試析科學本質的FRA范式：結構體系、要素內涵與系統審視

摘要： 鑒于對主導國際科學教育科學本質研究三十余年的共識范式的諸多局限的批判性審視，近年來國際上興起了一種稱為FRA范式的科學本質框架。從結構體系、構成要素內涵及優勢與不足三方面對FRA范式展開了全面述評，以期為我國科學本質教育理論與實踐提供借鑒，推動其不斷向前發展。

關鍵詞： 科學教育； 科學本質； 家族相似性； FRA范式

文章編號： 10056629（2023）07000306

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

科學本質（Nature of Science， NOS）作為科學素養的核心組成要素之一，已成為諸多國家科學課程文件與國際組織政策報告的基本共識，得到了充分認可［1］。提高學生與教師對于科學本質的理解已經從一個理想目標轉變為科學素養培養的關鍵組成部分。當前被科學課程文件普遍接受，科學本質研究與實踐領域大量引用的是一種名為“共識范式”（Consensus Paradigm）的版本。該范式將NOS定位為科學認識論和科學社會學，亦即科學作為一種認識方式或科學知識發展所內嵌的價值觀和信念。具體包含如下七要素：科學知識的經驗性（包括觀察與推論的區別）；科學理論和定律的區別；科學知識的創造性和想象性；科學知識的理論負載性；科學知識的社會與文化嵌入性；科學方法的迷思；科學知識的暫定性［2］。

近年來，該范式因其存在的諸多問題而遭受一系列批評，出現了前所未有的范式危機［3］。批評者認為，共識范式在理論體系上存在模糊本體論、二元認識論、機械還原方法論、同質項目規范性列表體系的問題，其所開發的評價工具存在語境缺失、低階化導向、勞動密集、學科適應性差、廣度有限與關聯性不足的問題［4］。批評者主張運用“哲學上更復雜的方法和對當代科學實踐的更真實觀點”建立一個更具包容性、復雜性、開放性、整體性的NOS替代性框架。諸多方案中，家族相似性范式（family resemblance approach， FRA）最為耀眼［5］。本文從結構體系、要素內涵與系統審視三方面對FRA范式進行了全面闡釋與系統審視，以期為我國NOS教育理論與實踐提供借鑒，推動其不斷向前發展。

1 FRA范式及其結構體系

該范式最初由Irzik與Nola于2011年提出。他們運用家族相似性方法論，將科學的認知維度分為活動、認知目標與價值觀、方法、方法論規則與產品四個方面。其中，活動包括觀察、實驗、收集和分類數據、提出問題等；特定分支目標包括建立解釋和進行預測；價值觀包括經驗的充分性、一致性、簡潔性等；方法包括歸納、演繹、溯因推理、統計方法和數據挖掘；方法論規則包括構建假設、不臨時修改理論等；科學產品包括假說、定律、理論、模型等［6］。

二人在隨后論著中，對其進行了改進：將“科學作為一個認知系統與一個社會制度系統”區別開來，后者涉及科學實踐的社會、文化、政治、倫理和商業等方面，分為專業互動、知識認證和傳播系統、科學精神與社會價值觀四類。Erduran與Dagher兩人則進一步拓展、深化了FRA框架：將科學活動替換為認知性科學實踐；重新將其科學教育語境化以使其運用于科學教育研究與實踐；將社會制度系統進一步拓展，增加社會組織和互動、政治權力結構和經濟體系三類別。這樣便建構出一個2維度11類別的同心圓模型的FRA范式［7］。

家族相似性是該范式極具特色的方法論。它是由維特根斯坦為解決哲學界長期爭論的普遍性問題而提出的思想方法論，其主要內涵可概括為：諸多事項并不存在完全相同性，而僅具有交叉重疊的家族相似性或局部相似性［8］。通過這種局部相似性諸環節得以連結在一起。某成員在某些方面與該類的某個或某些成員具有某種或某些相似性，而這種相似性不一定存在于其他成員之間。因此，共識范式所謂的適用于所有分支領域的整體性與籠統性的NOS特征是一種迷思。因為有些特征是科學分支領域很大程度上共享的，有些則共享程度有限，有些則根本不共享。科學各分支領域既具相似性，又具差異性。各分支領域不具有NOS作為整體和一般領域的共通特征，而僅具有一串相關的家族相似特征。科學分支領域與其他分支至少共享一個或多個（而不是所有）NOS特征，任一分支領域只具有部分NOS特征，而非全部。科學各分支在各維度及其各類別構成要素上均具有家族相似性，正是由于這種家族相似性，科學各分支領域才得以稱之為科學。相較而言，共識范式則以普遍共同特征來劃定科學邊界，聲稱只有全部具備7個NOS特征的領域才是科學大家族成員，才是科學的，否則就是偽科學。

FRA范式兼顧了科學學科間的NOS差異性和相似性，并提供了一種連貫方法，通過該方法可捕捉到NOS的領域一般與特定方面，既包含認知系統維度，又囊括社會制度系統維度。前者包含認知目標和價值觀、科學實踐、方法和方法論規則與科學知識4類要素；后者包含專業活動、科學精神、社會認證和傳播、科學的社會價值觀、社會組織和互動、政治權力結構和經濟體系7類要素。這些類別要素不是獨立與排他的，而是以動態互動方式相互關聯，共同構成了一個FRA同心圓，直觀表征出科學的整體、多樣、包容、動態圖景。且各維度之間、各類要素之間的邊界是松散的（用虛線表示），以表明無論要素在FRA同心圓上的位置如何，均彼此影響，具體如圖1所示（虛線表示各象限空間要素的邊界松散性，可相互流動；同心圓表示科學是一個整體、動態、連貫、包容系統）。鑒于該體系模型的廣泛影響力，業已成為國際科學界公認的共識范式的替代范式之一，本文所指的FRA范式即特指該模型，其各要素內涵闡釋如下。

2 要素內涵

2.1 認知目標與價值觀

目標和價值觀影響科學家的科學實踐與認知建構。科學事業的基礎是堅持一套指導其認知建構與科學實踐的目標與價值觀。這些目標和價值觀通常是內隱的，包括準確性、客觀性、一致性、懷疑主義、合理性、簡潔性、證據充分性、預測性、可檢驗性、新穎性、有效性、邏輯性、可行性和解釋力、開放性、復現性等。

2.2 科學實踐

將科學活動替換為科學實踐不僅僅是一個術語轉換與偏好問題，更重要的是對科學活動如何成為認知本質的重新認識［9］。“實踐”即認知實踐，實踐與知識的產生密不可分，而非孤立的活動，是為了認知（理解、預測、協調理論與證據）、指向認知、關聯認知而實踐的。如分類實踐不僅可用于組織現有關系，亦可在更廣泛的理論框架內預測新的關系與解釋相關問題。如門捷列夫根據周期律對元素分類成功預測了鎵等元素。分類是經驗的有意義聚集，可在探究的初級階段以形成性方式發現、分析及促進知識生成，它以特定結構（如層次結構和集合）進行操作［10］。分類是認知目標導向的科學實踐，在學校中忽視分類的認知維度，多是由于沒有將其置于廣闊的理論背景和認知目標框架中，如周期表分類是基于周期律理論。

實驗被定位為科學實踐而非傳統的程序操作活動。科學實驗不是一套既定程序。科學家經常為了解決研究問題而發明新程序和技術。確定恰當的實驗程序與數據、模型、理論一樣，亦是科學家的重點關注對象。這種對實驗的重新定位，是為了將其從目前在學校科學中的無意識和程序性地位提升為基于認知標準的科學實踐。以實驗中的技術革新為例，人們傾向于將實驗知識的產生視為理所當然，并將重點放在理論上。然而，科學與技術發展緊密相連，實驗不僅運用技術工具，亦會改造、革新技術。且在當代科學實驗中，科學家多不會基于理論與定律機械展開，而是基于當下問題情境靈活進行，這已為科學實踐哲學研究所揭示——很多探索性實驗結果的得出，并非事先設想到的，而是在多種要素作用下涌現出來的。工程技術對實驗的影響愈益顯著，很多前沿理論，如果沒有大型精密的工程技術儀器協助，是很難產生的［11］。

而且，科學實踐不僅指向認知（認知實踐），亦指向社會文化（話語實踐），即具有社會性與文化性，三者（其中調查實踐又分為觀察、分類和實驗等；認知實踐包括解釋、建模和預測等；話語實踐包括論證和說服等）相互作用，相輔相成。更為重要的是，科學實踐內部各要素并非彼此孤立，而是相互關聯。

2.3 方法與方法論規則

幾十年來，“唯一的科學方法”在教師群體與教科書作者群體中有著頑強生命力。“唯一的科學方法”的缺陷之一在于它傳達了一種錯誤觀念——即認為存在一種統一的從事可信科學研究所必需的跨學科的科學實踐方法，而不使用實驗方法的科學家不可能獲得可信的知識。在這種邏輯下，自然科學中的歷史研究常被視為不如運用實驗法的科學研究。但當實驗不足以提供充分證據甚至無法進行實驗時，這種“唯一的科學方法”就很有問題。

變革師生“唯一的科學方法”迷思的最佳途徑是在具體學科內容下，展開對科學方法的多樣性反思，并將這種反思置于主張、證據和解釋的動態關系中。天文課上的學生可能能夠較易理解天文學家無法實驗的原因（不能在太空中操縱天體）。但物理與生物課堂上的情景與此大相徑庭，生物課上，他可能會對實驗證據在自然選擇理論中所起的有限作用而感到困惑——他可能無法理解為什么不對研究對象直接進行實驗操縱，卻求助于非實驗或觀察數據。即使告訴他自然選擇理論中具有歷史因素，亦不能使其撥云見日。因為這需要了解歷史數據的獲得、解釋方式及其與其他非歷史數據的關系。

2.4 科學知識

科學知識以理論、定律和模型（theories， laws and models， TLM）三種形式及其相互作用構成的TLM整體進行表征。依據一定標準，可將其劃分為不同層次。就理論而言，存在中心、前沿與邊緣三種層次。中心理論是主流科學的核心，如物理學中的相對論與牛頓運動定律；前沿理論亦是主流科學的核心成分，但受到對立解釋的挑戰，如冷聚變理論；邊緣理論則是開始進入科學的起點理論，隨著時間推移，可能會亦可能不會上升到其他兩水平理論。模型通常被界定為對源域與目標域的關系表征。目標域即待解釋的未知物體與現象；源域即有助于理解目標域的熟悉的物體與現象。教師可在課堂討論中適時地引入TLM的不同分類，以幫助學生澄清與克服相應迷思。

TLM與FRA一致，兼具領域一般性與特定性。前者強調不同學科如何借助一套連貫理論、定律和模型來解釋學科相關現象，即所有科學分支領域均是在理論、定律和模型的家族相似上發展起來的，如表1所示。科學知識的這種連貫框架試圖超越將理論、定律及模型彼此孤立的信息碎片學習（即學校科學教學鮮少促進學生對各形式知識間的相互聯系與協調理解），而聚焦于不同形式知識的統一網絡關系。

領域特異性要求尊重學科的特殊結構，盡管所有科學學科均依賴于特定理論、定律和模型，但其精確性是特定的，彼此具有很大不同。以科學定律為例，化學定律與物理學定律即有很大不同。元素周期律指出，元素的性質存在周期性，由元素的原子序數排列間隔控制，僅是定性與近似的，而非牛頓運動定律那般精確化與數學公理化。哲學家們常將物理學作為范式科學，以物理定律為科學定律建立了一套普遍且量化的標準，但這種狹隘的定律標準僅適用于簡單系統，對于化學、材料學和氣象學等更復雜科學系統并不適用。這就說明一條定律既可數學化表征，亦可近似和定性表征。明確定律的性質及其在不同科學領域的相似與差異性，對科學教育大有裨益。如教科書應引出周期律的近似性，并將其模式作為一個實例進行具體說明，著重聚焦其與學生熟悉的其他定律的區別。在物理和化學比較背景下，引入定律本質，提高學生的NOS理解水平。

2.5 科學社會制度體系

主要包括專業活動、科學精神、社會認證與傳播、社會組織與互動、政治權力結構與經濟體系7類要素。所謂專業活動包括出席會議、發表研究成果、課題申請等。讓學生模仿性參與科學家的社會活動有助于培養其“說”和“做”科學方面技能，交流發現、回應他人不同觀點，從而建立、修正自己觀點。科學精神即共同體互動及其應秉持的制度性態度與規范，包括開放、自由、倫理性、環保、誠實、無私、有組織的懷疑主義等。社會認證與傳播即科學家所得成果需經共同體審查與評價后方可發表與傳播［12］。社會價值觀包括環境與社會效益。尊重環境與自由既是科學精神，亦是科學社會價值觀。而社會效益則是科學研究獲得公眾支持的必要條件。

科學家的互動包括科研組織內部互動及外部互動兩種。前者以職業階段（如學生、博士后等）、就業狀況（專職與兼職、員工與非員工）和經費來源、組織等級的差異進行，并導致科學家建立彼此信任關系——誰的結果可信？誰更愿意合作？后者則關注科學研究與企業、政府等組織聯系與合作。全球化背景下，科學研究目的、過程與結果越來越受外部背景制約。科學是一種價值無涉與中立事業的傳統敘事話語面臨質疑。實際上，科學與技術均與政府和國家緊密相連。從伽利略將望遠鏡銳化以更好地識別遙遠敵艦以及海森堡對希特勒科學計劃的貢獻均窺見科學服務于國家壓迫、恐嚇和殖民的身影。學生需要理解這些關系，并對科學知識的濫用具有批判意識，在不損害科學理性的同時，意識到科學知識生產可能導致的政治后果［13］。

科學家的科學實踐和科學資源分配由經濟力量調節。世界各地政府均有相應管理機構，如美國國家科學基金會為從事科學研究的大學和研究機構提供研究經費，從而影響科學研究性質。為了實施研究，科學家需在符合資助機構和共同體標準與期望范圍內進行。作為分配資源的關鍵組織，他們多是國家主管的中央機構，負責依據與公共政策目標的相關性而對研究項目賦予優先次序，評價與判定所提交申報的優劣。科學研究并不游離于經濟體系之外，而是深受其影響。科學研究與企業管理相似，科學家群體組織方式與企業組織方式類似，科學家亦需財務規劃與生產產品，并通過出售專業知識與技術專利等研究結果追求利潤，科學研究的商業化日益顯現［14］。

3 系統審視

作為替代方案的FRA范式，在當前國際科學本質范式更替浪潮中呈現勃勃生機。我們自然應該以開放的心態擁抱并全面系統深入學習，但同時亦應具有批判眼光，看到其問題所在，繼而才能為我所用。

整體而言，FRA理論體系表現出一種與共識范式相對的異質類目啟發性復雜網絡體系樣態。所謂異質即指其體系要素并非像共識范式僅指向單一認知性與領域通用性維度，而是兼顧社會制度、實踐、認知等多種維度及各分支學科的差異與多樣。所謂類目即指FRA體系基本單位是11個更加上位、宏觀、更具概括性范疇，而非（如共識范式）7條NOS微觀特征陳述。所謂啟發性即指其目的在于通過開放性的11個類目，為師生提供思考的框架與路標指南，以便其根據具體學科情境自主靈活選擇以生成相關成果，培養與提高其高階科學素養，而不是像共識范式以7條特征界定與規范科學，使師生淪為灌輸與記憶工具而脫離于科學素養的培養與提高。所謂復雜網絡即指FRA體系的11個異質類目相互滲透、相互作用、相互關聯（包括類目內關聯與類目間關聯）下構成了整體、連貫、復雜的動態體系，而非像共識范式那樣是由7條簡單、零散、線性關聯的陳述命題構成的靜態、孤立的清單列表。

綜合而言，FRA理論框架表現出與同質、片面、籠統、表淺、孤立、零散、靜態的共識范式完全相對的異質、全面、細致、清晰、整體、連貫、動態特征。這種獨特優勢可以使FRA范式彌補共識范式的理論及應用短板，如基于FRA范式開發的課程與教材評價工具能夠有效克服共識范式評價工具所存在的學科適應性差、廣度與關聯性有限和深度不足問題。通過兼顧學科差異性與關聯性實現學科適應性的飛躍。這種學科適應性不僅體現在可深入評價課程文件與教材中的要素覆蓋度，亦可有效評價其要素關聯度。前者關注課程文件FRA類別要素的存在與否及其數量，后者注重NOS的認知維度要素與社會制度維度要素關聯。且不僅可對同一學科課程文件與教科書NOS類目關聯進行整體評價，亦可深至某一學科課程文件或教科書的局部主題的NOS類目關聯表征進行評價。如教科書的某一內容主題（如遺傳學主題）或某一教科書組織要素（如正文部分、欄目、探究活動部分或習題部分）。以及不同國家和地區的課程文件與教科書的NOS類目關聯性表征比較研究。

與此同時，FRA范式亦存在如下兩方面問題。一是科學哲學理論基礎缺失。早在Irzik與Nola將維特根斯坦的家族相似性思想轉譯為NOS方法論之時，即埋下未解難題——類別劃分、類別組織方式及類別與具體NOS特征命題陳述的聯系均缺乏明確理論依據。與共識范式相比，雖然這些類目及其闡釋的確更為復雜、全面，但卻無法看出類別要素劃分、彼此組織方式及類別要素與命題陳述之間的必然聯系——為什么是且必然是這些類別及陳述？如何由一種類別關聯其他類別？又如何根據這些類別得到那些具有明確指向的NOS命題陳述？這其中必然的聯系何在？

FRA范式研究者本應作出回答，卻在缺乏充分依據下，匆匆給出它們，似乎社會與認知兩維必然能夠得出這些類別及其命題闡釋。在此，FRA與共識范式存在同樣問題，它成為了自己所批判的對象。這消減了該范式的理論說服力和應用效力——因為實際科學教學中最具指導意義的是具體確定的NOS命題陳述而非其概念性的維度與類別要素，不明確給出類別組織方式及類別與命題陳述聯系方式，教師與學生就無法將其運用于NOS教學上，更無法將其納入課程教材與評價體系，最終FRA將可能變成一種被束之高閣的理論“花瓶”，研究者所倡導的科學教學變革圖景便無從談起，科學課堂上的共識范式戲碼將繼續上演。

二是其要素外延邊界模糊，易被泛化、濫用與扭曲。FRA范式的開放性既是其優點，亦是其缺陷。正如這種開放性能夠激發教學的創造性一樣，未來也可能將FRA要素擴展至創立者不曾預想的邊界范圍［15］。究竟去往何方，又該停留何處，均是懸而未決的重大問題。在維特根斯坦提出家族相似性伊始，便拒斥對西方哲學千百年形而上學和本體論的追問，企圖將其懸置，并保持沉默。這種立場符合20世紀西方哲學發展背景，但科學教育與哲學畢竟不同，前者有其自身學科特異性。將哲學立場直接遷移至科學教育，尤其是NOS研究中，可能是一種誤置與對FRA思想的背離。因為將人類已成共識的科學本質傳遞于學生的科學教育目標的達成，必需通過NOS維度及構成范疇外延（至少與至多包含哪些要素）的劃定才能實現。

上述問題該如何解決？如何促使FRA范式茁壯成長？筆者認為需要給予它更多養分——通過對NOS范式依賴的科學哲學語境的澄清，包括核心觀念、理論共識、相關爭議解決策略的借鑒與吸收（如建構主義實在論對于建構論與實在論二元對立的超越及辯證認識論的確立；科學實踐哲學對于科學實踐自主性的研究），在探尋范式類目組織方式及其與命題陳述的有效溝通基礎上，為NOS要素建構及其劃界提供規范且明確指導，從而克服FRA范式存在的理論基礎薄弱及要素外延模糊問題，發展完善出一種改進版本的FRA范式。具體來說，可首先對共識范式與FRA范式加以全面審視，以重建NOS范式的時空場域；其次將該時空奠基于合理的科學哲學理論基礎之上（尤其是科學知識社會學與科學實踐哲學的借鑒、吸收與融合）；繼而將所建構的奠基于科學哲學理論之上的NOS范式進行科學教育學轉譯，以適應科學教育學的具體學科語境；最后，通過多方面的實踐應用反饋（如師生NOS觀評價工具開發及其應用、課程與教材NOS表征評價工具開發及其應用），使其不斷發展完善。

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