課堂視角下的科學本質及其教學實現路徑*

●蔣永貴

課堂視角下的科學本質及其教學實現路徑*

●蔣永貴

課堂視角下的科學本質是科學知識的習得與應用過程，也就是由科學知識和科學過程兩密切關聯部分構成。尤其是科學過程，則應超越“科學過程即科學探究”這一傳統認識，泛指學生習得科學知識以及決策、處理實際問題的任何過程，包括廣義的科學方法以及科學態度、情感與價值觀。體現科學本質的教學可從以下三位一體的路徑來實現：一是重視前概念成因分析，引導學生逐步認識科學概念本質：二是強化科學過程教育意識，突出并顯化科學方法教育：三是注重榜樣示范，發展學生科學態度、情感與價值觀。

科學本質；科學知識；科學過程；實現路徑

科學本質的理解含以下三方面的內容：[1]科學知識；科學探究；科學是一種社會事業。但進一步考察以上三方面內容的具體內涵，發現多是從傳統科學哲學或后現代科學觀視角下討論科學的本質，其中較多觀點難以有效地指導中小學科學教學，甚至令教師存有困惑。為此，本文建構了課堂視角下的科學本質，并進一步在實踐中探索其教學實現路徑。

一、課堂視角下的科學本質

（一）科學知識

1.科學事實

一般而言，科學事實是指對觀察到的自然現象或事件進行的客觀、準確描述。如，木塊放進水中會上浮直至漂浮在水面上，而鐵塊放進水中則會下沉；腦神經有12對，脊神經有31對；細胞是生物體結構和功能的基本單位等等。顯然，科學事實只有在與其它類型科學知識如概念、原理、理論等相聯系，并用來作出科學解釋時才有意義。

2.科學概念

通常，科學概念來自于經驗，指的是人們在已有經驗基礎上，將新的經驗進行組織形成的觀點。不難理解，科學概念本質上是一種從感性到理性認識自然世界的思維形式，主要從大量科學事實中反映事物的本質屬性，例如“力”是在大量科學事實中總結得出“力是物體對物體的作用”。當然，任何科學概念包括科學原理、科學理論等都有其本質和外延。

3.科學原理

簡言之，科學原理是對科學概念間關系的概括。具體來說，科學原理是通過觀察和研究部分事件和情況，概括出一般性的結論，用來解釋其他相似的事件或情況。[2]可以說，相比科學概念，科學原理是更高級別的思維形式。例如“阿基米德原理”：浸在液體里的物體，受到向上的浮力（一個概念），浮力的大小等于物體排開的液體所受到的重力（另外一個概念），即F浮=G排液=ρ液gV排液（涉及浮力、密度等科學概念并反映出它們之間關系）。

4.科學理論

科學理論是對某（些）科學事實、科學概念、科學原理等的系統解釋，本質上是一個嚴密論證組成的知識體系。例如“物體的浮沉條件”是由如下科學事實、科學概念、科學原理等建構的知識體系：浸在液體中的不同物體以及浸在不同液體中的同一物體表現出來的科學事實（如有的上浮，有的下沉，有的漂浮，有的懸?。?；與物體在液體中浮沉相關的科學概念（如浮力、重力）；解釋浮沉的相關科學原理（如力和運動的關系、阿基米德原理）。

5.科學模型

科學模型是指用物質形式或思維形式對原型客體本質關系的再現，一般可分為實物科學模型和思維科學模型兩大類。前者是人們觀察、實驗的直接對象，如現實生活中“斜拉鎖橋梁”，逐步建模發現其本質上是一個“杠桿模型”；后者屬于思維形式，是客體的一種抽象化、理想化等形態，如“物體的浮沉條件”的圖示。顯見，建立科學模型可幫助我們透過現象或對處在多種因素交錯的復雜紛亂狀態中的客觀事物，基于原型客體的本質屬性，撇開那些次要的問題，將主要因素、關系和過程突出地呈現出來，以便于觀察和理論分析。

（二）科學過程

為真正厘清科學過程的內涵，至少應從兩個層面理解：一是把握科學探究的本質——“提出問題、進行猜想和假設……”只是科學探究的一些基本要素而不是線性流程、科學探究的過程和方式是多樣的、“真”科學探究的關鍵是要整個過程要始終貫穿著各種思維活動[3]等；二是“超越”科學探究，即科學過程不僅僅是科學探究，泛指學生習得科學知識以及用科學決策、處理實際問題的任何過程。

綜合以上理解，科學過程主要包括廣義的科學方法以及科學態度、情感與價值觀。

1.廣義的科學方法

科學方法作為科學本質的重要內涵，對此，物理學大師費恩曼有著獨到的見解：“科學是一種方法，它教導人們：一些事物是如何被了解的，不了解的還有些什么，對于了解的，現在又了解到什么程度（因為任何事物都沒有被絕對了解），如何對待疑問和不確定性，依據的法則是什么，如何思考問題并作出判斷，如何區別真理與欺騙，真理與虛飾……在對科學的學習中，你學會通過試驗和誤差來處理問題，養成一種獨創精神和自由探索精神，這比科學本身的價值更巨大。還要學會問自己：‘有沒有更好的辦法來做？’”[4]在費恩曼看來，科學的核心或者說全部就是科學方法，主要表現為思維方式和操作技能。但實際上，科學方法的發展依賴于科學知識的學習與理解，它們之間是相互影響的。因此，從長效教學看，科學方法比科學知識更重要；但我們應明白，科學方法是在習得科學知識過程中發展的。

綜合以上分析，廣義的科學方法是指習得科學知識以及用科學決策、處理實際問題的思維方式和操作技能，并蘊含著綜合能力價值。就中小學科學學習而言，較常用的科學方法有觀察、猜想與假設、測量、分類、推理、控制變量、解釋、比較、類比、轉換、等效替代、理想實驗、建模、估算（測）、圖示、表達與交流、數學等（詳見表1）。

2.科學態度、情感與價值觀

科學過程作為社會性建構活動，其中一定會有人的參與，并融有人的科學態度、情感與價值觀。由此，“科學態度、情感與價值觀”是中小學理科課程的分目標之一，具體包括充滿好奇心、要有證據意識、要有質疑精神、樂于運用科學知識、要有合作精神、關心科學對人類生活和社會的影響等方面內容，在此不再一一作一闡釋。

二、體現科學本質的教學

（一）重視前概念成因分析，引導學生逐步認識科學概念本質

研究表明，學生在學習某科學概念之前，由于日常生活經驗和前期學習，他們頭腦對該概念的認知并非是一張“白紙”，而是已有一定的認識并形成了自己的看法，這就是大家所說的“前概念”，它具有普遍性、頑固性、隱蔽性和兩面性等基本特征。[5]

為有效、高效地暴露學生前概念，可針對課堂教學中的核心概念，設計促進學生學習的問題，活用各種方法如紙筆回答、簡要訪談、家庭小實驗等，來了解學生已經知道了什么、知道到什么程度等問題。而促進學習的問題具有如下特征：一是容量小，不怎么增加師生負擔；二是比較聚焦，能切中要學習的核心概念，價值較大；三是生活化的情境，學生比較感興趣，樂于動手和動腦；四是較具開放性，學生無法照搬教材，但問題的答案實際又在教材中，更能促進學生思考；五是層次性較強，有助于深入了解學生的前概念。

由于科學與生活中常見的現象密切相關，不難理解，前科學概念多是學生從各種現象的表象中且過于相信自己的直覺、視覺、感覺判斷等形成的，很多沒有抓住問題的實質，所以往往是表面的，甚至是錯誤的。例如前科學概念“用水平力F推放在水平面上的物體而沒推動，推力小于摩擦力”，其形成原因為“過分相信自己的直覺判斷，之所以沒推動是因為推力F比摩擦力f小，把f與fmax混淆了?！辫b于此，體現科學本質的教學應通過一定策略引導學生逐步認識到“f就是為了平衡F提供的，沒有被推動之前，f隨著F的增大而增大，由于平衡而一直滿足F=f，但f有一個最大值fmax，沒有推動之前F＜fmax”。

（二）強化科學過程教育意識，突出并顯化科學方法教育

在新一輪基礎教育課程改革中，我國科學教育重視科學方法只在觀念上實現了轉變，但在課程內容尤其是教學實踐中依然沒有發生太大改變。而課堂視角下的科學本質則為科學方法教育落到實處提供了一種可能：強化科學過程教育意識，從教學最為重要的三要素——學習目標、學習評價、學習活動——著手，突出并顯化科學方法教育。

例如初中科學“機械運動”這節課，其中蘊含著較多的科學方法如觀察法、比較法、解釋法、分類法、推理法、理想實驗法、建模法等。若突出并顯化這些科學方法，該課學習目標可以這樣確定：

表1 中小學科學學習常用科學方法①

①觀察（觀察法）跳馬運動的視頻，能用自己的語言準確地說出機械運動的含義；

②比較（比較法）甲乙兩人對同一機械運動現象的描述，解釋（解釋法）甲說是運動而乙則說是靜止的原因，至少能說出核心概念；

③通過實例分析，能在教師提醒下說明判斷（推理法和程序法）機械運動的方法，應用它解決其它問題的正確率90%以上；

④能至少依據兩種分類標準（分類法），對機械運動進行分類，準確率100%；

⑤比較（比較法）教材中的兩輛汽車的運動，解釋（解釋法）勻速直線運動的含義（理想實驗法和建模法），并至少說出一個與此類似的概念及其形成過程。

相應地，突出并顯化科學方法的學習活動可這樣組織：如何觀察（定義機械運動）→如何比較與解釋（定義參照物）→如何推理（判斷機械運動的方法）→如何分類（對機械運動分類）→如何做理想實驗與建模（理解勻速直線運動）。

而有關科學方法的學習評價，這是當前課程改革的一大難題，受到諸多因素制約，但也可以通過設計一些相對開放性的問題來實現。比如，評價學生對“建模法”理解和應用可設計問題：建模法是一種很重要的科學方法，請你任選初中科學中的一個模型，結合這一模型解釋什么是建模法并說明這一模型的建立過程。也可這樣設計問題：在現實生活中，真的存在勻速直線運動嗎？請說出你的理由。

（三）注重榜樣示范，發展學生科學態度、情感與價值觀

學生的科學態度、情感與價值觀即“軟實力”的發展，這是當前科學教學最為薄弱的環節。但從課堂視角下的科學本質內涵看，其中的很多內容如好奇心、證據意識、質疑精神、樂用科學、合作精神、關心科學對人類生活和社會影響等，其實對學生成長和社會發展的影響確實非常大的。因此，我們絕不應忽視這一科學本質內涵的教育價值。

對此，我們怎樣教才更有效呢？“如果你想點燃別人，你自己必須能夠發光發熱?！盵6]也就是說，榜樣示范是重要途徑之一。比如，要想培養學生好奇心，我們教師自己應先對科學充滿好奇心和興趣。還如，關于證據意識，我們教師可通過這樣的“口頭禪”——我為什么這樣想、我的證據是什么——來影響學生。

注釋：

①部分內容參考如下資料：教育部.初中科學課程標準（2011版）[M].北京：北京師范大學出版社，2011:14;[美]卡琳等.教作為探究的科學[M].北京：人民教育出版社，2008：44-53；王文軍.初中科學競賽方法指導[M].杭州：浙江大學出版社，2008：1-92.

[1]R.Driver，J.Leach，R.Millar，and P.Scott.Young People’s Image of Science[M].Buckingham：Open University Press，1996:18-20.

[2][6][美]卡琳等.教作為探究的科學[M].北京：人民教育出版社，2008:28;31.

[3]蔣永貴.究竟什么是“真”科學探究[J].當代教育科學，2009（14）.

[4]約翰·格里賓等.江向東譯，迷人的科學風采——費恩曼傳[M].上海：上?？萍汲霭嫔?，1999：156.

[5]周中森.淺談針對物理前概念的“對話式反思教學策略”[J].物理通報，2012（5）.

（責任編輯：金傳寶）

*本文是教育部人文社科項目（11YJC880040）、浙江省教育規劃重點項目（SB98）、浙江省課堂教學改革專項（2013年）的部分成果。

蔣永貴/杭州師范大學經亨頤學院副院長，博士、副教授，主要從事科學教育研究