科学本质观与科学教育(李雁冰)

科学本质观与科学教育
李雁冰
华东师范大学大学课程与教学研究所 ybli@
引言：什么是我们所讲的科学教育
• 广义 • 狭义
一、从国内外科学教育的发展历程 看科学本质问题
• 我国的分科教育： “钱学森之问” • 国外的情况：以美国为例
科学作业测试的两个案例
• 案例1：如图所示，平静的水面上有一座石桥，桥 孔看上去是圆形的。当水面上升时，看到桥孔的 形状是（）。 • • • • A B • • C D
• 达成共识的科学本质观点 : • 1．科学知识以经验为基础的本质 • 科学至少是部分地建立在对自然世界的观察之上，科学主 张的有效性“迟早”被相关的现象观察所确定。然而，科 学家对于大多数自然现象没有直接的通道。对自然的观察 总是通过我们的感觉器官和复杂的仪器过滤，在详尽阐述 的理论框架下进行解释，几乎总是以支持科学仪器的功能 的一些假设为中介。 • 2．科学中的观察、推论和理论本质 • 学生应该能够区别观察和推理。观察是关于直接通向感官 或感官的扩展的自然现象描述性的陈述。对于这点，观察 者相对比较容易达成一致。例如，抛出的物体倾向于落到 地面。相比之下，推论是关于非直接通向感官的现象的陈 述。例如，物体因为引力倾向于落到地面。理解观察和推 论之间的根本区别是弄懂隐藏在科学世界的许多推论和理 论及术语的前提。
• 4．科学知识的创造性和想象性本质 • 科学是以经验为基础的，科学知识的发展包括对 自然的观察。然而，科学知识的产生也包括人类 的想象和创造。相对于人类的一般信念而言，科 学不是一种死板的、完全靠推理的、完全有规则 的活动，科学包括解释和理论的发明，需要科学 家大量的创造性。例如从原子光谱到具有轨道和 能级的玻尔原子模型的跳跃就体现了创造性和想 象性。科学的创造性和想象性以及它的推理本质 使得人们对于原子和物种等认识成为功能性理论 模型，而不是真实的实在的复制。
• 在介紹氧氣的製造法時，陳老師先介紹二氧化錳 （板書）的特性後，然後開始在講桌前示範雙氧 水加二氧化錳的實驗，此時，學生圍上前去看實 驗的反應結果再一一回座，陳老師維持常規，請 學生安靜並坐下，然後開始講述實驗的結果） • 師：所以，不是只有豬肝與水果可以當催化劑， 化學藥品也可以當催化劑……翻開課本第20頁， 開始說明並示範實驗過程與注意事項，其間： • 師：你不注意聽我說，等一下做錯，我器材只有 一份喔 • /// • 師：你哪一組表現不好，不注意聽，老師都 • 記在腦子裡，扣分 • ///（繼續說明）
• McComas、Clough 及 Almazroa（1998）依据 McComas 与 Olson（1998）针对八个国际科学教育标准 中关于科学本质部分所分析、统整出的三十项交错、重迭 性的观点，再予以整合而成十四项具高度重迭性的科学本 质观点，以提供给 K-12 年级的学生，期能对其在科学的 认识与科学学习上有所帮助。 • 1．科学知识尽管具有经久性，但仍然具有暂时性的特征； • 2．科学知识的形成非常地（但不是全然地）依赖观察、 实验证据、合理的论证以及怀疑的态度； • 3．从事科学研究时，并不存在放诸四海皆准而必须步步 遵循的科学方法； • 4．科学企图解释自然现象； • 5．定理和理论在科学活动中扮演不同的角色，因此，即 使不断有新增加的证据支持，理论仍然是不会变成定理的；
• 6．科学知识的暂定性本质 • 科学知识虽然是可靠的、经得起检验的，但决不是绝对的 和一成不变的。这种知识(包括事实、理论和规律)是易于 变化的。随着思维和技术的发展，新的证据会影响到科学 主张。按照新的理论对己存在的证据进行重新解释会影响 到科学主张。科学主张也将随文化和社会方面的变化，或 己确立的研究项目方向的变化而变化。科学中的暂定性不 是仅仅因为科学知识是推理的、创造性的和植根于文化和 社会的，有逻辑论据对信任暂定性观点提供支持。与一般 的信念相反，科学假设、理论和规律决不是不考虑支持性 经验证据的数量而被绝对证明的。要证明一个规律，该规 律应该说明所描述现象的每一个例子。从逻辑的角度来说， 一个未来的我们没有任何了解的例子可能以规律陈述相反 的方式表现其行为。因此，规律决不是获得一种绝对的被 证明的地位。这同样适应于理论。
• 於槓桿原理的單元，師生在操作自製的槓桿活動， 師生討論改善實驗誤差的方法，有位學生提出要 有幫手，卻引引來另一位學生的質疑。 • 17. 生C：可是多人會礙手礙腳阿，人多手雜阿.... （合理回答）（學生質疑教師） • 18. 師：喔，多人會礙手礙腳，那你可以選擇不 會礙手礙腳的人來做實驗阿（笑）。（重述） （教師質疑學生） • 19. 生A：還要有運氣。（闡述）（創新回答表達 理解） • 20. 生C：對阿，一些是好狗運（笑）。（ 簡單 回答表達理解） • 21. 師：對耶，運氣其實也很重要，像哈雷慧星 有沒有，你要去觀察它...（溯源解釋）（連結科 學本質限制性）
• 22. 生D：67年才來一次。（簡單回答）（表達理解） • 23. 生A：是嗎？是76年吧... （提出問題）（學生相互質 疑） • 24. 生（大部分）：對對！ （簡單回答）（表達理解） • 25. 師：阿，如果你剛好它走後那一年你才出生，下一次 還沒來就掛了，就沒有機會去觀察了阿，所以從事科學活 動還是要運氣的，不錯。 • （溯源解釋連結科學本質限制性） • 26. 生C：老師，那我問你，那好狗運呢？ （主動提問） • 27. 師：好狗運喔！很多科學家在想出來一個解答的時候 都是恰巧好狗運喔！像那個阿基米得，有聽過阿基米得的 故事的人舉手？（溯源解釋）（延續提問）（連結科學本 質創造性）
• 《美国国家科学教育标准》中的科学本质观 ： 美国国家科学教育标准》 • １．科学家通过观察、实验、理论模型和数学模 型来构造和检验对自然的解释； • ２．在活跃的研究领域，在缺乏大量实验性或观 察性证据及了解的领域，科学家们对所研究的证 据和理论做出不同的解释是一种正常现象； • ３．对科学成果、实验、观察、理论模型和科学 家所提出的解释进行评价，是科学探究的一部分。 提出问题、对批评做出回答和公开交流是科学过 程的一个组成部分
二、二十世纪有关科学本质研究的 进展
• 科学哲学方面的演进 • 科学教育方面对科学本质的理解
• 《面向全体美国人的科学》一书中论述的科学本 面向全体美国人的科学》 质观 • 1. 科学的世界观——自然界是可以被认知的；科 学理念是会变化的；科学知识的持久性；科学不 能为所有问题提供完整答案； • 2. 科学探究活动——科学需要证据；科学是逻辑 和想象的融合；科学解释和预见；科学家要努力 鉴别，避免偏见；科学不仰仗权威； • 3. 科学事业——科学是一种复杂的社会活动；科 学由学科内容组成，由不同机构研究；科学研究 中有着普遍接受的道德规范；科学家在参与公共 事务时，既是科学家也是公民。
• 5．科学知识的负载理论本质 • 科学知识是负载理论的。科学家的学术信奉、信 念、己有知识、训练、经验和期望实际上影响着 他们的工作。所有这些背景因素形成了影响科学 家研究问题、怎样进行研究、他们观察什么或不 观察什么，怎样解释他们的观察的思维方式。这 种个人特征(有时也有群体特征)或思维方式解释 了理论在科学知识生产中的作用。与一般的信念 相反，科学从未开始于中性的观察。观察和研究 总是被一定的理论观点所激发和引导，并获得关 于问题的意义，这些问题产生于一定的理论观点。
• • • • • • • • • • •
（示範實驗：將雙氧水加二氧化錳以收集氧氣） 生：沒有氣體啊 師：我只有放一些啦，氣體不太夠 （收集到氣體後用點燃的線香放入） 師：這我不知道會不會燒起來喔，因為收集到的 氧氣沒有很多 （線香插入，將錐形瓶舉高給學生看） 生：沒有啊 （示範失敗，線香沒有明顯反應。此時學生紛紛 站起來看老師手上的錐形瓶） 師：沒有、沒有，等一下等一下，老師把它 弄多一點喔，坐下來，坐下… （再一次示範，這一次用的二氧化錳比較多） （線香放入後變亮，不過沒有燒起來）
• （在收集氧氣的課室教學活動中，當學生將雙氧 水加入紅蘿蔔後，陳老師先維持常規、學生暫停 並坐下，然後開始討論操作的結果） • 師：你現在摸一摸放紅蘿蔔那個錐形瓶，溫溫燙 燙的對不對（停、學生試摸），有沒有？（停頓） • 生：沒有啊 • 師：沒有嗎（走下來摸），有啦，有一點溫啦， 沒有那麼溫啦，你們那個已經冷掉了，好…，我 們也可以發現喔，這是額外的發現，它會同時放 出熱量，這是化學反應常見的一種現象 • 生：冰冰的 • 師：冰冰的？你要不要摸摸看那個…（指著別 組），你那個可能已經冷掉了懂不懂，有一些組 他們剛剛做的時候有摸摸看、熱的；來，給他們 摸摸看（學生去摸），有沒有？
• 3．科学理论和规律的功用及其之间的关系 • 科学理论是被建立的比较满意的，高度证明的，内部一致 的解释系统。理论是用于解释大量似乎不相关的多种情况 下的观察。例如，分子运动论是用于解释与物质物理状态、 化学反应速率相关的现象和与热及其传递相关的其它现象。 更重要的是，理论在提出研究问题和指导未来的研究中起 着重要的作用。科学理论不能被直接验证。只有间接的证 据能被用于支持理论和确立它的有效性。科学家从理论推 出具体的可验证的预测，并用确实的证据检验他们。在预 测和经验证据之间的一致性用于增加被检验理论的可信水 平。 • 与观察和推理之间差别紧密相关的是科学理论和科学规律 之间的差别。一般来说，规律是对观察现象间的关系的描 述性陈述。波义耳定律(在常温下气体的压强与它的体积 有关)，是一个恰当的例子。相反，理论是对观察现象或 这些现象中的规律提出的假设。例如，用分子运动论解释 波义耳定律。理论和规律是不同种类的知识，一种不会成 为另一种。理论与规律一样都是合理的科学产物。
• 6．各文化层面的人都对科学有所贡献； • 7．新的知识必须被清楚且公开地陈述； • 8．科学家必须作正确的纪录，以及接受同行的评 论和重新实验的考验； • 9．观察的进行是由观察者心中的理论所指引的； • 10．科学家常在研究过程中融入想象力与创造力， 以发展出解释自然现象如何运作的新理论； • 11．科学史显示出科学的发展兼具演化性与革命 性的特征； • 12．科学是社会与文化的一部分； • 13．科学与技术彼此互相影响； • 14．科学知识受其社会与历史环境的影响。