將“科學工作依賴觀察和推論”落實到科學課堂

靳冬雪 王笑梅 劉恩山*

（1 北京師范大學生命科學學院 北京 100875 2 東北師范大學附屬中學 吉林長春 130022）

為了提高全體國民的科學素質(zhì)和人才培養(yǎng)質(zhì)量，我國基礎教育理科課程要求學生不僅要掌握“科學知識”，也要了解“關于科學的知識”，即科學本質(zhì)（nature of science，NOS）。我國《普通高中生物學課程標準（2017年版）》中指出，科學本質(zhì)的學習將幫助學生了解科學知識產(chǎn)生過程的特點，促進生物學學科核心素養(yǎng)的達成[1]。“科學工作依賴觀察和推論”作為科學本質(zhì)的重要內(nèi)容之一，強調(diào)了自然科學研究方法的基礎及其特點，理解該內(nèi)容將幫助學生更好地掌握科學探究的過程性技能，促進科學思維的發(fā)展，也能加深對學科核心概念的理解。

科學教師應當將“科學工作依賴觀察和推論”落實到課堂中，促使學生區(qū)分觀察和推論在科學工作中的作用和特點，并在科學實踐中正確應用觀察和推論這2 項技能。因此，教師不僅要掌握觀察和推論的含義與區(qū)別，還應了解將其融入科學教學的途徑。

1 科學工作中的觀察和推論

科學不僅建立在大量觀察的基礎上，除觀察外，推論也是十分重要和必要的工作內(nèi)容。觀察和推論相輔相承，共同推動科學研究的進行和科學知識的構(gòu)建。基于充分的觀察和有邏輯的推論得到的知識是穩(wěn)定和有力的，雖然不會是絕對意義上的真理，但對于人類在生產(chǎn)、生活中的決策具有指導性意義[2]。

1.1 觀察 觀察是一種知覺活動，是對某一事件或現(xiàn)象的注意和記錄[3]。觀察得到的結(jié)果是科學事實，并且不同觀察者容易對同一現(xiàn)象的觀察結(jié)果達成一致意見[4]。年級越低的學生，其觀察會越直接依賴感官，包括視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺，例如，判斷物體的相對大小、材料的軟硬、聲音的高低等。但隨著年級的增長，學生會越來越多地借助工具延伸這些感官[5]，例如，利用顯微鏡和望遠鏡觀察超出肉眼可視范圍的現(xiàn)象。工具不僅能幫助學生擴大感知范圍，更重要的是，它讓學生能使用標準單位對現(xiàn)象進行定量觀察。簡單的觀察諸如使用尺子測量物體的長度，使用溫度計測量室溫等，復雜的觀察包括使用雷達測量目標的方位、高度、速度，使用放射性碳定年法測量化石的年代等。此外，當觀察從靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài)，從觀察個體變?yōu)橛^察群體，將促使研究者在不同尺度上發(fā)現(xiàn)更多的模式[6]。

綜上，在真實的科學研究工作中，觀察是一個復雜的過程，它具有目的性、規(guī)劃性和持久性。因此，觀察者需要具備扎實的、豐富的知識，才能作出有針對性的觀察方案，有效地解決待研究的問題，還要具有持之以恒的毅力，以完成長期的、連續(xù)的觀察任務[6]，例如，生物學家珍妮·古道爾（Jane Goodall），在幾十年的觀察研究中，深入野外，堅持不懈，從黑猩猩群體的習性、行為等方面收集了大量的珍貴數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)所展示的觀察結(jié)果，構(gòu)成了科學工作重要基礎，即科學事實或稱為事實性知識。

1.2 推論 推論是通過邏輯推理構(gòu)建解釋的過程，通常以既定的知識或假設為基礎[3]。在一項科學研究中，人們通過觀察，獲得了大量的數(shù)據(jù)，對于數(shù)據(jù)中存在的模式及其背后的因果關系，需要用已有的知識為基礎，對事實進行推論以構(gòu)建解釋，形成該研究的的結(jié)果。這種研究結(jié)果不是重復陳述簡單的事實，而是對事物的本質(zhì)或規(guī)律最終形成科學解釋或概括，其認知本質(zhì)是科學觀點。以摩爾根（Morgan）的果蠅遺傳行為實驗為例，他發(fā)現(xiàn)紅眼雌蠅與白眼雄蠅雜交的F2代中，白眼性狀的個體總是雄性，于是他和同事推論，控制白眼的基因只會出現(xiàn)在X 染色體上，Y 染色體不會含有其等位基因。這就解釋了為什么果蠅的白眼會出現(xiàn)伴性遺傳的模式。在這個科學史事件中，可發(fā)現(xiàn)推論需要將觀察結(jié)果與已有知識、邏輯推理和創(chuàng)造力相結(jié)合，構(gòu)建解釋從而形成科學觀點[7]。具體來說，摩爾根在解釋果蠅的白眼遺傳模式時，受孟德爾（Mendel）理論和薩頓（Sutton）假說（基因在染色體上）的影響，再基于實驗數(shù)據(jù)進行邏輯推理和創(chuàng)造性的聯(lián)想，最終完成了伴性遺傳的推論。

科學研究中，進行推論需要判斷和篩選哪些實驗數(shù)據(jù)可作為構(gòu)建解釋的證據(jù)，并考慮已有的證據(jù)是否足夠充分支持所構(gòu)建的解釋[7]。仍以摩爾根的果蠅遺傳實驗為例，在作出伴性遺傳的推論后，他和同事又通過測交等方法，進一步驗證了這個解釋。人們還可使用模型理解證據(jù)和構(gòu)建解釋[7]，例如，伴性遺傳的推論可用圖1的模型加以理解。

圖1 果蠅雜交實驗分析圖解[8]

1.3 觀察和推論的區(qū)別與聯(lián)系 觀察和推論是不同的研究活動，得到的結(jié)果也不同。以加拉帕戈斯群島的地雀為例，達爾文通過觀察知道島上的13 種地雀有不同型的喙，分別對應吃不同的食物、居住在不同的環(huán)境中；這些是科學事實。但若要知道為什么會形成不同的地雀物種，則需要通過推論對觀察結(jié)果加以處理，并構(gòu)建解釋：最初屬于同一個物種的地雀因遷移產(chǎn)生了地理隔離，而后不同島嶼上的地雀種群因基因突變和基因重組形成了具有明顯差異的基因庫，從而逐漸產(chǎn)生生殖隔離，形成不同的物種；這是通過推論形成的科學觀點或稱為研究結(jié)論。

由于觀察是對現(xiàn)象進行陳述性描述，且不同觀察者可相對容易地就觀察結(jié)果達成一致意見，因此，其客觀性較強。而推論不同于觀察，由于研究者在進行推論時會結(jié)合自己的創(chuàng)造力和想象力，因此，作出的推論是帶有偏見和主觀性的[9]。這也就解釋了為什么對于同一觀察結(jié)果，不同的研究者可能會作出不同的推論。

觀察和推論存在明顯的區(qū)別，但也有一定的聯(lián)系。觀察得到的事實是進行科學推論的基礎，能提供證據(jù)啟發(fā)、支持或反駁科學推論。科學工作同時依賴觀察和推論，二者是構(gòu)建科學知識的基本方法。

2 教學活動案例及建議

科學本質(zhì)的教學最終要落實到理科課堂之中，因此，教師要掌握合適的教學策略幫助學生理解。結(jié)合觀察和推論的含義與特點，本研究建議教師在科學實踐活動中基于情境對該內(nèi)容進行外顯化教學。

2.1 活動案例 以“神奇的腳印（tricky tracks）”為例，該活動引導學生對動物的足跡進行觀察和推論，并對明確地討論二者的區(qū)別。具體的活動內(nèi)容和材料見圖2和表1。

表1 “神奇的腳印（tricky tracks）”活動內(nèi)容[10]

圖2 神奇的腳印（tricky tracks）[9]

在這個活動中，學生知道了先通過觀察獲得事實，再通過推論提出觀點或結(jié)論。這樣，隨著學生不斷地觀察到新的事實、得出新的推論，教師可讓其逐漸排除之前提出的那些與現(xiàn)有事實不一致的推論。在活動的最后，教師還需要總結(jié)2 個要點：1）觀察與推論之間的區(qū)別；2）根據(jù)同一份觀察結(jié)果，可針對1 個問題得到不同的推論。學生通過活動已構(gòu)建了對這2 個要點的理解，這一步的總結(jié)將再次加深學生的印象。教師還要向?qū)W生強調(diào)，科學家在試圖解釋關于自然界的問題時，也會經(jīng)歷同樣的推論過程，并且往往會有幾種推論都是可信的，沒有唯一正確的答案[9]。

2.2 教學建議 在上述活動案例中，學生在實踐過程中結(jié)合具體的動物腳印情境對觀察和推論進行了充分的討論，同時，教師還向?qū)W生明確地強調(diào)了二者之間的區(qū)別，幫助學生理解和正確使用這2 項技能。因此，本研究對科學教師在課堂上落實“科學工作依賴觀察和推論”這一內(nèi)容提供如下教學建議。

1）讓學生在基于情境的科學實踐活動中學習觀察和推論。科學本質(zhì)源于人們對科學研究實踐特點的總結(jié)，它的學習自然也離不開實踐活動。而情境的使用可幫助教師專門突出科學本質(zhì)的特定內(nèi)容[10]，讓學生在對具體現(xiàn)象進行觀察和推論時學習二者的特點及區(qū)別。教師可利用科學探究、社會科學性議題、科學史片段等創(chuàng)設情境，可引導學生進行的實踐活動參考表2中的“相關的實踐活動”。

2）在活動中應針對觀察和推論給予學生明確的提示和討論。讓學生參與了基于情境的科學實踐不等于教授了科學本質(zhì)，他們無法在這個過程中自然而然地理解觀察和推論的實質(zhì)，以及二者的區(qū)別。因此，教師要在課堂上圍繞觀察和推論給予學生充分的提示，讓他們進行有針對性的討論和反思，主動構(gòu)建對該內(nèi)容的理解[11]。可進行的提示和討論參考表2中的“促進學生理解的反思性問題”。

表2 科學本質(zhì)中觀察和推論的要點、實踐與反思性問題[3]

3 結(jié)語

觀察與推論是重要的科學研究活動，由觀察得到的事實，以及通過推論形成的觀點共同構(gòu)成了科學知識的來源。針對同一現(xiàn)象，不同的觀察者可較容易地觀察到相同的科學事實，但由于已有知識和主觀因素等的存在，人們可能會對觀察結(jié)果進行不同的加工，從而對同一問題推論出不同的科學觀點或稱為科學結(jié)論。學生在科學學習過程中，正確地使用觀察和推論將加深其對核心概念的理解，強化探究技能，培養(yǎng)科學思維，最終促進核心素養(yǎng)的達成。教師可通過科學實踐活動，引導學生基于一定情境明確地討論觀察和推論的含義及二者的區(qū)別，幫助其理解科學知識產(chǎn)生的方式和特點，從而將科學本質(zhì)的內(nèi)容落實到課堂中。