪些本質特征，而不是直接去定義什么是科學。這種難以定義科學的狀況，正好說明科學的博大和無限生機。當一個事情能夠非常精確嚴密地被定義的時候，大概它也就沒有多少值得探索的內容了。所以，難以準確定義科學是一件絕好的事情。4可編輯ppt一、科學本質觀1、傳統(tǒng)的觀點科學方法是唯一合理的認識世界的方法科學知識是與經驗事實相符合的科學的理論模型是正確無誤的科學發(fā)展是事實的積累和永恒真理的積累科學家是公正無私的這樣的科學觀自然就導致了科學萬能論，科學業(yè)已形成了一種話語霸權。5可編輯ppt在傳統(tǒng)科學觀的影響下，科學教育的各個方面也無不打上這種科學觀的烙印。科學教育目標：強調基礎知識與基礎能力的培養(yǎng)，強調知識的實際應用。重視科學各分科的教學，知識的獲取被放在首位；科學教育的目的主要是為培養(yǎng)未來的學科專家，即培養(yǎng)未來的科學家和工程師；科學教育關注的是科學的過去和現(xiàn)實；對科學的社會價值強調其實用的功能；學科之間的橫向聯(lián)系和科學與技術以及社會之間的相互影響很少涉及。6可編輯ppt科學課程：科學教材主要的篇幅都在講述科學的概念和原理，而對科學的本質、科學知識是如何形成的卻不甚了了，也很少提到科學觀念的發(fā)展歷史，或是科學在學生日常生活中的應用；科學課程中充斥的是力量型、主體式的科學觀，人類運用科學，可以控制、征服和戰(zhàn)勝大自然；把科學看成可以獲得自然界定量信息的一個理性化的過程；夸大了還原論研究方法的有效性，認為這是對一個整體了解的最好辦法；7可編輯ppt相信科學方法是到處適用、無所不能的，通過科學方法的運用可以導致科學技術的進步；科學知識可由現(xiàn)象的觀察經由歸納或推理而獲得；經由客觀、可靠的實驗，科學以合乎理性的方式檢驗科學上的命題，把科學的發(fā)現(xiàn)看成只是檢驗和證明；科學是一種中性的活動，科學知識是免于價值判斷的；科學家的形象被偶像化、臉譜化，科學家成為理想的化身、成功的典范、人格的楷模。8可編輯ppt科學教學：科學教師認為科學教學中傳授的科學知識就是教科書上的定義、定理、定律和公式，而且將它們看成是現(xiàn)成的靜態(tài)的結論。獲取知識的方法也主要是記憶、了解、理解、掌握和運用，所謂運用主要就是用于解題以應對考試。對于蘊含其中的深刻的科學本質、科學精神則不作深究。9可編輯ppt教學中致力的是教科書內容教學的完整與周到，上課講授滴水不漏，面面俱到，卻很少顧及學生的創(chuàng)新精神、實踐能力以及個性的養(yǎng)成。由于實證主義科學觀的影響，課堂教學通過類似“烹飪大全”的實驗室活動方式，去找出已預先設定好的答案，并將之稱為實驗活動。10可編輯ppt科學教師的科學哲學修養(yǎng)我國的科學教師，由于在職前、職后的培養(yǎng)中都沒有科學哲學類的課程，目前已有的科學課程與教學論的教材中也很少涉及這方面的內容，導致了科學教師對科學哲學的不了解甚至誤解。其結果造成了對科學的誤解、對科學發(fā)現(xiàn)和科學發(fā)展的模式、對科學價值的判斷以及對觀察與理論，確證與歸納關系的認識等方面的缺失，這對于在科學教育中提高學生的科學素養(yǎng)是極為不利的。11可編輯ppt浙江省中小學科學教師的科學素養(yǎng)和對科學本質的理解的調研結果，也充分證明了上述這種令人擔憂的狀況。這種狀況將會使一些教師自以為在為科學教育而嘔心瀝血，但卻宣揚了非科學甚至偽科學，這是當前科學教育改革中最大的困難和挑戰(zhàn)之一。12可編輯ppt科學教育研究：對科學教育研究，大多用了可加控制的情境做研究對象，將研究對象切割成局部的還原簡化方法，或抽取研究對象群中的“典型”為代表性的樣本做定量研究，然后，通過實驗組的平均來獲取一般的規(guī)律，以此結論決定未來的行動。這樣的研究明顯地是因為受到行為主義和邏輯實證主義的影響而形成的。13可編輯ppt由于對認知心理學、學科哲學等研究的最新理論不能及時把握并運用于科學教育的研究之中，同時對國外基于這些最新理論而發(fā)展起來的科學教育研究成果也沒有及時介紹，對研究的最新趨向不敏感，沒有及時跟進，我國科學教育研究和改革與國際的差距也是比較大的，科學教育在我國整個教育研究和改革中也處于比較落后的地位。當然原因是多方面的也是很復雜的，但科學哲學的研究成果沒有引起科學教育理論界和一線教師足夠的重視是其中的重要原因之一。14可編輯ppt2、現(xiàn)代的觀點一般認為，科學是反映客觀事物本質和運動規(guī)律的知識體系，是科學知識、科學方法和科學精神三個方面組成的一個不可分割的有機整體。盡管這些年來對科學本質的討論非常多，但至今并未達成共識。事實上，對于科學本質的認識和科學本身一樣，也是試探性的、動態(tài)的。15可編輯ppt美國《國家科學教育標準》提出，科學是格物致知的一種途徑，其基本特點是：以實證為判斷尺度以邏輯作論辯的武器以懷疑作審視的出發(fā)點16可編輯ppt美國科學促進會（1）科學所看到的世界世界是可以被認識的；科學是一個產生知識的過程，這個過程依賴于對現(xiàn)象的細致觀察以及由此提出的理論，但科學知識不是絕對真理；科學觀點的變化通常不是徹底拋棄，而是修正，科學知識是有生命力的并會越來越接近事實真相；科學并不能對所有問題提供完全的答案；17可編輯ppt（2）科學探究科學重視證據(jù)；科學揉合了邏輯與想象；科學進行解釋并預測；科學盡量避免偏見；科學拒絕專制；18可編輯ppt（3）科學事業(yè)具有個人、社會和公共機構三個維度，科學是復雜的社會活動；科學具有不同的研究領域；科學研究中具有普遍接受的道德原則；科學家既作為專家也作為公民參與公共事務。19可編輯pptMaComas（1998）歸納了8個國家的科學教育標準中，對科學本質的闡述一致性的部分：①科學知識是可信的，同時又是試探性的。科學知識非常依賴于觀察、實驗證據(jù)、理性的辯論和質疑。應清楚地、開放地報告新知識。②科學試圖解釋自然現(xiàn)象，不存在一種做科學的唯一方法。定律和理論在科學中具有不同的角色。③所有文化背景的人都對科學有貢獻，科學家是創(chuàng)造性的人，科學家需要精確的記錄保存、同事評議。20可編輯ppt④觀察建立在理論的基礎上，科學結果是可重復的。⑤科學的歷史既是進化的，又具有革命性。科學是社會和文化傳統(tǒng)的一部分。⑥科學和技術相互作用，科學觀點受社會和歷史背景影響。21可編輯pptLederman等認為，科學本質的7個方面代表了當代的科學本質觀：①當發(fā)現(xiàn)新的證據(jù)和對已有事實有新的解釋時，科學知識將會改變；②科學知識最終是建立在經驗證據(jù)基礎之上，那就是對自然世界的觀察；③人類的想象和創(chuàng)造性參與了科學知識發(fā)展的所有階段，包括假設的提出、實驗的設計和數(shù)據(jù)的解釋；④科學觀察受到個體科學價值觀和先前知識等主觀性的影響；⑤科學受到文化和社會價值觀念的影響；⑥科學知識是建立在觀察和推論基礎之上。觀察是通過人的感官或這些感官的擴展收集的，推論是對這些觀察的解釋；⑦科學定律和理論是不同的科學知識。22可編輯ppt3、后現(xiàn)代的觀點（補充）否定科學即是真理的科學本質觀，認為科學是人與自然進行交流、不斷理解自然和自身的一種交往活動?？茖W的發(fā)展并非簡單的“線性積累”式，而是一個曲折的、非線性過程?？茖W發(fā)展往往表現(xiàn)為科學范式的徹底更迭，其中科學共同體的個人興趣、社會的價值取向、權威的影響和習慣信念等等科學活動之外的因素會起到重要作用。23可編輯ppt科學不是獨白，而是人與自然、人與人的對話。在對話過程中學會科學共同體的共有的范式和共同的科學話語，而不是將其轉譯為自己的語言。科學的發(fā)展也正是建立在理解與對話的基礎之上。不同科學共同體之間的范式是不可通約的，恰恰是通過對話才能使不同的科學共同體達成共識。24可編輯ppt科學的存在形態(tài)已不再是印刷在典籍上的定理、定律、公式和理論，也不是各種科學方法的匯集，而是人類與自然不斷交往的實踐活動。后現(xiàn)代主義反對科學知識的客觀性，主張科學知識的暫時性、主觀性、建構性。正如波普爾指出的，由于人們根本就不可能獲得完全證實或證明的知識，所有的知識都是一種“暫時的”理論，都是對現(xiàn)有問題的猜測性解釋。

25可編輯ppt知識是相對的。知識不是對現(xiàn)實的純粹客觀的反映，不是對現(xiàn)實絕對正確的表征，它只不過是人們對客觀世界的一種解釋、假說或假設，它不是問題的最終答案，它必將隨著人們認識程度的深化而不斷地變革、升華和改造，并隨之出現(xiàn)新的解釋和假設。反對一元論的方法論，提倡多元與寬容的方法論。26可編輯ppt肯定錯誤的認識在通向真理途徑中的必然性和積極作用，否定把科學簡單地等同于真理的觀點。強調主體在科學認識中的作用，認為科學知識也是主體和客體的統(tǒng)一，而非純粹的客觀。強調科學的革命，力圖把逐漸的進化與突然的革命結合起來。強調科學的兩面性，在承認科學給人類帶來福音的同時，也正視科學已經或可能造成的損害等等。

27可編輯ppt啟示現(xiàn)代科學觀啟示我們，必須重新審視傳統(tǒng)科學教育的價值定位和方法取向。在科學主義科學觀的影響下，傳統(tǒng)的科學教育把中小學科學教育目標定位于單一的認知領域，忽視了科學精神、科學方法和科學能力，忽視了學生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，忽視了學生發(fā)散性思維、批判性思維、創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。根據(jù)現(xiàn)代科學觀，科學教育不是簡單的科學知識的介紹和記憶，而是在不斷發(fā)展、生成和調整的活動中培養(yǎng)學生合理的懷疑、批判意識和求異精神的過程。這一過程取決于個人特定的知識經驗背景與豐富學習環(huán)境因素的相互作用。

28可編輯ppt科學教育不僅需要有各種真實的現(xiàn)實環(huán)境，還要有特定的歷史文化環(huán)境?？茖W史作為科學文化資源，一旦與科學教學相結合，就能為學生提供生動詳實的歷史文化背景，通過與這種環(huán)境與背景的相互作用，就能有效地促進學生知識的建構，提高學生的科學文化素養(yǎng)，發(fā)展學生的創(chuàng)新能力。

29可編輯ppt后現(xiàn)代科學觀認為，沒有絕對真理，沒有普適的規(guī)律，教學過程絕非知識的傳遞和接受，教學過程實際上是一種對話過程?？茖W知識的建構必須建立在學生原有知識經驗基礎上，必須通過與學習環(huán)境的相互作用（即對話），從而建構新的認知結構?？茖W教育的實質在于創(chuàng)設一定的情境，引導學生在與情境的對話中完成科學知識的建構。。30可編輯ppt二、科學教育應努力體現(xiàn)科學本質國際上對于科學教育過程中幫助學生理解科學本質的要求，近年來廣受關注。美國《國家科學教育標準》中三個年齡段的科學內容標準部分，都有科學的歷史和本質的內容。近年來，國內對中學科學課程應該“提高學生的科學素養(yǎng)”的認識正在被廣泛接受，科學課程標準也把“全面提高每一個學生的科學素養(yǎng)”作為其核心理念，并在科學素養(yǎng)的闡述中明確提出了要“體現(xiàn)科學本質”。那么，在科學教育中應怎樣體現(xiàn)科學的本質特征呢？31可編輯ppt由于對科學的定義至今未達成共識，故常常使一線的科學教師感到困惑。為了便于科學教師理解科學，并在教學中體現(xiàn)科學的本質特征，一些科學家和教育家將自然科學分為四個維度。若從這四個維度來認識科學，將有助于科學教師在備課、授課和評課的過程中，去體現(xiàn)科學的本質，把握科學課的特征。自然科學的四個維度是：科學是一系列的思維方式，科學是一套研究的方法，科學是一個知識體系，科學要與技術和社會相互作用。32可編輯ppt當然，自然科學還會有其他的維度，但有了這四個主要維度，便能夠幫助科學教師去分析科學課程標準、教科書、實驗和實踐活動等內容是否體現(xiàn)了科學的本質特征。1、科學是一系列的思維方式思維是人腦的機能和對客觀存在的反映，是人腦接受、加工、存儲和輸出信息以指導人的行為的活動過程。思維方式則是人類在認知過程中形成的，帶有一定普遍性和穩(wěn)定性的思維結構模式，它是思維規(guī)律和思維方法的統(tǒng)一結合形式。科學思維方式則是人對客體的一種理性的反映、認知，是認識和解決問題的一種思路、方法和程序，是思維運作的方法、程序的總和，是一種相對穩(wěn)定的、慣性的認識規(guī)范。33可編輯ppt科學思維是科學智力活動的核心?？茖W智力活動主要包括觀察、實驗、記憶、思維、注意、想象等因素。在這些因素中，思維處于核心地位。學習和進行科學研究均離不開思維，不論是科學問題的提出、實驗現(xiàn)象的觀察、實驗數(shù)據(jù)的測量、科學模型的抽象、科學概念的形成、科學規(guī)律和科學理論的建立，還是應用科學理論解決實際問題，都離不開思維。34可編輯ppt科學思維的一般過程。由于自然科學的研究對象是極其復雜的，故具體的科學思維過程沒有固定的模式，但就整個自然科學發(fā)展來看，科學思維主要遵循提出問題、搜尋事實、捕獲信息、立論解釋的程序?？茖W家對自然界具有強烈的好奇心和求知欲。他們所具有的態(tài)度、信念和價值觀，激勵著他們不斷提出問題、解決問題?？茖W工作中許多新的想法、新的觀點、新的解釋，都是人大腦的思維活動。35可編輯ppt現(xiàn)在人們已經知道，人的大腦可以分為左右兩個半球。左腦是語言的優(yōu)勢半球，具有邏輯思維功能，主要分管語言、書寫、計算、順序、判斷、推理等。右腦是形象的優(yōu)勢半球，具有形象思維功能，主要負責韻律、節(jié)奏、音樂、圖畫、想象、幻想等。右腦思維常以靈感、直覺、頓悟的方式出現(xiàn)。右腦在創(chuàng)造活動過程中起著突破性的認識作用。

現(xiàn)代腦科學研究還發(fā)現(xiàn)，人的顯意識功能主要集中在左半球，潛意識功能主要集中在右半球?？墒谴蠖鄶?shù)人在工作、學習和日常生活中，較多使用的是左腦，使左腦常常處于超負荷狀態(tài)。36可編輯ppt左右腦功能差異示意圖

37可編輯pptβ波為主興趣～興奮驗證～檢驗左腦思考α波為主醞釀～深思右腦沉思θ波為主領悟～頓悟右腦潛意識δ波為主睡眠～做夢右腦活動發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)新的用腦過程示意圖

38可編輯ppt如何開發(fā)右腦是近年來比較關注的問題。這對我們科學地建構現(xiàn)代教育的價值觀念，改變過度重視語言和邏輯思維，忽視情感教育和直覺思維的教育體系，有著重大的現(xiàn)實意義。傳統(tǒng)教育過分強調給學生傳授知識，把學生的大腦看作是貯存知識的容器。這樣，有意無意地強化了左腦邏輯推理、語言表達、記憶學習等功能的開發(fā)?？梢哉f我們對左腦的開發(fā)是取得巨大成績的，但它的缺陷也是顯而易見的。學生只是按單一的思維模式學習，學生的想象能力、直覺思維能力、創(chuàng)造思維能力等得不到重視和培養(yǎng)，結果是壓抑了學生的創(chuàng)造性思維，埋沒了他們的創(chuàng)新精神。39可編輯ppt忽視右腦訓練的傳統(tǒng)教育模式，已經大大落后于時代的發(fā)展。在計算機已經走進千家萬戶的今天，左腦的語言表達、邏輯判斷、記憶等功能很容易被計算機所替代，而計算機不能替代的靈感、直覺、頓悟等，對我們來講還顯得十分荒疏。如果我們的教育方式不發(fā)生轉變，在創(chuàng)造性人才培養(yǎng)上，很可能會造成“竹籃打水一場空”的局面，這是大家不愿意看到的結果。40可編輯ppt科學思維就是一種實證的思維方式，一種建立在事實和邏輯基礎上的理性思考。具體包括以下內涵：①相信客觀知識的存在，并愿意通過自己的探究活動去認識客觀的世界。②對于未知的事物會做出猜想，并知道主觀的猜想是需要客觀事實來證明的。③相信事實，只有在全面地考察事實之后才會做出結論。④通過對事實進行合乎邏輯的推理而得出結論，并知道任何結論都是暫時性的，它需要更多的事實來證明，結論也可能被新的事實所推翻。41可編輯ppt利用首因－近因效應，做好課堂教學工作。下圖顯示了在40分鐘的學習情境中，首因－近因效應是如何影響保持的（Sousa，2001）。42可編輯ppt英國有個中學利用神經科學研究成果搞改革：一堂課5分鐘允許孩子們賴床（都市快報07.7.22）一堂課只上5分鐘，聽說過嗎？這是英國中學準備推行的，支持者說這是利用了神經科學研究的進展，為什么一堂課非要45分鐘？他們還說，讓十幾歲的孩子起那么早上學是不科學的，不如讓他們“賴床”，推遲上課時間。他們這么做，真是有道理的嗎？此提議一出，即遭到質疑：這樣短的時間，孩子們能學到什么？但是，負責英國中小學教學大綱的制訂與教育質量認證管理的機構——英國課程與資格署堅持認為，這種新的上課方式，有助于老師自由發(fā)揮，以便找到最適合學生的教學方式。英國課程與資格署的發(fā)言人說，對老師們來說，關注點不在5分鐘，而在于新的教育理念——“少食多餐”。43可編輯ppt45分鐘里有很多浪費在神經科學里有很多突破性的進展，這些研究結果對于教育方式有很多借鑒的價值，但是，教育界對這些視若無睹。美國神經科學家道格拉斯·菲爾德的工作很有啟發(fā)意義，他的研究表明，不斷重復確實可以加深記憶，但更關鍵的是，不間斷、無休止地重復，對于記憶沒有什么好處，如果重復的過程中有適當?shù)臅r間間隔，效果就好得多。在蒙克希頓社區(qū)中學，為準備全英普通中學教育文憑考試，學校特意為參加補考的學生開了新形式的小灶：講解做成8分鐘長的幻燈片，會重復播放3遍，但每次播放中間穿插10分鐘休息時間，學生們可以玩游戲、哼歌。44可編輯ppt“身為一個老師，我其實不是很愿意承認這種驚人的效果，因為在過去30年里，我都在重復那種古老而無效的復習方法。這次的成功讓我反思。”凱萊說，“通常，我們把孩子們關進教室，無休止地灌輸，看起來一分鐘都沒浪費。其實呢，因為記憶的效果并不好，即使他們在學習，那也是一種浪費。但如果給他們時間做點兒別的事情，學習的效果將完全不一樣?！?/p>

讓孩子早起是沒用的除了“學習模式”，蒙克希頓社區(qū)中學還注意到了孩子們的“睡覺模式”。凱萊對英國牛津大學神經學家拉塞爾·福斯特的研究結果印象深刻：十幾歲的孩子往往賴床，對他們來說，早睡早起極其艱難，這并不是因為他們“懶”，而是他們的“天性”使然。讓小孩子天剛亮就爬起來，坐在教室里，這不僅是“殘忍”的，還是“沒用”的，因為那個時候他們通常正在半睡半醒中。45可編輯ppt司馬光砸缸？羅密歐與朱麗葉手表卡西莫夫……46可編輯ppt47可編輯ppt48可編輯ppt49可編輯ppt2、科學是一套研究的方法科學家要研究自然界目的是要找出自然界的規(guī)律，但這些規(guī)律需要通過觀察、實驗和科學家的分析推理才能解釋或發(fā)現(xiàn)?？茖W家獲取知識的過程，人們叫做科學過程（技能）。在科學教育中，幫助學生理解科學過程比獲得一些特定的知識更重要。在科學研究中，經常使用的過程（技能）方法有：觀察、分類、解釋、假設、預測、測量、變量控制、實驗、數(shù)據(jù)處理與分析及得出結論等。其中，有三個環(huán)節(jié)是十分重要的，這就是假設、觀察和實驗，它們在科學探究中起著核心的作用。

50可編輯ppt3、科學是一個知識體科學是一個龐大的知識體，這是學生和科學教師最容易接受和理解的科學維度。人們很容易感受到，幾百年來科學研究的成果已經匯集成了一個巨大的知識體。科學的知識體由事實、概念、原理、定律、理論及模型等不同形式的知識構