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科学本质及其教学建议

2017-10-28曹宝龙

物理教学探讨 2017年9期
关键词:探究式教学

作者简介:曹宝龙,教育学博士,教授,中学正高级,中学物理特级教师。浙江省科学教育学会会长,浙江省物理学会副会长,杭州市特级教师协会副会长兼秘书长,浙江省督学。教育部课程教材专家委员会委员,高中物理课标修订组核心成员。浙江大学教育博士导师,杭州师范大学应用心理学硕士生导师。现任杭州市基础教育研究室主任。研究方向:学科教育(物理、科学)与心理发展。

摘 要:科学本质包括了科学知识、科学过程与方法、科学家共同体、科学研究的成果和科学应用与社会实践几个方面。构建科学本质的内容体系与教育要求可以使科学本质教育的目标更明确。要认识到科学本质教育的重要性;研究与实施基于科学课程的科学本质教育的内容;实施义务教育全学段的综合科学课程;在科学课程中融入科学史、科学哲学和科学社会学的内容;改进科学探究式教学;改革科学教育的评价体系,突出考查科学本质。

关键词:科学本质;科学本质的内容;科学本质教育要求;探究式教学;HPS教育;科学课程评价

中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2017)9-0001-5

科学有其本质特征,科学本质反映了科学发展的过程和科学发展的成果。科学家研究与创新的科学活动过程及科学成果的应用过程与方法都有其本质特征。通过科学课程的教学,让学生在探究科学的过程中理解科学本质,这是培养学生科学素养的一个重要方面。

1 科学本质的概念

1.1 科学本质的观点

Collette和 Chiapetta 认为科学本质包括三个方面:①科学探究是自然界的“思考方式”:以证据为基础;科学知识是主观的,它与客观之间有区别;从假说到验证再得出结论是科学的一般过程;②科学是 “探究”:进行科学探究需要合适的研究方法,但在研究方法正确的情况下,有些问题还是不能解决;③科学知识是暂时的、动态性的:科学知识必须经常面对质疑、验证,进而发现其错误的地方,再加以修改,甚至完全推翻,或证实其合理性从而接受它。[1]

莱德曼从科学知识的暂定性、经验性、创造性和主观性、社会性、科学理论的建构性、实证性、科学理论的来源等几个方面对科学的本质作出了解释。[2]

美国科学促进协会则认为科学本质可从科学世界观、科学探索和科学事业三个方面进行描述。而逻辑实证主义则认为科学本质包括科学知识、科学方法和科学事业三个方面,认为任何没有经过科学探究方式所得到的结论, 都不是科学知识。观察是科学知识的来源,通过观察所得到的资料一定是客观的。科学探究方法是由收集资料;分析、比较、归纳资料;提出假设;验证假设;得出结论等程序构成的。凡是没有依据此模式的探究方法不能确定为科学方法。科学家的任务就在于发现自然界的真理。科学家应该永远保持价值中立,做客观的研究者。[3]

麦克马斯从国家课程标准比较研究中得出科学本质的共同性,认为有以下几个方面:科学知识是可信的,同时又是试探性的;科学知识依赖于观察、实验证据、理性的辩论和质疑;科学试图解释自然现象;定律和理论在科学中具有不同的角色;所有文化背景的人都对科学有贡献;应清楚地、开放地报告新知识;科学需要精确地记录保存、同事评议;科学结果有可重复性;观察建立在理论的基础上;科学家是创造性的人;科学的历史既是进化的, 又具有革命性;科学是社会和文化传统的一部分;科学和技术相互作用;科学观点受社会和历史背景影响。[4]

PISA则认为科学素养是个人应对环境的需要,受科学知识和科学态度的支持与影响,而科学知识则分为“科学的知识”(knowledge of science,主要是由物质科学、生命科学、地球与空间系统和技术系统组成)和“关于科学的知识”(knowledge about science,主要由科学探究和科学解释组成)。[5]因此,从PISA的分类来看,科学本质应该是“关于科学的知识”和“科学态度”两个部分组成的。它們由科学探究(源起、目的、实验、数据、测量和结果描述)、科学解释(类型、方法、规则和结果)、对科学探究的支持、作为科学学习者的自信、科学兴趣和对资源与环境的责任等组成,其大部分体现了科学本质的内容。

科学本质研究是科学哲学与科学社会学的重要内容,它对科学的发展、科学教育、科学普及教育和提高全民的科学素养有重要意义。因此,理解科学本质的概念,界定与厘清科学本质的内容框架体系是科学本质教育研究的关键。

1.2 科学本质的概念

对科学本质研究的各种观点都是为了厘清科学的内在本质,使科学研究活动更能看清大势,使科学教育活动符合科学的本质,突出培养学生的科学素养。科学本质应该反映科学本身的性质、科学创造的过程与方法及科学对技术和社会的互动性等几个方面。虽然对科学本质的研究的观点比较多,但没有形成一个系统性的结构,所以需要我们在各种观点之上形成自己的科学教育的语言体系,以利于科学教育和科学本质教育。

我们认为:科学的本质是反映科学知识、科学方法与过程、科学家的创造活动和科学与技术及社会等相互关系的,是体现科学内在特性和外在表现的科学解释。

纵观科学本质研究的各种观点,其主要的研究可以概括为以下几个方面:①科学知识的性质。我们认为科学知识是科学研究的结果,反映了科学研究对象的内在规律;科学知识反映客观规律,但其呈现方式和结果具有主观性;科学知识总是在从相对真理向绝对真理逼近的过程中。②科学研究的过程与方法。我们认为科学活动依赖于科学研究的工具和方法;科学依赖于观察、实验及通过它们获得的证据;科学探究的方法既具有共同的范式,更具有灵活的创造性。③科学研究的共同体。科学是人类共同创造的文化,科学家是创造的主体;科学研究需要有怀疑与批判的精神;科学家们具有共同的中立的价值观,他们的任务是发现和完善真理。④科学研究的成果。科学成果是建立在可靠的证据之上的,是可以被重复与检验的;科学结论的获得过程遵从理性精神;科学结果具有系统性与严谨性。⑤科学应用与社会实践。科学可以应用于技术与社会;科学与技术有互动作用;科学技术可推动社会的进步与发展;科学与技术的发展应该保护与改进生存环境。我们可以用图1来表示这5个方面之间的关系。endprint

2 科学本质教育的内容体系

科学本质教育需要有纲领性的要求,教育内容必须系统化。尤其是中小学科学教育中,应该让全体科学教师明确科学课程的科学本质教育内容,主要围绕以下几个问题展开:科学教育的框架是什么?科学本质教育框架体系中各条目的具体要求是什么?一个具体科学知识可以承载的科学本质教育的内容与要求是什么?如何实施科学本质教育?为此,笔者试图构建一个具体的中小学科学教育内容框架(见表1),以供科学教育工作者参考。

3 科学本质的教学建议

科学本质教育是要保持和提高科学兴趣、提高学生的科学素养。科学本质教育的主阵地应该在科学课堂,因此,课堂教学中注重学生的科学本质教育十分重要。针对目前我国中小学科学课堂的实际,提出如下教学建议。

3.1 充分认识科学本质教育的重要性

①科学本质教育是培养学生正确的世界观与价值观的需要。正确的世界观与价值观是建立在学生的实践与体验基础上的。科学实践与体验可以使学生形成尊重客观事实、尊重实践经验的意识。学生通过科学实践活动就会逐步认识到:人们对世界的认识是建立在对客观世界的观察、分析、推理基础上的。我们所有对客观世界的认识都需要证据支持。人们对世界的观点与看法需要在对现象进行分析的基础上来建立理想化的模型,并揭示模型遵从的规律。科学规律反映了客观规律,但科学规律本身并不是客观的。

②科学本质教育可以加深学生对科学活动的认识。科学探究活动可以使学生认识到科学研究的艰难性与复杂性,认识到科学探究需要各种科学方法。认识科学探究活动需要进行观察、猜想、假说、实验、操作等各种方式,科学活动是艰苦而有趣味的探索活动。

③科学本质教育可以使学生认识到科学探索活动需要质疑与批判精神。科学知识反映了客观现实,但科学理论不是绝对真理,它的形式会受到新的事实的挑战,科学永远走在趋向绝对真理的路上。因此,科学没有迷信与崇拜。

3.2 研究与实施基于科学课程的科学本质教育的内容

①研究科学本质教育的内容框架体系。作为中小学科学教师应该学习科学哲学、科学社会学等系统性的理论,搞清科学本质教育与科学素养培养之间的关系。研究科学本质教育的具体要求,最重要的是让科学本质教育的内容条目与学生学习的学科内容、学生的学习阶段特征、学生的心理发展特征等因素联系起来,构建有效的且适合自己学校、学段的内容体系。

②研究科学本质教育的方法与途径。科学本质教育与科学的学科内容的学习是一个整合的学习体系,科学本质教育的融入可以使科学教育更符合科学素养的要求,以此提升学生学习的动力,提高学生的科学能力。因此,科学本质教育依赖于科学学科内容的教学,科学学科内容的学习质量的高低当然也依赖于科学本质教育的成败。

3.3 建议实施全义务教育段的综合理科课程

科学教育的课程体系应该是一个从综合逐步走向分科的过程。一般来说,小学与初中实施综合理科课程。目前除了浙江省以外,其余各地在初中阶段都采用了分科的物理、化学、生物等课程,这使得科学本质教育在初中这个关键阶段难有满意的结果。一般来说,科学的分科教育会过多地强调学科知识的逻辑体系,而弱化作为体现科学共同性的科学本质教育的内容。例如,过分强调“科学的知识”而弱化“关于科学的知识”;过分重视作为结果的知识而轻视知识发生与发展的过程;过度重视科学知识应用于简单而非实际的问题与情境,而忽视科学知识在真实情境的实用性的项目学习(Project-based learning)。

初中阶段实施科学综合课程,可以培养学生对真实情境问题的探索兴趣和能力,实施综合性问题为基础的项目学习方法。例如,河道治理的生态修复工程、农村污水的小型综合治理工程、学校操场的跑道设计等,都是良好的综合学习项目。学科的综合性越强,综合性问题越容易进入学生的学习并成为探究内容。

3.4 课堂教学设计中融入科学史的内容

从建构主义思想分析,学生對科学内容的学习是建立在科学已有知识的基础上的,是一种新旧知识整合的重新建构过程。因此,科学研究的一般性方法及科学家的研究方法等内容有助于学习者建构新的知识结构。

建构主义的科学教育专家们倡导HPS(History, Philosophy and Sociology of Science,缩写成HPS)教育,即把科学史、科学哲学、科学社会学纳入中小学的科学教育课程中,有助于提升学生的科学素养。孟克(M.Monk)和奥斯本(J.Osbone)认为,把科学史融入科学课程可以采用六步教学模式[6]:①演示现象;②引出观念;③学习历史;④设计实验;⑤呈示科学观念和实验检验;⑥总结与评价。

这种教育模式的优点是:①有助于发挥学生的主体性;②有利于培养学生的探究设计与操作能力;③让学生认识到科学可能会成功,但很多时候是艰难的、失败的;④使学生从科学研究中“知识的获得—产生问题—重新假设与实验—新的结论”的循环历史中,认识到科学成果的暂时性;⑤让学生从科学家的研究史中体会科学研究的艰难性,同时体验科学研究的乐趣。

3.5 改进科学探究式教学

科学课程的实施要选择合适的内容来进行真实情境下的问题探究活动。探究是科学的本质,探究的过程既能提升学生的科学能力,又能使学生认识到科学过程最重要的本质特征。目前,我国中小学科学课程比较重视探究性教学,但也遇到了一些问题。

笔者认为,目前我国中小学科学课程实施中存在以下问题:①探究的内容选择不当。科学课程的内容体系中有些内容适合于讲解,有的内容适合于师生共同讨论,而有的内容适合于学生合作探究或独立探究。教师要从教材体系、探究的本质、学生的能力几个方面来考虑,选择与设计合适的探究问题。②探究教学设计不当。探究教学的设计要依据科学探究内容的本质特征、学生的认知实践能力和科学探究的精神进行有效的活动设计。在活动的设计中,即使有一个方面考虑不周,也会使得探究流于形式,起不到探究应该有的效果。例如,有的教师用探究的六个全程步骤来解决一个小问题;有的教师用八股式的设计来进行教学设计与实施,使得探究活动变得僵硬、乏味;③重视探究的形式,而忽视探究的内在本质。探究的灵魂在于其进入未知世界的神秘,如果不是,那就是流于形式。endprint

改进探究式教学,需要重视以下几个方面:①重视探究问题的本质;②重视探究过程的思维活动;③重视处理好探究活动中独立思考与合作学习间的关系;④重视探究活动中学生的实践与体验的份量;⑤重视学生自主探究与教师必要的指导的关系。

3.6 改革科学教育的评价体系,突出考查科学本质

科学本质教育的内容应该占科学教育不小的比例,一般有三分之一左右(例如PISA测试框架中“关于科学的知识”占30%~35%)[7],因而要研究科学课程的考试与评价方案,突出科学本质教育。科学本质教育的测试题的研制一般比“科学的知识”的测试题更难,但质量较好的科学本质测试题会受到教师与学生的青睐。考试评价的问题设计要突出科学的问题性、过程性和综合性,问题必须基于真实情境的真实问题,考查学生基于真实情境的综合问题的解决能力。

科学本质教育是科学教育的重要内容,科学本质的深度理解有助于学生科学能力的提升。同样,学生对科学课程的深度学习也会有助于对科学本质的进一步认识。

参考文献:

[1]袁维新.国外关于科学本质教学的研究[J].比较教育研究,2009(1):7-12.

[2]Lederman, N, G Students and Teachers Conceptions of the Nature of Science:A Review of the Research[J]. Journal of Research in Science Teaching,1992(4):331-359.

[3]蔡其勇.科学哲学的文化转向及其对科学教育的影响[J].教育研究,2008(6):47-51.

[4]Mc Comas, W. F. The Nature of Science in Science Education,Rationales and Strategies[M]. Netherlands:Academic Publishers,1998:6-7.

[5]OECD(2007).PISA 2006:Science Competencies for Tomorrows World Vol.1: 34.

[6]丁邦平.科學教学改革的两种模式[J].全球教育展望,2002(11):49-54.

[7]OECD(2006).Assessing Scientific, Reading and Mathematical Literacy :A Framework for PISA 2006:26.

(栏目编辑 廖伯琴)endprint

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