科学本质理论研究述评

张培

摘要：对科学本质的理解是科学素养的重要组成部分，受到了越来越多的关注。文章从哲学角度介绍了六个流派的科学本质观，并分析了科学教育界对科学本质的研究，认为对中学阶段应教授何种科学本质观逐步达成共识，并且发现科学教育文件中“融合”了不同哲学流派的科学本质观。

关键词：科学本质；科学本质观；科学教育

文章编号：1005 - 6629（2015）5 - 0012 - 06

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

科学素养（ Scientific Literacy） -词由美国著名教育家、化学家、哈佛大学校长科南特于1952年首次提出。时至今日，科学素养已成为当今世界各国基础教育阶段科学课程改革的出发点和归宿。我国的科学教育与国际接轨，力求培养更多适应新世纪中国社会发展需要的高素质公民。对科学本质（ Nature of Science，NOS）的理解是科学素养的一个重要组成部分，帮助学生发展适当的科学本质观是科学课程“最普遍的科学教育目标之一”。作为站在教学一线的教师，只有当其自身对科学本质拥有精深的理解时，才能在课堂中有意识地融人科学本质内容，才能让学生在学习过程中逐步地领会科学的本质，所以促进教师科学本质观及其教学行为的发展对培养学生科学本质观具有十分重要的意义。本文从科学哲学和科学教育的角度，就科学本质的哲学渊源、内涵与范畴等方面对科学本质的理论研究进行梳理，以期对我国的科学本质教育的理论研究与教学实践有所启迪与借鉴。

1 科学本质的哲学渊源

中世纪，对自然界或某些自然现象的研究尚未冠以“科学”之称，而是被叫作自然哲学。科学和哲学有着由来已久的渊源，故而我们有必要从哲学层面对科学进行审视。科学本质的哲学观点随着科学的进步而改变，甚至在同一时代存在着多种不同的哲学认识，一般可归纳为经验主义、理性主义、实证主义、逻辑经验主义、否证主义和历史主义等。根据科学本质的历史演进，前四种被视为“传统”的科学本质观，后两种被视为“新”的科学本质观，也有学者将历史主义视为“新”的科学本质观，而否证主义被视为介于“传统”和“新”的两种科学本质哲学观点之间的“过渡”观点。

1.1 经验主义的科学本质观

经验主义的科学本质观也称为归纳主义的科学本质观，其基本观点是：所有的知识都必定来白感官经验，或者建立在感官经验的基础上，而这些知识是借由超然客观的观察以及归纳法的科学方法所得到的。这一流派的代表人物主要有Bacon（培根，英国）、Locke（洛克，英国）、Berkeley（贝克莱，爱尔兰）、Hume（休谟，苏格兰）等。

经验主义主张感觉经验是科学知识的唯一来源。Bacon指出，“一切自然的知识都应求之于感官”。Locke则认为，“我们的一切知识都在经验里扎着根基，知识归根到底是由经验而来的”。J.J.Davis在他的著作《论科学方法》中写道：“科学是建立在事实上面的建筑物。”激进的经验主义者Hume则认为，知识不仅来自于感官经验的印象，也来白于所有心智活动的观念。

经验主义认为知识是借由观察以及归纳法的科学方法所得到的。知识获得的方式是从个别到一般，而且只有以这种方式获得的知识才是可靠的，反对由一般演绎为特殊，也就是说，认为知识是纯粹经验的产物而不是理性的产物。

经验主义强调科学的客观性。经验主义者认为从事科学研究的观察者应该具有正常的未受伤害的感官，应该忠实地记录下他所能看到、听到等等的东西，作为和他正在观察的情况有关的事例，而且他在做这些事时不能带有任何成见。个人的主观意愿在科学中没有地位。科学知识是在客观上被证明了的知识，是可靠的知识，是真理，是不会被推翻。科学知识以一种线性累加的方式增长。

1.2 理性主义的科学本质观

与Bacon同时代稍晚的哲学家、科学家Descartes（笛卡尔，法国）是近代演绎主义的始祖，以其为代表的理性主义与经验主义相反，认为科学知识来源于理性而非经验，人类的感觉经验是不可靠的。Descartes推崇演绎法，提倡用逻辑推理分析的方式获得知识，他认为观察和实验只能给人以或然的知识，而必然的真理性知识只能来自基于天赋观念的演绎法。

19世纪初，认识论的理性主义者Kant （康德，德国）试图调和提倡归纳法的经验主义与推崇演绎法的理性主义之间的斗争。他虽然承认感性直觉的意义，但认为并不是所有的知识全部兴起于经验，有一些知识是与经验无关的。Kant结合了理性主义和经验主义两者，主张思想若无内容是空的，而感官知觉（直觉）若无概念是盲目的。

与经验主义类似的是，理性主义认为科学知识是“客观的”、“绝对的”、“科学的”。“客观的”是指知识是一种具有客观基础的、得到充分证据的真实信念，它与仅仅是个人的意见或证据支持的主观信念相区别；“绝对的”是指通过严格的与科学的逻辑过程（即理性思维过程）获得的知识具有绝对的、永恒的和普遍的价值特性，是不容置疑的；“科学的”是指知识是按照学科体系各自成为一种具有某种共同本质属性的学科知识，每一种学科都有自己的知识体系和语言。

1.3 实证主义的科学本质观

19世纪40年代，法国哲学家Comte（孔德，法国）开创的实证主义，起源于Berkeley和Hume的主观唯心主义、怀疑论和不可知论，而后Mill（穆勒，英国）以其逻辑学理论、Spenser（斯宾塞，英国）以其“综合哲学”对其加以发展，使之成为了一种广泛的思潮。Comte认为科学的具体任务为：

首先，通过观察和实验以寻找和扩大感性的经验材料；

其次，从大量的感性材料中寻找不变的先后关系和相似关系，即规律；

再次，简化这些相似关系和不变关系，极力把它们压缩到最小的数目，即简化为最少量的关系。

1.4 逻辑实证主义的科学本质观

逻辑实证主义又被称为逻辑经验主义，亦即相对于英国传统经验主义的“新经验主义”，也是相对于Comte的传统实证主义的“新实证主义”。逻辑经验主义将数理逻辑作为哲学分析和论证的主要工具，主要代表人物有Schlick（石里克，德国）、Carnap（卡尔纳普，美国）、Hempel（亨普尔，美国）等。

逻辑实证主义强调科学知识的可证实性，认为知识是由感官感知外在世界而形成的。而且观察是一种价值中立、客观的活动，不受任何因素的影响（如观察者的已有知识、理论和信念），故所得的资料一定是客观的。由于科学知识形成过程被认为相当客观，而且它是对自然界的本质的真实的描述，因此是极不易改变的，故科学知识被视为绝对客观的真理。

代表人物Hempel认为以归纳法为前提的推测所得的结论不具有确定性，然而以演绎法为前提的推测所得的结论具有确定性。除了演绎法外，科学的探究过程中需要提出暂时的假说来给予研究一个方向，提倡假设一演绎法。整个科学研究的过程，就是先以开放的眼光观察自然现象，通过归纳发现获得某些规则，进而在头脑中形成某种假说，再收集资料验证假说，若假说成立就变成科学知识。

逻辑经验主义认为科学进步的动力是累积的。当科学知识不断地形成时，就代表真理不断地增加，亦即科学知识的成长象征着真理以一种线性累加的方式增长。

1.5 否证主义的科学本质观

以Popper（波普尔，奥地利）为代表的否证主义是科学哲学从逻辑主义转向历史主义过渡。Popper反对归纳法，反对逻辑经验主义的“经验证实原则”，在反归纳法的基础上提出了“经验证伪原则”，认为科学知识或理论都不能用经验“证实”，而只能用经验“证伪”。

Popper把科学理论等同于假设，提出“理论先于观察”的理论。从Bacon以来的科学家和哲学家均肯定观察和实验是科学知识的来源与基础，但Popper对此提出反对意见，反对Bacon提出的“科学开始于观察”的观点，认为不是“先有观察，后有理论”，而是“先有理论，后有观察”。

科学知识或理论既不来自于观察，那么来源于何处呢？ Popper认为，科学理论来自灵感对问题的猜测。科学理论是科学家为解决科学问题而提出的尝试性的、探索性的暂时性假设。科学从问题开始，促使科学家思考；针对问题，科学家进行各种大胆的尝试性的猜测，即假设或理论；各种理论之间激烈竞争，互相批判，并经受观察和实验的严格检验，在检验中清除错误，并筛选出逼真度较高的新理论；新理论被科学技术的进一步发展所证伪，又出现新的问题。科学不再是线性累加式地发展，而是在这样的循环中发展前进。

1.6 历史主义的科学本质观

历史主义批判了逻辑经验主义对科学知识作静态逻辑分析的思想，批判继承并发展了否证主义科学发展动态模式的合理思想，主张将科学与科学史相结合，对科学知识作动态社会历史分析。

历史主义的主要代表人物Kuhn（库恩，美国）同意Popper的反归纳法观点，认为科学理论不是来自经验事实归纳，科学发展不是一个逐渐累积或单纯量的进化过程。但库恩不赞同“经验否证原则”，认为经验不可能否证理论，理论的转变是科学家们的心理的信念转变，而不是理论的被否证。库恩把科学的发展分为常规科学和科学革命两个时期，科学的发展是常规科学时期量的进化与科学革命时期质的飞跃的不断交替，可表示为：前科学时期→常规科学时期→危机时期→新的常规科学时期……

2 科学教育机构和学者对科学本质内涵与范畴的研究

早在1907年，美国国家科学与数学教师学会（Central Association of Science and MathematicsTeachers）就首次提出了“在科学教育中，应当强调科学方法及过程”。时至今日，理解科学的本质这一科学教育目标已被多数科学家、科学教育组织和科学教育者所认同。

2.1 科学本质内涵与范畴的阐述

虽然科学教育界对培养学生发展适当的科学本质观的重要性达成共识，但是从科学哲学领域对科学本质的探讨中可以看出，科学本质的哲学认识一直在发生着变化，科学本质并非单一的观点，而是涵盖了关于科学的一系列的观点，很多问题尚且存在着争议，那么我们在中等教育阶段应帮助学生发展怎样的科学本质观呢？科学教育机构和学者纷纷对此展开了研究。

The Center of Unified Science Education（ 1974）列出了科学知识本质的九个方面：暂时的（服从变化并且不是绝对的）、公开的（基于公开的而不是个人的证据）、可复制（基于证据）、或然的（使人们能进行或然的预测和解释）、人文主义的（是人类想象和创造的产品）、历史主义的（过去的知识是当前科学知识的基础）、独特的（以其本质和过程与其他获得认识的方式相区别）、整体的（内部一致）、经验主义的（基于观察和实验）。

在上述科学知识本质观的9个因素的基础上，Rubba和Andersen （1978）等合并了其中部分交叠的因素，建立了科学知识本质观模型：无关道德的、创造性、发展性、简约性、可检验的、同一性。

美国科学促进协会在《面向全体美国人的科学》（“2061计划”丛书）一书中，集合了上百位科学家、工程师和教育学者经过三年的努力，从科学世界观、科学探究和科学事业三个维度阐释科学本质。

Collette和Chiapetta （1994）基于后现代科学本质观从以下三个方面阐述科学本质的范畴与内涵：科学是探究自然界的“思考”方式（a way ofthinking）；科学是一种“探究”的方式（a methodand a way ofinvestigation）；科学是知识的集合体（ahody of knowledge）。

McComas和Olson（ 1998）两位学者利用质性的方法分析了美国、澳大利亚、英国、新西兰、加拿大五个国家八份科学课程标准文件中有关科学本质的陈述，将其中一致的观点归纳如下：（1）科学知识兼具持久性和暂时性的特征；（2）科学知识非常（但不是完全地）依赖观察、实验证据、合理的论证以及怀疑的态度；（3）通向科学的道路并不唯一（因此，并不存在普适的、逐步的科学方法）；（4）科学试图解释自然现象；（5）在科学研究中，定律和理论扮演着不同的角色，因此学生应该注意，就算有再多的证据，理论也不会变成定律；（6）各种文化背景的人都对科学有贡献；（7）新的知识需要清楚并公开发表；（8）科学家需要精确记录，研究结果需经过同行评审和重复实验；（9）观察是理论蕴含的；（10）科学家具有创造性；（11）科学史揭示了科学兼具渐进性和变革性特征；（12）科学是社会和文化的一部分；（13）科学和技术相互影响；（14）科学观念受所处的社会和历史环境的影响。

英国2000年公布的《国家科学教育课程标准》（ Science in the National Curriculum）把科学本质列入主要目标，并对处于四个不同关键阶段（keystage）的学生提出了具体的教学要求：关键阶段一（1～2年级），认识通过观察和测量收集证据回答问题的重要性；关键阶段二（3～6年级），利用证据检验科学思想的重要性；关键阶段三（7～9年级），运用事例说明经验性问题、证据和科学解释；预测并检验预测结果与证据的一致性；关键阶段四（10—11年级），如何提出、评价和传播科学思想；科学观点因证据的不同会产生不同的解释；科学工作者的背景对工作方式和科学思想传播的影响；思考科学的力量和局限。

Osborne（2003）等采用德尔菲调查法（Delphi），调查23位国际上不同领域的知名专家，确定了科学本质的9个主题：科学方法和批判性测试；科学的创造性；科学知识的历史发展；科学与质疑；科学思维的多样性；数据的分析和解释；科学的确定性；假设和预测；科学知识发展需要合作。

美国研究科学本质的资深专家Lederman（2004）等指出中学阶段应该教授一些没有争议或争议较小的科学本质内涵：暂时性；基于经验的；主观性；创造性；植根于社会与文化；观察与推论；定律与理论。

McComas （2008）提出了适用于K-12（幼儿园到12年级）的核心科学本质观：科学成果需要并依赖于经验证据；科学知识的形成过程有着许多共性，如思维的习惯、准则、逻辑思考、观察和数据记录的方法、忠于事实的记录等；科学知识具有暂时性、持久性、自我修正性；定律和理论相互关联，但属于两种不同类型的科学知识；科学具有创造性；科学具有主观性，即观察是理论蕴含的。这种主观性在科学探究中既可能起积极作用也可能起消极作用；科学的实施和研究方向会受历史、文化和社会的影响；科学和技术相互影响，但并不相同；科学不能回答所有的问题，存在着局限性。

从上述部分科学教育机构和学者对科学本质内涵与范畴的研究中可以看出，不同领域的学者之间、甚至在同一领域的不同学者之间、不同的科学教育文件之间对科学本质的内涵与范畴的阐述各不相同，存在着某些差异或者说各有侧重。分析这些观点，笔者认为有两点值得我们思考：

第一，科学教育界对科学本质的内涵是否形成一致的认识；

第二，上述科学本质的内涵与范畴与科学哲学主要流派中的科学本质观之间有着怎样的关系。

以下将从这两个方面展开分析。

2.2 科学本质教育中存在的分歧与达成的共识

研读上述科学本质的内涵与范畴，并查阅相关文献，笔者认为虽然科学教育界未就科学本质形成一个明确统一的定义，但是对于中学阶段应教授怎样的科学本质观已逐步达成共识。

2.2.1 尚未形成明确统一的科学本质定义

科学教育界虽然一致认为培养学生理解科学的本质是十分重要的，但科学本质并非一个单一的观点，其本身存在着复杂性与多元性，至今科学教育界并未对科学本质形成一个明确的、统一的定义。

2.2.2 就中学阶段应教授何种科学本质观逐步达成共识

部分学者认为科学本质的内涵存在较大分歧。Stanley和Brickhouse指出“尽管几乎每个人都同意应该传授学生关于科学本质的观点，但是对于应该教授哪些科学本质的观点却有相当大的分歧”。哈佛大学教育哲学研究中心的学者Alters也认为科学本质的观点未取得一致。Alters整理并归纳了39项科学本质的具体内涵，从美国科学哲学协会（ Philosophy of Science Association，PSA）中选择了210名会员对这39项科学本质的观点进行了调查，分析176份有效问卷后发现不同的科学哲学家对科学本质的观点未取得一致。

但是，更多的学者认为尽管在哲学层面上科学本质的理解还存在着较大的分歧，但是这种争论与中小学科学教育关系并不紧密，中小学教育阶段对科学本质的理解上并不存在很大的分歧，可以说虽然科学教育界并未对科学本质形成完全一致的定义，对于科学本质的具体内涵和范畴的阐述也各有侧重，但是在很多观点上是达成共识的。Alters的研究遭到了很多科学教育研究者的质疑。Smith、Lederman、Bell、McComas和Clough五位学者认为Alters的调查设计、语句陈述、数据解释存在着问题，只选择科学哲学家为研究对象也欠考虑。Abd-El-Khalick、Bell和Lederman指出，对于哲学层面上的科学本质的定义及理解的分歧或许会长时间存在于哲学家、历史学家和科学教育工作者之中，但是这些对于学生而言太过抽象，而且和他们的日常生活也并不紧密相关，除却这些争论以外，仍有一些科学本质的认识是普遍被接受的，这些普遍被接受的科学本质观能够被中小学生所理解并与他们日常生活相联系，而对于这一层面上科学本质的理解，哲学家、历史学家和科学教育工作者并没有很大的分歧。

McComas和Olson对科学教育文件展开研究，研究表明中学阶段应教授怎样的科学本质观达成了部分共识。McComas和Olson运用定性的方法，从科学史、科学心理学、科学社会学以及科学哲学四门学科的角度对科学进行审视，分析了美国的《科学素养的基准》（Benchmarks for ScienceLiteracy）、《加利福尼亚州公立学校的科学架构》（ Scienc，e Framework for California Public， Schools）、《国家科学教育标准》（National Science EducationStandards）、《科学人文》（The Liberal Art ofScience），澳大利亚的《科学陈述》（A Statementon Science），英国的《国家科学课程》（Science inthe National Curriculum），新西兰的《新西兰科学课程》（ Science in the New Zealand Curriculum），加拿大的《共同框架》（Common Framework）共五个国家八份科学教育文件，统整出14项高度重迭的科学本质观点（详见2.1）。这14条高度重迭的科学本质观点表明这些科学教育文件对于应该教授何种科学本质观达成了部分共识，而这些文件无一不是众多科学家、科学教育者、教育方针制定者、科学教师等共同讨论的产物，这也说明他们对这一问题达成了共识。

Osborne等五位学者展开调查研究，结果进一步表明中学阶段应教授怎样的科学本质观达成了部分共识。Oshorne、Colins、Ratcliffe、Millar和Duschl五位专家采用德尔菲调查法（Delphi），调查23位科学教育家、科学家、科学历史学家、科学哲学学家和科学社会学等不同领域的具有国际知名度的专家学者，结果表明有9项科学本质主题在这些专家中达成共识，并将这9项科学本质主题与McComas、Olson两位学者在1998年得出的14项高度重迭的科学本质观点进行对照，表明两项研究的结果具有相似之处，进一步说明在科学教育界对应教授何种科学本质观逐步达成共识。

2.3 不同哲学流派的科学本质观在科学教育文件中的“融合”

面对不同哲学流派持有的不同科学本质观，科学教育界义是如何对待的呢？仔细研读上述研究机构、专家学者提出的科学本质观就会发现，他们并没有全盘接受某一流派的观点，而是采取了一种“融合”的方法，这些科学教育文件或研究成果中既有逻辑经验主义等传统倾向的科学本质观点，义不乏历史主义倾向的科学本质观点。

McComas提出的适用于K-12的核心科学本质观中强调了科学的主观性：“科学具有主观性，即观察是理论蕴含的”，“科学具有创造性”，这恰是否证主义和历史主义所强调的；但同时也指出“科学成果需要并依赖于经验证据”，这义意味着科学具有客观性，是具有传统倾向的科学本质观点。

上述对科学本质内涵和范畴的阐述，大多将科学的暂定性本质作为一条重要的科学本质观列出认为科学知识是可错的、发展的，不能等同为真理，但也不否认科学知识具有持久性。如McComas和Olson分析五个国家八份科学课程标准文件中有关科学本质的陈述后归纳出“科学知识兼具持久性和暂时性的特征”是这些文件中14项高度重迭的观点之.。

此外，“可检验的”是倾向实证主义的科学本质观；“可证伪的”则是倾向否证主义的科学本质观；而强调科学发展兼具量的积累和质的飞跃、关注科学与社会、文化、历史的关系义是倾向历史主义的科学本质观。

这种“融合”的出现，一方面正体现了科学本身的复杂性和多元性，另一方面也是科学教育对学生所处的年龄阶段的考虑。科学教育中不应过度极端地强调某一流派，有学者认为当今科学本质的概念被有些极端提倡实证主义或历史主义的学者过度简单化了，倡导科学教育里应教授“平衡的科学哲学观”。

3 结语

本文从科学哲学和科学教育的角度对科学本质进行了理论层面的探讨。近来，科学本质教育正受到越来越广泛的关注，科学本质相关内容的研究非常丰富，研究视角逐步由理论转向实践，尚有许多问题值得我们进一步去探索。