将“科学工作依赖观察和推论”落实到科学课堂

靳冬雪 王笑梅 刘恩山*

（1 北京师范大学生命科学学院 北京 100875 2 东北师范大学附属中学 吉林长春 130022）

为了提高全体国民的科学素质和人才培养质量，我国基础教育理科课程要求学生不仅要掌握“科学知识”，也要了解“关于科学的知识”，即科学本质（nature of science，NOS）。我国《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中指出，科学本质的学习将帮助学生了解科学知识产生过程的特点，促进生物学学科核心素养的达成[1]。“科学工作依赖观察和推论”作为科学本质的重要内容之一，强调了自然科学研究方法的基础及其特点，理解该内容将帮助学生更好地掌握科学探究的过程性技能，促进科学思维的发展，也能加深对学科核心概念的理解。

科学教师应当将“科学工作依赖观察和推论”落实到课堂中，促使学生区分观察和推论在科学工作中的作用和特点，并在科学实践中正确应用观察和推论这2 项技能。因此，教师不仅要掌握观察和推论的含义与区别，还应了解将其融入科学教学的途径。

1 科学工作中的观察和推论

科学不仅建立在大量观察的基础上，除观察外，推论也是十分重要和必要的工作内容。观察和推论相辅相承，共同推动科学研究的进行和科学知识的构建。基于充分的观察和有逻辑的推论得到的知识是稳定和有力的，虽然不会是绝对意义上的真理，但对于人类在生产、生活中的决策具有指导性意义[2]。

1.1 观察 观察是一种知觉活动，是对某一事件或现象的注意和记录[3]。观察得到的结果是科学事实，并且不同观察者容易对同一现象的观察结果达成一致意见[4]。年级越低的学生，其观察会越直接依赖感官，包括视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉，例如，判断物体的相对大小、材料的软硬、声音的高低等。但随着年级的增长，学生会越来越多地借助工具延伸这些感官[5]，例如，利用显微镜和望远镜观察超出肉眼可视范围的现象。工具不仅能帮助学生扩大感知范围，更重要的是，它让学生能使用标准单位对现象进行定量观察。简单的观察诸如使用尺子测量物体的长度，使用温度计测量室温等，复杂的观察包括使用雷达测量目标的方位、高度、速度，使用放射性碳定年法测量化石的年代等。此外，当观察从静态变为动态，从观察个体变为观察群体，将促使研究者在不同尺度上发现更多的模式[6]。

综上，在真实的科学研究工作中，观察是一个复杂的过程，它具有目的性、规划性和持久性。因此，观察者需要具备扎实的、丰富的知识，才能作出有针对性的观察方案，有效地解决待研究的问题，还要具有持之以恒的毅力，以完成长期的、连续的观察任务[6]，例如，生物学家珍妮·古道尔（Jane Goodall），在几十年的观察研究中，深入野外，坚持不懈，从黑猩猩群体的习性、行为等方面收集了大量的珍贵数据。这些数据所展示的观察结果，构成了科学工作重要基础，即科学事实或称为事实性知识。

1.2 推论 推论是通过逻辑推理构建解释的过程，通常以既定的知识或假设为基础[3]。在一项科学研究中，人们通过观察，获得了大量的数据，对于数据中存在的模式及其背后的因果关系，需要用已有的知识为基础，对事实进行推论以构建解释，形成该研究的的结果。这种研究结果不是重复陈述简单的事实，而是对事物的本质或规律最终形成科学解释或概括，其认知本质是科学观点。以摩尔根（Morgan）的果蝇遗传行为实验为例，他发现红眼雌蝇与白眼雄蝇杂交的F2代中，白眼性状的个体总是雄性，于是他和同事推论，控制白眼的基因只会出现在X 染色体上，Y 染色体不会含有其等位基因。这就解释了为什么果蝇的白眼会出现伴性遗传的模式。在这个科学史事件中，可发现推论需要将观察结果与已有知识、逻辑推理和创造力相结合，构建解释从而形成科学观点[7]。具体来说，摩尔根在解释果蝇的白眼遗传模式时，受孟德尔（Mendel）理论和萨顿（Sutton）假说（基因在染色体上）的影响，再基于实验数据进行逻辑推理和创造性的联想，最终完成了伴性遗传的推论。

科学研究中，进行推论需要判断和筛选哪些实验数据可作为构建解释的证据，并考虑已有的证据是否足够充分支持所构建的解释[7]。仍以摩尔根的果蝇遗传实验为例，在作出伴性遗传的推论后，他和同事又通过测交等方法，进一步验证了这个解释。人们还可使用模型理解证据和构建解释[7]，例如，伴性遗传的推论可用图1的模型加以理解。

图1 果蝇杂交实验分析图解[8]

1.3 观察和推论的区别与联系 观察和推论是不同的研究活动，得到的结果也不同。以加拉帕戈斯群岛的地雀为例，达尔文通过观察知道岛上的13 种地雀有不同型的喙，分别对应吃不同的食物、居住在不同的环境中；这些是科学事实。但若要知道为什么会形成不同的地雀物种，则需要通过推论对观察结果加以处理，并构建解释：最初属于同一个物种的地雀因迁移产生了地理隔离，而后不同岛屿上的地雀种群因基因突变和基因重组形成了具有明显差异的基因库，从而逐渐产生生殖隔离，形成不同的物种；这是通过推论形成的科学观点或称为研究结论。

由于观察是对现象进行陈述性描述，且不同观察者可相对容易地就观察结果达成一致意见，因此，其客观性较强。而推论不同于观察，由于研究者在进行推论时会结合自己的创造力和想象力，因此，作出的推论是带有偏见和主观性的[9]。这也就解释了为什么对于同一观察结果，不同的研究者可能会作出不同的推论。

观察和推论存在明显的区别，但也有一定的联系。观察得到的事实是进行科学推论的基础，能提供证据启发、支持或反驳科学推论。科学工作同时依赖观察和推论，二者是构建科学知识的基本方法。

2 教学活动案例及建议

科学本质的教学最终要落实到理科课堂之中，因此，教师要掌握合适的教学策略帮助学生理解。结合观察和推论的含义与特点，本研究建议教师在科学实践活动中基于情境对该内容进行外显化教学。

2.1 活动案例 以“神奇的脚印（tricky tracks）”为例，该活动引导学生对动物的足迹进行观察和推论，并对明确地讨论二者的区别。具体的活动内容和材料见图2和表1。

表1 “神奇的脚印（tricky tracks）”活动内容[10]

图2 神奇的脚印（tricky tracks）[9]

在这个活动中，学生知道了先通过观察获得事实，再通过推论提出观点或结论。这样，随着学生不断地观察到新的事实、得出新的推论，教师可让其逐渐排除之前提出的那些与现有事实不一致的推论。在活动的最后，教师还需要总结2 个要点：1）观察与推论之间的区别；2）根据同一份观察结果，可针对1 个问题得到不同的推论。学生通过活动已构建了对这2 个要点的理解，这一步的总结将再次加深学生的印象。教师还要向学生强调，科学家在试图解释关于自然界的问题时，也会经历同样的推论过程，并且往往会有几种推论都是可信的，没有唯一正确的答案[9]。

2.2 教学建议 在上述活动案例中，学生在实践过程中结合具体的动物脚印情境对观察和推论进行了充分的讨论，同时，教师还向学生明确地强调了二者之间的区别，帮助学生理解和正确使用这2 项技能。因此，本研究对科学教师在课堂上落实“科学工作依赖观察和推论”这一内容提供如下教学建议。

1）让学生在基于情境的科学实践活动中学习观察和推论。科学本质源于人们对科学研究实践特点的总结，它的学习自然也离不开实践活动。而情境的使用可帮助教师专门突出科学本质的特定内容[10]，让学生在对具体现象进行观察和推论时学习二者的特点及区别。教师可利用科学探究、社会科学性议题、科学史片段等创设情境，可引导学生进行的实践活动参考表2中的“相关的实践活动”。

2）在活动中应针对观察和推论给予学生明确的提示和讨论。让学生参与了基于情境的科学实践不等于教授了科学本质，他们无法在这个过程中自然而然地理解观察和推论的实质，以及二者的区别。因此，教师要在课堂上围绕观察和推论给予学生充分的提示，让他们进行有针对性的讨论和反思，主动构建对该内容的理解[11]。可进行的提示和讨论参考表2中的“促进学生理解的反思性问题”。

表2 科学本质中观察和推论的要点、实践与反思性问题[3]

3 结语

观察与推论是重要的科学研究活动，由观察得到的事实，以及通过推论形成的观点共同构成了科学知识的来源。针对同一现象，不同的观察者可较容易地观察到相同的科学事实，但由于已有知识和主观因素等的存在，人们可能会对观察结果进行不同的加工，从而对同一问题推论出不同的科学观点或称为科学结论。学生在科学学习过程中，正确地使用观察和推论将加深其对核心概念的理解，强化探究技能，培养科学思维，最终促进核心素养的达成。教师可通过科学实践活动，引导学生基于一定情境明确地讨论观察和推论的含义及二者的区别，帮助其理解科学知识产生的方式和特点，从而将科学本质的内容落实到课堂中。