近20年来我国科学本质教育研究概述

2023-04-15温亚付伟丽陈发军

文教资料 2023年23期

温亚?付伟丽?陈发军

摘要：科学本质是对科学自身的审视，是科学素养的重要组成部分。近年来，我国科学教育研究对科学本质的关注，表明我国科学教育改革进一步深入。本研究对我国近20年来科学本质教育研究进行概述，得出“当代科学本质的内涵是建构”的结论。我国科学课程标准和科学教材中所体现的科学本质与当代科学本质的核心内涵存在一定差距，我国科学本质教学以培养学生逻辑思维为主，科学教师的科学本质观水平不高，且与实际教学所表现的科学本质观有所不同，同时我国对学生科学本质观的实证研究尚少。

关键词：科学本质科学教育概述

我国新一轮科学课程改革以帮助学生形成科学观念、科学思维、科学探究和社会责任为目标。虽然各学科对于自身课程目标的表述有所差异，但其共通之处在于通过科学课程的学习习得各学科的核心知识、形成科学知识产生过程中所运用的科学思维并能积极主动地投身科学事业。在这一过程中必定涉及“科学是什么”的问题，即“科学本质”问题。本研究对近20年来我国科学本质教育研究代表性文献进行综述，以期勾勒出我国科学本质教育研究图景，为我国科学本质教育的后续研究提供参考。

一、对科学本质内涵的研究

明确科学本质内涵，尝试还原科学本来面目，将有助于明晰科学教育的应然之态。我国对于科学本质内涵的认识由科学客观理性的传统科学本质观走向建构的现代科学本质观。［1］

21世纪初，袁维新从科学本质哲学观演进的角度对科学本质类型进行了梳理，认为科学本质经历了经验主义科学本质观、实证主义科学本质观、逻辑经验主义本质观、理性主义科学本质观、证伪主义科学本质观和后实证主义科学本质观的发展过程。前四种为 “传统”的科学本质观，强调科学的客观性和理性，认为科学知识是静止的绝对正确，并以线性方式积累。科学结论经由观察、实验获得科学知识并借由资料运用逻辑思辨的方法得出。“新”的科学本质观彰显科学的批判性、创新性以及将人考虑到科学知识的建构过程中，使得科学事业更具有人性化。［2］

同一时期，蔡铁权等人论述了科学本质现代观的三个方面，即科学知识的本质、科学探究的本质和科学事业的本质。科学知识的本质又包括科学知识的本体论、认识论和价值论。现代科学知识的本体论认为科学知识是暂时、可变的，但对于绝大部分的知识具有持久性。现代科学知识的认识论认为科学是人类想象和逻辑推理的创作，同时会经过不断检验和修正，从而日益接近世界本身。现代科学知识的价值论认为科学知识的产生受社会价值的影响，具有一定的价值需求。科学探究主要指科学知识的产生途径，其本质是实证性、主观性的观察和多元化的科学方法。科学事业的本质表现为科学事业需要考虑伦理与道德原则，同时科学与技术、社会有着密切关系以及对科学家的身份和科学共同体的认识。［3］

近年来我国学者对于科学本质内涵则进行了更为本土化的诠释。朱家华基于对科学内涵概念的表述、科学发展历史过程以及科学哲学观点演变三个方面的梳理，建立了科学的四面结构，认为“科学是人类社会和客观世界互动的过程，该过程需要通过科学方法，从客观世界到科学事实、从科学事实到科学解释之间构建桥梁，该过程发生在社会建构的情境之中”［4］。另有学者通过对近代中国科学发展历程的回顾，得出我国科学本质认识经历了器物与工具性认识阶段、方法本质与功能性认识阶段和文化本质与社会性认识阶段。［5］

二、对科学课程标准中科学本质教育内容的研究

我国对科学课程标准中科学本质教育内容的研究有三种范式。

一是以介紹发达国家科学课程标准中的科学本质内容为主。通过已有的研究发现，各国均将科学本质内容纳入科学课程培养目标中，内容涵盖对科学知识本质、科学探究本质和科学事业本质的认识，即各国标准均体现了科学本质现代观的内容。一些国家明确提出科学是一种描述和解释客观自然与物质世界的认知方式，是科学素养的重要组成部分。［6］美国《新一代科学教育标准》中吸取了科学教育界对于科学本质内涵达成一致认同的八个核心概念，同时要求在K-12阶段对科学本质核心概念的学习要具有递进性。［7］批判意识和批判能力也是一些国家在科学本质教育中的目标之一。例如对2014年国际文凭课程（IBDP）考试大纲的研究发现，该标准明确表示科学本质模块的学习目的在于让学生学习实验科学学科的同时，能够从更为宏观的角度思考科学的研究方法，思考科学成功的可信度以及人为因素在科学研究中的影响。［8］

二是将多国科学课程标准中科学本质的内容进行横向比较。有研究对英、美两国2014年和2013年颁布的国家科学课程标准进行比较发现，两国都非常重视科学本质教育，且科学本质教学内容都具有“两面性”，即两国新标准中对于科学本质教学内容的表述，既有经典实证主义科学本质内容，又有后现代主义科学本质内容。同时，两国科学本质教学内容具有阶段性和递进性的特点，在低年级阶段主要引导学生关注科学基本的理性特征，在随后的高年级阶段逐步向反思的后现代主义科学本质观过渡。两国的差异性在于英国将科学本质融入科学的过程和方法中，让学生在科学探究中体验和理解科学本质，其科学本质教学目标和要求更具有可操作性；而美国科学本质教学内容则更为宏观。［9］

对中、美两国科学课程标准中科学本质内容的比较聚焦于特定学科。以物理学科为例，美国《新一代科学教育标准》中对于初中物理部分所体现的科学本质核心概念有“科学知识基于实证证据”和“科学模型、法则、结构和理论解释自然现象”两个核心概念，即体现了科学的实证基础和科学模型作为解释自然现象的工具性质。而中国2011年版《义务教育物理课程标准》中所体现的科学本质主要有物理知识与前沿科技的密切关系、科学态度以及科学精神等。中、美两国课程标准对于高中阶段的要求也有所差异，美国新标准对于初中阶段涉及的两个科学本质核心概念进行了细化，而我国2017年版的《普通高中物理课程标准》中对于科学本质的体现在“科学态度与责任”维度上。两国都在特定主题中要求学生认识“科学知识假定了自然系统中存在秩序和一致性”［10］。

三是对我国21世纪以来科学课程标准中所体现的科学本质内容进行纵向比较。借助莱德曼提出的科学本质的八个方面作为科学本质内容分析的依据和艾伦·诺曼定义的复杂度对我国高中物理课程标准2017年版和2003年版科学本质教学目标和科学本质内容的复杂度进行分析发现，在科学本质教育内容方面， 2017年版课程标准中体现科学本质的内容比例更大、涉及方面更广，但两版标准均未涉及“创新性”“科学方法的不唯一性”和“社会、文化嵌入性”的相关内容。从必修模块到选择性必修模块所体现科学本质内容的特点由“实证性”向“暂定性”发展，而“理论和定律”是教学重点。在科学本质教育内容复杂度方面，2017年版课程标准较2003年版对科学本质复杂程度有所提升，但未见科学本质学习进阶设计。［11］也有研究从科学本质内容、呈现方式和复杂度三个维度对我国2003年版和2017年版的高中化学课程标准中的内容标准进行了纵向对比，其研究结果相似，即新版标准中涉及科学本质的内容更加全面，且两版标准的科学本质呈现方式均是隐性大于显性，进阶设计不足。［12］

三、对科学教材中科学本质教育内容的研究

我国对于科学教材中科学本质的研究的关注点在于对科学教材中所体现的科学本质内容和呈现方式。所研究的学科教材主要有物理、化学和义务阶段的科学教材，生物教材和地理教材研究尚少。研究范式多以对教材文本内容的横向、纵向比較为主。

我们对多国教材进行横向对比，以我国和美国的对比研究为主。有学者就美国《科学探究者》和我国的科学教材进行分析，发现每套教材均涵盖了所有科学本质维度，其中“基于证据”“社会与文化渗透”“观察与推测”体现较多，“暂时性”“主观性”“创造性”相对较少。就特定主题而言，所研究的教材均缺失“区分科学理论和定律”的内容，对于科学本质的呈现多为隐形。［13］以赫里克等新近修订的科学本质分析框架对美国主流物理教材《物理原理与问题》2005年版和我国人教版2019年高中物理教材中的“动量守恒定律”内容进行分析，可以发现人教版所体现的科学本质方面更多，但两版均缺少“科学理论的本质”相关内容。两版教材中对“科学定律的本质”均在正文中做出了正式阐述，“创造性”“暂定性”“科学知识建构的社群性”占比少。［14］

对我国科学课程教材进行纵向研究，依然是以赫里克科学本质分析框架对我国高中物理教科书的2003年版、2010年版和2019年版中的“静电学”内容进行比较，可以发现三版对于科学本质表征的覆盖面有较大幅度的提升。对于科学本质表征的准确性研究发现，教材对于“观察与推论的区别”维度表征不够准确，传统逻辑实证主义依然存在于我国科学教科书中。而对于表征明确性的研究发现，前两版教材均以隐形类型为主，在2019年版教材中则结合特定内容在“观察与推论的区别”“创造性”“科学中社会与文化的嵌入性”三个维度有五处文本处于显性。［15］利用尼日利亚学者开发的工具对我国2019年鲁科版化学必修教材进行分析发现，“科学和技术”维度体现最多，其次是“实证性”，“理论和定律”“科学的主观性”体现较少。在呈现方式方面，以隐性呈现法为主，其次是显性呈现法，历史—显性呈现法最低。科学本质与学科内容的关系多以嵌入式为主。［16］

四、对课堂中科学本质教学的研究

我国科学本质教学实践探索，离不开论证、反思、科学史和科学哲学（HPS）这些关键词。有人提出将化学概念原理和科学本质观融合起来的教学模式，原理构建阶段是该模式的核心。该阶段有两种途径：一种途径是分析推理、提出假说、事实验证、科学表述阶段。其中，事实验证阶段可以通过化学史料间接验证或设计实验直接验证。另一种途径是事实收集在先，之后经历归纳总结和构建理论阶段。［17］也有学者提出基于现代科学本质观的模型建构探究教学模式，其核心要素有建构模型、使用模型、评价模型和修订模型。在建构模型阶段，强调学生的已有经验，鼓励学生使用多种方式表达自己对某一现象的解释。在使用模型阶段，鼓励学生运用建构的模型来解释、说明和进行预测，该过程可以让学生体会科学实验和模型假设之间的不同，进而理解科学理论的特点。在评价模型阶段，通过交流论证的方式引导学生运用已有证据对建构的模型进行考察，从而感悟基于证据的科学论证观。在修订模型阶段，给予学生校对反思和修正的空间，让他们认识到模型所能解释说明现象的力度是判断模型优良与否的依据。［18］综合上述对两种教学模式的比较不难发现，现阶段我国科学本质教学模式的核心依然是论证。

除此之外，我国学者从反思性学习和元认知角度将科学史和科学哲学（HPS）教育融入科学教学中，提倡运用“引导式反思”教学将科学史和科学哲学融入科学课堂中。教师在课堂中引导学生对科学史和科学哲学问题进行探讨，使学生在具体的科学课堂活动中提取和建立抽象的科学本质观念。师生围绕科学史和科学哲学（HPS）中的两类问题进行探讨：一是科学一般性问题，二是结合具体科学知识反思科学的针对性问题。［19］也有将探究教学和反思教学相融合的“历史—探究—反思”教学模式，具体包括“呈现—启发—历史上的探究—开展科学探究活动—科学观点与实验验证—对历史/当前探究活动的反思”。在反思阶段教师以问题的形式引导学生对自己的探究活动进行反思，以达到对科学本质内涵的反思和理解。［20］

五、对我国科学教师科学本质观的研究

我国学者于21世纪前十年开始关注科学本质教育中的教师因素，以实证研究为主来测查科学教师的科学本质观、科学教师的科学本质观与实际科学本质教学之间的关系以及科学教师实施科学本质教学的影响因素。

对于我国科学教师的科学本质观的研究，从已有的调查结果来看，无论使用何种工具，其结果均表明我国科学教师的科学本质观有待完善。梁永平利用赫里克设计的开放式评价工具对51名初中理科教师进行调查，显示理科教师的科学本质观处于朴素水平。［21］例如被调查的教师中的多数教师认为科学是寻求客观真理的研究，而忽视了假设、猜想、合理的方法在科学中的作用，对科学理论和科学定律之间的差异和关系的理解含糊不清，即我国科学教师对于科学本质的建构性缺乏理解。王晶莹也曾对中、美高校理科教师对科学探究和科学本质认识进行了实证研究，发现我国教师对于科学本质的认识以知识定理和权威为中心，缺乏对实证性的认识。［22］

教师的科学本质观只能反映教师对“科学是什么”的认识，并不能完全反映实际科学本质教学的情况。因此，测查科学教师的科学本质观与实际科学本质教学之间的关系成为另一个关注点。

方洁和王群盛对收集的访谈资料和观察资料进行分析，发现在“科学是客观的”这一核心范畴下，教师宣称的科学本质观与表现的科学本质观较为一致。而在科学的主观性方面，教师并未在实际教学中展现。如教师提出观察的局限性，但在实际教学过程中教师依然更加强调观察的客观公正。由此看出，教师宣称的科学本质与表现的科学本质观并不完全相同。［23］

李晶晶和潘苏东运用观察法和访谈法对高中物理教师课堂对话中所体现的批判性思维进行分析也得出了相似结果，即教师课堂对话行为和他们对批判性思维的理解并不完全对应，对批判性思维的认识会影响教师的教学行为，但不能完全决定教师的教学行为，与教师对学科本身的理解和对教育目的的内化有关。［24］

一些文献研究论述了影响教师科学本质观的因素和影响教师将科学本质观转化为课堂实践的因素。结论是教师的科学本质观与教师的学习经历、教学经历、教授学科均有关系，各因素是综合作用于教师的科学本质观的，因此需从系统和整体的视角对其进行考查。［25］另有学者指出对于科学本质教学评价的不匹配制约了教师对科学本质教学的重视程度。此外，教师所处的环境是制约科学本质教学实施的因素。该研究还认为，对于儿童而言，进行科学本质教学所面临的问题不是儿童的认知阶段特点，而是在不同年龄段选择何种科学本质进行教学和有效教学策略的问题，其中教材内容的落后是制约教师和学生科学本质观的重要因素。［26］

六、启示与展望

（一）建构的科学本质内涵将有助于提高国民素养

自科学产生以来，因其代表着“真理”而备受人们的关注和推崇。随着对科学历史的审视，人们逐渐认识到科学相对客观的特性。科学作为一项人类活动，其生成过程必定有人主观地参与，因此科学只能是无限接近于真实世界，而无法完全反映真实世界，即科学具有局限性。

科学本质是一个复杂问题，已有研究是通过审视人类科学发展的历史来归纳科学的本质特征。虽然到目前为止，人们对科学本质的内涵依然无法做出一致性的定义，但对科学本质的一些核心特征已基本达成共识。科学知识经由科学探究过程产生，其间需要采用不同途径收集信息，通过科学方法完成创作，得出暂时性的结论，再在质疑和批判中不断被检验和修正。科学知识有多种，科学定律是对观察现象的直接描述，而科学理论是对所观察现象或规律的推理性解释。科学家在特定的社会背景之下结合自身的已有认知来建构科学知识。对于科学本质的认识会影响科学教育实践，若将科学真空化或者神化，将无法确实提高国民的科学素养。认识到科学本质内涵的建构性，认同科学的局限性才会使科学具有更加旺盛的生命力，才能够切实地提高国民素质。

（二）完善科学课程标准和科学教材中关于科学本质的教育内容

当今世界，科学教育作为提高国民素质的抓手，各国均对其提高了重视程度。将科学本质目标写进各国科学课程标准，表明各国对于科学教育的期许，不仅是培养具有科学知识的公民，而且是期许培养能够推动科学发展的公民。考虑到科学教育的受体，建构的科学本质观并不能被所有年龄段儿童所接受，因此科学本质教育需要遵循不同年龄阶段儿童的认知规律来进行，即科学本质教育需要循序渐进，进阶进行。对于低学段学生而言，应关注科学的实证性，帮助他们习得科学方法、科学技能，养成科学的思维习惯。对于高学段学生而言，可以结合特定主题引导他们认识观察、定律、推理与理论之间的关系，从而启迪他们在学习过程中的主体意识。

近年来我国科学课程标准和科学教科书中所涉及的科学本质方面愈发全面，但传统的逻辑实证主义依然是科学本质教育的主流思想，其中体现科学与技术的关系、科学态度和科学的实证性较多，对于科学的主观性、创造性、暂定性、科学方法的不唯一性特征体现较少。虽然“理论和定律”在科学课程标准中给予了重视，但在教材中缺乏对科学理论本质的体现，与此同时教材中对于“观察与推论的区别”存在表征准确的现象。基于这一现象可以看出，我国科学课程标准和科学教材中对于科学本质目标的设计与体现还有待改进。科学的主观性可以在辨析观察与推论、定律和理论中体现，这些也是科学本质的难点。另外，我们也看到在我国义务教育阶段和高中阶段科学课程标准中对于科学本质目标的设计存在较为明显的断层，掌握一定的科学方法是理解科学本质的基础，因此需要在义务教育阶段持续进行科学方法的渗透，从而为学生在高学段理解科学的主观性、暂时性做准备。然而已有的研究显示，我国义务教育阶段科学课程标准所体现的科学本质主要在与前沿科技的关系以及科学态度上。当然这些研究结论与研究所采用的标准有一定的关系，因此也并不能确切地反映我国科学课程标准中所体现科学本质的真实情况。但可以确定的是，科学本质教育在我国科学课程中还有较大的提升空间，例如将科学本质目标正式作为科学课程的目标，进行更加系统科学的设计，在科学课程标准中采用显性的表征，在科学教材中结合科学实例采用明示和暗示相结合的方式来表征“观察与推理的区别”等难度较大的科学本质特征等。

（三）科学课程教学中应该让学生参与科学知识的产生过程

科學本质教学中，科学实践依然是核心。近年来我国科学本质教学聚焦于科学思维参与的科学论证过程，科学史是科学本质教学的重要素材。另外，科学模型作为科学的表征工具也被更多的教师所认识，运用建模来解释、说明、预测科学问题，再经由反思和修正过程，让学生在该过程中体验科学事实和模型假设之间的关系，从而认识科学理论的特征。将反思性学习融入科学探究或对科学史的学习过程中，引导学生进行批判从而认识科学的暂时性和局限性。无论是模型建构还是进行科学批判性学习，都涉及论证或者说理过程，而该过程需要多种科学方法的参与，需要有学生思维的参与。因此只有让学生经历科学知识的产生过程，才能真正体会科学本质。有研究发现个别科学教材中对科学实践理解的内容却占比最低，［27］这将不利于科学本质的教学。

（四）科学本质教育需要给教师们提供更多支持

由于我国以往科学教师教育中缺乏涉及科学本质的课程，以及受我国社会文化的影响，我国科学教师的科学本质观水平不高，多数教师对科学的主观性、创造性和相对客观性认识不足，且科学教师在教学实践中所表现的科学本质与所宣称的科学本质存在差异，以此可以反映出我国基础教育阶段科学本质教育的现状。认识决定实践，科学本质的核心是科学探究，教师科学本质观水平必定会影响科学探究的实践，我国科学教师科学本质水平不佳也映射出科学探究教学失利的原因。基于我国科学教师科学本质观的现状，我们亟须在科学教师教育中开发科学本质系列课程，这些课程应包括理论学习，更应该让科学教师参与具体的科学探究实践，除此之外还需要为科学教师提供必要的环境支持。

（五）科学本质教育研究需要增添学生的研究视角

为了使科学本质教育更加切合学生的需要，本领域的研究需要增添学生视角的研究。但就目前的研究而言，我国对学生科学本质观的研究较少，已有研究多是自上而下的，即以探讨学生科学本质观的应然之态为主，鲜有自下而上的实证研究。已有的实证研究表明我国高中生在谈及“科学是什么”这一问题时，没有认识到科学是一种思维方式，有的学生甚至没有认识到物理、化学和生物是科学课。［28］上述现象表明我国学生缺乏对科学课程的认识，对于科学的认识尚处于工具认识阶段，并未认识到科学是一种思维方式，这将不利于科学课程的学习。增添学生视角的研究，弄清学生对科学的认识以及影响这种认识的原因，将有利于我国科学本质教育的开展。

参考文献：

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