科學方法多樣性:科學方法教育的新思路

姜智萌 魏冰

長期以來，科學方法是中小學理科課程和教學改革強調的一項重要內容。近年來，隨著科學實踐等教育理念的推行，科學方法多樣性受到了科學教育界的廣泛關注，為科學方法教育提供了新的思路。系統地探討了科學方法及其多樣性的內涵，討論了關于科學方法多樣性的一個重要理論框架（布蘭登矩陣）。結合相關實證研究和我國中小學科學方法教育的現狀，提出了關于科學方法及其多樣性教育的三方面的建議。

科學方法；科學方法的多樣性；科學實踐；理科教學

長期以來，科學方法都是中小學理科教育關注的焦點之一。在理科課程改革中，無論是能力培養，科學探究還是科學實踐的教育理念，使學生理解和使用科學方法都是一項重要目標。但是，“科學方法”這一概念一直缺乏明確的定義，人們一般把通過實驗檢驗假設（也習慣地稱為“公平測試”或“控制變量”）為特征的系列科學過程看作科學方法。但是，越來越多的研究者認為科學方法是多樣的，過于強調上述特征容易使人們對真實的科學探究或科學實踐產生誤解。顯然，如果缺乏對科學方法的正確認識，就談不上恰當地使用科學方法，科學探究或科學實踐的教育理念也就無從落實。為此，本文系統地梳理科學方法及其多樣性的內涵，在此基礎上對中小學教學中落實科學方法教育提出一些建議。

在科學教育領域，“科學方法”這一術語可以追溯至17世紀英國哲學家弗朗西斯·培根（Francis Bacon） 的歸納主義哲學思想。這種哲學思想主導的科學方法在19世紀晚期進入中等學校，通常指基于實驗進行歸納從而得出科學結論的過程。進入20世紀以后，隨著杜威（J. Dewey）提出的“邏輯思維五步法”，科學方法有了新的含義。杜威認為科學不應該只是知識積累和技能訓練，更重要的是“反省思維”，他的思維五步法指的是察覺問題、定義問題、設計可能的解決方案、推理方案、驗證方案五個步驟。在后來的數十年里，受杜威思維五步法的啟發，科學方法通常以步驟化的形式出現在許多理科課程改革文件及科學教科書的導言中，大體包括5到7個步驟，即定義問題、收集信息、形成假設、進行觀察、測試假設、得出結論等。雖然這些步驟的出發點是為在教學中落實科學思維方法提供幫助，但在實際教學中卻常常被生搬硬套，曲解為在進行科學研究時有一種普適的、跨學科的、權威的“科學方法”。20世紀50年代以來，這種“科學方法”觀廣受批評，認為它缺乏情境性、太過程序化、忽視科學概念的學習等。80年代以來，對“科學方法”的討論逐漸轉向“科學探究”，這突出體現在1996年由美國國家研究院（NRC）發布的《國家科學教育標準》中。該文件強調探究是綜合性的，探究的過程涉及觀察現象、提出問題、作出假設、設計實驗、驗證假設、解釋數據、得出結論、討論交流等；同時強調要讓學生理解科學探究的本質并形成科學探究的能力。盡管科學教育工作者一般都反對將科學方法程序化，強調避免將探究看作一套固定的步驟，提倡在實際教學中根據具體情況進行靈活應用。但是，程序化、教條化的“科學方法”一直根深蒂固地存在于科學教學實踐中。為此，近年來，科學教育界呼吁將唯一的、普適的科學方法的表述轉變為多樣化的科學方法。

關于科學方法多樣性的討論主要基于真實的科學實踐。國際及國內的科學教育研究者根據自己對科學家進行科學實踐過程的理解提出了各自的觀點。例如，韋格等人（D. Wivagg）創造了“科學家工具箱”的概念，旨在說明科學家在實際工作中可能使用多種方法，如建立模型、類比、規律識別、歸納、盲檢、采集原始數據、計算機模擬等。這一概念基于科學的創造性特征和科學家的真實工作狀況，突破了傳統觀念中關于科學過程或科學方法的表述；同時，它支持了尋找科學證據的多種途徑，包括直接的、間接的、實驗的、觀察的、統計的、控制變量等。奧斯本（J. Osborne）認為，在多數情況下，科學既不是從測量開始也不是從觀察和實驗開始，科學是關于現實世界的一套觀念（ideas），是從充滿科學觀念的世界開始的。在奧斯本看來，科學觀念可以通過六種形式的推理形成，包括（1）數學演繹；（2）實驗探索；（3）假設建模；（4）類比歸類；（5）規律識別與概率計算；（6）歷史記載與描述。在這6種形式中，“實驗探索”只是其中之一，它并不比其他方法有效或優越，更不能替代其他方法。特納（D. Turner）認為科學歸根結底是在探尋世界的本質，而探尋的手段（方法）紛繁龐雜，想要概括出一種普適的科學方法是作繭自縛的。吳俊明認為在科學研究的起始階段，科學家并不刻意遵循某種固定的科學方法或模式，而是運用他們的直覺、想象和創造性，以一種開放的心態來觀察研究對象，提出種種猜想和假設、不斷設計研究或反省結果。鄧陽和王后雄則強調突出以“解釋－論證”為特征的科學探究，努力改變基于邏輯實證主義、固定探究程式、探究結果定向、觀察實驗導向的科學探究模式。

除了科學教育研究者的呼吁外，一些科學教育改革方案也支持多樣化的科學方法。例如，由美國國家研究院在2012年頒布的《K-12年級科學教育框架》中，明確提出“科學實踐”的概念，這既是對科學探究內涵的深化，又是對科學方法模式化傾向的變革。為了落實科學實踐的理念，該框架提出八個科學實踐要素，分別是：（1） 提出問題和定義問題、（2）計劃和實施調查、（3）分析和解釋數據、 （4）發展和使用模型、（5）使用數學和計算思維、（6）構建解釋和設計解決方案、（7）基于證據的論證、（8）獲取、評估和交流信息。值得注意的是，在傳統的自然科學教育中備受關注的“實驗”或“假設檢驗”等并沒有作為科學實踐要素單獨提出。誠然，實驗是是一些自然科學的重要特征，是表征科學方法的一種重要形式，但過于強調實驗方法容易使人把科學方法等同于實驗方法，從而忽視那些非實驗方法的重要性，比如自然觀察和歷史調查等描述性的方法。埃爾杜蘭（S. Erduran）認為在理科教學中過于強調實驗而忽視科學方法的多樣性會帶來諸多弊端，包括：使學生認為從非實驗性方法中獲得的知識不如從實驗性方法中獲得的知識可信或重要；影響學生對學科內容和過程的正確理解；可能會導致學生拒絕一些沒有通過假設檢驗或實驗而構建的理論。

科學哲學家布蘭登（N.Brandon）立足于科學研究中實驗和理論的關系，重點關注被哲學家忽視的實驗的本質屬性，以此闡釋科學研究中科學方法的多樣性問題。布蘭登認為要理解什么是實驗，可以從什么不是實驗說起。因此，他從觀察與實驗的區別以及描述性的研究與實驗性的研究的區別這兩個角度理解實驗的本質。實驗和觀察之間的本質區別在于是否故意地對變量進行操縱：實驗需要人為地操縱變量而觀察則不需要。實驗性的研究與描述性的研究的區別對應著假設檢驗與參數測量的區別：實驗性的研究中一般涉及對假設的檢驗，而描述性的研究則不存在假設，通常是對某些參數進行測量。因此，觀察/實驗與描述性的/實驗性的研究通過正交的方式兩兩組合形成了一個矩陣（圖1）。這個矩陣的優勢在于它突破了將科學方法等同于通過實驗檢驗假設的步驟化過程的局限性，對科學方法提供了一個更系統、全面和包容的解釋。

如圖1所示，在科學研究中運用的科學方法并不只有實驗（操縱變量）或者假設檢驗，科學研究中至少會涉及四種類型的科學方法，包括：（1）操縱性的假設檢驗（Manipulative hypothesis testing）， （2）非操縱性的假設檢驗（Non-manipulative hypothesis testing）， （3）操縱性的參數測量（Manipulative parameter measurement）， （4）非操縱性的參數測量（Non-manipulative parameter measurement）。需要注意的是，雖然矩陣只顯示了四種類型的科學方法，但是它并不意味著科學方法僅僅局限于這四個類別，也并不意味著同一類別內的所有研究都以同樣的方式進行。相反，矩陣意在說明同一類型的科學研究運用的科學方法存在某些共同特點（例如，都涉及假設檢驗或觀察）。即使某些研究屬于同一類型，它們也可以運用多種不同的方式達到研究目的。

在這個框架中，科學方法看似是兩極化的，要么是實驗性的（操縱變量的或檢驗假設的），要么是非實驗性的（不操縱變量的或不檢驗假設的）。但布蘭登強調，科學方法并不是非此即彼的，打破方法間的壁壘將它們看作兩個連續體更為合適，也即從不操縱變量到操縱變量，從不檢驗假設（參數測量）到檢驗假設。這種認識為科學方法提供了動態變化的空間，能更加靈活地反映科學研究的性質。由此，科學方法間的差異由“實驗性”強與弱的區別替代了“實驗性”是與非的區別。如圖2所示，“實驗空間”（space of experimentation）反映了實驗性強弱程度的變化，越接近左上角的科學研究也即越能體現假設檢驗與操縱變量的研究，它的實驗性就越強。“實驗性空間”的概念旨在打破科學方法在人們頭腦中形成的固有觀念，幫助人們理解科學方法的多樣性。

我們認為，布蘭登矩陣在揭示科學方法多樣性方面邁出了關鍵的一步，為中小學的科學方法教育提供了重要的理論依據。同時，布蘭登矩陣也為我們了解科學方法多樣性在教育實踐中的落實狀況提供了一個分析工具。近幾年，在國際科學教育研究領域，布蘭登矩陣廣泛地應用于大學入學考試題、理科教科書、師生關于科學方法的認識等的實證研究中，為研究科學方法的教學、學習和評價提供了重要的幫助和啟發。

前文已述，科學方法教育是一直是中小學理科課程和教學所關注的一個重要內容。但是，無論是在教師的教，學生的學，抑或教學評價方面，科學方法教育的實際狀況都不盡人意。結合國際科學教育領域的相關研究成果以及我國中小學教學現狀，我們認為正確認識和實施科學方法及其多樣性需要注意三個問題。

4.1關于科學方法多樣性的理解

理解科學方法的多樣性有助于學生形成正確的科學本質觀，也有助于探究式學習的真正落實。但是在目前的理科課堂中，教師一般只重視假設檢驗的科學方法而忽視其他科學方法，由此影響到學生對科學方法的正確認識。例如，馬斯里（Y. EI Masri）等人發現學生缺乏對科學方法多樣性的理解，他們往往將科學方法等同于假設檢驗等某一種方法，且認為不操縱變量、不檢驗假設的不是科學方法。此外，長期以來，科學方法教育主要以“隱性”方式進行，即教師并不明確教授科學方法，主要以潛移默化的方式讓學生感受。但這種方式的效果并不明顯，學生也容易對科學方法產生誤解。近年來，科學教育工作者認為科學方法的教學應該從隱性的“滲透”轉變為顯性的“明示”，即明確告知學生科學方法是多樣的，并不僅限于通過實驗檢驗假設。為此，埃爾杜蘭（S. Erduran）等人把布蘭登框架融入科學方法課程，研究顯示，經過一段時間的教學，學生對科學方法的本質內涵及多樣性的理解有了明顯的改善。科學有法，但無定法。理解科學方法的多樣性要把握科學研究的基本原則，即科學研究是由問題主導的，要從實際問題出發，在特定的情境中選擇合適的方法解決問題，不能為了迎合某種模式生搬硬套地選擇和使用科學方法。

4.2關于各種科學方法的均衡性

鑒于科學方法的多樣性，不同類型的科學方法在價值和意義上沒有高低之分。但是，無論是在教科書里，外部評價抑或理科教學中，不同種類的科學方法缺乏均衡的體現。例如，在教科書方面，魏冰等人發現，布蘭登矩陣的四類科學方法在中國初中階段使用的理科教科書內的動手活動（實驗）中分布并不均衡且差異很大，并都以非操縱性參數測量為主；在“實驗性”方面（即假設檢驗的程度），物理、化學、生物三個學科依次降低。這種不均衡也體現在外部選拔性考試的試卷里。庫里南（A. Cullinane）等人的研究顯示四種科學方法在英國三種不同類型的高考化學試卷的題目中所占的比例有很大差異。他們還發現，在理科課堂中被當作科學方法來介紹的“操縱性假設檢驗”并沒有在試題中占主導地位；相反，這類題目的比例遠遠小于參數測量和非操縱性的題目。忽視科學方法的多樣性容易造成顧此失彼的局面，使學生對不同的科學方法形成等級觀念，認為某些不常練習或不常考的科學方法不重要。為此，我們認為有必要在課堂教學、教科書、教學評價中增加那些在傳統的理科教學中不太常見的科學方法，比如建模、科學解釋、科學論證等。

4.3關于教—學—評之間的一致性

教學、學習與評價的一致性是當代理科教育改革的一個重要目標。但是，這種一致性并沒有很好的落實，教—學—評脫節的現象司空見慣，即學的卻沒評，評的非所教。就科學方法教育的議題而言，科學方法的多樣性在課程、教學和評價環節的要求并不一致。例如，雖然理科課程標準會直接或間接地提及各種科學研究方法，但是，在實際教學中，實驗及假設檢驗等才是教師們強調的科學方法；在教科書中不操縱變量的、測量參數類的動手活動居多；在評價中操縱性參數測量類的題目卻又是賦分比重最高的。造成這種現象的原因很多，但課程標準制定者、教科書編寫者以及教學評核者對科學方法及其多樣性缺乏統一的認識應是主要原因。不管原因為何，科學方法及其多樣性的教育都不應該是紙上談兵，需要課程、教學和評價各環節的協調行動。唯有如此，才能確保科學方法教育真正落實到位，從而有效促進科學探究的實施，貫徹科學實踐的理念以及達成科學本質教育的目的。

探討科學方法的多樣性，是為了探尋科學及科學實踐的本質，為真實的科學探究正名。正確理解科學方法及其多樣性有助于科學教育實現由“我們應該知道什么”（知識）向“我們如何才能知道”（過程）以及“我們為什么要這樣做”（思考）的轉變。本文系統地梳理了科學方法這一概念的來龍去脈，厘清了科學探究、科學實踐與科學方法之間的關系，重點討論了科學方法的多樣性，為科學方法教育提供了一個新的思路。文章強調，無論是實驗方法還是非實驗方法都是科學方法，沒有哪一種科學方法相對其他科學方法更為重要或優越。各類科學方法在解決問題時并沒有等級之分，關鍵在于是否適合要解決的問題。特別是，作為科學方法多樣性的具體表征，布蘭登矩陣可用于設計關于科學方法的新型教學材料、教學方法和評價策略，從而有效地促進科學方法教育的落實。

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