将“科学工作采用基于实证的范式”落实到科学课堂中

靳冬雪 王笑梅 刘恩山

（1 东北师范大学生命科学学院 吉林长春 130024 2 东北师范大学附属中学 吉林长春 130022 3 北京师范大学生命科学学院 北京 100875）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》对我国新一阶段的生物学课程发展提出了落实科学本质教学的实施建议，强调不仅要帮助学生理解生物学方面的知识，还应当促使其学习一些“关于自然科学的知识”，即科学本质（nature of science，NOS）。科学本质的内容反映了科学知识产生过程的特点和局限性。学习科学本质有助于学生把握自然科学的特点，更好地建立生物学观念，辨别现实生活中的科学与非科学，促进生物学学科核心素养的达成[1]。

科学工作采用基于实证的范式是科学本质的重要内容，指明了科学研究遵循的理论体系与根本理念，也是理解其他科学本质内容的基础。在教学中，教师应强调实证在科学工作中的必要性，帮助学生理解科学证据的使用能支持或反驳而非证实科学观点，培养其形成尊重事实与证据并基于生物学事实和证据进行科学思考的思维方式。

1 科学工作采用基于实证的范式

实证是指恰当、合理地使用证据的过程。当人们评论一个观点是“科学的”或“不科学的”时，其实是在讨论该观点是否经过了基于证据的充分论证。在科学研究中，证据可能以数据为基础，但并不等同于数据本身。科学研究者通过观察和测量可获得直接的研究数据，这些数据可能是定性的，也可能是定量的[2]，例如，格雷戈尔·孟德尔（Gregor Mendel）在研究生物性状遗传时收集到的不同颜色和不同饱满程度的豌豆颗粒数量。而证据的构建则需要研究者以既定的知识和假设为基础，结合自身的逻辑推理对数据加以处理[3]，例如，孟德尔基于对数学比例和分离定律的理解，发现了不同性状豌豆种子之间的比例模式。最后，研究者在证据的支持下构建科学解释进而形成研究结论，例如，孟德尔进一步结合了测交实验提供的证据，解释了豌豆亲代配子组合方式与形式，以及豌豆子代性状表现比例的形成机制，最终提出了遗传因子会发生自由组合现象的科学观点。

证据的使用能支持或反驳科学观点，但不能证实或证明某一科学观点为真。从逻辑学的角度分析，人们无法穷尽所有的证据以论证一个观点是成立的，只能无限逼近“成立”，而不能完全地、真正地“证明它成立”。这就是为什么科学知识不是真理，因为其永远无法被证明为真。而反驳一个科学观点，只需要提供一个反例，但这种反驳仍然需要进行基于证据的论证。这就是为什么科学是可被证伪的，同时，这也是科学与非科学、伪科学之间的重要区别。正因为科学观点的论证需要使用证据，因此，科学一直处于发展和完善之中。任何科学知识，无论在目前被多么地认可和广泛地普及，一旦出现新的证据，这些科学知识都有可能被改变甚至被推翻[3]。对于那些在科学发展历史中被充分的证据支持、并经过了时间考验的科学知识，例如，科学教材中的生物学理论和定律，会具有相对较强的稳定性。但这些科学知识并不是固若金汤的真理，随着新证据的发现和使用，其仍然有可能会被修正和完善。

使用证据论证观点是科学研究遵循的底层逻辑，这使得它与其他科学本质内容紧密相关。在基于数据构建证据的过程中，研究者的主观因素可能会对收集、处理和呈现数据的方式产生影响，从而形成不同的证据，并进一步影响对科学观点的论证。例如，在孟德尔提出分离与自由组合的遗传规律之前，也有许多学者做过动物和植物的杂交实验，也观察到了生物遗传中的性状分离现象，但却未能总结得出相关的遗传规律[4]。人为因素的存在也促使科学成为一项创造性的工作，例如，拉扎罗·斯帕兰扎尼（Lazzaro Spallanzani）让鹰吞下包有肉块的小笼子，巧妙地收集证据研究消化作用[4]。此外，社会和文化也会对证据的形成和使用产生影响，例如，历史上基督教会作为当时西方社会的意识形态权威，推崇神创论，并曾一度打压达尔文关于自然选择的进化研究证据与观点。尽管这些社会和文化因素可能会对科学研究的方向、科学证据的构建和使用产生导向作用，但这并不会改变基于实证这一基本范式。

2 在科学教学中引导学生重视实证

考虑到基于实证这一重要特点在科学中的普遍存在性，本研究建议教师可将其与其他科学本质内容相结合，利用科学史（history of science，HOS）、科学探究等策略对该内容进行外显化教学[2]，引导学生讨论具体情境中的证据是什么，这些证据又是如何被用于支持或反驳科学观点的，并简洁、明确地明示科学采用基于实证的范式这一科学本质内容。

2.1 通过科学史强调实证的重要性 科学史的使用可引导学生沿着科学家探索自然世界的道路，体会科学研究的思路和方法，以及科学家献身科学的精神，理解科学本质，促进生物学学科核心素养的达成[1]。科学史教学策略，一方面能让学生在合适的时间尺度上观察到科学发生的显著变化，通过思考和分析发生这些变化的原因，从而理解科学本质；另一方面，科学史的呈现方式往往是以故事形式呈现，学生对此有较大的兴趣，并关注故事的前因后果，教师在此基础上外显科学本质的内容，将进一步加深学生的理解。在使用科学史的教学策略时，首先，教师应对史实加以筛选和精简，重点呈现能帮助学生理解科学本质的材料。其次，科学本质的学习需要外显化，教师在呈现科学史资料后，应引导学生明确地讨论科学本质，明示相应的科学本质内容。最后，教师可灵活地组织素材，在使用一段科学史材料时，开展多项科学本质内容的教学。

以DNA 结构的科学史为例，教师可着重呈现科学家对DNA 化学组成及物理特性的发现、对DNA 作为遗传物质的论证，以及对DNA 双螺旋结构的探索与构建这3 段主要发展历程，帮助学生理解多项科学本质内容[5]。故事开始于1869年，德国科学家弗里德里希·米歇尔（Friedrich Miescher）通过对伤口渗出液中的细胞进行化学成分分析，发现细胞核中除蛋白质外，还包括一种物质。他当时简单地认为这种物质是磷元素的储存库。至1930年，科学家分离出脱氧核糖，了解到其与磷酸基团上下相连，并与4 种含氮碱基共同构成一个生物大分子。1948年，埃尔文·查戈夫（Erwin Chargaff）为了反驳菲伯斯·列文（Phoebus Levene）提出的“四核苷酸”观点，通过计算不同生物中4 种含氮碱基的占比，发现腺嘌呤（A）的量总是等于胸腺嘧啶（T）的量，鸟嘌呤（G）的量总是等于胞嘧啶（C）的量，这就是现在被人们熟知的查戈夫法则。教师需要引导学生明确地讨论证据的使用对于提出或反驳DNA 化学组成观点的重要作用，进而明示科学研究采用基于实证的范式，没有证据支持的观点最终会被拒绝。同时，教师可促使学生注意证据的增加逐渐完善了人们对DNA 化学组成的认识，强调科学知识具有暂时性。

在探讨DNA 是生物的遗传物质方面，1884年，奥斯卡·赫特维格（Oskar Hertwig）在显微镜下观察了细胞的受精过程，由此推论，细胞核是性状遗传的主要原因。此后，1928年弗雷德·格里菲斯（Fred Griffith）的肺炎链球菌转化实验、1952年阿弗雷德·赫尔希（Alfred Hershey）和玛莎·蔡斯（Martha Chase）的噬菌体侵染细菌实验等证据，支持了性状是通过亲代的DNA 遗传的，而非蛋白质。这一重要结论促使科学家推论，DNA 的结构应当具备使其产生多种变异的复杂性，这样DNA才能控制十分复杂的生物性状。在教学中，教师可促使学生分析证据对于DNA 是遗传物质这一观点的支持，并明确在科学工作应采用基于实证的范式。同时，教师也可借此帮助学生理解和区分科学研究中的观察与推论。

在构建DNA 结构的过程中，莫里斯·威尔金斯（Maurice Wilkins）和罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin）通过DNA 成像技术获得了高质量的DNA 衍射图，这为詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）提出DNA 呈螺旋结构提供了重要的证据。然而，沃森与富兰克林关系相处得并不好，富兰克林在最初得到高质量DNA 衍射结果时想要保密，而沃森在他1968年出版的畅销书中对富兰克林的描述也很差。这不仅反映了当时2 人性格上的差异，也反映了这一时期科学领域内、外对女性的性别歧视，可见，科学也会受到社会文化的影响。沃森和克里克在使用DNA 衍射结果这一证据时，创造性地选择了建立三维模型的方法探索DNA 的螺旋结构，更好地帮助他们发现了DNA 结构中各部分分子的排列方式。因此，科学是一项创造性的工作。但在构建模型之初，沃森花费相当多的时间试图使相同的碱基配对，即C 与C 配对，G 与G 配对，T 与T配对，及A 与A 配对。尽管查戈夫法则已提供了反驳他这一观点的证据，但沃森在早期始终坚持这一想法。可见，科学家的主观因素也会影响科学研究的进程。在这一段科学史中，教师可引导学生讨论证据的使用如何促成了DNA 双螺旋结构的提出，强调科学采用基于实证的范式。同时，教师也可向学生指明人为因素会对科学研究产生影响。

2.2 通过科学探究促使学生获得并使用证据 除了使用在科学家身上发生的研究故事可帮助学生理解实证对于科学的必要性外，在课堂上开展科学探究也是促使学生理解科学本质的重要途径。参与科学探究将为学生提供动手和动脑的亲身经历，通过观察获得数据，进而梳理形成证据并利用证据构建科学解释。这些直观的、具体的证据将刺激学生思考现象背后的因果关系，更好地理解抽象概念和科学本质，促进科学思维的形成和社会责任的培养[1]。教师在使用科学探究帮助学生理解科学本质时，不仅要注意凸显学生的主体地位，让学生有机会进行观察、动手、记录和交流等活动，还要引导其直接、明确地讨论科学本质，从而实现科学本质内容在课堂上的外显化。此外，在一次科学探究活动中，教师也可将多项科学本质内容相结合加以强调。

以酵母菌细胞呼吸方式的科学探究活动为例，教师通过引导学生经历并分析基于证据的论证过程促进科学本质的学习。活动中，学生通过观察发现，有氧呼吸条件下的实验装置在间歇性通入空气之后，澄清石灰水变浑浊。基于已有的化学知识，即澄清石灰水的溶质为氢氧化钙，它与二氧化碳反应后生成沉淀碳酸钙，导致宏观上出现澄清石灰水变浑浊的现象，学生可根据观察到的事实推理得出，装置中的酵母菌培养液在通入除去二氧化碳的空气后，产生了二氧化碳。在这些证据的支持下，学生进一步推论得出实验结论：酵母菌在有氧条件下能进行呼吸。教师应当引导学生分析论证酵母菌能进行有氧呼吸的证据及其作用，并向学生明示科学研究基于实证。此外，教师可借助该探究经历，促使学生讨论观察与推论之间的区别，还可在学生完成酵母菌能进行无氧呼吸的论证后，强调证据的增加会逐渐完善人们对自然的认知，使得科学知识不断发展和修正。

3 结语

科学本质作为科学教育的重要内容，已受到国内、外基础教育改革团队的重视。目前，美、澳、加等多个国家已将科学本质纳入课程标准中，并将其作为衡量学生科学素养达成情况的指标之一[6-8]。我国高中生物学课程标准也建议教师注重科学本质在课堂上的落实，引导学生理解科学工作采用基于实证的范式。在科学研究中，通过观察获得的事实数据经组织和整理后形成证据，在此基础上构建科学解释，进而支持或反驳某一科学观点。证据的使用使得科学观点是可被验证的，培养学生形成尊重事实和证据的科学思维，将促使其更好地区分科学与非科学，从而在科学相关的问题上作出理性的决策。教师在课堂上可借助科学史中科学家进行研究工作的史实，或科学探究活动中学生亲身的探究经历，明示科学是对证据的推理过程[9]这一根本理念，并可密切结合其他科学本质内容，引导学生理解自然科学的特点，促进学生生物学学科核心素养的达成。