科學本質觀：發揮科學教育育人價值的關鍵①

馮華

摘要學生對于科學本質的理解是構成科學素養的重要方面。教師深刻理解科學知識本質、科學探索本質，才能在教學中凸顯科學的屬性，幫助學生通過學習科學知識認識科學的本質，提升科學素養，充分發揮科學領域各學科教育價值。基于科學本質的科學教學，要教科學而非常識，要教學生與物對話、與材料合作、與自然交流，讓學生在研究自然的過程中產生好奇并提出問題。

關鍵詞學科育人；科學教育；科學素養；科學知識本質；科學探索本質；科學創造

中圖分類號G63

文獻標識碼B

文章編號1002-2384（2019）11-0015-03

國際科學教育界普遍認為，學生對于科學本質的理解是構成科學素養的重要方面。我國中小學科學教師一般都經過物理、化學、生物、地理等學科的分科學習，他們往往習慣于從本學科的知識體系理解科學，擅長講授具體知識，但缺乏從科學本質的高度思考本學科教學內容的意識和能力。以我國中學物理教師為例，調查顯示：該群體對于科學本質的認識尚處于較低水平。[1]教師對于科學本質理解的不足，必然會弱化科學學科的教育價值。因此，中小學科學教師要真正加深對于科學本質的理解，思考如何在教學中以知識為載體，幫助學生認識科學的本質，提升科學素養。

對于科學本質的認識，包括對于科學知識本質的認識、對于科學探索本質的認識和對于科學事業本質的認識。[2]本文根據筆者多年來對科學教師教學實踐的觀察，探討教師應該如何加強對于科學知識和科學探索本質的認識。

1. 科學知識依靠證據并在新的證據下不斷被修正

科學知識需要證據判定，科學知識的證據來源于自然環境或實驗室。為了獲取證據，科學家不僅通過身體感官，還制造并利用儀器增強辨別力，用以擴大人類觀察的視野，發現人的自身辨別力尚無法發現的自然特性，獲取更加豐富的證據。從伽利略發現自由落體運動規律到牛頓提出萬有引力定律，再到愛因斯坦提出相對論，各個時期的科學家都把注意力集中在搜集準確的證據上。

一個科學原理即使經過了反復證實，也還要不斷地接受驗證，新的證據經常會對流行的理論提出挑戰。以牛頓物理學從輝煌到發現它的局限性為例，1687年，牛頓出版了研究長達20年的《自然科學的哲學原理》一書。在書中，牛頓從一些基本概念和幾個運動定律出發，使人們對大自然的了解有了前所未有的擴展和統一。特別是在1846年，天文學家應用牛頓的力學理論計算出海王星的運行軌道，這一成果被譽為“不必向天上看一眼就發現了一顆行星”，進一步證實了牛頓理論的客觀性。在當時，科學界將牛頓物理學作為終極的絕對真理接受下來。但在200多年后的19世紀末，用牛頓物理學不能解釋的新的實驗結果出現了。最終，牛頓定律作為愛因斯坦狹義相對論在宏觀、低速條件下的近似定律而包含在相對論中。

縱觀人類認識宇宙的歷史，從地心說到日心說，再到宇宙無中心論；從經典力學理論統一天地間的一切機械運動規律，到電磁場理論統一電、磁、光的運動規律，再到四種相互作用統一宇宙間的一切自然力；從絕對時空觀到狹義相對論時空觀，再到時空幾何化的廣義相對論時空觀；從經典物理學的機械決定論和因果論，到量子力學的概率描述和統計因果論……科學知識的更新記錄著人類對客觀世界認識發展的歷史。

2. 科學理論是對自然現象的解釋和對未觀測到現象的預見

科學以解釋自然現象為目的。科學對自然現象解釋的追求，激勵著一代又一代科學家對自然的探索。以對宇宙中心的研究為例，古希臘的科學家通過觀察所有的天體都是東升西落的現象，認為地球是宇宙的中心，但地心說無法解釋火星的逆行現象。哥白尼提出太陽是宇宙的中心，所有天體都繞太陽做圓周運動，解釋了火星逆行現象，但還是解釋不了所有觀測現象。牛頓的萬有引力定律成功地解釋了開普勒通過總結觀測事實得到的行星運行規律，用更加基礎和深刻的科學規律支持日心說。隨著觀測技術和水平的提高，人類目前對于宇宙中心的推測是宇宙沒有中心。

教學內容中的概念、定律、公式、法則只是科學知識結論的表現，從科學知識的本質思考這些教學內容，科學知識就與人類探索自然的活動結合起來，科學知識的教育價值便凸顯出來。

1. 科學探索沒有一成不變的固定模式

科學探索是人類認識世界的過程，世界上沒有一個簡單的、一成不變的步驟可供科學家遵循，沒有一條道路可以確保正確地引導科學家獲取科學知識。但是，科學探索在依靠證據、利用假設和理論、運用邏輯推理等方面具有突出的特征，這些特征支持著人類科學事業的傳承和社會的發展。

在科學教學中，教師一般是采用規范的探究模式引導學生提出問題、做出假設、設計實驗方案，直至交流展示。這種范式固然可以讓學生體驗科學探索的一般過程，但科學探索絕不是刻板的程序，學生掌握了科學探究的技能不等于理解了科學探索的精神，更不一定能像科學家一樣思考問題。科學教師需要不斷加深對科學探索本質的認識，在教學中通過回顧歷史或設計學生活動，幫助學生感受和體驗科學探索的過程，避免自以為在帶領學生體驗科學探索的過程，結果卻在傳播非科學甚至偽科學。

2. 科學探索是邏輯與想象的結合

早在公元前300年，希臘數學家歐幾里得就從一些定義、公理出發，通過演繹的方法，建立了嚴謹的邏輯體系。此后，在希臘哲學家發明的形式邏輯體系以及文藝復興時期伽利略應用的通過實驗找出自然現象因果關系的方法的基礎上，科學家循著這條“發現的邏輯”推動著科學的發展。但是，在科學發展的歷史上，科學創造也發揮著重要作用。有些科學發現是依靠提出假設、發明理論來想象這個世界如何運轉，然后再解決如何檢驗假設和理論的問題。在科學教學中，教師要兼顧“發現”和“創造”兩個邏輯，避免忽視后者，造成學生把科學看作僅僅由邏輯思維和實證方法構成的“大廈”，而不能通過其他非邏輯思維方式獲得。

愛因斯坦提出廣義相對論就是最好的證據。1915年，愛因斯坦提出廣義相對論及三個可供實驗驗證的推論。1919年天文學家觀測到了水星近日點的反常進動，證實了愛因斯坦的理論預言。[3]直到今天，引力波的發現、獲取黑洞的視覺證據等還在驗證廣義相對論的預言。因此，廣義相對論也被譽為“人類思想史上最偉大的成就之一”。對于“假如沒有愛因斯坦，相對論會被發現嗎”這樣的問題，愛因斯坦本人曾表示，如果他沒有提出狹義相對論，5年之內就會有其他物理學家提出；但50年之內也不會有人發現廣義相對論。

我們從愛因斯坦提出廣義相對論的探索過程中思考科學探索的本質：科學探索的過程不僅是邏輯思維和實證方法的結合，合理假設、直覺思維、大膽想象等非邏輯的思維方式在科學發現中也發揮著重要作用。科學發展的過程是綜合運用各種思維方式探索的過程。

從對科學知識和科學探索本質的思考，反觀我們的科學教育課堂，其還有很多值得研究的問題，有很大可以發展的空間。科學課堂需要突出科學學科的特點，幫助學生通過學習知識、體驗探究，認識科學的本質，為學生終身發展奠定基礎，促進人類科學事業的傳承和社會發展。

1. 科學教學是教“科學”而非“常識”

“科學”與“常識”有著本質的不同。“常識”一般指普通知識，是被認為正確的結論。科學是不斷發展的人類對于自然界的認識，它既是一種知識體系，又是一種認識體系，它反映了思維的邏輯體系。

例如：對于今天的人類來說，地球是球體已經是常識。但是從科學的角度思考，人類對于地球是球體的認識經歷了漫長的過程。從遠古時代的“天圓地方”說，直到亞里士多德根據月食時月面出現的地影是圓形的，給出地球是球形的第一個科學證據。1622年，葡萄牙航海家麥哲倫帶領的船隊實現了環球航行，證明地球確實是球形的。1687年，牛頓在《自然哲學的數學原理》中提出萬有引力定律，并通過理論研究地球自轉對地球形態的影響，認為地球應是一個赤道略微隆起、兩極略扁平的橢球體。地球形狀的研究引發人類思考空間的各個方向是均等的，這也是人類形成科學時空觀的重要一步。直到今天，科學家仍在深入研究地球這個球體。

教師教科學，要把科學家為什么要研究這個問題的背景描述出來，明確科學結論解釋什么、怎樣解釋自然現象；把科學家對于自然或實驗現象的深入觀察和基于證據的推理過程展現出來，把科學家在解決問題過程中應用的主要研究方法梳理出來，把通過研究形成的重要觀點提煉出來，凸顯蘊含在具體科學知識中的科學的本質。

2. 科學教學要與物對話、與材料合作、與自然交流

科學學科的研究對象是自然界，是由“物”構成的人類生存的現實世界。科學探索的基礎是仔細觀察，通過觀察搜集證據并在此基礎上展開推理和想象。觀察、推理和想象相互作用，觀察支持推理和想象，推理和想象引發新的觀察。因此，教師應不斷拓寬學生理解科學的途徑，包括如何與物對話、與材料合作、與自然交流，如何從研究對象處獲取信息，學習和體驗在研究自然的過程中追尋真理。

例如：當學生研究一只昆蟲時，教師應當引導學生觀察昆蟲的身長、形狀、顏色，有沒有翅膀，翅膀的形狀，頭的大小、形狀，眼睛、嘴的形狀，足的形狀等，進而思考這只昆蟲為什么具有這樣的形狀和特點、與其他昆蟲有哪些區別、為什么有這些區別等問題，而不是提出“它叫什么名字”的問題后讓學生通過閱讀資料獲得答案。

3. 科學教學要教“詢問”而非“獲得”

科學教育的目的是希望學生在研究自然的過程中能夠產生好奇并提出問題。著名理論物理學家和物理教育家韋斯科夫指出：“科學不是死記硬背的知識、公式、名詞。科學是好奇，是不斷發現事物和不斷詢問為什么，為什么它是這樣的。科學的目的是發問，問如何和問為什么。它主要是詢問的過程，而不是知識的獲得（很可惜多數人認為是后者，而且是這樣教的）。”[4]

科學教育的詢問不是教師預設的、逼近科學知識結論的系列化問題，而是學生對物、材料和自然產生好奇后的發問。對于高年級的學生，他們還應該能夠提出哪些是事實、哪些是推論、推論是怎樣得到的、歷史上科學家對這個問題有幾種觀點、我為什么相信這個結論等問題。

問題是科學發展、人類進步的階梯，問題也是學習的開始和持續的動力。提出問題能力的重要性早已成為教育界的共識。但反思今天的科學課堂，我們教學生如何提出問題了嗎？有多少機會給學生提出問題？教師真的關注學生的問題嗎？除去“課下查閱資料”的答復，教師針對學生個性化的問題是否提供了解釋或解決問題的支持？

不同領域、不同學科具有不同的育人價值，綜合起來構成基礎教育課程體系。2017年教育部頒布的普通高中各學科課程標準在前言中明確提出：“學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。”[5]我們只有從科學的高度研究學科、從科學本質的深度思考教學，才能真正發揮科學和科學領域各學科的育人價值。

參考文獻：

[1] 陳維霞，陳嫻.中學物理教師科學本質觀的調查研究與思考[J].物理教師，2014，（6）.

[2]美國科學促進協會.面向全體美國人的科學[M].中國科學技術協會，譯.北京：科學普及出版社，2001.

[3] 申先甲，張錫鑫，祁有龍.物理學史簡編[M].濟南：山東教育出版社，1985.

[4] 趙凱華.從物理學的地位和作用看對中學物理教師的要求[J].大學物理，2000，（7）.

[5] 教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017.

注釋：

① 本文系北京市教育委員會社科計劃資助項目“在物理教學中培育物理核心素養研究”（項目批準號：SM201850061001）的研究成果。