科學本質觀與科學教育 李雁冰華東師范大學大學課程與教學研究所ybli 引言 什么是我們所講的科學教育 廣義狹義 一 從國內外科學教育的發展歷程看科學本質問題 我國的分科教育 錢學森之問 國外的情況 以美國為例 科學作業測試的兩個案例 案例1 如圖所示 平靜的水面上有一座石橋 橋孔看上去是圓形的 當水面上升時 看到橋孔的形狀是 ABCD 案例2 左圖中 物體S在平面鏡前 所成像為S 若鏡后AB處放一塊不透明的塑料 則像S 將會 A 不變B 變暗C 只剩一半D 消失 Ass B 答案 案例1 經抽樣有40728名八年級學生參加了測試 選 C D選項和未選的分別為15 9 46 3 10 7 27 0 1 案例2 經抽樣有75854名八年級學生參加了測試 選A B C D選項和未選的分別為43 7 18 6 4 8 32 7 和0 2 二 二十世紀有關科學本質研究的進展 科學哲學方面的演進科學教育方面對科學本質的理解 面向全體美國人的科學 一書中論述的科學本質觀1 科學的世界觀 自然界是可以被認知的 科學理念是會變化的 科學知識的持久性 科學不能為所有問題提供完整答案 2 科學探究活動 科學需要證據 科學是邏輯和想象的融合 科學解釋和預見 科學家要努力鑒別 避免偏見 科學不仰仗權威 3 科學事業 科學是一種復雜的社會活動 科學由學科內容組成 由不同機構研究 科學研究中有著普遍接受的道德規范 科學家在參與公共事務時 既是科學家也是公民 美國國家科學教育標準 中的科學本質觀 科學家通過觀察 實驗 理論模型和數學模型來構造和檢驗對自然的解釋 在活躍的研究領域 在缺乏大量實驗性或觀察性證據及了解的領域 科學家們對所研究的證據和理論做出不同的解釋是一種正常現象 對科學成果 實驗 觀察 理論模型和科學家所提出的解釋進行評價 是科學探究的一部分 提出問題 對批評做出回答和公開交流是科學過程的一個組成部分 李德曼 N G Lederman 教授對科學本質內涵的界定 科學知識是暫定性的 會改變 但是在一定時間內會處于穩定的地位 科學知識是以經驗為基礎性的 基于對自然世界的觀察 科學知識在一定程度上具有創造性 科學知識的產生具有主觀性 科學知識與社會和文化有關 科學理論的建構是從觀察到推理的過程 科學理論和定律的功能 以及他們之間的關系 McComas Clough及Almazroa 1998 依據McComas與Olson 1998 針對八個國際科學教育標準中關于科學本質部分所分析 統整出的三十項交錯 重迭性的觀點 再予以整合而成十四項具高度重迭性的科學本質觀點 以提供給K 12年級的學生 期能對其在科學的認識與科學學習上有所幫助 1 科學知識盡管具有經久性 但仍然具有暫時性的特征 2 科學知識的形成非常地 但不是全然地 依賴觀察 實驗證據 合理的論證以及懷疑的態度 3 從事科學研究時 并不存在放諸四海皆準而必須步步遵循的科學方法 4 科學企圖解釋自然現象 5 定理和理論在科學活動中扮演不同的角色 因此 即使不斷有新增加的證據支持 理論仍然是不會變成定理的 6 各文化層面的人都對科學有所貢獻 7 新的知識必須被清楚且公開地陳述 8 科學家必須作正確的紀錄 以及接受同行的評論和重新實驗的考驗 9 觀察的進行是由觀察者心中的理論所指引的 10 科學家常在研究過程中融入想象力與創造力 以發展出解釋自然現象如何運作的新理論 11 科學史顯示出科學的發展兼具演化性與革命性的特征 12 科學是社會與文化的一部分 13 科學與技術彼此互相影響 14 科學知識受其社會與歷史環境的影響 達成共識的科學本質觀點 1 科學知識以經驗為基礎的本質科學至少是部分地建立在對自然世界的觀察之上 科學主張的有效性 遲早 被相關的現象觀察所確定 然而 科學家對于大多數自然現象沒有直接的通道 對自然的觀察總是通過我們的感覺器官和復雜的儀器過濾 在詳盡闡述的理論框架下進行解釋 幾乎總是以支持科學儀器的功能的一些假設為中介 2 科學中的觀察 推論和理論本質學生應該能夠區別觀察和推理 觀察是關于直接通向感官或感官的擴展的自然現象描述性的陳述 對于這點 觀察者相對比較容易達成一致 例如 拋出的物體傾向于落到地面 相比之下 推論是關于非直接通向感官的現象的陳述 例如 物體因為引力傾向于落到地面 理解觀察和推論之間的根本區別是弄懂隱藏在科學世界的許多推論和理論及術語的前提 3 科學理論和規律的功用及其之間的關系科學理論是被建立的比較滿意的 高度證明的 內部一致的解釋系統 理論是用于解釋大量似乎不相關的多種情況下的觀察 例如 分子運動論是用于解釋與物質物理狀態 化學反應速率相關的現象和與熱及其傳遞相關的其它現象 更重要的是 理論在提出研究問題和指導未來的研究中起著重要的作用 科學理論不能被直接驗證 只有間接的證據能被用于支持理論和確立它的有效性 科學家從理論推出具體的可驗證的預測 并用確實的證據檢驗他們 在預測和經驗證據之間的一致性用于增加被檢驗理論的可信水平 與觀察和推理之間差別緊密相關的是科學理論和科學規律之間的差別 一般來說 規律是對觀察現象間的關系的描述性陳述 波義耳定律 在常溫下氣體的壓強與它的體積有關 是一個恰當的例子 相反 理論是對觀察現象或這些現象中的規律提出的假設 例如 用分子運動論解釋波義耳定律 理論和規律是不同種類的知識 一種不會成為另一種 理論與規律一樣都是合理的科學產物 4 科學知識的創造性和想象性本質科學是以經驗為基礎的 科學知識的發展包括對自然的觀察 然而 科學知識的產生也包括人類的想象和創造 相對于人類的一般信念而言 科學不是一種死板的 完全靠推理的 完全有規則的活動 科學包括解釋和理論的發明 需要科學家大量的創造性 例如從原子光譜到具有軌道和能級的玻爾原子模型的跳躍就體現了創造性和想象性 科學的創造性和想象性以及它的推理本質使得人們對于原子和物種等認識成為功能性理論模型 而不是真實的實在的復制 5 科學知識的負載理論本質科學知識是負載理論的 科學家的學術信奉 信念 己有知識 訓練 經驗和期望實際上影響著他們的工作 所有這些背景因素形成了影響科學家研究問題 怎樣進行研究 他們觀察什么或不觀察什么 怎樣解釋他們的觀察的思維方式 這種個人特征 有時也有群體特征 或思維方式解釋了理論在科學知識生產中的作用 與一般的信念相反 科學從未開始于中性的觀察 觀察和研究總是被一定的理論觀點所激發和引導 并獲得關于問題的意義 這些問題產生于一定的理論觀點 6 科學知識的暫定性本質科學知識雖然是可靠的 經得起檢驗的 但決不是絕對的和一成不變的 這種知識 包括事實 理論和規律 是易于變化的 隨著思維和技術的發展 新的證據會影響到科學主張 按照新的理論對己存在的證據進行重新解釋會影響到科學主張 科學主張也將隨文化和社會方面的變化 或己確立的研究項目方向的變化而變化 科學中的暫定性不是僅僅因為科學知識是推理的 創造性的和植根于文化和社會的 有邏輯論據對信任暫定性觀點提供支持 與一般的信念相反 科學假設 理論和規律決不是不考慮支持性經驗證據的數量而被絕對證明的 要證明一個規律 該規律應該說明所描述現象的每一個例子 從邏輯的角度來說 一個未來的我們沒有任何了解的例子可能以規律陳述相反的方式表現其行為 因此 規律決不是獲得一種絕對的被證明的地位 這同樣適應于理論 7 科學知識植根于社會和文化背景之中作為人類事業的科學是在一個大的文化背景中實踐的 科學的實踐者是相應文化的產物 科學影響著文化的方方面面 同時也受著科學所植根的文化的方方面面的影響 這些因素包括社會結構 權力結構 政治 社會經濟因素 哲學和宗教等 三 科學本質的教學 顯性 隱性 在收集氧氣的課室教學活動中 當學生將雙氧水加入紅蘿蔔後 陳老師先維持常規 學生暫停並坐下 然後開始討論操作的結果 師 你現在摸一摸放紅蘿蔔那個錐形瓶 溫溫燙燙的對不對 停 學生試摸 有沒有 停頓 生 沒有啊師 沒有嗎 走下來摸 有啦 有一點溫啦 沒有那麼溫啦 你們那個已經冷掉了 好 我們也可以發現喔 這是額外的發現 它會同時放出熱量 這是化學反應常見的一種現象生 冰冰的師 冰冰的 你要不要摸摸看那個 指著別組 你那個可能已經冷掉了懂不懂 有一些組他們剛剛做的時候有摸摸看 熱的 來 給他們摸摸看 學生去摸 有沒有 在介紹氧氣的製造法時 陳老師先介紹二氧化錳 板書 的特性後 然後開始在講桌前示範雙氧水加二氧化錳的實驗 此時 學生圍上前去看實驗的反應結果再一一回座 陳老師維持常規 請學生安靜並坐下 然後開始講述實驗的結果 師 所以 不是只有豬肝與水果可以當催化劑 化學藥品也可以當催化劑 翻開課本第20頁 開始說明並示範實驗過程與注意事項 其間 師 你不注意聽我說 等一下做錯 我器材只有一份喔 師 你哪一組表現不好 不注意聽 老師都記在腦子裡 扣分 繼續說明 示範實驗 將雙氧水加二氧化錳以收集氧氣 生 沒有氣體啊師 我只有放一些啦 氣體不太夠 收集到氣體後用點燃的線香放入 師 這我不知道會不會燒起來喔 因為收集到的氧氣沒有很多 線香插入 將錐形瓶舉高給學生看 生 沒有啊 示範失敗 線香沒有明顯反應 此時學生紛紛站起來看老師手上的錐形瓶 師 沒有 沒有 等一下等一下 老師把它弄多一點喔 坐下來 坐下 再一次示範 這一次用的二氧化錳比較多 線香放入後變亮 不過沒有燒起來 於槓桿原理的單元 師生在操作自製的槓桿活動 師生討論改善實驗誤差的方法 有位學生提出要有幫手 卻引引來另一位學生的質疑 17 生C 可是多人會礙手礙腳阿 人多手雜阿 合理回答 學生質疑教師 18 師 喔 多人會礙手礙腳 那你可以選擇不會礙手礙腳的人來做實驗阿 笑 重述 教師質疑學生 19 生A 還要有運氣 闡述 創新回答表達理解 20 生C 對阿 一些是好狗運 笑 簡單回答表達理解 21 師 對耶 運氣其實也很重要 像哈雷慧星有沒有 你要去觀察它 溯源解釋 連結科學本質限制性 22 生D 67年才來一次 簡單回答 表達理解 23 生A 是嗎 是76年吧 提出問題 學生相互質疑 24 生 大部分 對對 簡單回答 表達理解 25 師 阿 如果你剛好它走後那一年你才出生 下一次還沒來就掛了 就沒有機會去觀察了阿 所以從事科學活動還是要運氣的 不錯 溯源解釋連結科學本質限制性 26 生C 老師 那我問你 那好狗運呢 主動提問 27 師 好狗運喔 很多科學家在想出來一個解答的時候都是恰巧好狗運喔 像那個阿基米得 有聽過阿基米得的故事的人舉手 溯源解釋 延續提問 連結科學本質創造性 28 生 約五個人 有 安靜29 師 有一天國王阿 我講一個故事給你聽阿 講阿基米得的故事 全班安靜聆聽 溯源解釋 融入科學史故事 連結科學本質創造性 30 生E 還有人去放風箏 大難不死阿 創意回答 表達理解 31 師 對呀 像那個富蘭克林去放風箏 有沒有運氣很好沒有被雷打到 溯源解釋 融入科學史故事 連結科學本質創造性 32 生E 對阿 好險 不