科學本質表征的顯性化及其意蘊
——以人教版“細胞學說的建立”為例

（閩江師范高等專科學校 福建福州 350001）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）在教學建議部分明確提出“注重生物科學史和科學本質的學習”的要求，并且列出7項適合在高中階段開展的科學本質教育的內容，表明提升對科學本質理解是發展學生核心素養的重要組成部分，是必須得到落實的課程目標。

1 關于科學本質內涵的討論

科學本質多被定義為科學認識論，即科學是一種獲得知識的途徑、是與科學知識的發展相一致的價值和觀念。雖然，研究人員對科學本質內涵的表述及定義不盡相同，但廣泛認同科學本質的內涵包括以下3個層面。

（1）科學知識：科學知識具有暫時性、公開性、相對性、重復性等特點；

（2）科學探究：科學活動通過觀察、實驗、推理等方式進行，具有預測性、創造性等特點；

（3）科學事業：科學活動與社會、技術、道德等因素相互影響、相互作用。

《課程標準》列出以下7項適合在高中階段開展的科學本質教育內容：“科學知識可能隨著研究的深入而改變”“科學工作依賴觀察和推論”“科學工作采用基于實證的工作范式”“科學是創造性工作”“科學工作要高度關注主觀因素的影響”“理論和定律賦予科學解釋的能力，但兩者不盡相同”以及“科學會受到社會和文化影響”等。上述七項科學本質的教育內容在國際上被普遍認同。落實《課程標準》的要求，開展科學本質教學是發展學生科學素養的必然要求。

2 科學本質教育存在的問題

近現代科學的發展對社會的發展起著決定性作用，人類對科學的認識也在不斷改變，較長時間以來邏輯實證主義在我國的科學教育中占據主導地位。科學教學比較多強調科學知識的實證性、穩定性和真理性，相對忽視科學知識的暫定性、主觀性和建構性；強調實驗在科學過程中的作用及實驗的規范性，對探究活動中思維因素的認識或簡化或神秘化，忽視實驗中創造性及主觀因素影響，導致學生容易產生“所有科學理論都能被實驗驗證”“科學概念、模型是研究對象——對應的存在”等認識；比較強調科學知識的功用性，相對忽視科學的社會性和文化因素。針對高中生科學本質理解水平的研究表明，我國高中對科學知識的暫時性的理解相對較好，但在觀察推理的區分、創造想象在科學理論創立中的作用、社會文化嵌入性、科學方法的多樣性等方面存在缺陷。

3 2019年版教材對科學本質表征的顯性化和系統化

比較人教社的2019年版和2007年版普通高中生物學教材之《必修1·分子與細胞》的“細胞學說的建立”內容（以下簡稱2019年版和2007年版），可以發現：2019年版教材在科學知識的暫時性、重復性；科學活動中觀察、實驗、推理的區別與聯系；科學事業與社會、技術的相互作用等方面的內容表征更加明確，章節內和章節間相關的內容構成系統，即顯性化和系統化增強，體現了教材修訂對課程標準改變的回應以及對教學的要求。

3.1 明確區分“觀察”與“歸納”等科學方法

觀察和歸納是科學研究中的兩種基本方法。觀察是通過感官（或借助技術手段實現感官的延伸）發現事實收集證據。千百年來，人類從未停止對生物的觀察，從個體、系統、器官、組織的解剖到細胞亞顯微觀察，典型地體現了觀察在生物科學活動中的重要地位。推理是人類邏輯思維的重要形式。人們基于觀察獲得的事實、證據，運用類比、歸納、演繹等推理形式產生結論。區別觀察與推理是理解自然科學中概念提出、理論構建的基礎，也是理解科學理論實證性、主觀性的基礎。長期以來，我國教科書和教學活動中對觀察和推理缺乏定義描述與區分，日常生活中也存在這兩個術語應用泛化的現象，高中學生對兩者的區分與聯系存在一定的認識誤區，2019年版教材做了顯著的改進。

2019年版該章節的“思考·討論”第2小標題為“顯微觀察資料的積累——認識細胞”，2007年版相應的標題是“顯微鏡下的重大發現”。后者的視角是后人對科學史實的總結和評價，體現的是觀察與推理結合產生的結果；前者更準確反映觀察導致證據的積累及與推論產生間的關系。2019年版的該小段最后一句“在長達170多年的歷史中，人們對細胞及其生物體的關系并沒有進行科學的歸納和概括”，與2007年版“他們并沒有用細胞來描述其發現，也沒有進一步考慮生物體結構的一致性”比較，前者能直接讓學生意識到單純的觀察積累只是事實、數據，并不能直接導致科學理論的創立，理論的產生還需要基于觀察的推理。2019年版第3段小標題為“科學觀察和歸納概括的相結合——形成理論”，2007年版相應的標題是“理論思維和科學實驗的相結合”標題。相較而言，前者更清晰地指出科學活動的類型以及兩者間的關系和區別，后者是科學過程綜合性的描述。2019年版該小段增加的“施萊登通過對花粉、胚珠柱頭組織的觀察……”內容，對觀察和推理的具體內容進行了陳述，有利于學生明確區分觀察與推理，并且本節新增的科學方法欄目中對歸納法給出明確的定義，在章節的問題中還引導學生思考不完全歸納法的可靠性問題，使學生對歸納法理解更加深入，也有利學生理解生物學的概念、規律都必須在一定范圍適用。

3.2 全面介紹科學理論的性質和價值

科學理論是經反復證實被較廣泛接受的、內部自恰的解釋系統，能對自然界中看似無關的現象間的關系作出解釋。2007年版教材介紹“細胞學說”具體內容之前，就直接給出“它是自然科學史上的一座豐碑”的整體評價，而2019年版教材在介紹學說內容及創立過程之后，以較大篇幅論述理論的特點和意義，指出“細胞學說”不僅能引導人們認識到生物統一性，同時使解剖學、生理學、胚胎學獲得統一基礎，催化近代生物學的誕生并引領生物學的研究進入細胞水平。這樣的編寫有助于學生理解重大科學理論對復雜研究對象的解釋能力和統一能力。這一部分的內容還描述了細胞學說提示生命的歷史性本質，預示細胞學說建立對進化論的催生作用，充分體現科學理論對社會文化的影響，有利于加深學生對科學理論本質的理解。

定律是可觀察現象之間關系的描述性陳述。定律常用數學表達式表示現象間的定量關系，如經典力學的牛頓三定律。由于生命有機體的復雜性、不確定性，也由于生物學發展階段性的原因，高中生物學涉及的定律較少，“基因的分離定律”等可以看作典型的生物學定律。關于定律與理論，處于認識質樸階段的學生常認為定律是較為高級階段，理論經反復的證實會上升為定律。現代科學認識論認為理論和定律是不同類型的知識，兩者關系密切，理論為定律提供解釋，之間并無高低或轉化關系。2019年版的教材較為詳盡地闡述“細胞學說”的理論本質，有利于學生隨著“細胞學說”“進化學說”“孟德爾遺傳定律”等學習進程，認識定律與理論間的差別。

3.3 教材突顯了“科學工作是創造性的工作”

科學既有實證性的特征，又是科學家創造性的體現。科學知識是人腦對客觀世界的加工，科學理論、模型能用于解釋自然，但不是現實世界簡單對應的復制。科學理論、模型的構建過程需要科學家豐富的創造力。我國傳統教材內容較突出科學過程實證性和唯物主義特征，對科學家思維的創造性和科學家個人思維特質介紹較少。高中學生對科學活動中創造性、主觀性和發展性理解不足，容易產生科學理論和模型等同于物質世界的認識誤區。2019年版教材對施旺、施萊登的思維活動描寫更加具體，同時在“學科交叉”欄目增加了“道爾頓原子論”介紹。原子論是自然科學領域中學生最為熟悉的理論和模型，經歷了“道爾頓原子學說—盧瑟福核式模型—玻爾電子層分布模型”等發展階段。原子理論的發展反映了從物質無限可分到物質具有基本組成單位等人類科學思維的重大變化，人類對生命的認識從“活力論”“自生說”到“細胞學說”，生物學思想發展史與原子理論發展史在時間和思維方式上都有許多契合之處。因此，該內容的引入有助于學生領悟貌似簡單的細胞學說所蘊含的創造性，理解自然科學不同分支的共性和差異。

4 教學應當回應課程標準和教材的變化

4.1 科學本質教學的顯性化

顯性化是指教師在教學設計中明確列出科學本質的教學目標。教師在教學過程中圍繞《課程標準》規定的七項內容，向學生直接展示科學本質問題。以“細胞學說的建立”為例，為使學生對“觀察與推理”的區分，教師直接提出：“自從羅伯特·虎克發現木栓組織后、列文虎克等生物學家積累許多顯微觀察材料，這些科學家為什么沒有提出細胞學說？閱讀材料第3小段，哪些內容是施萊登觀察到的結果，哪些內容是施萊登歸納推理提出的結論？”為提升學生對科學活動中存在主觀因素的影響理解，教師可提出：“施萊登觀察到細胞核后，作出了細胞從老細胞的細胞核中長出，或者是從老細胞質以結晶方式長出的兩種假設，為什么會作出不同的假設？為什么說細胞學說是一種被普遍接受的理論，出現何種新的證據情況下，現有細胞學說需要進一步修正？……”教師利用這些問題，以加強學生對科學知識暫時性的理解。這類問題將科學本質作為認知性目標，使學生直接面對科學本質，進而引發思考。

4.2 情景化與論證結合

在科學本質的的教學中，教師應該創設學生感興趣的科學史、社會性科學議題、科學實踐等情境，引導學生在具體的科學知識情境或科學探究過程中對科學本質進行思考與認同，在學習中實現科學本質與科學知識相互強化，感悟抽象且復雜的科學本質，進而建構對科學本質的認知。科學本質的教學有時也需要與論證教學相結合，在“基于證據提出主張，對主張進行放棄、辯護、修正”的過程中領悟科學本質。“細胞學說的建立”的教學中，教師可以借鑒科學史過程，讓學生先用分辨率不高、放大倍數低的傳統光學顯微鏡制作、觀察各種動植物材料的臨時裝片；再用現代數碼顯微鏡觀察相同材料，體會“cell”這一名詞如何從早期只是顯微鏡下觀察到的眾多相同或類似的“小室”，逐步發展到被賦予“生命基本單位”這一內涵的發展過程。在這樣的過程中，學生體會前輩面對復雜多樣的生物現象如何進行有效的歸納概括產生生物學概念，領悟生物科學研究方法與其他自然科學的異同，從而對科學本質的理解不僅停留在表面。科學史與生產、生活中實際科學問題都是進行科學本質教育的良好素材，針對不同的素材確定具體科學本質教學目標，不必也不應該面面俱到。本節課的教學中，教師還可以引入社會性科學議題或探究活動，引導學生在運用所學知識解決問題過程中體會、領悟科學本質：與長白山天池類似的高海拔火山湖的水體中，為什么生物種類一般都較少，這些生物來自何方？假設進行人工合成細胞，其成功的標志有哪些，如何評價人工合成細胞的意義？

科學本質的學習有利于學生真正理解科學的知識和掌握科學方法，同時也可以幫助人們具備現代公民應有的科學素養，面對社會性科學議題能夠理性論證并做出明智的決策。科學本質的學習并不是對邏輯實證主義的簡單否定，而是隨著科學事業的發展，全面認識科學知識、過程及科學事業內涵及價值。科學本質的教學目標在顯性化與隱性化、情景化與去情景化合理結合的教學過程中得以實現。