國際文憑課程（IBDP）中的“科學的本質”介評

徐祖輝 蔣皓

摘要：科學本質是國際文憑課程（IBDP）中自然科學學科的重要內容。介紹了IB課程中科學本質的主要內容、學習要求和教學關鍵。我國的科學教育必須重視科學本質教學；要注意向國外先進教材學習；注意培養學生的科學研究能力；讓學生理解科學研究的方法和規則；思想、觀念的轉型要領先。

關鍵詞：科學本質；國際文憑課程（IBDP）；科學研究能力；觀念轉型

文章編號：1005-6629（2016）2-0092-05

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

《Nature of Science（科學的本質）》是國際文憑組織（IBO）為提高本組織自然科學學科的教師和學生的科學素養，加深對科學的理解而撰寫的一份教學指導文件。它不但被放在生物、化學和物理的課程指導書中，鼓勵教師理解科學的本質，還在學生使用的教科書中安排了較多的有關“科學的本質”的實例，以使學生能理解科學本質中的有關內容。

該文件不僅歸納了幾百年來科學發展過程中的研究方法以及科學家在研究中所達成的共識，而且還總結了近幾十年，特別是進入二十—世紀信息革命中科學研究的一些重要規律。為幫助讀者更好地理解科學的本質、搞好科學本質的教學，本文對該文件做一些初步的介紹。

1 國際文憑課程（IBDP）中的“科學的本質”簡介

1.1 科學本質是IB自然科學學科的重要內容

拓展學生的科學思維能力，培養學生的科學素養在各國的科學教育中越來越受到關注。自從1996年美國頒布的《國家科學教育標準》（NationalScience Education Standard）中將科學本質的理念融入課程標準之中以后，許多國家紛紛仿效。例如，2007年修訂的新西蘭《國家課程》（The NewZealand Cumculum）中就將科學的本質置為開篇的首要內容要求學生通過這一部分的學習加深對于科學的理解。

在全球得到廣泛認可的國際課程——IB文憑課程（IBDP），在其2014頒布的IBDP科學考試大綱（2016年開始實施）中首次加入“科學的本質”取代原先的“第四學科群本質（Nature of Group 4）”，進一步突出了科學本質在物理、化學和生物等IB自然科學學科中的重要地位。

1.2 IB課程中科學本質的主要內容

“科學的本質”這一文件共5個部分：

“1.什么是科學，什么是科學探索”部分從基本信念、目的、方法與過程特點、成果形式，以及科學與社會的關系等角度對科學及科學探索作了比較全面的勾畫。

“2.領悟科學”部分闡述為了理解科學，需要注意科學概念與日常概念的區分；應用理論進行解釋、預測和檢驗；了解科學的范式；了解科學理論和假說的局限性；形成因果關系、相關關系以及條件控制、抽樣等理念。

“3.科學的客觀性”部分闡述為了增強科學的客觀性，要重視數據和重復測量；理解誤差與不確定性的影響和存在；認識到認知的偏差會產生的影響；重視大數據的應用。

“4.科學的人文性”部分闡述科學需要合作和團隊精神；科學及其某些成果會對道德和政治產生重要影響；科學成果會產生專利和知識產權問題；科學需要學術誠實和抵制剽竊；科學需要資金支持，資金的來源對科學研究的類型有關鍵性影響；政治和經濟因素經常會產生相應影響；科學的應用可以改善人類的生活，同時也會造成各種問題，為此需要進行道德討論、風險一收益分析、風險評價和預警。

“5.科學素養和大眾對科學的認識”部分闡明理解科學本質的社會意義；科學家應該在促進公眾接受科學方面起重要作用；科學素養不僅包括科學家對工作的思考和他們的知識構成，也包含對缺陷和錯誤推理的認識，否則會導致偽科學；要使用合適的科學術語；創新性和想象力有無限的發展空間，永遠有很多的問題在等待著未來的科學家。

1.3 “科學的本質”的學習要求

通過“科學的本質”這一模塊的引入，要使得學生在學習實驗科學學科的同時，從整個學科群的宏觀角度思考科學的研究方法，某項科學成果的可信度，人為因素對科學研究的影響等等。通過對這些問題的思考使得學生從被動的、單純接受式的學習轉變為主動思考“什么是科學”，“為何科學會這樣發展”，“我們應該如何開展科學研究”，“哪些因素是科學研究需要注意和避免的”等問題。在IB科學學科群的考卷中會出現與科學本質內容相關的試題考核學生對于此部分內容的理解和把握。

1.4 轉變學生的角色至關重要

學生從被動的學習者，變成學習過程的主角，這一轉變對于科學教育而言至關重要。

國際文憑組織（IBO）不僅撰寫了專文敘述科學的本質，并要求出版社在為該機構編寫的自然科學學科的教材中，均必須在涉及科學素養的內容時設專欄要求學生思考討論有關的議題。

2 評論與思考

2.1 我國的科學教育必須重視科學本質教學

2002年4月我國國務院頒布了《全民科學素養行動計劃》，其目標是到2049年中華人民共和國成立100周年時全體公民都達到“人人具備科學素養”。究竟“什么是科學素養”，“如何提高學生的科學素養”，對這些基本問題目前仍缺少易行的、可操作的實施方案。我國高中科學教育中物理、化學、生物都是自成體系的，教學大綱也是分開的，在教學中都以傳授各自有關的學科知識為主。高考時也都設定一系列的“知識點”，考題基本上在知識點的范圍之內。而對于科學精神、科學方法、科學研究能力則很少考核。可能是受英國哲學家培根（Francis Bacon，1561～1626）的名言“知識就是力量”的影響，我國的科學教育注重知識的傳授和積累，而對科學素養的培養重視不夠。“理解的質比信息的量更重要”，國際上的科學教育對這—點已有共識。培根的時代畢竟已過去了近400年，在這幾百年中，科學技術在批判性思維和創新性思維的引領下，經過不斷地自我完善，積累了大量的知識、經驗、信息，也糾正了科學技術發展中的各種錯誤和不足，使科學技術有了巨大的進步。有人將科學技術的進步形容為“知識爆炸”，然而在知識爆炸的年代，知識是學不完的，而且隨著科學技術的發展，有些過時的知識還會被逐漸淘汰。單純學習知識是無法支撐當今時代對人才的要求的，只有提高公眾的科學素養、使公眾從本質上理解科學，才能更陜地提高科學的發展水平。

要培養良好的科學素養就必須對科學有一個比較全面的了解，“科學的本質”—文正是起到了這樣的作用。在工作中，筆者在面試高中的新化學教師時，問過一個問題：道爾頓是通過什么實驗，怎樣才知道物質是由原子和分子組成的？在面試的對象中很少有大學畢業生和研究生能回答出這一非常基礎的問題。這可能要從我國的中學化學教育中找問題。以前，有的高中化學教材是這樣介紹道爾頓的原子理論的——“科學上積累了許許多多的事實，證明了物質是由分子構成的，像擴散、固體的融化、液體的氣化和凝固、氣體的液化等等都是分子真實存在的證明”。但是到底怎么證明物質是由原子和分子組成的，在高中化學教材中卻沒有講。科學教育從本質上說就是要培養學生的探究精神，要讓學生通過嚴密的推理和審慎的實驗，理解科學是客觀的、真實的，這樣學生才能對科學產生興趣，才能信服科學。

2.2 要注意向國外先進教材學習

美國的高中化學教材對這一問題的敘述是可供借鑒的。多本教材都用大量的篇幅敘述了道爾頓提出原子理論的背景和依據。希臘早期的哲學家德謨克利特（Democritus）在公元前400多年就提出，世界上所有物質都是由非常小的、不可進一步分割的微粒所組成，他把這種微粒稱作原子。另一個希臘哲學家亞里斯多德（Aristotle）則反對德謨克利特的觀點，他反問，是什么把這些粒子結合在一起？為什么它們不會像沙子砌成的城堡一樣被風吹散。由于當時技術發展水平的限制，無法從哲學家的辯論中得出結論。直到18世紀，科學技術的發展使很多比較精確的實驗成為可能。拉瓦錫首先通過對實驗前后反應物質的稱量，提出了物質不滅定律；1788年普魯斯特又提出了定比定律，指出組成物質的元素之比是—定的。而最有力的依據是倍比定律，有些元素相結合可以形成二個或二個以上的化合物，這些化合物中的元素質量比在不同的化合物中呈整數倍。例如，水和雙氧水（過氧化氫）都是由氫和氧組成，水的氫氧質量比是1：8，而雙氧水的氫氧比則為1：16。一氧化碳和二氧化碳都是由碳和氧組成，一氧化碳的碳氧質量比是3：4，而二氧化碳的碳和氧的比例為3：8。為什么由同樣的元素組成的不同物質，它們的元素的質量比呈整數倍？這就強烈暗示元素是由基本粒子所組成，只是由于組成的微粒的個數不同，因而呈整數的比例關系。道爾頓研究了大量的化學反應，對參加反應的元素的質量比做了詳細的觀察和計量。通過前人的發現并經過認真的思考，道爾頓提出了他的假設，他仍按德謨克利特的觀點，將這一基本粒子稱為原子，就是今天所說的道爾頓原子理論。道爾頓所做的實驗并沒有直接證明原子的存在，他通過實驗并嘗試對實驗的結果做出合理解釋。也就是說，當時他提出的只是一個假設，但是這一假設能較好地解釋物質不滅定律和定比定律以及道爾頓的其他實驗結果。雖然當時也受到很多質疑，但是由于假設的合理性，這一假設逐漸為科學界所接受。在以后幾百年的科學發展過程中，道爾頓的原子論經過很多科學家的多次修改，才成為今天的原子理論。關于道爾頓原子論近百年發展的詳細過程，可參考文獻[4]，它用了57頁的篇幅，九十多幅插圖來說明這一過程。這一例子并不是僅僅在敘述化學史，而是通過介紹道爾頓的實驗以及他對實驗結果的思考，向學生解釋科學方法在科學發展史中的作用。道爾頓通過實驗的觀察和數據，做出了物質是由原子這一基本粒子所組成的假設。正如“科學的本質”中所指出的，“假設是對事物解釋性的說明，假設可能是正確的也可能是錯誤的。假設可以由實驗或對自然界的觀察加以檢驗”。在科學發展過程中批判和質疑的精神使科學能主動地糾正各種錯誤和不足，從而具有客觀性和真實性。道爾頓的原子理論在以后的幾百年中得以反復地修正和完善。如果迷信權威，不敢批判，科學就不可能得到發展。吳堅在他的著作《全球教育發展新趨勢》中指出：“由于對科學哲學缺乏探索而帶來的對現代科學的片面認識，我國學校的科學課程與教學幾乎都不涉及科學自身的局限性、科學的本質和精神，以及科學技術與社會的互動等重大問題。在大多數國人的眼里，科學即真理，因而科學是不可錯的；科學知識是精確的證實知識，因而它有著至高無上的權威。這種科學觀必然導致科學‘神圣’的心理，成為滋生唯科學主義的心理基礎，其直接結果反映在科學教育上，便是不能培養學生的懷疑精神、批判精神和創新精神。”在我國中學的化學教育中，大量的教學內容都以講述定理和結論為主，但卻很少討論這些定律的發生發展過程，斟酌其合理性以及其在不同環境下的適用條件。例如以“假設”這一常見的概念為例，我國中學教材中很少篇幅涉及這一科學方法的介紹。實際上，在自然科學中假設幾乎無處不在。化學原子結構部分，由于目前的條件下，對原子結構和電子軌道等概念都不可能用直接觀察來證明，只能通過實驗，再加上推理提出各種假設。如軌道的雜化，離域電子，s、p、d軌道的形狀，實際上都是假設。由于這些假設能較好地說明并解釋所觀察到的實驗結果，因而科學家接受了這些假設，或日理論。當代最偉大的科學家之_霍金在他的著作《時間簡史》中寫道：“能滿足以下兩方面要求的理論才是好的理論。首先它必須能在一個只包含少數不確定因素的模型中準確地歸納大量觀察的結果；其次它必須能確切地預測將來的觀察結果……任何一個物理的理論永遠只是暫時正確的。從這一意義上說，它只是一個假設，你永遠也不能證明它。不管多少次實驗的結果和這一理論相一致，你永遠也無法確定下一個實驗結果不會與理論相矛盾。反之，如果能找到一項重現的觀察結果與理論的預測結果相矛盾，這一理論就能被否定。”在中學的科學教育中要讓學生理解科學的過程和科學的方法，理解為什么某一項科學概念在適當的條件下是正確的。“感覺的東西我們不能深刻地理解它，只有理解的東西才能深刻地感覺它”。要培養科學素養，就要使學生建立科學的觀點和方法，這比單純地運用科學理論中的只言片語要重要得多。在美國的《國家科學教育標準》中關于原子理論的教學有一段話說得很中肯：“學生自然而然要詢問原子的內部結構，讓他們懂得‘我們是如何知道的’可能很困難，然而很重要。當原子存在的證據和論據被教師和課本的直接斷言所取代的時候，高質量的學習和科學探究精神的實踐也就喪失殆盡了。”

2.3 要注意培養學生的科學研究能力

“科學的本質”強調證據和數據對于科學家的重要性。凡是不能被科學實驗檢驗的假設或理論均不在自然科學的研究范圍之內。除了強調證據和數據的重要性外，文章還提出了一些數據處理的原則和方法。如：數據相關性的判斷；誤差、不確定性，精確度、準確度的定義以及它們的區別；隨機誤差和系統誤差的關系及判斷依據；重復測量和大量讀取數據能增強讀取到數據的可靠性等。這些概念在科學研究中是常用的，也是在科研工作中所必須注意的。

讓學生理解這些科研的方法和規則對提高學生的科學素養和工作能力是必要的。在一些國家的高中教育中都要求學生完成一定數量的研究課題，培養學生的科研能力。上海中學國際部從事IB的文憑教育已經將近二十年，已有很多取得IB文憑的畢業生，如只看成績，上海中學IB的平均成績在世界上的排名是很靠前的。由于IB對學生的研究能力是有強制要求的，每人都必須完成一篇4000詞（英文）的論文，文理不限。我們培養的學生，在中小學階段缺乏經常進行研究并撰寫課題報告的習慣，相對而言，學生撰寫論文感到比較困難，論文的成績比學科書面考試的成績也要稍差一些。在上海中學的IB的教學中，幾乎全部理科教師都是我國自己培養的大學生和碩、博士研究生。實踐表明，經過努力絕大部分修讀IB的學生都能很好地完成論文。有相當部分學生撰寫的論文得到IB論文部分的滿分。只要我們努力，在中學階段合理地培養學生的科學研究能力是可以做到的。重視證據和數據是保證科學的真實性和客觀性的基礎，是基本的科學素養。在IB的化學教學中，要求學生完成—定數量的定量實驗，在實驗和課題中對數據的采集，自變量和因變量的選取，數據的整理，結果的誤差判斷等都有詳細并具體的規定，對學生的數據處理的要求就更為具體和嚴格：要求學生對實驗結果的誤差進行評價，通過計算機使用線性回歸，曲線擬合等手段處理數據，并把這些要求作為評分的標準之_。考慮到中學實驗條件的限制，IB組織對于學生的實驗結果的準確性要求不高，但是對于實驗結果誤差的評價卻很具體。在教學實踐中我們感到這些措施是可行的也是有效的。由于我國國家大、學生的人數多，對實驗的要求過高有困難。但是根據我國的國力，要求學生完成一定數量的定量實驗和研究型課題則是完全做得到的。這一點，在很多國際學校的教學實踐中都已得到證實。

2.4 要讓學生理解科學研究的方法和規則

“科學的本質”不僅使學生理解“什么是科學”，而且還使學生了解一系列科學研究中的“規矩”。雖然現今世界上尚無統一的成文的科學研究應該遵循的條約和文件，但文中所列出的條款都是世界上科學家所共同遵守的規則。如：科學工作者發表學術論文時由若干名同行匿名評審的原則；完整地、真實地表達數據的原則；為了學術誠信抵制剽竊的原則；使用他人的信息源在學術論文中都應該指明并對得到的幫助表示適當的感謝的規則等。在2014年IB的新科學大綱中要求學生獨立完成一個實驗時間超過斗小時的科學研究課題，目的是培養學生的創新能力和科學研究能力，也使學生能更深入地了解科學研究中的規則。在實踐中我們發現學生的最大的困難是如何確定研究的課題。由于IB規定，課題的內容不允許抄襲和重復，—旦發現成績即為零分，因此經常有學生會問教師，“能否把某某同學的課題修改—下作為自己的課題”，“把生物的課題用到化學中，IB的考試官能否檢查出來”。這些問題，反映了學生對科學研究中的規則不夠明確，也說明了如果在教學過程中過分地強調成績和結果，從而加強練習、加強考核，則在—定程度上有可能會弱化學生的好奇心和進取心。

2.5 思想、觀念的轉型要領先

近幾十年科學技術迅速發展，新產品、新技術不斷涌現，科學技術發展的層次也在提高。在科學教育中需要經常更新科學教育的理念和方法，教材和實驗也要與時俱進。在物理和化學等傳統學科中，對位移、速度、電流、沉淀的生成，顏色的變化等方面的直接觀察已逐漸地被通過光、波譜、磁場以及近代分析檢測儀器所取代。國外有一種看法認為，化學正面臨著轉型，即從濕法化學（wet chemistry，指用瓶瓶罐罐倒來倒去的化學）轉型為現代化學（modern chemistry）。現代科學在微觀上已深入到分子、原子、細胞等尺度；在宏觀方面，科學家在積極地探索海洋、地球和宇宙。由于研究規模變大，難度增強，科學的合作、交流、溝通、團隊精神就顯得越來越重要。在方法上，由于直接觀察變得更困難，科學家更多地采用了分析、推理、綜合、對大量數據的統計學分析等方法和手段。因而對研究者的科學素養的要求顯得十分重要。在“科學的本質”一文中，不僅歸納了常規的傳統的科學研究方法和科學家共同遵守的規則，而且對二十一世紀信息革命中的重要規律也加以總結。在現代的科學研究中要特別強調團隊精神和成員之間，以及與世界上同行之間的交流和溝通。“科學的本質”指出，“科學需要高度的合作，科學團隊是由科學、工程、技術等各方面的人員所組成的。來自不同學科的專家和學者組成團隊協同合作達到共同的目標”。文章也要求教師和學生理解在道德上有爭議的科學研究工作，如克隆技術、食品和生物的基因工程、生殖技術等。文章對科研道德也有具體的要求，“完整并真實地表達數據是科學研究中最重要的原則——科學研究不能被事先設定，被操縱或加以修補。為了學術誠實和抵制剽竊，（出版物中）所有的信息源都應該指明，并對（提供信息）所得到的幫助和支持表示適當的感謝。同行評審和科學界的徹底審查和質疑態度都有利于科學成果的真實性”。這些科學界的共識對我們培養科技人才都是十分必要的。學生在中學的學習中，不僅要學習科學知識、科學精神和科學方法，而且還應該具備合作精神和科研道德。

“科學的本質”是—篇引導學生熟悉科學、了解科學的比較全面的文章。在國際文憑組織實驗科學學科的教學指導書中，將她看成是科學學科的核心思想。提高科學素養也是我國科學教育的重要任務。特將此文予以翻譯并作上述分析供同行們參考。