辩证地认识科学知识与科学教学

吕 德 明

(温岭市城南中学，浙江 温岭 317515)



学科探究

辩证地认识科学知识与科学教学

吕 德 明

(温岭市城南中学，浙江 温岭 317515)

中学科学教学的现状中有很多不科学的做法。由此从树立正确知识观入手，以掌握正确的科学方法、领会正确的科学精神为途径帮助教师树立正确的教学观，使学生在学习科学知识的同时体会科学文化，并最终建构属于学生的对宇宙的认知图式。

科学知识；科学方法；科学文化；科学教学

一、中学教师知识观和教学观的现状

水中的倒影与摆动的小球遵循着对称之美；天体的运行和原子的模型体现着统一之美；热水中的冰块和通过摩擦获得的电荷展示着守恒之美。自然界在这些美妙的现象中向我们展示着它的神奇，同时它还隐藏着无数的秘密、遵循着许多特有的规律，这一切并不会因为我们尚未发现而停止运转。科学家们走在时代前面，通过不断努力地观察和实验，探寻着这些现象背后的规律，向世界提出他们对这些现象最好的解释。然而，审视我们周围科学教学的现状却不容乐观：大部分教师认为书本中的科学知识就是科学真理，是永远正确的理论，任何与之相违背或有偏差的现象一定是我们自己出了错，并想方设法推翻这些不符合理论的现象。认真思考之后不难发现：这种做法和反对日心说的教会又有什么区别呢?所以，科学教学应该走和科学家一样的从已知到未知的道路。

二、树立正确的知识观

科学知识的产生是以科学家们为主体，是他们在对宇宙中各种现象即客体认识过程中所提出的描述。这个认识过程为：从观察事实中发现问题→针对问题建立符合科学家信念的猜想→通过观察实验获得证据验证猜想→大量证据符合猜想则猜想被接受并最终变成理论→不符合猜想则推翻原来的猜想并寻求更好的猜想。这里需要强调的是，科学理论来自某种信念下的猜想，因此都具有假设性。目前的科学理论虽然经受了大量的检验，但不能被当作绝对真理。因为，纵观整个科学史我们会发现：只要出现一些新现象不符合理论，该理论就面临着被更替的境况。所以，科学知识的产生和发展是一个循序渐进的过程，它既包含继承与发展，也包含批判与颠覆。正如艾伦·查尔默斯在《科学究竟是什么》一书中提到的：“理论是人类智力创造的推测性和试探性的猜想，克服先前理论遇到的问题，给世界和宇宙某些方面提供适宜的描述。理论不一定是真的，但可以是最好的。”[1]

1.科学知识的发展规律

从有文字记载以来人类文明经历了5 000多年，科学知识也是从那时开始萌芽。科学知识的发展具有积累性、渐进性、继承性和有序性，呈现循序渐进的发展。[2]从发展过程分析，科学知识的获得经历了无数的曲折。科学知识发展历程就像达尔文的进化论一样，由过度繁殖→生存斗争→遗传变异→适者生存。我们呈现给学生的知识就是其中的“适者”，在现代科学知识达到了一个爆炸式发展的黄金时期。作为学生的引路人，教师也要不断学习、更新观念，因此，在知识的海洋里对每个人既是机遇也是挑战。

2.科学知识的联动性

科学知识量的积累到达一定程度就会发生质的飞跃，这些飞跃就会引发变革。从冷兵器到火药，从马车到蒸汽机，从煤油灯到电灯，这些技术上的进步都离不开科学，同时科学的发展也离不开技术的进步，它们是相辅相成的。科学技术和社会同样存在这样的紧密联系，民主的社会会促进科学技术的发展，反之则抑制。我国古代的“焚书坑儒”、欧洲“黑暗的中世纪”导致科技出现空白就是很好的例证。当今，科学技术这把双刃剑对环境影响显现得越来越明显，关注科学技术与环境，学会运用知识促使人与环境和谐发展，也是我们必须考虑的问题。这些现象都说明了科学知识不是孤立地存在，而是与技术、社会和环境紧密结合在一起体现着复杂的联动性。

三、树立正确的教学观

很多学生都曾经做过一个科学家梦：长大以后成为一名科学家。然而，随着他们所获得知识的增多，这个梦也在慢慢地幻灭。究其原因为我们和科学家之间没有沟通的渠道，现代的科研总是被一些先进的仪器武装起来，让人望而生畏。其实，这是一个误区，研究任何科学问题时，科学家们最初的想法都是非常简单、非常朴素的。[3]那么，我们在教学中要给学生留下什么呢？笔者认为在科学教学中，辩证地认识科学知识产生的过程，运用好观察和实验、归纳和演绎等科学方法，带领学生们在不断地拨开层层迷雾中渗透科学精神，探寻未知世界并建立他们自己对世界的认知，才是我们科学教育工作者努力的方向。

1.准确地利用科学方法建构科学知识

人类通过感官感受世界，通过对观察到的现象的分析建立对世界认识的图式。从问题出发，利用观察和实验获取经验事实是建构知识的首要任务。从观察和实验到科学理论的建立是一个曲折的过程，正是因为它的曲折才使我们有探究的冲动。因此，在教学中我们不能走捷径，要让学生充分进行观察和实验，以此主动获得经验事实。否则，科学教学就会走回迷信权威的历史覆辙之中。

(1) 全面无偏见地观察。我们的眼睛只能看到可见光，我们的耳朵也只能听到频率为20～20 000 Hz的声音，我们所感受到的世界并不是世界的全部，盲人摸象的故事就是一个很好的例证。在这样有限的观察范围内，就必然需要我们进行认真细致的观察以防止以偏概全。

例如：活泼金属与酸反应。为了确定反应的发生，我们需要在实验中观察产生的现象。在实验中学生往往最容易被产生气泡的现象吸引，而忽略了其他现象的存在(如溶液颜色的变化、金属反应前后的金属光泽等)。这样的观察结果能否证明金属与酸发生了化学变化呢？答案当然是否定的，就像如果我们把塑料球放入雪碧瓶中，塑料球周围也会布满气泡，但这并不是塑料球与雪碧发生了化学变化。这个事例提醒我们，观察需要排除我们的主观意识，系统全面地观察是保证我们认识事物规律、减少错误出现的重要保障。

(2) 利用已有知识描述观察事实。可观察的经验事实，在不同人的头脑中会呈现出不同的形态，因此，学生陈述的观察事实也是可错的。为了科学地描述观察事实，我们必须以已有知识为前提，在已有知识的框架下陈述观察到的现象。

例如：学习“条形磁铁周围存在磁场”，在条形磁铁周围放入小磁针，会观察到小磁针在磁铁周围的不同位置处放置时N极的指向是不同的。但是，学生对于这一观察事实的描述却并不一定会向我们预期的目标前进。在很多学生的前概念里小磁针在磁场中是会运动的，因此，他们描述的观察事实往往会是“小磁针在条形磁铁不同位置都会转动”。这样的描述就忽略了小磁针的主要作用是指示方向这一科学知识。如果他们意识到要用指示方向这一科学知识，再进行描述的时候，就能更准确地陈述观察事实。

2.从陈述事实中提出假说

陈述事实只能说明科学中的某个事件，要想使有限的陈述事实变成科学知识，需要我们从有限数目的具体事件中，提出适合这些事件普遍认同的最好解释，从而使陈述事实逐步上升到普遍的科学理论。

(1) 从大量事实中归纳出统一规律，提出假说。自然界中有很多事物，存在大量可以通过观察和实验来获取陈述事实的例证。但是，这些事实或实验结果是在特定的时间和特殊的条件下获得的，即使数量很多也并不能代表事物的全部。科学的目的不是认识某个事物的结构、性质或规律，而是研究事物之间的普遍联系。因此借助已获得的事实，归纳概括出从个别到一般的假说就更有利于认识事物本质。

例如：水中有倒影、铜镜可以成像、玻璃幕墙会反光、穿白色衣服更凉快等等现象在光的世界中广泛存在。通过概括这些普遍存在的现象，我们会发现光传播到这些物质时，传播方向会发生改变。这样的陈述事实只能告诉我们有限的经验，而如果我们想要得到更加普遍的知识，就必须在普遍现象的基础上建构出合适的假说，光的反射概念由此应运而生。光的反射概念的提出最大的优点在于，它使人们对光的传播方向改变这一事实的认识，从个别现象归纳出普遍概念。如果想要对光的反射有更深入的认识，就必须以定性描述为基础，精确地找出入射光线和反射光线间的定量关系。建立定量关系的过程，即确定入射角和反射角的具体数值，并且得到有限个角度相等。要实现个别到一般的提升可借助数学语言进行归纳性描述。我们把入射角用变量i表示，反射角用变量i′表示，这样建立的等式就摆脱了具体的数值，进而得到普遍规律。学生学习这一知识的过程，就是建构对光的反射的认知的过程，通过实验获取证据来验证猜想。不论证据是否支持自己的猜想，尊重证据、尊重事实是必不可少的重要思维品质。

(2) 从少量事实中演绎出一般规律，提出假说。自然界是神秘的，因为很多现象发生的概率很低，或者发生的时间短暂，或者已经一去不复返。面对这样的现象靠归纳的方法是不可靠的，这就需要我们利用已有知识演绎出对自然界适宜解释即假说，并以此预测我们未知的现象，以判断假说的正确与否。

例如：对于宇宙的起源的认识。康德和拉普拉斯最早根据观测到的太阳系本身运动规律，利用角动量守恒原理建立了星云假说，他们第一次把上帝排除在太阳系之外，并把演化的思想带进了天文学。哈勃根据观测到的谱线红移现象做出宇宙膨胀的解释。勒梅特在哈勃基础之上建立了“膨胀宇宙模型”，他对宇宙中恒星之间的位置不断远离，而且离我们越远的恒星，远离我们的速度越快这一现象提出了解释。1948年美国物理学家伽莫夫等人提出“大爆炸宇宙模型”，并预言宇宙中现在还存在着大爆炸的余热，估计温度在绝对10度左右。1964年科学家们发现了这种微波背景辐射，从而使该理论得到极大的支持，即现在普遍认可的宇宙大爆炸学说。宇宙形成于约137亿年前，人类不可能回到过去，所以对于宇宙起源之谜我们所知的事实很少。在这种情况下，我们对宇宙起源之谜只能进行推测和猜想，所得到的描述也只能是一种假说。哪种假说能预言更多我们所未知的现象并最终被我们观测到，那么该假说就更易被人们接受。

3.由归纳和演绎获得的知识也是可错的

由归纳法和演绎法提出的假说，在得到事实证据支持的情况下，就会逐步演变成科学知识。不论是归纳法还是演绎法，由这些方法推导出的科学知识都是以有限的事实为前提。然而，由这些方法获得的知识，却是要解释宇宙中无限多的事件，所以，这些知识也可能是错误的。

(1) 观察手段的进步导致不完全归纳产生的知识错误。事物是发展和变化的，一定时期的观察会随着观察工具和人类认识水平的进步，而产生对事物解释新的变化。

例如：亚里士多德被称为希腊的“百科全书”，他认为重的物体下落快。在迷信权威的古代，这种观点历经两千多年一直被大家广泛认可，因为，在当时的社会里空气阻力是无法排除的，那么，重力越大的物体空气阻力对它的影响也就越小。当时伽利略提出了逻辑思辨：把大小不同的两个铁球绑起来哪个先落地？用逻辑分析来证明，亚里士多德的观点是错误的。证明某个观点是错误的方法多种多样，但是，人们更愿意接受眼见为实。当两个物体质量相差悬殊且能同时落地时，人们就会接受这样的事实。利用现代的工具我们可以做这样的实验：把钢珠、羽毛放到一个透明的玻璃管内，抽出玻璃管内的空气，让钢珠和羽毛同时下落。最终，在新工具的帮助下，我们发现他们同时落地。这个例子说明了任何人通过归纳得出的知识，都是可错的。

(2) 误差存在产生的错误。科学理论在形成初期一般以定性解释的形式出现，随着理论的不断完善以定量的数学形式出现就更具备可检验性，也更易被人们接收。但是，精确定量的数学表达形式却常常从并不精确的观察测量中获得，也是可错的。

直接观察存在误差，如我们观察远处的景物或在远处观察平面镜中物体像的大小，距离越远我们感觉观察到的物体越小。而间接观察数据也可能存在误差，如Q=mq，热值是单位质量的物体完全燃烧所产生的热量。由公式测量热值时，首先我们不可能做到完全燃烧，因为氧气与物体接触面积有限；其次，即使我们扩大了接触面积也不可能使热量不散失。这样，看似精确的计算公式就存在很多不确定因素。

4.在科学教育中渗透科学文化

我国的传统文化重视人的道德规范，对全世界都产生了深远的影响。但是，这种过分强调人的尊卑、中庸的思想易于使人们迷信权威，其对于人们求真、创新、坚持不懈和实事求是等科学精神、科学意识和科学态度的发展有一定的阻碍作用。在科学教学中，我们可以利用科学史向学生展示科学发现过程中科学家所体现的科学精神。例如：竺可桢为了研究气候问题几十年如一日地坚持科学观测；邓稼先为了获得核裂变反应的具体数据，冒着生命危险进入辐射区域采集第一手材料；亚里士多德为了真理冒着天下之大不韪批判他的恩师柏拉图的学说。这些事例中所体现的科学精神，正是我们平时教学中所缺失的科学文化。学生们只有充分认识到科学文化内涵，才能使科学素养的提升成为可能。

总之，在科学教学中我们只有树立正确的知识观和教学观，才能摆脱现有知识的羁绊；才能更理性地认识科学理论，更自信地去揭示宇宙的奥秘；才能更科学地帮助学生掌握科学方法，继承和发扬科学精神，并最终建构属于他们的对世界的最好解释。

[1] 艾伦·查尔默斯.科学究竟是什么[M].邱仁宗，译.石家庄：河北科学技术出版社，2002：96-97.

[2] 栾早春.自然科学的发展规律[J].科研管理，1982(1):2.

[3] 刘睿铭.科学的故事[M].长春：吉林出版集团有限公司，2014：181.

[责任编辑：陈学涛]

[DOI]10.16165/j.cnki.22-1096/g4.2016.08.018

2016-03-23

吕德明(1979-)，男，黑龙江七台河人，中学高级教师。

G633.7

A

1002-1477(2016)08-0070-04