馮華

摘要學生對于科學本質(zhì)的理解是構(gòu)成科學素養(yǎng)的重要方面。教師深刻理解科學知識本質(zhì)、科學探索本質(zhì)，才能在教學中凸顯科學的屬性，幫助學生通過學習科學知識認識科學的本質(zhì)，提升科學素養(yǎng)，充分發(fā)揮科學領(lǐng)域各學科教育價值?；诳茖W本質(zhì)的科學教學，要教科學而非常識，要教學生與物對話、與材料合作、與自然交流，讓學生在研究自然的過程中產(chǎn)生好奇并提出問題。

關(guān)鍵詞學科育人；科學教育；科學素養(yǎng)；科學知識本質(zhì)；科學探索本質(zhì)；科學創(chuàng)造

中圖分類號G63

文獻標識碼B

文章編號1002-2384（2019）11-0015-03

國際科學教育界普遍認為，學生對于科學本質(zhì)的理解是構(gòu)成科學素養(yǎng)的重要方面。我國中小學科學教師一般都經(jīng)過物理、化學、生物、地理等學科的分科學習，他們往往習慣于從本學科的知識體系理解科學，擅長講授具體知識，但缺乏從科學本質(zhì)的高度思考本學科教學內(nèi)容的意識和能力。以我國中學物理教師為例，調(diào)查顯示：該群體對于科學本質(zhì)的認識尚處于較低水平。[1]教師對于科學本質(zhì)理解的不足，必然會弱化科學學科的教育價值。因此，中小學科學教師要真正加深對于科學本質(zhì)的理解，思考如何在教學中以知識為載體，幫助學生認識科學的本質(zhì)，提升科學素養(yǎng)。

對于科學本質(zhì)的認識，包括對于科學知識本質(zhì)的認識、對于科學探索本質(zhì)的認識和對于科學事業(yè)本質(zhì)的認識。[2]本文根據(jù)筆者多年來對科學教師教學實踐的觀察，探討教師應(yīng)該如何加強對于科學知識和科學探索本質(zhì)的認識。

1. 科學知識依靠證據(jù)并在新的證據(jù)下不斷被修正

科學知識需要證據(jù)判定，科學知識的證據(jù)來源于自然環(huán)境或?qū)嶒炇?。為了獲取證據(jù)，科學家不僅通過身體感官，還制造并利用儀器增強辨別力，用以擴大人類觀察的視野，發(fā)現(xiàn)人的自身辨別力尚無法發(fā)現(xiàn)的自然特性，獲取更加豐富的證據(jù)。從伽利略發(fā)現(xiàn)自由落體運動規(guī)律到牛頓提出萬有引力定律，再到愛因斯坦提出相對論，各個時期的科學家都把注意力集中在搜集準確的證據(jù)上。

一個科學原理即使經(jīng)過了反復證實，也還要不斷地接受驗證，新的證據(jù)經(jīng)常會對流行的理論提出挑戰(zhàn)。以牛頓物理學從輝煌到發(fā)現(xiàn)它的局限性為例，1687年，牛頓出版了研究長達20年的《自然科學的哲學原理》一書。在書中，牛頓從一些基本概念和幾個運動定律出發(fā)，使人們對大自然的了解有了前所未有的擴展和統(tǒng)一。特別是在1846年，天文學家應(yīng)用牛頓的力學理論計算出海王星的運行軌道，這一成果被譽為“不必向天上看一眼就發(fā)現(xiàn)了一顆行星”，進一步證實了牛頓理論的客觀性。在當時，科學界將牛頓物理學作為終極的絕對真理接受下來。但在200多年后的19世紀末，用牛頓物理學不能解釋的新的實驗結(jié)果出現(xiàn)了。最終，牛頓定律作為愛因斯坦狹義相對論在宏觀、低速條件下的近似定律而包含在相對論中。

縱觀人類認識宇宙的歷史，從地心說到日心說，再到宇宙無中心論；從經(jīng)典力學理論統(tǒng)一天地間的一切機械運動規(guī)律，到電磁場理論統(tǒng)一電、磁、光的運動規(guī)律，再到四種相互作用統(tǒng)一宇宙間的一切自然力；從絕對時空觀到狹義相對論時空觀，再到時空幾何化的廣義相對論時空觀；從經(jīng)典物理學的機械決定論和因果論，到量子力學的概率描述和統(tǒng)計因果論……科學知識的更新記錄著人類對客觀世界認識發(fā)展的歷史。

2. 科學理論是對自然現(xiàn)象的解釋和對未觀測到現(xiàn)象的預(yù)見

科學以解釋自然現(xiàn)象為目的。科學對自然現(xiàn)象解釋的追求，激勵著一代又一代科學家對自然的探索。以對宇宙中心的研究為例，古希臘的科學家通過觀察所有的天體都是東升西落的現(xiàn)象，認為地球是宇宙的中心，但地心說無法解釋火星的逆行現(xiàn)象。哥白尼提出太陽是宇宙的中心，所有天體都繞太陽做圓周運動，解釋了火星逆行現(xiàn)象，但還是解釋不了所有觀測現(xiàn)象。牛頓的萬有引力定律成功地解釋了開普勒通過總結(jié)觀測事實得到的行星運行規(guī)律，用更加基礎(chǔ)和深刻的科學規(guī)律支持日心說。隨著觀測技術(shù)和水平的提高，人類目前對于宇宙中心的推測是宇宙沒有中心。

教學內(nèi)容中的概念、定律、公式、法則只是科學知識結(jié)論的表現(xiàn)，從科學知識的本質(zhì)思考這些教學內(nèi)容，科學知識就與人類探索自然的活動結(jié)合起來，科學知識的教育價值便凸顯出來。

1. 科學探索沒有一成不變的固定模式

科學探索是人類認識世界的過程，世界上沒有一個簡單的、一成不變的步驟可供科學家遵循，沒有一條道路可以確保正確地引導科學家獲取科學知識。但是，科學探索在依靠證據(jù)、利用假設(shè)和理論、運用邏輯推理等方面具有突出的特征，這些特征支持著人類科學事業(yè)的傳承和社會的發(fā)展。

在科學教學中，教師一般是采用規(guī)范的探究模式引導學生提出問題、做出假設(shè)、設(shè)計實驗方案，直至交流展示。這種范式固然可以讓學生體驗科學探索的一般過程，但科學探索絕不是刻板的程序，學生掌握了科學探究的技能不等于理解了科學探索的精神，更不一定能像科學家一樣思考問題?？茖W教師需要不斷加深對科學探索本質(zhì)的認識，在教學中通過回顧歷史或設(shè)計學生活動，幫助學生感受和體驗科學探索的過程，避免自以為在帶領(lǐng)學生體驗科學探索的過程，結(jié)果卻在傳播非科學甚至偽科學。

2. 科學探索是邏輯與想象的結(jié)合

早在公元前300年，希臘數(shù)學家歐幾里得就從一些定義、公理出發(fā)，通過演繹的方法，建立了嚴謹?shù)倪壿嬻w系。此后，在希臘哲學家發(fā)明的形式邏輯體系以及文藝復興時期伽利略應(yīng)用的通過實驗找出自然現(xiàn)象因果關(guān)系的方法的基礎(chǔ)上，科學家循著這條“發(fā)現(xiàn)的邏輯”推動著科學的發(fā)展。但是，在科學發(fā)展的歷史上，科學創(chuàng)造也發(fā)揮著重要作用。有些科學發(fā)現(xiàn)是依靠提出假設(shè)、發(fā)明理論來想象這個世界如何運轉(zhuǎn)，然后再解決如何檢驗假設(shè)和理論的問題。在科學教學中，教師要兼顧“發(fā)現(xiàn)”和“創(chuàng)造”兩個邏輯，避免忽視后者，造成學生把科學看作僅僅由邏輯思維和實證方法構(gòu)成的“大廈”，而不能通過其他非邏輯思維方式獲得。

愛因斯坦提出廣義相對論就是最好的證據(jù)。1915年，愛因斯坦提出廣義相對論及三個可供實驗驗證的推論。1919年天文學家觀測到了水星近日點的反常進動，證實了愛因斯坦的理論預(yù)言。[3]直到今天，引力波的發(fā)現(xiàn)、獲取黑洞的視覺證據(jù)等還在驗證廣義相對論的預(yù)言。因此，廣義相對論也被譽為“人類思想史上最偉大的成就之一”。對于“假如沒有愛因斯坦，相對論會被發(fā)現(xiàn)嗎”這樣的問題，愛因斯坦本人曾表示，如果他沒有提出狹義相對論，5年之內(nèi)就會有其他物理學家提出；但50年之內(nèi)也不會有人發(fā)現(xiàn)廣義相對論。

我們從愛因斯坦提出廣義相對論的探索過程中思考科學探索的本質(zhì)：科學探索的過程不僅是邏輯思維和實證方法的結(jié)合，合理假設(shè)、直覺思維、大膽想象等非邏輯的思維方式在科學發(fā)現(xiàn)中也發(fā)揮著重要作用?？茖W發(fā)展的過程是綜合運用各種思維方式探索的過程。

從對科學知識和科學探索本質(zhì)的思考，反觀我們的科學教育課堂，其還有很多值得研究的問題，有很大可以發(fā)展的空間。科學課堂需要突出科學學科的特點，幫助學生通過學習知識、體驗探究，認識科學的本質(zhì)，為學生終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)，促進人類科學事業(yè)的傳承和社會發(fā)展。

1. 科學教學是教“科學”而非“常識”

“科學”與“常識”有著本質(zhì)的不同?！俺ＷR”一般指普通知識，是被認為正確的結(jié)論?？茖W是不斷發(fā)展的人類對于自然界的認識，它既是一種知識體系，又是一種認識體系，它反映了思維的邏輯體系。

例如：對于今天的人類來說，地球是球體已經(jīng)是常識。但是從科學的角度思考，人類對于地球是球體的認識經(jīng)歷了漫長的過程。從遠古時代的“天圓地方”說，直到亞里士多德根據(jù)月食時月面出現(xiàn)的地影是圓形的，給出地球是球形的第一個科學證據(jù)。1622年，葡萄牙航海家麥哲倫帶領(lǐng)的船隊實現(xiàn)了環(huán)球航行，證明地球確實是球形的。1687年，牛頓在《自然哲學的數(shù)學原理》中提出萬有引力定律，并通過理論研究地球自轉(zhuǎn)對地球形態(tài)的影響，認為地球應(yīng)是一個赤道略微隆起、兩極略扁平的橢球體。地球形狀的研究引發(fā)人類思考空間的各個方向是均等的，這也是人類形成科學時空觀的重要一步。直到今天，科學家仍在深入研究地球這個球體。

教師教科學，要把科學家為什么要研究這個問題的背景描述出來，明確科學結(jié)論解釋什么、怎樣解釋自然現(xiàn)象；把科學家對于自然或?qū)嶒灛F(xiàn)象的深入觀察和基于證據(jù)的推理過程展現(xiàn)出來，把科學家在解決問題過程中應(yīng)用的主要研究方法梳理出來，把通過研究形成的重要觀點提煉出來，凸顯蘊含在具體科學知識中的科學的本質(zhì)。

2. 科學教學要與物對話、與材料合作、與自然交流

科學學科的研究對象是自然界，是由“物”構(gòu)成的人類生存的現(xiàn)實世界?？茖W探索的基礎(chǔ)是仔細觀察，通過觀察搜集證據(jù)并在此基礎(chǔ)上展開推理和想象。觀察、推理和想象相互作用，觀察支持推理和想象，推理和想象引發(fā)新的觀察。因此，教師應(yīng)不斷拓寬學生理解科學的途徑，包括如何與物對話、與材料合作、與自然交流，如何從研究對象處獲取信息，學習和體驗在研究自然的過程中追尋真理。

例如：當學生研究一只昆蟲時，教師應(yīng)當引導學生觀察昆蟲的身長、形狀、顏色，有沒有翅膀，翅膀的形狀，頭的大小、形狀，眼睛、嘴的形狀，足的形狀等，進而思考這只昆蟲為什么具有這樣的形狀和特點、與其他昆蟲有哪些區(qū)別、為什么有這些區(qū)別等問題，而不是提出“它叫什么名字”的問題后讓學生通過閱讀資料獲得答案。

3. 科學教學要教“詢問”而非“獲得”

科學教育的目的是希望學生在研究自然的過程中能夠產(chǎn)生好奇并提出問題。著名理論物理學家和物理教育家韋斯科夫指出：“科學不是死記硬背的知識、公式、名詞。科學是好奇，是不斷發(fā)現(xiàn)事物和不斷詢問為什么，為什么它是這樣的?？茖W的目的是發(fā)問，問如何和問為什么。它主要是詢問的過程，而不是知識的獲得（很可惜多數(shù)人認為是后者，而且是這樣教的）?！盵4]

科學教育的詢問不是教師預(yù)設(shè)的、逼近科學知識結(jié)論的系列化問題，而是學生對物、材料和自然產(chǎn)生好奇后的發(fā)問。對于高年級的學生，他們還應(yīng)該能夠提出哪些是事實、哪些是推論、推論是怎樣得到的、歷史上科學家對這個問題有幾種觀點、我為什么相信這個結(jié)論等問題。

問題是科學發(fā)展、人類進步的階梯，問題也是學習的開始和持續(xù)的動力。提出問題能力的重要性早已成為教育界的共識。但反思今天的科學課堂，我們教學生如何提出問題了嗎？有多少機會給學生提出問題？教師真的關(guān)注學生的問題嗎？除去“課下查閱資料”的答復，教師針對學生個性化的問題是否提供了解釋或解決問題的支持？

不同領(lǐng)域、不同學科具有不同的育人價值，綜合起來構(gòu)成基礎(chǔ)教育課程體系。2017年教育部頒布的普通高中各學科課程標準在前言中明確提出：“學科核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現(xiàn)，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力?！盵5]我們只有從科學的高度研究學科、從科學本質(zhì)的深度思考教學，才能真正發(fā)揮科學和科學領(lǐng)域各學科的育人價值。

參考文獻：

[1] 陳維霞，陳嫻.中學物理教師科學本質(zhì)觀的調(diào)查研究與思考[J].物理教師，2014，（6）.

[2]美國科學促進協(xié)會.面向全體美國人的科學[M].中國科學技術(shù)協(xié)會，譯.北京：科學普及出版社，2001.

[3] 申先甲，張錫鑫，祁有龍.物理學史簡編[M].濟南：山東教育出版社，1985.

[4] 趙凱華.從物理學的地位和作用看對中學物理教師的要求[J].大學物理，2000，（7）.

[5] 教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017.

注釋：

① 本文系北京市教育委員會社科計劃資助項目“在物理教學中培育物理核心素養(yǎng)研究”（項目批準號：SM201850061001）的研究成果。