再談科學態度與責任

李少華 黃網官

摘 要：自然規律與社會事物之間聯系的客觀存在，使得物理教學必須關注科學態度與社會責任。“實驗加推理”方法中，折射出科學態度與責任的內涵：“實驗（事實）”反映科學態度，“推理”對應（社會）責任。“實驗加推理”方法成功的關鍵在于：實驗必須能夠反映出全部客觀事實，推理必須完全符合邏輯。科學態度與責任是為科學發展約定正確方向的，需要借助人文精神來校正方向。

關鍵詞：初中物理；科學態度與責任；實驗；推理

對于物理教學而言，自然規律與社會事物之間聯系的客觀存在，具有重要的研究價值。大到科學領域里愛因斯坦對原子彈的反思，小到日常生活中原本屬于物理的能量（正能量）、合力、權衡等概念的運用，都是科學與社會存在聯系的明證。尋求這些明證，不是為了追求絕對的科學主義，而是要在認識到科學與社會之間存在聯系的基礎上，進一步認識到應該秉承的科學態度與社會責任。這在《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）中被闡述為“科學態度與責任”。

“科學態度與責任是指，在認識科學本質和了解科學、技術、社會、環境之間關系的基礎上形成的，探索自然的內在動力，嚴謹認真、實事求是、持之以恒的品質，熱愛自然、保護環境、遵守科學倫理的自覺行為，以及推動可持續發展和實現中華民族偉大復興的使命擔當。科學態度與責任主要包括科學本質觀、科學態度、社會責任等要素。”［1］如果說科學知識的教學能夠讓學生在形成科學本質觀的時候有著顯性收獲的話，那么科學態度與責任的形成相對更加隱性，這也意味著科學態度與責任的形成可能需要教師引導學生去不斷地感悟，而感悟的載體自然就是物理學習的過程。

一、 從教材中牛頓第一運動定律的得出說起

牛頓第一運動定律是經典力學的支柱之一。在初中物理中，牛頓第一運動定律的學習，能夠幫助學生初步建立力與運動關系的系統認識。分析各個版本的教材可以發現，這部分內容的編排思路基本相同，都是在“斜面實驗”的基礎上，通過“推理”得出規律。這在一定程度上表明這一思路建立在普遍認同的基礎之上。在這樣的編排中，“斜面實驗”是指小球或小車從同一傾角斜面的同一高度向下運動，然后進入與之相連接的水平面；水平面上分別鋪有棉布、紙板和玻璃，可以發現小球（小車）在不同的水平面上運動的距離不等。具體規律是“小球（小車）受到的摩擦力越小，運動得越遠”。隨后的“推理”則是：如果水平面光滑（即不產生摩擦力），那么小球（小車）就會永遠做勻速直線運動。

這一方法通常被稱為“實驗加推理”方法（該方法還有“理想實驗法”“實驗推理法”等名稱）：蘇科版初中物理教材中說，“由大量的事實可以推證，牛頓第一定律是正確的”——這里所說的事實來自實驗，“推證”則是指推理與證明；人教版初中物理教材中說，“牛頓第一定律雖然不是直接由實驗得出的，但其中符合邏輯的科學推理是非常重要的”——這里明確指出了“實驗”和“推理”兩個要素……這些，都表明了“實驗加推理”這一方法的客觀存在與價值。

傳統教學中對這一方法價值的認識，多是從知識建構角度出發的，很少有人意識到其也可從科學態度與責任的角度來解讀。在我們看來，該方法恰恰是初中階段滲透科學態度與責任教育的最佳載體之一，其原因在于：“實驗（事實）”反映科學態度，“推理”對應（社會）責任。

二、 借助實驗發現客觀事實背后的規律，是科學態度的體現

實驗結果代表著客觀事實，做實驗就是在尋找客觀事實。眾所周知，實驗成為科學研究范式才400多年的時間（以伽利略、牛頓開辟的“新物理學”為標志），那此前的2000多年里，人們為什么沒有選擇實驗？這是一個非常值得思考的問題。它其實不僅是科學領域內的問題，也是一個社會問題。這里，有必要對實驗的歷史演變做簡單梳理。

近代物理學的一個顯著特征就是引入了實驗。在此之前，物理學以哲學的形式存在，屬于思辨的范疇。據說，亞里士多德就是因為在生活中觀察到了非常多的類似于“石塊下落比羽毛快”的現象，才得出了“重的物體比輕的物體下落得快”的結論。這種“基于觀察得出結論”的方法是亞里士多德式思辨的重要支撐，通過這種方法所得出的結論，非常符合人們在生活中的直觀感受，故而能夠迅速被大眾接受，而且能夠深遠地影響人們的認識。

培根最早提出在科學研究中應當運用實驗，他反對按照書本和權威來裁定真理，主張依靠實驗來弄懂自然科學等天下地上的一切事物。［2］達？芬奇在將實驗引入科學研究中作出了很大的貢獻。達？芬奇強調，“人必須從實驗開始，以實驗探究其原因”［3］。應當說，正是生于文藝復興時期的達？芬奇等人的努力，才讓實驗更多地為人們所接受。其后，被稱為“新時代的阿基米德”的伽利略成為近代科學最杰出的開創者。他對實驗的重視，使得實驗成為科學研究的新范式。同樣，也是伽利略對亞里士多德的諸多觀點提出了質疑——人們至今津津樂道的伽利略的貢獻之一，就是通過一個有名的推理（重球與輕球下落速度，下文詳述）推翻了亞里士多德的判斷，并做了那個著名的比薩斜塔實驗。

在科學研究中建立實驗范式，意味著科學家認定任何科學結論的得出以及獲得公認，都必須建立在實驗的基礎之上；意味著科學家不再只相信眼睛所看到的，不再簡單地相信直覺，而更相信能夠通過可重復實驗加以證實的結論。

實驗成為科學研究新范式，與“科學態度與責任”之間有著密切的關系：從“觀察加思辨”到“實驗”的范式轉換，說明物理學家開始走出經驗，進而借助實驗來尋找客觀事實背后的規律，這本身就是科學態度的體現。相應地，科學家在實驗中形成的思想，也逐步成為社會責任的源泉。在《再談科學思維及其培養》［4］一文中，筆者舉了“費曼調查哥倫比亞號航天飛機失事”的例子。這個例子很好地反映了科學態度與責任的內涵：費曼作為調查組唯一的科學家，頂住了組內政治家、軍方代表等各方面的壓力，在調查委員會舉辦的記者招待會上，通過將航天飛機上的密封圈放入冰水的實驗，表明密封圈密封性能會因為溫度下降而嚴重降低，進一步推理航天飛機在寒冷天氣下發射時，因為密封圈性能降低而導致燃料泄漏，最終造成航天飛機爆炸。這一實驗及其基礎上的推理，表現出無可辯駁的說服力，成為公眾普遍接受的解釋。

總之，今天人們之所以如此推崇實驗，正是因為實驗能夠帶來事實，能夠為科學理論提供最堅實的基礎。

三、 基于邏輯的推理，對于社會認知有著重要作用

需要看到的是，實驗與結論之間往往存在一定的距離，這個距離需要由推理來消弭。此外，雖然能夠從實驗中直接得出的結論說服力往往比較強，但并非所有結論都能從實驗中直接得出，如牛頓第一運動定律、真空不能傳聲等。這些結論都需要在實驗的基礎上進一步推理得出，其正確與否通常是看有無反例存在。對于推理而言，其目的自然在于概括得出科學結論以解釋更多的事實，在于提煉出問題解決的方法以解決更多的問題。

推理的關鍵在于邏輯，推理的魅力也在于邏輯。伽利略在反駁亞里士多德的觀點時，邏輯是非常清晰的：先認同“重的物體比輕的物體下落得快”，然后設想一個重球與一個輕球系在一起，那么整體更重，下落得就應該更快；再從另一個角度推理，由于重球比輕球下落得更快，因此輕球會被重球拉快，重球會被輕球拉慢，因此最終共同的速度應當比原來的重球慢。顯然，兩個結論矛盾，說明前提不成立，即亞里士多德的觀點是錯誤的。“牛頓大炮”的推理也很有意思：扔出去的石塊速度越快，就會飛越遠的距離才落地，那么如果在山上架一座大炮，讓炮彈的速度足夠快，炮彈就會繞著地球轉而不落下（當然，這已經被各種衛星所實現）……應當說，這些建立在實驗或事實基礎上的推理，其結論都很有說服力，因此容易為他人所接受。

教材中得出牛頓第一運動定律的推理也是有其邏輯的，這一邏輯來自實驗得出的事實——摩擦力越小，小球運動得越遠。按照這個邏輯，沒有摩擦力的時候，小球就能無限運動下去，由此最終認定這一運動就是勻速直線運動。實驗是事實，學生無法質疑；推理有其邏輯，學生也可以接受，因此就可以順利完成牛頓第一運動定律的建立。

沒有邏輯的推理是不可信的，這在自然科學研究中是一個基本共識，但在社會領域卻存在很大的認知空白。人們在生活中會作出無數的判斷與決定，其中相當一部分都是推理的結果，這些推理幾乎都是經驗性的，甚至是想象性的。這是一個非常普遍的現象，且在有些領域存在合理性，如文學領域的“一千個讀者有一千個哈姆萊特”。但這種合理性在另一些領域又不被允許，如：警察破案需要從現場提取事實要素，然后基于邏輯去推理現場情形，“真相只有一個”就是警察破案的基本理念。筆者以為，在涉及科學發展與人類利益的時候，堅持嚴謹的科學態度與強烈的社會責任是必須的。然而，這樣的堅持，注定會面臨不少的挑戰。

四、 “實驗加推理”方法的理性思辨

從上面的分析可以發現，“實驗加推理”方法既是科學中常用的研究方法，同時也是生活中常用的認知手段。就后者而言，相關的例子不勝枚舉：除警察破案的例子外，諸如人們在生活中“看云識天氣”，實際上也是通過“看云”收集事實，然后發現其中的規律（即邏輯），才能成功推理（“識”）天氣的……正是因為這些客觀情形的存在，才使得在物理核心素養的四個內涵要素中，“科學態度與責任”具有最顯著的跨越物理與生活的特征，是最能夠從物理向生活遷移的要素——將科學態度與社會責任放在一起闡述，很大程度上也是因為這個原因。

需要警醒的是，相對于從實驗現象中直接得出結論，推理過程的存在，會讓結論得出的過程以及結論本身存在被質疑甚至被否定的可能。其原因就在于，“實驗加推理”方法有著嚴格的使用條件，即：實驗必須能夠反映出全部客觀事實，推理必須完全符合邏輯。然而，無論是在科學中還是在生活中，這樣的使用條件都很難得到保證。

上面所舉的在實驗基礎上推理得出牛頓第一運動定律的例子，看起來沒有任何破綻，但在歷史上其實并不是這樣的推理結果：伽得略所認為的水平面是“與地球中心等距的球面”，進而他認為“物體繞地球的圓周運動是慣性運動”。［5］這一結論與教材上的推理結果完全不同。換句話說，今天教材的編排并沒有還原歷史，同時也說明基于同樣的事實進行推理的時候，結論是有可能出現多種情形的：伽利略之所以有這樣的推理，是因為彼時包括他在內的所有人的想象空間還局限在地球表面，并沒有將思維延伸到無限空間當中（后來是牛頓完成這一工作的）；今天在課堂上的推理看起來順理成章，實際上也是默認學生不會有伽利略那樣的邏輯，因此可以直接跨越到牛頓的邏輯。這樣的跨越或許有其必要性，畢竟今天的學生只能在這種接受的狀態中高效獲取知識。但嚴格來講，這樣的跨越是有缺陷的，這種缺陷又反過來進一步確認了“實驗加推理”方法必須嚴絲合縫，否則就有出錯的可能。在自然科學研究中出錯，會遲滯科研的腳步；在社會領域出錯，則可能引發不可預知的后果。

無論在自然科學研究中還是在社會領域，“實驗加推理”方法運用時最大的風險就是“預設立場”。如果有意無意地預設了立場，很自然地就會選擇性地收集證據，即收集對自己立場有利的證據，忽視或無視對自己立場不利的證據；在面對諸多可能邏輯的時候，也會傾向于選擇與預設立場相近的邏輯，于是也就很容易推理出錯誤結果。

這并非沒有實例。在自然科學研究中，科拉頓在研究電磁感應時，預設了“距離會影響實驗效果”的立場，所以才將檢測電流的裝置放在另一個房間里，于是“在跑來跑去中丟失了良機”［6］；在社會領域，某些“專家”之所以被大眾詬病，就是因為他們很多時候是在預設立場之后，有選擇地運用對自己立場有利的材料來說明某一觀點，而這些觀點與社會現象大相徑庭，與人們的實際體驗截然相反；在生活中，很多人與人之間的誤會，都是當事方根據自己看到的有限事實，加上潛意識中預設的立場，然后經由不合邏輯的推理而造成的。這些都是“實驗（觀察）加推理”方法的誤用。

從科學態度與責任的角度來看，預設立場就是不科學的態度，同時也是社會責任的缺失。所以，“實驗加推理”這一方法能否成功，關鍵取決于收集的事實是否完整，取決于推理時邏輯是否嚴密。

五、 結語

科學與社會的發展總是曲折的，科學態度與責任能否得到培養，又能否得到堅守，往往也都在實踐中不斷地被實際情形所證實或證偽。費曼調查哥倫比亞號航天飛機失事，所反映出來的是一位科學家嚴謹的科學態度與敢于擔當的社會責任。與之形成鮮明對比的是，各級管理者為了能按時發射從而借此在上級面前邀功，對“天氣太冷不宜發射”的警告置若罔聞；調查組內的一些人試圖阻止真相公布。這些人身上所表現出來的就是科學態度與社會責任的缺失……作為物理教師，所期待的是在面向學生的時候，能夠種下科學態度與責任的種子。

通過上面的分析可以發現，“實驗加推理”這一方法對于培養學生的科學態度與責任而言有著重要的作用。如果沿著“從生活走向物理，從物理走向社會”的思路，那么在學生的生活中、在整個社會中，所有的推理都應當建立在事實基礎之上，缺乏事實的推理、有事實但不合邏輯的推理，所得出的結論都是站不住腳的。如果從社會學視角看，科學態度與責任實際上正呼應著“實事求是”——“實事”即“事實”，“求”即“推理”，“是”即科學結論。認識到這一點，可以讓我們在生活中作出更多的正確判斷，這也正是科學態度與責任在生活中的體現。

面向學生的科學態度與責任培養，要有“靜待花開”的心態，要堅持隱性教育的思路。讓學生在實驗中建立起尊重事實的意識，在推理的過程中形成尊重邏輯的意識，就是在培養學生的科學態度與責任。值得一提的是，科學態度與責任不必非要與人類命運等宏大敘事聯系在一起。如果能夠理性看待自己的生活、科學判斷身邊的事物，那自然能夠在人類社會發展的過程中表現出應有的態度與責任。

朱永新教授說：“人文精神對于任何人都是不可或缺的。”［７］這樣的論斷，讓我們有必要重溫那句經典的話：“科學是發動機，人文是方向盤。”［８］說到底，強調科學態度與責任，就是要為科學的發展約定正確的方向。當物理教學致力于幫助學生積累科學知識、生成核心素養的時候，科學態度與責任的落地，應當著眼于科學知識學習過程中的人文精神塑造。當學生擁有人文精神的時候，態度與責任自然就會指向合理的方向。因此，在物理教學中更多地滲透人文要素，是應然之舉。盡管其無法用分數來衡量，但一定是“無用之大用”。

參考文獻：

［１］ 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022：5.

［２］ 吳國盛.科學的歷程［M］.北京：北京大學出版社，2002：167.

［３］ 湯淺光朝.科學文化史年表［M］.張利華，譯.北京：科學普及出版社，1984：38.

［４］ 黃網官.再談科學思維及其培養［J］.教育研究與評論（中學教育教學），2023（1）：5257.

［５］［6］ 胡化凱.物理學史二十講［M］.合肥：中國科學技術大學出版社，2009：223，273.

［６］ 胡化凱.物理學史二十講［M］.合肥：中國科學技術大學出版社，2009：273.

［７］ 朱永新.課程改革的“減法”邏輯［J］.課程？教材？教法，2023（4）：4.

［８］ 曹文彪.科學與人文：發動機與方向盤［N］.光明日報，20040803（B1）.