试析科学本质的FRA范式：结构体系、要素内涵与系统审视

摘要： 鉴于对主导国际科学教育科学本质研究三十余年的共识范式的诸多局限的批判性审视，近年来国际上兴起了一种称为FRA范式的科学本质框架。从结构体系、构成要素内涵及优势与不足三方面对FRA范式展开了全面述评，以期为我国科学本质教育理论与实践提供借鉴，推动其不断向前发展。

关键词： 科学教育； 科学本质； 家族相似性； FRA范式

文章编号： 10056629（2023）07000306

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

科学本质（Nature of Science， NOS）作为科学素养的核心组成要素之一，已成为诸多国家科学课程文件与国际组织政策报告的基本共识，得到了充分认可［1］。提高学生与教师对于科学本质的理解已经从一个理想目标转变为科学素养培养的关键组成部分。当前被科学课程文件普遍接受，科学本质研究与实践领域大量引用的是一种名为“共识范式”（Consensus Paradigm）的版本。该范式将NOS定位为科学认识论和科学社会学，亦即科学作为一种认识方式或科学知识发展所内嵌的价值观和信念。具体包含如下七要素：科学知识的经验性（包括观察与推论的区别）；科学理论和定律的区别；科学知识的创造性和想象性；科学知识的理论负载性；科学知识的社会与文化嵌入性；科学方法的迷思；科学知识的暂定性［2］。

近年来，该范式因其存在的诸多问题而遭受一系列批评，出现了前所未有的范式危机［3］。批评者认为，共识范式在理论体系上存在模糊本體论、二元认识论、机械还原方法论、同质项目规范性列表体系的问题，其所开发的评价工具存在语境缺失、低阶化导向、劳动密集、学科适应性差、广度有限与关联性不足的问题［4］。批评者主张运用“哲学上更复杂的方法和对当代科学实践的更真实观点”建立一个更具包容性、复杂性、开放性、整体性的NOS替代性框架。诸多方案中，家族相似性范式（family resemblance approach， FRA）最为耀眼［5］。本文从结构体系、要素内涵与系统审视三方面对FRA范式进行了全面阐释与系统审视，以期为我国NOS教育理论与实践提供借鉴，推动其不断向前发展。

1 FRA范式及其结构体系

该范式最初由Irzik与Nola于2011年提出。他们运用家族相似性方法论，将科学的认知维度分为活动、认知目标与价值观、方法、方法论规则与产品四个方面。其中，活动包括观察、实验、收集和分类数据、提出问题等；特定分支目标包括建立解释和进行预测；价值观包括经验的充分性、一致性、简洁性等；方法包括归纳、演绎、溯因推理、统计方法和数据挖掘；方法论规则包括构建假设、不临时修改理论等；科学产品包括假说、定律、理论、模型等［6］。

二人在随后论著中，对其进行了改进：将“科学作为一个认知系统与一个社会制度系统”区别开来，后者涉及科学实践的社会、文化、政治、伦理和商业等方面，分为专业互动、知识认证和传播系统、科学精神与社会价值观四类。Erduran与Dagher两人则进一步拓展、深化了FRA框架：将科学活动替换为认知性科学实践；重新将其科学教育语境化以使其运用于科学教育研究与实践；将社会制度系统进一步拓展，增加社会组织和互动、政治权力结构和经济体系三类别。这样便建构出一个2维度11类别的同心圆模型的FRA范式［7］。

家族相似性是该范式极具特色的方法论。它是由维特根斯坦为解决哲学界长期争论的普遍性问题而提出的思想方法论，其主要内涵可概括为：诸多事项并不存在完全相同性，而仅具有交叉重叠的家族相似性或局部相似性［8］。通过这种局部相似性诸环节得以连结在一起。某成员在某些方面与该类的某个或某些成员具有某种或某些相似性，而这种相似性不一定存在于其他成员之间。因此，共识范式所谓的适用于所有分支领域的整体性与笼统性的NOS特征是一种迷思。因为有些特征是科学分支领域很大程度上共享的，有些则共享程度有限，有些则根本不共享。科学各分支领域既具相似性，又具差异性。各分支领域不具有NOS作为整体和一般领域的共通特征，而仅具有一串相关的家族相似特征。科学分支领域与其他分支至少共享一个或多个（而不是所有）NOS特征，任一分支领域只具有部分NOS特征，而非全部。科学各分支在各维度及其各类别构成要素上均具有家族相似性，正是由于这种家族相似性，科学各分支领域才得以称之为科学。相较而言，共识范式则以普遍共同特征来划定科学边界，声称只有全部具备7个NOS特征的领域才是科学大家族成员，才是科学的，否则就是伪科学。

FRA范式兼顾了科学学科间的NOS差异性和相似性，并提供了一种连贯方法，通过该方法可捕捉到NOS的领域一般与特定方面，既包含认知系统维度，又囊括社会制度系统维度。前者包含认知目标和价值观、科学实践、方法和方法论规则与科学知识4类要素；后者包含专业活动、科学精神、社会认证和传播、科学的社会价值观、社会组织和互动、政治权力结构和经济体系7类要素。这些类别要素不是独立与排他的，而是以动态互动方式相互关联，共同构成了一个FRA同心圆，直观表征出科学的整体、多样、包容、动态图景。且各维度之间、各类要素之间的边界是松散的（用虚线表示），以表明无论要素在FRA同心圆上的位置如何，均彼此影响，具体如图1所示（虚线表示各象限空间要素的边界松散性，可相互流动；同心圆表示科学是一个整体、动态、连贯、包容系统）。鉴于该体系模型的广泛影响力，业已成为国际科学界公认的共识范式的替代范式之一，本文所指的FRA范式即特指该模型，其各要素内涵阐释如下。

2 要素内涵

2.1 认知目标与价值观

目标和价值观影响科学家的科学实践与认知建构。科学事业的基础是坚持一套指导其认知建构与科学实践的目标与价值观。这些目标和价值观通常是内隐的，包括准确性、客观性、一致性、怀疑主义、合理性、简洁性、证据充分性、预测性、可检验性、新颖性、有效性、逻辑性、可行性和解释力、开放性、复现性等。

2.2 科学实践

将科学活动替换为科学实践不仅仅是一个术语转换与偏好问题，更重要的是对科学活动如何成为认知本质的重新认识［9］。“实践”即认知实践，实践与知识的产生密不可分，而非孤立的活动，是为了认知（理解、预测、协调理论与证据）、指向认知、关联认知而实践的。如分类实践不仅可用于组织现有关系，亦可在更广泛的理论框架内预测新的关系与解释相关问题。如门捷列夫根据周期律对元素分类成功预测了镓等元素。分类是经验的有意义聚集，可在探究的初级阶段以形成性方式发现、分析及促进知识生成，它以特定結构（如层次结构和集合）进行操作［10］。分类是认知目标导向的科学实践，在学校中忽视分类的认知维度，多是由于没有将其置于广阔的理论背景和认知目标框架中，如周期表分类是基于周期律理论。

实验被定位为科学实践而非传统的程序操作活动。科学实验不是一套既定程序。科学家经常为了解决研究问题而发明新程序和技术。确定恰当的实验程序与数据、模型、理论一样，亦是科学家的重点关注对象。这种对实验的重新定位，是为了将其从目前在学校科学中的无意识和程序性地位提升为基于认知标准的科学实践。以实验中的技术革新为例，人们倾向于将实验知识的产生视为理所当然，并将重点放在理论上。然而，科学与技术发展紧密相连，实验不仅运用技术工具，亦会改造、革新技术。且在当代科学实验中，科学家多不会基于理论与定律机械展开，而是基于当下问题情境灵活进行，这已为科学实践哲学研究所揭示——很多探索性实验结果的得出，并非事先设想到的，而是在多种要素作用下涌现出来的。工程技术对实验的影响愈益显著，很多前沿理论，如果没有大型精密的工程技术仪器协助，是很难产生的［11］。

而且，科学实践不仅指向认知（认知实践），亦指向社会文化（话语实践），即具有社会性与文化性，三者（其中调查实践又分为观察、分类和实验等；认知实践包括解释、建模和预测等；话语实践包括论证和说服等）相互作用，相辅相成。更为重要的是，科学实践内部各要素并非彼此孤立，而是相互关联。

2.3 方法与方法论规则

几十年来，“唯一的科学方法”在教师群体与教科书作者群体中有着顽强生命力。“唯一的科学方法”的缺陷之一在于它传达了一种错误观念——即认为存在一种统一的从事可信科学研究所必需的跨学科的科学实践方法，而不使用实验方法的科学家不可能获得可信的知识。在这种逻辑下，自然科学中的历史研究常被视为不如运用实验法的科学研究。但当实验不足以提供充分证据甚至无法进行实验时，这种“唯一的科学方法”就很有问题。

变革师生“唯一的科学方法”迷思的最佳途径是在具体学科内容下，展开对科学方法的多样性反思，并将这种反思置于主张、证据和解释的动态关系中。天文课上的学生可能能够较易理解天文学家无法实验的原因（不能在太空中操纵天体）。但物理与生物课堂上的情景与此大相径庭，生物课上，他可能会对实验证据在自然选择理论中所起的有限作用而感到困惑——他可能无法理解为什么不对研究对象直接进行实验操纵，却求助于非实验或观察数据。即使告诉他自然选择理论中具有历史因素，亦不能使其拨云见日。因为这需要了解历史数据的获得、解释方式及其与其他非历史数据的关系。

2.4 科学知识

科学知识以理论、定律和模型（theories， laws and models， TLM）三种形式及其相互作用构成的TLM整体进行表征。依据一定标准，可将其划分为不同层次。就理论而言，存在中心、前沿与边缘三种层次。中心理论是主流科学的核心，如物理学中的相对论与牛顿运动定律；前沿理论亦是主流科学的核心成分，但受到对立解释的挑战，如冷聚变理论；边缘理论则是开始进入科学的起点理论，随着时间推移，可能会亦可能不会上升到其他两水平理论。模型通常被界定为对源域与目标域的关系表征。目标域即待解释的未知物体与现象；源域即有助于理解目标域的熟悉的物体与现象。教师可在课堂讨论中适时地引入TLM的不同分类，以帮助学生澄清与克服相应迷思。

TLM与FRA一致，兼具领域一般性与特定性。前者强调不同学科如何借助一套连贯理论、定律和模型来解释学科相关现象，即所有科学分支领域均是在理论、定律和模型的家族相似上发展起来的，如表1所示。科学知识的这种连贯框架试图超越将理论、定律及模型彼此孤立的信息碎片学习（即学校科学教学鲜少促进学生对各形式知识间的相互联系与协调理解），而聚焦于不同形式知识的统一网络关系。

领域特异性要求尊重学科的特殊结构，尽管所有科学学科均依赖于特定理论、定律和模型，但其精确性是特定的，彼此具有很大不同。以科学定律为例，化学定律与物理学定律即有很大不同。元素周期律指出，元素的性质存在周期性，由元素的原子序数排列间隔控制，仅是定性与近似的，而非牛顿运动定律那般精确化与数学公理化。哲学家们常将物理学作为范式科学，以物理定律为科学定律建立了一套普遍且量化的标准，但这种狭隘的定律标准仅适用于简单系统，对于化学、材料学和气象学等更复杂科学系统并不适用。这就说明一条定律既可数学化表征，亦可近似和定性表征。明确定律的性质及其在不同科学领域的相似与差异性，对科学教育大有裨益。如教科书应引出周期律的近似性，并将其模式作为一个实例进行具体说明，着重聚焦其与学生熟悉的其他定律的区别。在物理和化学比较背景下，引入定律本质，提高学生的NOS理解水平。

2.5 科学社会制度体系

主要包括专业活动、科学精神、社会认证与传播、社会组织与互动、政治权力结构与经济体系7类要素。所谓专业活动包括出席会议、发表研究成果、课题申请等。让学生模仿性参与科学家的社会活动有助于培养其“说”和“做”科学方面技能，交流发现、回应他人不同观点，从而建立、修正自己观点。科学精神即共同体互动及其应秉持的制度性态度与规范，包括开放、自由、伦理性、环保、诚实、无私、有组织的怀疑主义等。社会认证与传播即科学家所得成果需经共同体审查与评价后方可发表与传播［12］。社会价值观包括环境与社会效益。尊重环境与自由既是科学精神，亦是科学社会价值观。而社会效益则是科学研究获得公众支持的必要条件。

科学家的互动包括科研组织内部互动及外部互动两种。前者以职业阶段（如学生、博士后等）、就业状况（专职与兼职、员工与非员工）和经费来源、组织等级的差异进行，并导致科学家建立彼此信任关系——谁的结果可信？谁更愿意合作？后者则关注科学研究与企业、政府等组织联系与合作。全球化背景下，科学研究目的、过程与结果越来越受外部背景制约。科学是一种价值无涉与中立事业的传统叙事话语面临质疑。实际上，科学与技术均与政府和国家紧密相连。从伽利略将望远镜锐化以更好地识别遥远敌舰以及海森堡对希特勒科学计划的贡献均窥见科学服务于国家压迫、恐吓和殖民的身影。学生需要理解这些关系，并对科学知识的滥用具有批判意识，在不损害科学理性的同时，意识到科学知识生产可能导致的政治后果［13］。

科学家的科学实践和科学资源分配由经济力量调节。世界各地政府均有相应管理机构，如美国国家科学基金会为从事科学研究的大学和研究机构提供研究经费，从而影响科学研究性质。为了实施研究，科学家需在符合资助机构和共同体标准与期望范围内进行。作为分配资源的关键组织，他们多是国家主管的中央机构，负责依据与公共政策目标的相关性而对研究项目赋予优先次序，评价与判定所提交申报的优劣。科学研究并不游离于经济体系之外，而是深受其影响。科学研究与企业管理相似，科学家群体组织方式与企业组织方式类似，科学家亦需财务规划与生产产品，并通过出售专业知识与技术专利等研究结果追求利润，科学研究的商业化日益显现［14］。

3 系统审视

作为替代方案的FRA范式，在当前国际科学本质范式更替浪潮中呈现勃勃生机。我们自然应该以开放的心态拥抱并全面系统深入学习，但同时亦应具有批判眼光，看到其问题所在，继而才能为我所用。

整体而言，FRA理论体系表现出一种与共识范式相对的异质类目启发性复杂网络体系样态。所谓异质即指其体系要素并非像共识范式仅指向单一认知性与领域通用性维度，而是兼顾社会制度、实践、认知等多种维度及各分支学科的差异与多样。所谓类目即指FRA体系基本单位是11个更加上位、宏观、更具概括性范畴，而非（如共识范式）7条NOS微观特征陈述。所谓启发性即指其目的在于通过开放性的11个类目，为师生提供思考的框架与路标指南，以便其根据具体学科情境自主灵活选择以生成相关成果，培养与提高其高阶科学素养，而不是像共识范式以7条特征界定与规范科学，使师生沦为灌输与记忆工具而脱离于科学素养的培养与提高。所谓复杂网络即指FRA体系的11个异质类目相互渗透、相互作用、相互关联（包括类目内关联与类目间关联）下构成了整体、连贯、复杂的动态体系，而非像共识范式那样是由7条简单、零散、线性关联的陈述命题构成的静态、孤立的清单列表。

综合而言，FRA理论框架表现出与同质、片面、笼统、表浅、孤立、零散、静态的共识范式完全相对的异质、全面、细致、清晰、整体、连贯、动态特征。这种独特优势可以使FRA范式弥补共识范式的理论及应用短板，如基于FRA范式开发的课程与教材评价工具能够有效克服共识范式评价工具所存在的学科适应性差、广度与关联性有限和深度不足问题。通过兼顾学科差异性与关联性实现学科适应性的飛跃。这种学科适应性不仅体现在可深入评价课程文件与教材中的要素覆盖度，亦可有效评价其要素关联度。前者关注课程文件FRA类别要素的存在与否及其数量，后者注重NOS的认知维度要素与社会制度维度要素关联。且不仅可对同一学科课程文件与教科书NOS类目关联进行整体评价，亦可深至某一学科课程文件或教科书的局部主题的NOS类目关联表征进行评价。如教科书的某一内容主题（如遗传学主题）或某一教科书组织要素（如正文部分、栏目、探究活动部分或习题部分）。以及不同国家和地区的课程文件与教科书的NOS类目关联性表征比较研究。

与此同时，FRA范式亦存在如下两方面问题。一是科学哲学理论基础缺失。早在Irzik与Nola将维特根斯坦的家族相似性思想转译为NOS方法论之时，即埋下未解难题——类别划分、类别组织方式及类别与具体NOS特征命题陈述的联系均缺乏明确理论依据。与共识范式相比，虽然这些类目及其阐释的确更为复杂、全面，但却无法看出类别要素划分、彼此组织方式及类别要素与命题陈述之间的必然联系——为什么是且必然是这些类别及陈述？如何由一种类别关联其他类别？又如何根据这些类别得到那些具有明确指向的NOS命题陈述？这其中必然的联系何在？

FRA范式研究者本应作出回答，却在缺乏充分依据下，匆匆给出它们，似乎社会与认知两维必然能够得出这些类别及其命题阐释。在此，FRA与共识范式存在同样问题，它成为了自己所批判的对象。这消减了该范式的理论说服力和应用效力——因为实际科学教学中最具指导意义的是具体确定的NOS命题陈述而非其概念性的维度与类别要素，不明确给出类别组织方式及类别与命题陈述联系方式，教师与学生就无法将其运用于NOS教学上，更无法将其纳入课程教材与评价体系，最终FRA将可能变成一种被束之高阁的理论“花瓶”，研究者所倡导的科学教学变革图景便无从谈起，科学课堂上的共识范式戏码将继续上演。

二是其要素外延边界模糊，易被泛化、滥用与扭曲。FRA范式的开放性既是其优点，亦是其缺陷。正如这种开放性能够激发教学的创造性一样，未来也可能将FRA要素扩展至创立者不曾预想的边界范围［15］。究竟去往何方，又该停留何处，均是悬而未决的重大问题。在维特根斯坦提出家族相似性伊始，便拒斥对西方哲学千百年形而上学和本体论的追问，企图将其悬置，并保持沉默。这种立场符合20世纪西方哲学发展背景，但科学教育与哲学毕竟不同，前者有其自身学科特异性。将哲学立场直接迁移至科学教育，尤其是NOS研究中，可能是一种误置与对FRA思想的背离。因为将人类已成共识的科学本质传递于学生的科学教育目标的达成，必需通过NOS维度及构成范畴外延（至少与至多包含哪些要素）的划定才能实现。

上述问题该如何解决？如何促使FRA范式茁壮成长？笔者认为需要给予它更多养分——通过对NOS范式依赖的科学哲学语境的澄清，包括核心观念、理论共识、相关争议解决策略的借鉴与吸收（如建构主义实在论对于建构论与实在论二元对立的超越及辩证认识论的确立；科学实践哲学对于科学实践自主性的研究），在探寻范式类目组织方式及其与命题陈述的有效沟通基础上，为NOS要素建构及其划界提供规范且明确指导，从而克服FRA范式存在的理论基础薄弱及要素外延模糊问题，发展完善出一种改进版本的FRA范式。具体来说，可首先对共识范式与FRA范式加以全面审视，以重建NOS范式的时空场域；其次将该时空奠基于合理的科学哲学理论基础之上（尤其是科学知识社会学与科学实践哲学的借鉴、吸收与融合）；继而将所建构的奠基于科学哲学理论之上的NOS范式进行科学教育学转译，以适应科学教育学的具体学科语境；最后，通过多方面的实践应用反馈（如师生NOS观评价工具开发及其应用、课程与教材NOS表征评价工具开发及其应用），使其不断发展完善。

参考文献：

［1］Erduran， S.， Dagher， Z． R.， & McDonald， C． V.. Contributions of the Family Resemblance Approach to Nature of Science in Science Education： A Review of Emergent Research and Development ［J］． Science & Education， 2019， （28）： 311～328.

［2］Lederman NG， Abd-El-Khalick F， Bell RL， Schwartz RS． Views of nature of science questionnaire： Toward valid and meaningful assessment of learners conceptions of nature of science［J］. Journal of Research in Science Teaching， 2002， （39）： 497～521.

［3］Allchin， D..Beyond the Consensus View： Whole Science ［J］. Technology， 2017， 17（1）： 18～25.

［4］宗国庆， 王祖浩. 论科学本质的共识范式危机： 批评、回應、问题与展望［J］. 中国教育科学， 2022， 5（6）： 106～119.

［5］Matthews， M． R.. Changing the Focus： From Nature of Science （NOS） to Features of Science （FOS）. Dans M． S． Khine （dir.）， Advances in Nature of Science Research： Concepts and Methodologies ［M］. Dordrecht： Springer， 2012： 3～26.

［6］Irzik， G.， Nola， R． A Family Resemblance Approach to the Nature of Science for Science Education ［J］. Science & Education， 2011， （20）： 591～607.

［7］［9］［10］［11］［12］［13］［14］［15］Erduran， S.， Dagher， Z.. Reconceptualizing the nature of science for science education：scientific knowledge， practices and other family categories ［M］． Dordrecht：Springer， 2014： 28～30， 67～68， 70～73， 77， 141， 147～148， 149， 180.

［8］韩林合. 维特根斯坦论“语言游戏”和“生活形式”［J］. 北京大学学报（社会科学版）， 1996， （1）： 101～108.