科学本质观中“科学知识可能随着研究的深入而改变”对科学教学的启示

郭舒晨 刘恩山

（北京师范大学生命科学学院 北京 100875）

培养学生的科学素养是科学教育的目标。 学生的科学本质观是科学素养的重要组成部分。 在最新颁布的《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中指出要“注重生物科学史和科学本质的学习”，并列出了7 条在高中课程中适合教授的科学本质内容［1］。“科学知识可能随着研究的深入而改变”就是这7 条科学本质观的组成要素之一。

“科学知识可能随着研究的深入而改变”这一科学本质观说明，科学知识不是绝对的、固定不变的。 随着研究中新证据的发现或者对同样的数据采用不同的解释视角， 都可能促使科学知识发生改变。教师在对这条科学本质进行教学时，可结合科学史或使用科学探究的方法， 结合其他几条科学本质观，外显地强调科学知识的动态性，帮助学生更好地理解科学知识的暂时性、 发展性及其内在原因。

1 例证解析

“科学知识可能随着研究的深入而改变”，即科学知识具有暂时性和发展性的特点。 科学知识的暂时性说明，现有的科学知识不是绝对真理。各种类型的科学知识，包括：事实、理论、定律等，都可能在未来发生改变。而科学知识的这种“暂时性”正是缘于其“发展性”的特点。 科学知识的发展至少包含2 种基本情况［2］。 第1 种改变是已有科学知识的扩大，即随着研究深入，原有科学知识的解释力度变大或解释范围变广。例如达尔文的“自然选择学说”最初是在宏观层面的基础上提出的，随着基因的发现和遗传学的发展， 基因重组和基因突变等现代遗传理论从微观层面对达尔文的“自然选择学说”进行了解释，增强了自然选择学说的解释力度； 第2 种改变则是原有的科学知识被新的知识完全取代，即随着研究深入，原有的科学知识被证伪，新的科学知识产生以填补空缺。 例如，进化论中拉马克提出的“用进废退”“获得性遗传”的观点，被达尔文的“自然选择学说”所取代；又如遗传变异中早期“融合性遗传”的观点，随着孟德尔遗传定律的产生而被抛弃等。

促使科学知识发生改变的原因可大致归为2类［3］。 首先，针对已有的数据，采用新的视角或理论进行研究和解释时， 可能会产生新的科学主张或是技术上的进步。例如，在促胰液素的发现过程中，面对相同的实验现象，沃泰默基于原有的学术理论，认为胰液的分泌受控于神经调节。而斯塔林和贝里斯则采取了另外的视角，提出“胰液的分泌受小肠粘膜产生的某种化学物质调节”的假设，证明并发现了促胰液素的存在。 这一促使科学知识改变的原因也表明， 科学知识的产生会受到研究者所采用的理论影响， 而研究者所采取的研究视角则又受其主观意向、 所在的社会和文化环境所影响。 第2 种促使科学知识发生改变的情况则是研究中产生了新的、 无法被现有理论解释的观察事实。针对这样的观察事实，有必要修改甚至颠覆原有的科学知识。例如20 世纪60年代，在细胞膜结构的探索过程中， 罗伯特森结合当时科学家的研究结果和在电子显微镜下观察到的细胞膜“暗—亮—暗”图像，提出了细胞膜的“三明治”静态模型。但随着冷冻蚀刻电镜技术的出现，科学家发现膜蛋白并不是全部平铺在磷脂双分子层的两侧，而是有的镶嵌在蛋白质的磷脂双分子层中。1970年，科学家又使用荧光标记技术证实了细胞膜的流动性。 这一系列新证据的发现使得细胞膜的“三明治”模型已无法再满足证据解释的需要，于是桑格和尼克森基于新的观察事实所提出的“流动镶嵌”模型取代了“三明治”模型，至今为止，仍然为大多数研究者所接受。

由上述分析也可以看出，“科学知识可能随着研究的深入而改变”的原因可以被追溯到其他几项科学本质，即科学知识是依赖观察和推论、要高度关注主观因素的影响、科学受到社会和文化的影响等。 如果在科学研究时拥有了额外的信息、更多实证数据， 或者只是针对相同的数据采用不同的观点，都可能会得出不同的结论，导致科学知识发生改变。但同时，不仅止步于此，从逻辑论证的角度来看，人们也不得不承认科学知识的暂时性。例如，某条定律需要被证明为真，则它需要能适用于所有相关的现象和事例。 但在现有研究中，人们并不能穷尽所有的情况。科学家无法证明某条定律能解释未知的现象。 因此，科学知识永远不可能被完全证明为真，而很可能随着研究的深入而改变［4］。

在理解这条科学本质时也应该注意到， 虽然科学知识是暂时的、动态的，但这并不意味着已有的科学知识就不可信、 学习已有的科学知识就没有意义。虽然科学知识并不是确定的，但在人类现有知识水平上， 所有现有的科学知识是人们在理解自然世界时的最优解释。 即现有的科学知识虽然不是“绝对真理”，但也具有“相对真理性”［3］。尤其是那些被编入教材的科学知识， 相对于其他前沿的科学进展而言， 教材中的科学知识经历了更多实证数据的检验和发展， 相对而言具有更大解释力和稳定性。但于此同时，科学知识产生的过程是开放的， 已有的科学知识必须经常面对质疑和验证，或者发现其不完备的地方，加以修改甚至完全颠覆；或者再次证实其合理性而接受它。

2 教学建议与应用示例

采用科学史的方式进行相关科学本质的教学较为常见。在使用科学史传达“科学知识可能随着研究的深入而改变”这一观点时，应介绍科学史中不同科学家和不同阶段的科学观点， 引导并鼓励学生思考、提出自己的观点与问题，明确科学知识是变化的、发展的。 在教学策略上，可将科学史改编为戏剧， 让学生小组以角色扮演的方式进行展示。例如，教师在教授“动物循环系统和呼吸系统”这一内容时，就可以融入“科学知识可能随着研究的深入而改变”这条科学本质观［5］。 因为涉及学生展示， 教师应该在教授本节内容时提前给学生布置任务。 在课程开始前，教师就可以先指出“科学并不是一成不变的，而是发展的、动态的”这一观点，并明确课程的目标之一就是通过科学家在“动物循环和呼吸系统”这一领域的研究工作和发现历史，了解和体会科学知识不断变化的特点。学生分小组作业，选择1 位科学家（选择范围如表1所示），收集资料并形成叙事类文本，用于进行“角色扮演”的课堂展示。小组中1 位成员扮演科学家，其余人可以扮演科学家的母亲、投资人、新闻记者等角色。

表1 史上研究过动物循环系统或呼吸系统的科学家

同时， 教师在任务布置时可以列出一张问题清单（表2）。 学生在收集材料准备展示的过程中，需要根据问题清单进行自评， 确保了解该科学家足够的信息，以完成小组展示。为了增强展示活动的趣味性， 教师可鼓励学生穿着科学家所生活时代的服装进行展示，或在细节上自由发挥创造力。

表2 角色扮演资料收集问题清单

每个小组在展示环节有5 min 时间， 其他学生在观看时需根据问题清单的内容进行要点记录。展示结束后，教师组织大家讨论相应的内容和启示。 课程结束后，每位学生选择一位科学家，与本小组的科学家进行对比并完成一篇小文章作为作业提交。

除了采用科学史进行教学之外， 还可以通过设计一些独立的科学探究活动， 帮助学生理解这一科学本质。例如Lederman 和Abd-El-Khalick 设计的“黑箱（black box）”活动［6］就是一个很好的例子。 教师首先向学生展示一个不透明结构， 称为“黑箱（black box）”。 学生能够观察到，当有物质输入和输出“黑箱”时，该物质会发生一定的变化（例如，从黑箱“输入口”倒入60 mL 水，从“输出口”可获得330 mL 水）。 但学生无法看到“黑箱”的内部构造和物质在“黑箱”内发生的变化。 教师展示这一现象后， 学生分小组作业， 在教师的引导下对“黑箱”进行测试和检查，试图发现其工作原理。在整个活动过程中，学生需要经历进行观察、收集数据、进行推断、提出假设并验证假设等一系列步骤。 这一过程即是类似于科学家在探索自然世界规律时会遇到的真实情况。 随着学生观察数据的积累和研究思路的变化， 会在探究活动的不同时期对“黑箱”的工作原理作出不同的假设和猜想，在不断的验证中改变或修正原有的想法。 亲身参与和经历这样的探究过程， 能使学生更好地理解和体会“科学知识可能随着研究的深入而改变”。除了这条科学本质之外， 黑箱活动可用于同时向学生教授众多科学本质内容， 例如帮助学生认识观察和推论的区别、 科学知识的产生会受到主观因素的影响等。 由于科学知识的暂时性和发展性与科学研究所依赖的范式密切相关， 将这一科学本质观和其他几条科学本质观相结合进行教学，能帮助学生更加具体、深入地理解“科学知识可能随着研究深入而改变”的内在原因。

需要注意的是， 不管采用科学史还是科学探究的教学方式，教师都应在课堂上明确“科学知识可能随着研究的深入而改变”这一观点。众多研究证明， 让学生接触科学史故事和进行科学探究并不是能让他们更好地了解科学本质的充分条件［7］。教师需要以“外显化”的教学方式，例如在资料呈现或探究活动过后， 通过组织学生讨论等方式，强调“科学知识可能随着研究的深入而改变”这一科学本质观，使学生能明确理解这一观点。

3 结语

近年来， 国内外的科学教育改革一直强调科学本质这个目标， 并将其作为科学素养的衡量内容之一［8］。 加强K-12 学生对科学本质的理解是培养具有科学素养的学生的一个中心目标。 帮助学生理解“科学知识可能随着研究的深入而改变”是发展他们科学本质观的重要组成部分。 在教学中，由于总是被希望能“正确回答”教师提出的问题和作业中的习题，学生很容易产生“科学知识是绝对的、正确的”的这一错误认识。 但是这种观点与科学知识产生的真正过程是不符的， 科学知识来源于证据的支持及研究者的推断、想象和创造，会收到各种主观因素和环境因素的影响。 科学知识不是绝对的、固定的，而是暂时的，会改变的。学生需要认识到， 科学知识的积累就是不断自我检验、自我修正的过程。 现有的科学知识，是在研究的不断发展中得出的结果， 也可能在未来随着研究的发展而产生改变。明确这一科学本质观，能帮助学生更好地理解科学知识产生的真实过程，提升学生对学习科学和科学探索的兴趣， 甚至是未来参与科学事业的职业意向。 教师可通过科学史或科学探究教学的策略，采取外显的教学方式，明确“科学知识可能随着研究的深入而改变”的观点，帮助学生了解和体会科学知识的暂时性、发展性及其内在原因， 促使学生建立更成熟的科学本质观，提升科学素养。