科學本質教育的困境與出路

黃惠敏

摘要：長期以來，科學本質教育一直面臨著三大困境：一是規范教材缺失，二是師資力量不足，三是教學效果差。究其原因，主要是由于科學本質的內涵不清晰，教師自身對科學本質的理解困難，并且所采用的教學方法不恰當。面對以上困境，首先，可以根據共識觀點初步確定科學本質的教學內涵。其次，運用家族相似法有助于理解科學本質。再者，應將內隱的教學方法轉變為外顯方法，以更加有效地提高學生的科學本質觀。

關鍵詞：科學本質;共識觀點;家族相似法;外顯方法

一、引言

科學教育的最終目標是培養出具備良好科學素養的公民，其中對科學本質的理解被認為是科學素養的核心組成部分。理解科學本質實際上就是要回答“科學是什么”、“科學如何運作”這樣的問題，對此有深入的思考不僅有助于具體科學學科的學習，還能加深對科學過程和科學事業的認識，對科學本質具有良好的理解才能就科學社會議題做出明智的決策。實際上，理解科學的本質從20世紀初開始就不斷地被世界各地的科學教育改革文獻提倡為重要的教育成果。相應地，科學本質教育逐漸成為了科學教育的一個重要組成部分，即在科學教學過程中引導學生對科學本質進行思考。

然而，科學本質教育在實際的教學中卻一直步履維艱。20世紀60年代后，以美國為主，國際科學教育領域中出現了大量與科學本質相關的實證研究。全球各地的研究陸續表明，科學本質教育在眾望之下仍長期停滯于起步階段，絕大部分地區尚未形成一套完整有效的教學體系，也未能取得令人滿意的教學成果。本文旨在揭示科學本質教育的多重困境，究其背后的原因，并指出突破困境之路。

二、科學本質教育的困境

科學本質教育的困境主要體現在三個方面，首先是科學本質教學內容的缺失與不規范，其次是師資力量不足，再者是采用的教學方法效果差。

1. 規范教材缺失

在科學本質教育中，教材上關于科學本質的呈現是學生了解科學本質的重要途徑，也是教師展開科學本質教學的基本依據。盡管理解科學本質的重要性已經得到了廣泛的承認，但是科學本質并不像科學知識一樣相對確定與規范地體現在課本之中，目前的科學教材在科學本質方面存在著明顯不足。首先，科學教科書大多重視科學知識而忽略科學本質方面的內容。巧婦難為無米之炊，欲實施科學本質教育首先必須確定科學本質的教學內涵，沒有規范教材的引導，科學本質教育便只能落為空談而難以體現到實際的教學活動之中。另外，一些教材不僅未能解決許多關鍵的科學本質問題，甚至還傳達關于科學本質的不準確的信息（例如，科學概念與人類的創造力無關，存在一套放之四海而皆準的科學方法等），這些錯誤信息既誤導教師的教學方向，也阻礙學生科學本質觀的發展。所以，相關教材的缺失與不規范是一個多世紀以來科學本質教育一直面臨著的首要困境。

2. 師資力量不足

與科學教材相應，科學教師也往往精通科學知識，卻對科學本質知之甚少，難以勝任科學本質相關的教學活動。已有部分實證研究對教師的科學本質觀、教學活動以及學生的科學本質觀三者之間的關系進行了調查，結果發現，就算教師對科學本質有著充分的理解，也不一定會直接體現到其教學活動之中;但是，如果教師要向學生教授科學本質的相關內容以促進學生對科學本質的理解的話，那么教師自身必須先對科學本質有著足夠深入的理解。然而，近幾十年來全球各地大量的實證研究卻表明，各地區、年級、專業的科學教師對科學本質的理解都有所不足。比如，很大一部分教師認為科學知識是不會改變的，不涉及主觀性，也不是創造力的直接作用，一些教師對科學本質的理解遠沒有達到可以向學生進行科學本質教學的水平，少數教師的科學本質觀甚至不如學生。

3. 教學效果差

自上個世紀初以來，以發達國家為首，全球各國陸續將理解科學本質列入科學課程標準之中，并逐漸加大對科學本質教育的重視，但從學生的科學本質觀水平來看，實際的教學成果卻微乎其微。對學生的科學本質觀的實證研究始于20世紀60年代，已有研究盡管研究方法不盡相同，但是研究結果卻大同小異，總的來說，各地區學生對科學本質的理解普遍不足。比如，不少學生認為科學知識是絕對的，科學研究揭示了無可辯駁的絕對真理，并且他們無法區分定律與理論的區別等。其中值得注意的是，不少學者對各個年級的學生進行研究，發現各年級學生之間的科學本質觀并無明顯差異。并且，早期研究所指出的諸多不足在近期研究中仍然不斷地重復出現，總體來看學生們的科學本質觀并沒有明顯的進步。由此可見，科學本質教育的實際效果亟待提高。

三、困境背后的原因

科學本質教育的困境存在已久，因為這些困境背后有著更深層的原因。教學內容的缺失與不規范是由于科學本質的內涵不清晰;師資力量不足則是因為教師自身缺乏相關教育，導致理解困難;再者，教學效果差乃是不恰當的教學方法所造成，而這不恰當的教學方法一方面是不正確的觀點所致，另一方面也是教師們在重重困境之下不得已而為之的逃避性選擇。

1. 科學本質內涵不清晰

科學的本質是科學區別于非科學的根本特征，也是區分科學與偽科學的標尺，與科學劃界問題息息相關，一直都是科學哲學的核心問題。傳統的歸納主義、邏輯實證主義、證偽主義、歷史主義，還有相對近期的科學實在論、科學虛構論等，都是在從各個方面探究科學的本質。一個多世紀以來，科學哲學得到了不斷的發展，科學本質的內涵也發生了巨大的變化。傳統的科學哲學認為科學知識是外在客觀的反映，科學知識是已被證明的、可靠的、不變的真理，科學探究過程中不包含人類的價值觀。而后現代主義則對知識的客觀性提出了挑戰，認為科學知識不是絕對正確的客觀真理，科學探究過程是在人類的價值影響下形成的。

總的來說，科學哲學中對科學本質的認識大致經歷了從客觀到主觀、從絕對到相對、從靜態到動態的轉變。但是關于科學本質的內涵，至今仍然存在著諸多爭議，實際上并沒有一個統一的定義。這給科學本質教育帶來了巨大的困難，因為沒有統一的定義也就意味著難以編訂規范的教材。另外，科學本質內涵不清晰還進一步導致相應的教學目標太空泛，教學效果難以測評，使得科學本質教育難上加難。沒有具體教學目標的指導和支配，也難以對教學效果進行有效的檢驗和評價，科學本質教學在實際的科學教育中往往只流于表面化和形式化。

2. 教師自身理解困難

大部分教師都明白科學本質教育的重要性，但在理解科學本質上較為困難，所以影響其科學本質觀和科學教學 。首先，大多數科學教師在成為教師之前沒有接受過與科學本質相關的教育。無論是基礎的科學教育，還是針對科學師范生的教育，往往都只重視對科學知識的掌握而忽視對科學本質的理解，直到現在仍有大量科學專業的師范生接觸不到專門的科學本質教育。并且，理解科學本質并非易事，因為科學本質是一個復雜的交叉領域，涉及到科學史學、科學哲學、科學社會學、認知科學等多個學科，需要教師對諸多領域均有一定涉略，才能對科學本質有較充分的把握。再者，人們科學本質的認識隨著科學的發展不斷地發生著變化，教師亦需要不斷地更新和加深自己對科學本質的理解才能正確地引導學生對科學本質進行思考。所以，沒有接受過科學本質教育的教師在自己理解科學本質時較為困難，導致教授科學本質時往往心有余而力不足。

3. 教學方法不恰當

導致科學本質教育進展緩慢的另一個主要原因是教師們所采用的教學方法不恰當。教師在實際的科學本質教學活動中往往采用內隱的方法。所謂的內隱方法是一種潛移默化的教學方法，把學生的科學本質觀改變看作是一種附帶的教學效果。一般通過讓學生親身參與科學探究活動，使學生在做科學的過程中感悟科學的本質，從而樹立正確的科學本質觀。這種方法假定科學家就是對科學本質有著最深刻理解的人，科學探究活動的過程中必然伴隨著科學本質觀的轉變和發展。但是，研究表明，內隱方法對學生理解科學本質并沒有多大幫助。

基于所謂“內隱方法”，教師僅僅讓學生自己“做科學”，而不用對科學本質進行分析與討論，一來既繞開了沒有規范教材指導的困難，二來也避免了自身對科學本質認識不足的尷尬。再加上對教師教學成果的檢驗往往不包括學生的科學本質觀，教師在沒有相應教學壓力的情況下，通常不會主動去提升自己的科學本質觀以進行有效的科學本質教學。所以，在實際的科學教育中，大多數教師要么對科學本質棄之不顧，要么避重就輕采用內隱方法，真正進行有效的科學本質教學的教師少之又少，這也就解釋了為什么科學本質教育這么長時間以來幾乎停滯不前。

四、走出困境之路

面對科學本質教育的困境及其背后的原因，在眾多學者的努力與嘗試之下，目前已有不少突破。首先，根據共識觀點總結出的科學本質清單可以作為科學本質教學的基本內容。其次，家族相似法為理解科學本質提供了新的視角。再者，將傳統的內隱方法轉變為外顯方法可以有效提升教學效果。

1. 根據共識觀點確定教學內涵

所謂的共識觀點主要由諾曼·萊德曼（Norman G. Lederman）及其團隊所提出和發展，其主要內容是：在面向1-12年級學生的科學本質教育的層面上，各學界對科學本質的內涵存在著一些基本的共識，應將這些較為普遍的共識作為科學本質的教學內容。

一直以來關于科學本質的看法存在諸多分歧，但這其中的大多數爭論其實與基礎教育沒有太大關系。科學本質教育的目標是引導學生發展對科學本質的恰當理解，以助于學生具備良好的科學素養。對于1-12年級的學生來說，重要的是那些與他們日常生活關系較為緊密，并且在他們理解范圍之內的科學本質內容。因此，有必要對科學本質內涵進行適當的簡化，避免太過繁雜瑣碎和晦澀難懂的一些爭論。也正是在這樣的一般層面上，各學界對科學本質的內涵有著基本的共識。

這些共識即為突破科學本質教育困境的關鍵，就是可以納入基礎科學本質教學的內容。科學本質的概念與科學知識相類似，都是動態發展的。科學知識并不具有絕對的確定性和穩定性，但是我們卻能編訂出規范的科學知識教材并以之為根據進行科學教育，這是因為，教育的目的主要不是探索未知，而是傳授已知。雖然科學知識具有不確定性，但是目前得到普遍公認的就是相對確定的知識，也就是當下可以教授給學生的最好的知識。同樣的，雖然隨著科學的快速發展與對科學的系統思考的不斷深入，人們對科學本質的認識在不斷地改變，但是在諸多分歧之中那些相對而言得到廣泛承認的內容就是科學本質目前較為確定的內涵，也是1-12年級的學生們所應當理解和掌握的方面。

萊德曼及其團隊根據長期的教學實踐與研究，并結合科學、科學哲學、科學歷史學、科學社會學、科學教育學等諸多領域對于科學本質的基本共識，總結出了一份“科學本質清單”，其主要內容如下：（1）科學知識的暫時性：科學知識是暫定性的、會改變，但是在一定時間內會處于穩定的地位;（2）觀察和推論的區別：觀察是直接感受到的關于自然現象的描述性陳述，推論是超越感官的;（3）科學中的主觀性和客觀性：科學的目標是客觀和精確，但科學中的主體性是不可避免的;（4）科學的創造性和合理性：科學知識是人類基于對自然世界的觀察，從想象和邏輯推理中創造出來的;（5）科學中的社會和文化嵌入：科學是社會和文化傳統的一部分，受到社會和文化的影響;（6）科學定律和理論的區別：科學定律和理論都可能發生變化，科學定律描述了在某些條件下被觀察或者感知到的自然現象的一般關系;（7）科學方法的多樣性：不存在一種放之四海而皆準的科學方法。

根據共識觀點得出的科學本質清單得到了廣泛的承認，近年來大量的科學本質實證研究都以此作為理論基礎。該清單也為科學本質教育提供了一個有效可行的起點，使得科學本質教學有據可依，為教師在具體的科學教學活動中展開與科學本質相關的討論提供了必要的引導和幫助，也為學生更加系統和全面地理解科學本質提供了較為規范的指導。

2. 運用家族相似法理解科學本質

近幾年來，家族相似法逐漸發展為理解科學本質一個新視角。眾所周知，家族相似性的概念最初由路德維希·維特根斯坦（Ludwig Wittgenstein）所提出，用于解決哲學中長期以來的共相問題，后來逐漸被其他學者們應用到諸多學科中，比如用于解釋科學的統一性與多樣性。

應用家族相似法來理解科學的本質，即把科學視為一個大家庭，將各個具體的學科比做這個大家庭中的成員，這些成員之間具備著某些共同的特征但又不盡相同。下面以天體力學、進化生物學、地震科學、粒子物理學這4個具體學科與觀察性、實驗性、解釋性、預測性這4個主要特征為例進行簡要的說明。首先，天體力學具有觀察性，也能夠對行星的位置給出充分的解釋和準確的預測，但是卻不具有實驗性，雖然絕大多數科學學科都需要做實驗，但是目前來講在天文學領域中進行實驗根本不可能。而進化生物學能夠很好地解釋物種的進化，但是卻無法做出精確的預測。相似的，地震科學也能夠說明地震發生的原因，但是仍未能準確預測下一次地震的時間和地點，并且地震科學也不具有明顯的實驗性特征。相比之下，粒子物理學不僅具備觀察性也具備實驗性，并且在解釋與預測粒子現象方面也都做得非常好。以上這4個學科與4種特征之間的關系可以概括為：（1）天體力學：觀察性、解釋性、預測性;（2）進化生物學：觀察性、實驗性、解釋性;（3）地震科學：觀察性、解釋性;（4）粒子物理學：觀察性、實驗性、解釋性、預測性。可以看出，這4個學科之間存在著相似性，但是又各不相同;4種特征在不同的學科中得到了不同的體現，這4種加上其他未列舉出來的一系列特征（如數據收集、推理、假說演繹法等）共同塑造了科學這個大家庭的面貌。如果我們嘗試著通過這些特征來給科學下一個確切的定義，會發現根本無法找到科學的充分必要條件。首先，明顯實驗性與預測性就只是科學的不必要條件而已。其次，雖然觀察性和解釋性是這4個學科都具備的兩個特征，但是這也只說明觀察性與解釋性是科學的必要不充分條件，觀察性與解釋性并不是科學的專屬特征，就比如我們過馬路前看來往的車輛與紅綠燈，這也具有觀察性。也就是說，科學的各個分支之間具備著一些共同的特征，然而這些特征并不足以定義科學，也無法為科學劃界。改變為科學尋找充分必要條件的思路，換用家族相似法來理解能更好地把握科學的全貌，這也正是家族相似法的優勢所在。

家族相似法極大地拓寬了人們對科學本質的認識。首先，家族相似法不僅包括了各科學學科的共同點，也使得各個學科的獨特之處得以展現，在顯示科學統一性的同時也很好地體現了科學的多樣性，描繪出了一幅較為全面的科學圖景。另外，家族相似法所提供的視角也易于理解，有助于教師提高自身的科學本質觀。并且，通過家族相似法來理解科學的本質具有動態性和開放性，這更符合科學的實際情況，也更有助于培養師生的批判性思維，促進對科學的本質的深入思考與分析。

3. 采用外顯方法提高教學效率

目前已有不少學者對科學本質教學方法進行研究，研究發現，外顯的教學方法明顯比內隱的教學方法更能有效提高學生的科學本質觀。外顯方法指實施科學本質教學的過程中，明確地指出相應的科學本質內容，直接討論和反思關于科學本質的問題，如：你認為科學知識會變化嗎？為什么？如果會變化，請舉例說明。外顯方法通常結合社會性科學議題，或者融入科學史和科學哲學來進行教學。

社會性科學議題指的是由科學的發展與應用引發的一系列具有爭議性的議題，比如轉基因食品、基因編輯、人工智能等。利用社會性科學議題情境進行外顯的科學本質教學，一方面能激發學生的興趣，通過開放性與爭議性的熱點問題，學習其背后的科學知識與科學本質，另一方面也能讓學生學以致用，培養其分析和解決實際問題的能力。以基因編輯這一議題為例，在實際教學中，可以先進行相關生物知識的教學，在此基礎上再引出該議題，根據科學本質的基本內涵引導學生進行小組討論。另外，也可以將基因編輯這一議題作為課程的主線，在介紹、討論該議題的過程中穿插進行具體知識的學習。

在科學教學中融入科學史與科學哲學，并不意味著將科學史與科學哲學作為獨立的學科進行教學，而是通過原本科學課程背后值得探討的科學史故事與科學哲學的觀念，把科學本質內容體現到課程之中，引導學生進行思考和討論，進行外顯的科學本質教學。由此可以使學生了解科學探究是如何進行的、科學知識是如何產生的、科學的作用與局限等，從而促進學生對科學本質的理解。

實際上，無論是內隱方法還是外顯方法，與具體的教學內容和方法并沒有一一對應的關系。例如，如果在科學探究活動中直接討論科學本質問題，那就屬于外顯方法。即使結合社會性科學議題，或者融入科學史和科學哲學，如果沒有明確提出科學本質問題，仍屬于內隱方法。因此，外顯方法除了結合社會性科學議題、融合科學史和科學哲學教學之外，還可以在科學概念、科學模型、科學定律、科學理論等科學知識的教學中直接展開科學本質教學。

由于外顯方法能夠有效營造出觀念沖突與反思的情境，有助于學生科學本質觀的轉變與發展。因此，在科學本質的教學實踐中應提倡教師們將內隱的教學方法轉化為外顯方法。

五、結語

總的來看，科學本質教育所面臨的困境是多方面、多層次的，且各方面的困境及其背后的原因又互相影響、互相阻礙。欲突破科學本質教育的重重困境，首先要確定科學本質的教學內涵。盡管各學界對科學本質存在諸多爭議，但是實際上在基礎教育的層面上存在著一些普遍的共識。應將這些共識觀點作為科學本質教育的基本內涵，為科學本質教育提供一個有效可行的起點。其次，提高教師自身的科學本質觀是進一步突破科學本質教育困境的關鍵。家族相似法是理解科學本質的一個新視角，為教師對科學本質進行深入的思考與分析提供了有效路徑。為幫助教師加深對科學本質的理解，形成一套恰當的科學本質觀，應提倡教師學習和掌握必要的科學史與科學哲學。目前可以對在職教師進行科學史與科學哲學的相關培訓，而在今后的科學教師的培養過程中，應將科學本質作為與科學知識一樣重要的必修課，為其之后的科學本質教學打好基礎。教師在對科學本質有了足夠深入理解的基礎上，應將傳統的內隱教學方法轉變為外顯教學方法，并在教學過程中不斷摸索更為有效可行的教學模式，以提高學生的科學本質觀及科學素養。最后，需要說明的是，本文所指出的突破科學本質教育困境之路并非獨創，很大部分都來自于他人的杰出工作。但同時也需要指出的是，本文仍然做了一項基于自身思考的獨立工作，即對科學本質教育的多重困境進行梳理，究其背后的原因，并將諸多學者所做出的突破貫穿成一條走出困境之路。

參考文獻：

[1] Driver R ， Leach J ， Millar R ， et al. Young people's images of science[J]. American Journal of Education， 1996， 31（3）：706–710.

[2] Lederman N G . Students' and teachers' conceptions of the nature of science： A review of the research[J]. Journal of Research in Science Teaching， 1992， 29.

[3] McDonald C V， Abd-El-Khalick F. Representations of nature of science in school science textbooks[M]//Representations of Nature of Science in School Science Textbooks. Routledge， 2017： 1-19.

[4] Lederman N G. Nature of science： Past， present， and future[M]//Handbook of research on science education. Routledge， 2013： 845-894.

[5] Fah L Y ， Hoon K C . Teachers' Views of the Nature of Science： A Study on Pre-Service Science Teachers in Sabah， Malaysia[J]. Journal of Science & Mathematics Education in Southeast Asia， 2011， 34：262-282.

[6] Miller， P. E. （1963）. A comparison of the abilities of secondary teachers and students of biology to

understand science. Iowa Academy of Science， 70， 510–513.

[7] Rye J A ， Rubba P A ， Wiesenmayer R L . An investigation of middle school students’ alternative conceptions of global warming[J]. International Journal of Science Education， 1997， 19（5）：527-551.

[8] Zeidler D L， Walker K A， Ackett W A， et al. Tangled up in views： Beliefs in the nature of science and responses to socioscientific dilemmas[J]. Science education， 2002， 86（3）： 343-367.

[9] King B B . Beginning teachers' knowledge of and attitudes toward history and philosophy of science[J]. Science Education， 1991， 75（1）：7.

[10] Lederman N G， Lederman J S. Research on teaching and learning of nature of science[J]. 2014.

[11] Lederman N G ， Abd‐El‐Khalick， Fouad， Bell R L ， et al. Views of nature of science questionnaire： Toward valid and meaningful assessment of learners' conceptions of nature of science （p 497-521）[J]. Journal of Research in Science Teaching， 2010， 39（6）：497–521.

[12] Lederman N G ， Abd‐El‐Khalick， Fouad， Bell R L ， et al. Views of nature of science questionnaire： Toward valid and meaningful assessment of learners' conceptions of nature of science （p 497-521）[J]. Journal of Research in Science Teaching， 2010， 39（6）：497–521.

[13] Wittgenstein L . Philosophical Investigations[M]. B. Blackwell， 2009.

[14] Gürol Irzik， Nola R . A Family Resemblance Approach to the Nature of Science for Science Education[J]. Science & Education， 2011， 20（7-8）：591-607.

[15] Lederman N G， Lederman J S. Research on teaching and learning of nature of science[J]. 2014.