科學本質中“科學是創造性的工作”對科學教學的建議與啟示

邴 杰 劉恩山*

（北京師范大學生命科學學院 北京 100875）

科學本質教育是當前國際科學教育發展的重要趨勢，在科學課程中幫助學生理解科學的本質是一項重要內容［1］。我國《普通高中生物學課程標準（2017年版）》于2018年1 月正式頒布，在教學和評價建議中提出高中生物學課程要適當教授科學本質的內容，其中“科學是創造性的工作”成為其中內容之一［2］。因此，在生物學課堂上教師需要促進學生對科學本質中科學是創造性工作的理解，并在科學教育的課堂中培養學生的創造性，以達到課程的要求。 關于創造性的話題是教育中的永恒話題，然而其內涵及如何在學科教學中將其與生物學內容相結合，進而應用到課堂教學之中，國內學術界并沒有深入的研究探討。 為了能更好地理解“科學是創造性的工作”，有效地將其應用于一線教學，本文將從內涵、教學應用和教學建議3 個方面對其進行介紹和分析。

1 科學是創造性的工作

科學是創造性工作，是科學技術發展推進的原動力。 創造性關鍵在于創造性地發現問題和解決問題，并能提出創新性的理論和方法等。奧斯本（Osborne）等利用Delphi 技術研究科學領域中不同專家對科學的認識歸納，認為在科學教育的課程中，應包括科學本質中重要的一條是“理解科學的創造性”，認為“科學家在形成科學概念時需要創造性”［3］；霍爾頓（Holton）從反證的角度指出，科學并非純粹理性和系統性的活動而需要科學家的創造性,否則計算機也能創造科學了［4］；因此，科學的產生與人的思維活動密切相關，需要人的主觀能動性。 著名細胞生物學家克勞德在細胞學說建立100年后，破除傳統的思維模式對形態學觀察的桎梏，提出的定性定量分離細胞組分的方法，為研究細胞內部組分的結構和功能開辟了新的途徑。

然而，科學的創造性中的主觀能動性并非是空中樓閣的空想和假設，而是建立在觀察和前期知識之上的理論與假設。 例如高中必修1 中的重要事例，關于酶本質的研究中，起始于對葡萄酒的釀制等生活問題，在探索糖類變為酒精的過程中，不同的科學家提出不同的理論。 初期階段化學家認為此過程與生命活動無關，隨著顯微鏡的發現，微生物學家觀察到了酵母細胞，并提出酵母細胞是糖類轉化為酒精的重要條件，認為該過程是有生命參與的； 但是德國化學家李比希仍堅持引起發酵的是酵母細胞中的特定物質，而這些特定物質需要在酵母細胞死亡裂解后才會發揮作用。 2種爭論一直持續到德國化學家畢希納將酵母裂解物與葡萄糖反應后變為酒，得出酵母細胞中引起發酵的物質，并提出了酯酶這一概念。由于技術問題和酵母細胞提取液的混合物問題，科學家在此結果基礎上作出假設，認為酶是一種蛋白質，但是受制于技術等，并不能確定其成分。隨著技術的發展，美國科學家薩姆納從刀豆中提取出脲酶，并成功在丙酮中提純出結晶，該結晶溶于水后催化尿素分解為氨和二氧化碳，并用不同方法證明了脲酶為蛋白質，此后大量的酶被提取出結晶，并被證明為蛋白質。

當前我國已成為世界科技創新中心之一，生命科學一方面揭示生命科學發展的規律，生命科學的發展經歷了神秘的傳說—模糊的猜測—可被觸及和拆解的規律的過程，正如《創新中國——生命》中所言，“沒有神話傳說，沒有宗教傳說，生命有時候可以簡化為一個化學作用，對科學家來說，如果創造出必要條件讓特定的化學反應發生，生命就可以誕生?！绷硪环矫鏋榱私鉀Q當前人類面臨的基本生存問題：食物、對抗疾病延緩衰老等，如何制造更多的食物滿足未來需求？ 科學家不斷利用生物學技術和新思路加以創造性解決。“科學創造”正在科學規律和現實挑戰的問題解決中開出璀璨的花朵、結出豐碩的果實。

2 教學中培養學生的理解和應用能力

“科學是創造性的工作”作為科學本質的組成部分，是學生科學學習中的重要概念之一，而“創造性”也是科學中的永恒話題。 科學是漸進的、動態的變化發展過程，生命科學也是如此。在科學課堂教學上，教師在教學過程中對該概念的理解和掌握需要從認識科學研究的一般步驟開始，引導學生形成高質量問題的提問能力。 問題是創造性發展的源動力，是激發學生學習積極性和完成有意義學習的重要基礎。 Krajcik 等認為高效的科學課堂中實現學生有意義的科學學習、 培養學生創造性，需要將課堂教學與提出的問題相整合［5］。

學生學習科學的過程其實質是對科學發現過程的再梳理，基于建構主義的學習理論認為，學生的學習過程其實質上與科學家的創造性發現過程具有相似性。 學習中的創造性是建立在觀察和前期知識之上的理論與假設，受到客觀條件的控制。明確創造性的思維方式，讓學生認識到發散性思維與收斂性思維（理性思維）在問題解決中的作用，進而習得解決問題的路徑和方式方法。

因此，在教學策略上引入以問題為導向的學生開放性實驗設計，幫助學生理解“科學是創造性工作”，鼓勵學生在提出問題、實驗設計等實踐環節表現出創造性。

在科學課堂上實現“創造性”的教學，需要教師指導學生時特別注意以下幾點： ①基于生物學觀點或概念提出探究性問題； ②利用發散性思維激發學生多種符合邏輯的猜想、假設和方案；③利用收斂性思維讓學生審核創造性成果的條件性和合理性；④科學實踐為學生檢驗想法提供嚴謹的證據和符合邏輯的解釋。

這些環節是結合生物學教學主題將科學本質之創造性融為一體的教學過程。 教師首先要將教學活動聚焦生物學核心概念或觀點，進而利用創造性要求中的發散性思維，調動學生的主觀能動性； 利用收斂性思維讓學生認識到科學創造中的客觀條件制約性； 最后實現讓學生能利用科學工作中的研究范式促進學生對科學的學習，培養學生在科學中的創造性和對創造性的理解，能提升學生對日常生活問題和解決問題的敏感性。 教師在真實課堂中可根據實際的教學內容和學生的認知水平，將科學本質——科學是創造性的工作滲透到相關的教學活動中，并采用明示的方法強調科學本質的要點。

除了將科學是創造性工作與學科知識融合的教學活動之外，在一線生物學教學中，“科學是創造性的工作”還可以從科學史的角度開展。 對在科學史中選取的具有標桿性的實驗加以分析，并在有條件的基礎上還原真實條件下的經典實驗，實現對科學本質之科學是創造性工作的理解和應用。 教學設計可參考蒙克（Monk）和奧斯本（Osborne）所提倡的科學史教學歷程［6］，這是用科學史與科學探究凸顯學生科學本質理解的模式。 該模式通過對特定主題下科學家的研究事例與學科課程內容結合加以設計，將教學分為7 個環節：引入、沉浸、整合、計劃、實驗、檢驗、評價。

引入（engagement）環節由教師提供歷史上關于某個特定現象，例如具有不同觀點的科學家案例，結合生物學知識介紹相應背景材料，讓學生閱讀相關材料。在沉浸（immersion）環節，教師提出有針對性的問題，讓學生沉浸于所給材料，思考歷史上經典的爭論。 在整合（consolidation）環節中，教師組織學生對問題展開討論，學生充分利用理性思維歸納、比較不同觀念及不同的實證資料，幫助學生歸納科學史中出現的不同理論，并對照學生觀察到同一現象后會得出怎樣的科學觀念。 在計劃（plan）環節，根據科學家提出的創造性假設與理論，學生提出自己的觀點表明支持或不支持，并作出相應的實驗設計，評判新、舊理論的優劣。 實驗（experiment）環節是讓學生根據前期的實驗計劃實施實驗，收集數據并提出研究結果，教師通過過程技能評價學生的實驗操作。 在檢驗（examination）環節中，教師讓學生根據所獲得的實證數據評判、 分析自己與其他同伴提出的不同的科學觀念，啟發學生對自己的結論和其他組學生的結論，以及所選材料中科學家的結論作出比較；讓學生評價自己觀點的創造性，并在歸納與比較中完成對實驗設計的修正。 讓學生充分理解科學是創造性工作的本質，以及如何在科學研究中對權威產生質疑，并充分體會其創造性所在。 最后，在闡明（clarification）環節，教師提出學科中涉及該研究或現象相應的科學概念，從而強化學生理解應該掌握的科學概念，并掌握當代的科學觀念及新觀念中創造性的產生機制。

3 結語

引導學生對科學本質之科學是創造性工作的理解和應用，需教師付出更多的努力，以上對其內涵的理解和教學應用的建議，旨在讓教師理解科學在形成過程中科學家的主觀能動性、 條件局限性，以及科學研究過程的嚴謹性。當前我國生命科學高速發展，其自然地理優勢和豐富物種等為我國生命科學的發展提供了重要戰略性資源，新技術發展后的全球科學共享性和同步性，沖擊著科學家對事物的認知發展，無論是揭示生命的規律還是解決現實中的問題，科學家建立在觀察、前期理論技術基礎上所表現出的主觀能動性創造著一個又一個奇跡的發生。 科學的發展離不開科學家的創造性，但是科學的創造性又離不開科學研究的嚴謹性，無論是科學的發展還是科學課堂上對學生創造性的培養，不能僅站位于對思維的無限擴展，要基于對客觀存在的認真觀察、分析。 不能因為對創造性的追求忽略了對生物學知識的理解。因此，對于科學是創造性的工作的理解要從實際出發，讓學生理解生物學概念和觀點的重要性和基礎性。創造性也非空想和無邊的發散，而是要建立在已有知識之上的再發展與再創造。 教師要在調動學生主觀能動性的基礎上，有針對性地培養學生科學研究的理性思維方式和科學探究方法，讓學生在思維和實踐的過程中理解科學本質中“科學是創造性的工作”，從而促進學生理解基于科學研究嚴謹性基礎上的創造性，實現對學生生物學核心素養的全面提升。