科学本质表征的显性化及其意蕴——以人教版“细胞学说的建立”为例

（闽江师范高等专科学校 福建福州 350001）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）在教学建议部分明确提出“注重生物科学史和科学本质的学习”的要求，并且列出7项适合在高中阶段开展的科学本质教育的内容，表明提升对科学本质理解是发展学生核心素养的重要组成部分，是必须得到落实的课程目标。

1 关于科学本质内涵的讨论

科学本质多被定义为科学认识论，即科学是一种获得知识的途径、是与科学知识的发展相一致的价值和观念。虽然，研究人员对科学本质内涵的表述及定义不尽相同，但广泛认同科学本质的内涵包括以下3个层面。

（1）科学知识：科学知识具有暂时性、公开性、相对性、重复性等特点；

（2）科学探究：科学活动通过观察、实验、推理等方式进行，具有预测性、创造性等特点；

（3）科学事业：科学活动与社会、技术、道德等因素相互影响、相互作用。

《课程标准》列出以下7项适合在高中阶段开展的科学本质教育内容：“科学知识可能随着研究的深入而改变”“科学工作依赖观察和推论”“科学工作采用基于实证的工作范式”“科学是创造性工作”“科学工作要高度关注主观因素的影响”“理论和定律赋予科学解释的能力，但两者不尽相同”以及“科学会受到社会和文化影响”等。上述七项科学本质的教育内容在国际上被普遍认同。落实《课程标准》的要求，开展科学本质教学是发展学生科学素养的必然要求。

2 科学本质教育存在的问题

近现代科学的发展对社会的发展起着决定性作用，人类对科学的认识也在不断改变，较长时间以来逻辑实证主义在我国的科学教育中占据主导地位。科学教学比较多强调科学知识的实证性、稳定性和真理性，相对忽视科学知识的暂定性、主观性和建构性；强调实验在科学过程中的作用及实验的规范性，对探究活动中思维因素的认识或简化或神秘化，忽视实验中创造性及主观因素影响，导致学生容易产生“所有科学理论都能被实验验证”“科学概念、模型是研究对象——对应的存在”等认识；比较强调科学知识的功用性，相对忽视科学的社会性和文化因素。针对高中生科学本质理解水平的研究表明，我国高中对科学知识的暂时性的理解相对较好，但在观察推理的区分、创造想象在科学理论创立中的作用、社会文化嵌入性、科学方法的多样性等方面存在缺陷。

3 2019年版教材对科学本质表征的显性化和系统化

比较人教社的2019年版和2007年版普通高中生物学教材之《必修1·分子与细胞》的“细胞学说的建立”内容（以下简称2019年版和2007年版），可以发现：2019年版教材在科学知识的暂时性、重复性；科学活动中观察、实验、推理的区别与联系；科学事业与社会、技术的相互作用等方面的内容表征更加明确，章节内和章节间相关的内容构成系统，即显性化和系统化增强，体现了教材修订对课程标准改变的回应以及对教学的要求。

3.1 明确区分“观察”与“归纳”等科学方法

观察和归纳是科学研究中的两种基本方法。观察是通过感官（或借助技术手段实现感官的延伸）发现事实收集证据。千百年来，人类从未停止对生物的观察，从个体、系统、器官、组织的解剖到细胞亚显微观察，典型地体现了观察在生物科学活动中的重要地位。推理是人类逻辑思维的重要形式。人们基于观察获得的事实、证据，运用类比、归纳、演绎等推理形式产生结论。区别观察与推理是理解自然科学中概念提出、理论构建的基础，也是理解科学理论实证性、主观性的基础。长期以来，我国教科书和教学活动中对观察和推理缺乏定义描述与区分，日常生活中也存在这两个术语应用泛化的现象，高中学生对两者的区分与联系存在一定的认识误区，2019年版教材做了显著的改进。

2019年版该章节的“思考·讨论”第2小标题为“显微观察资料的积累——认识细胞”，2007年版相应的标题是“显微镜下的重大发现”。后者的视角是后人对科学史实的总结和评价，体现的是观察与推理结合产生的结果；前者更准确反映观察导致证据的积累及与推论产生间的关系。2019年版的该小段最后一句“在长达170多年的历史中，人们对细胞及其生物体的关系并没有进行科学的归纳和概括”，与2007年版“他们并没有用细胞来描述其发现，也没有进一步考虑生物体结构的一致性”比较，前者能直接让学生意识到单纯的观察积累只是事实、数据，并不能直接导致科学理论的创立，理论的产生还需要基于观察的推理。2019年版第3段小标题为“科学观察和归纳概括的相结合——形成理论”，2007年版相应的标题是“理论思维和科学实验的相结合”标题。相较而言，前者更清晰地指出科学活动的类型以及两者间的关系和区别，后者是科学过程综合性的描述。2019年版该小段增加的“施莱登通过对花粉、胚珠柱头组织的观察……”内容，对观察和推理的具体内容进行了陈述，有利于学生明确区分观察与推理，并且本节新增的科学方法栏目中对归纳法给出明确的定义，在章节的问题中还引导学生思考不完全归纳法的可靠性问题，使学生对归纳法理解更加深入，也有利学生理解生物学的概念、规律都必须在一定范围适用。

3.2 全面介绍科学理论的性质和价值

科学理论是经反复证实被较广泛接受的、内部自恰的解释系统，能对自然界中看似无关的现象间的关系作出解释。2007年版教材介绍“细胞学说”具体内容之前，就直接给出“它是自然科学史上的一座丰碑”的整体评价，而2019年版教材在介绍学说内容及创立过程之后，以较大篇幅论述理论的特点和意义，指出“细胞学说”不仅能引导人们认识到生物统一性，同时使解剖学、生理学、胚胎学获得统一基础，催化近代生物学的诞生并引领生物学的研究进入细胞水平。这样的编写有助于学生理解重大科学理论对复杂研究对象的解释能力和统一能力。这一部分的内容还描述了细胞学说提示生命的历史性本质，预示细胞学说建立对进化论的催生作用，充分体现科学理论对社会文化的影响，有利于加深学生对科学理论本质的理解。

定律是可观察现象之间关系的描述性陈述。定律常用数学表达式表示现象间的定量关系，如经典力学的牛顿三定律。由于生命有机体的复杂性、不确定性，也由于生物学发展阶段性的原因，高中生物学涉及的定律较少，“基因的分离定律”等可以看作典型的生物学定律。关于定律与理论，处于认识质朴阶段的学生常认为定律是较为高级阶段，理论经反复的证实会上升为定律。现代科学认识论认为理论和定律是不同类型的知识，两者关系密切，理论为定律提供解释，之间并无高低或转化关系。2019年版的教材较为详尽地阐述“细胞学说”的理论本质，有利于学生随着“细胞学说”“进化学说”“孟德尔遗传定律”等学习进程，认识定律与理论间的差别。

3.3 教材突显了“科学工作是创造性的工作”

科学既有实证性的特征，又是科学家创造性的体现。科学知识是人脑对客观世界的加工，科学理论、模型能用于解释自然，但不是现实世界简单对应的复制。科学理论、模型的构建过程需要科学家丰富的创造力。我国传统教材内容较突出科学过程实证性和唯物主义特征，对科学家思维的创造性和科学家个人思维特质介绍较少。高中学生对科学活动中创造性、主观性和发展性理解不足，容易产生科学理论和模型等同于物质世界的认识误区。2019年版教材对施旺、施莱登的思维活动描写更加具体，同时在“学科交叉”栏目增加了“道尔顿原子论”介绍。原子论是自然科学领域中学生最为熟悉的理论和模型，经历了“道尔顿原子学说—卢瑟福核式模型—玻尔电子层分布模型”等发展阶段。原子理论的发展反映了从物质无限可分到物质具有基本组成单位等人类科学思维的重大变化，人类对生命的认识从“活力论”“自生说”到“细胞学说”，生物学思想发展史与原子理论发展史在时间和思维方式上都有许多契合之处。因此，该内容的引入有助于学生领悟貌似简单的细胞学说所蕴含的创造性，理解自然科学不同分支的共性和差异。

4 教学应当回应课程标准和教材的变化

4.1 科学本质教学的显性化

显性化是指教师在教学设计中明确列出科学本质的教学目标。教师在教学过程中围绕《课程标准》规定的七项内容，向学生直接展示科学本质问题。以“细胞学说的建立”为例，为使学生对“观察与推理”的区分，教师直接提出：“自从罗伯特·虎克发现木栓组织后、列文虎克等生物学家积累许多显微观察材料，这些科学家为什么没有提出细胞学说？阅读材料第3小段，哪些内容是施莱登观察到的结果，哪些内容是施莱登归纳推理提出的结论？”为提升学生对科学活动中存在主观因素的影响理解，教师可提出：“施莱登观察到细胞核后，作出了细胞从老细胞的细胞核中长出，或者是从老细胞质以结晶方式长出的两种假设，为什么会作出不同的假设？为什么说细胞学说是一种被普遍接受的理论，出现何种新的证据情况下，现有细胞学说需要进一步修正？……”教师利用这些问题，以加强学生对科学知识暂时性的理解。这类问题将科学本质作为认知性目标，使学生直接面对科学本质，进而引发思考。

4.2 情景化与论证结合

在科学本质的的教学中，教师应该创设学生感兴趣的科学史、社会性科学议题、科学实践等情境，引导学生在具体的科学知识情境或科学探究过程中对科学本质进行思考与认同，在学习中实现科学本质与科学知识相互强化，感悟抽象且复杂的科学本质，进而建构对科学本质的认知。科学本质的教学有时也需要与论证教学相结合，在“基于证据提出主张，对主张进行放弃、辩护、修正”的过程中领悟科学本质。“细胞学说的建立”的教学中，教师可以借鉴科学史过程，让学生先用分辨率不高、放大倍数低的传统光学显微镜制作、观察各种动植物材料的临时装片；再用现代数码显微镜观察相同材料，体会“cell”这一名词如何从早期只是显微镜下观察到的众多相同或类似的“小室”，逐步发展到被赋予“生命基本单位”这一内涵的发展过程。在这样的过程中，学生体会前辈面对复杂多样的生物现象如何进行有效的归纳概括产生生物学概念，领悟生物科学研究方法与其他自然科学的异同，从而对科学本质的理解不仅停留在表面。科学史与生产、生活中实际科学问题都是进行科学本质教育的良好素材，针对不同的素材确定具体科学本质教学目标，不必也不应该面面俱到。本节课的教学中，教师还可以引入社会性科学议题或探究活动，引导学生在运用所学知识解决问题过程中体会、领悟科学本质：与长白山天池类似的高海拔火山湖的水体中，为什么生物种类一般都较少，这些生物来自何方？假设进行人工合成细胞，其成功的标志有哪些，如何评价人工合成细胞的意义？

科学本质的学习有利于学生真正理解科学的知识和掌握科学方法，同时也可以帮助人们具备现代公民应有的科学素养，面对社会性科学议题能够理性论证并做出明智的决策。科学本质的学习并不是对逻辑实证主义的简单否定，而是随着科学事业的发展，全面认识科学知识、过程及科学事业内涵及价值。科学本质的教学目标在显性化与隐性化、情景化与去情景化合理结合的教学过程中得以实现。