靳冬雪 王笑梅 劉恩山

（1 東北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 吉林長春 130024 2 東北師范大學(xué)附屬中學(xué) 吉林長春 130022 3 北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100875）

《普通高中生物學(xué)課程標準（2017年版）》對我國新一階段的生物學(xué)課程發(fā)展提出了落實科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的實施建議，強調(diào)不僅要幫助學(xué)生理解生物學(xué)方面的知識，還應(yīng)當促使其學(xué)習(xí)一些“關(guān)于自然科學(xué)的知識”，即科學(xué)本質(zhì)（nature of science，NOS）。科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)容反映了科學(xué)知識產(chǎn)生過程的特點和局限性。學(xué)習(xí)科學(xué)本質(zhì)有助于學(xué)生把握自然科學(xué)的特點，更好地建立生物學(xué)觀念，辨別現(xiàn)實生活中的科學(xué)與非科學(xué)，促進生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的達成[1]。

科學(xué)工作采用基于實證的范式是科學(xué)本質(zhì)的重要內(nèi)容，指明了科學(xué)研究遵循的理論體系與根本理念，也是理解其他科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容的基礎(chǔ)。在教學(xué)中，教師應(yīng)強調(diào)實證在科學(xué)工作中的必要性，幫助學(xué)生理解科學(xué)證據(jù)的使用能支持或反駁而非證實科學(xué)觀點，培養(yǎng)其形成尊重事實與證據(jù)并基于生物學(xué)事實和證據(jù)進行科學(xué)思考的思維方式。

1 科學(xué)工作采用基于實證的范式

實證是指恰當、合理地使用證據(jù)的過程。當人們評論一個觀點是“科學(xué)的”或“不科學(xué)的”時，其實是在討論該觀點是否經(jīng)過了基于證據(jù)的充分論證。在科學(xué)研究中，證據(jù)可能以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，但并不等同于數(shù)據(jù)本身?？茖W(xué)研究者通過觀察和測量可獲得直接的研究數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可能是定性的，也可能是定量的[2]，例如，格雷戈爾·孟德爾（Gregor Mendel）在研究生物性狀遺傳時收集到的不同顏色和不同飽滿程度的豌豆顆粒數(shù)量。而證據(jù)的構(gòu)建則需要研究者以既定的知識和假設(shè)為基礎(chǔ)，結(jié)合自身的邏輯推理對數(shù)據(jù)加以處理[3]，例如，孟德爾基于對數(shù)學(xué)比例和分離定律的理解，發(fā)現(xiàn)了不同性狀豌豆種子之間的比例模式。最后，研究者在證據(jù)的支持下構(gòu)建科學(xué)解釋進而形成研究結(jié)論，例如，孟德爾進一步結(jié)合了測交實驗提供的證據(jù)，解釋了豌豆親代配子組合方式與形式，以及豌豆子代性狀表現(xiàn)比例的形成機制，最終提出了遺傳因子會發(fā)生自由組合現(xiàn)象的科學(xué)觀點。

證據(jù)的使用能支持或反駁科學(xué)觀點，但不能證實或證明某一科學(xué)觀點為真。從邏輯學(xué)的角度分析，人們無法窮盡所有的證據(jù)以論證一個觀點是成立的，只能無限逼近“成立”，而不能完全地、真正地“證明它成立”。這就是為什么科學(xué)知識不是真理，因為其永遠無法被證明為真。而反駁一個科學(xué)觀點，只需要提供一個反例，但這種反駁仍然需要進行基于證據(jù)的論證。這就是為什么科學(xué)是可被證偽的，同時，這也是科學(xué)與非科學(xué)、偽科學(xué)之間的重要區(qū)別。正因為科學(xué)觀點的論證需要使用證據(jù)，因此，科學(xué)一直處于發(fā)展和完善之中。任何科學(xué)知識，無論在目前被多么地認可和廣泛地普及，一旦出現(xiàn)新的證據(jù)，這些科學(xué)知識都有可能被改變甚至被推翻[3]。對于那些在科學(xué)發(fā)展歷史中被充分的證據(jù)支持、并經(jīng)過了時間考驗的科學(xué)知識，例如，科學(xué)教材中的生物學(xué)理論和定律，會具有相對較強的穩(wěn)定性。但這些科學(xué)知識并不是固若金湯的真理，隨著新證據(jù)的發(fā)現(xiàn)和使用，其仍然有可能會被修正和完善。

使用證據(jù)論證觀點是科學(xué)研究遵循的底層邏輯，這使得它與其他科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容緊密相關(guān)。在基于數(shù)據(jù)構(gòu)建證據(jù)的過程中，研究者的主觀因素可能會對收集、處理和呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的方式產(chǎn)生影響，從而形成不同的證據(jù)，并進一步影響對科學(xué)觀點的論證。例如，在孟德爾提出分離與自由組合的遺傳規(guī)律之前，也有許多學(xué)者做過動物和植物的雜交實驗，也觀察到了生物遺傳中的性狀分離現(xiàn)象，但卻未能總結(jié)得出相關(guān)的遺傳規(guī)律[4]。人為因素的存在也促使科學(xué)成為一項創(chuàng)造性的工作，例如，拉扎羅·斯帕蘭扎尼（Lazzaro Spallanzani）讓鷹吞下包有肉塊的小籠子，巧妙地收集證據(jù)研究消化作用[4]。此外，社會和文化也會對證據(jù)的形成和使用產(chǎn)生影響，例如，歷史上基督教會作為當時西方社會的意識形態(tài)權(quán)威，推崇神創(chuàng)論，并曾一度打壓達爾文關(guān)于自然選擇的進化研究證據(jù)與觀點。盡管這些社會和文化因素可能會對科學(xué)研究的方向、科學(xué)證據(jù)的構(gòu)建和使用產(chǎn)生導(dǎo)向作用，但這并不會改變基于實證這一基本范式。

2 在科學(xué)教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生重視實證

考慮到基于實證這一重要特點在科學(xué)中的普遍存在性，本研究建議教師可將其與其他科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容相結(jié)合，利用科學(xué)史（history of science，HOS）、科學(xué)探究等策略對該內(nèi)容進行外顯化教學(xué)[2]，引導(dǎo)學(xué)生討論具體情境中的證據(jù)是什么，這些證據(jù)又是如何被用于支持或反駁科學(xué)觀點的，并簡潔、明確地明示科學(xué)采用基于實證的范式這一科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容。

2.1 通過科學(xué)史強調(diào)實證的重要性 科學(xué)史的使用可引導(dǎo)學(xué)生沿著科學(xué)家探索自然世界的道路，體會科學(xué)研究的思路和方法，以及科學(xué)家獻身科學(xué)的精神，理解科學(xué)本質(zhì)，促進生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的達成[1]?？茖W(xué)史教學(xué)策略，一方面能讓學(xué)生在合適的時間尺度上觀察到科學(xué)發(fā)生的顯著變化，通過思考和分析發(fā)生這些變化的原因，從而理解科學(xué)本質(zhì)；另一方面，科學(xué)史的呈現(xiàn)方式往往是以故事形式呈現(xiàn)，學(xué)生對此有較大的興趣，并關(guān)注故事的前因后果，教師在此基礎(chǔ)上外顯科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)容，將進一步加深學(xué)生的理解。在使用科學(xué)史的教學(xué)策略時，首先，教師應(yīng)對史實加以篩選和精簡，重點呈現(xiàn)能幫助學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)的材料。其次，科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)需要外顯化，教師在呈現(xiàn)科學(xué)史資料后，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生明確地討論科學(xué)本質(zhì)，明示相應(yīng)的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容。最后，教師可靈活地組織素材，在使用一段科學(xué)史材料時，開展多項科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容的教學(xué)。

以DNA 結(jié)構(gòu)的科學(xué)史為例，教師可著重呈現(xiàn)科學(xué)家對DNA 化學(xué)組成及物理特性的發(fā)現(xiàn)、對DNA 作為遺傳物質(zhì)的論證，以及對DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的探索與構(gòu)建這3 段主要發(fā)展歷程，幫助學(xué)生理解多項科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容[5]。故事開始于1869年，德國科學(xué)家弗里德里希·米歇爾（Friedrich Miescher）通過對傷口滲出液中的細胞進行化學(xué)成分分析，發(fā)現(xiàn)細胞核中除蛋白質(zhì)外，還包括一種物質(zhì)。他當時簡單地認為這種物質(zhì)是磷元素的儲存庫。至1930年，科學(xué)家分離出脫氧核糖，了解到其與磷酸基團上下相連，并與4 種含氮堿基共同構(gòu)成一個生物大分子。1948年，埃爾文·查戈夫（Erwin Chargaff）為了反駁菲伯斯·列文（Phoebus Levene）提出的“四核苷酸”觀點，通過計算不同生物中4 種含氮堿基的占比，發(fā)現(xiàn)腺嘌呤（A）的量總是等于胸腺嘧啶（T）的量，鳥嘌呤（G）的量總是等于胞嘧啶（C）的量，這就是現(xiàn)在被人們熟知的查戈夫法則。教師需要引導(dǎo)學(xué)生明確地討論證據(jù)的使用對于提出或反駁DNA 化學(xué)組成觀點的重要作用，進而明示科學(xué)研究采用基于實證的范式，沒有證據(jù)支持的觀點最終會被拒絕。同時，教師可促使學(xué)生注意證據(jù)的增加逐漸完善了人們對DNA 化學(xué)組成的認識，強調(diào)科學(xué)知識具有暫時性。

在探討DNA 是生物的遺傳物質(zhì)方面，1884年，奧斯卡·赫特維格（Oskar Hertwig）在顯微鏡下觀察了細胞的受精過程，由此推論，細胞核是性狀遺傳的主要原因。此后，1928年弗雷德·格里菲斯（Fred Griffith）的肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實驗、1952年阿弗雷德·赫爾希（Alfred Hershey）和瑪莎·蔡斯（Martha Chase）的噬菌體侵染細菌實驗等證據(jù)，支持了性狀是通過親代的DNA 遺傳的，而非蛋白質(zhì)。這一重要結(jié)論促使科學(xué)家推論，DNA 的結(jié)構(gòu)應(yīng)當具備使其產(chǎn)生多種變異的復(fù)雜性，這樣DNA才能控制十分復(fù)雜的生物性狀。在教學(xué)中，教師可促使學(xué)生分析證據(jù)對于DNA 是遺傳物質(zhì)這一觀點的支持，并明確在科學(xué)工作應(yīng)采用基于實證的范式。同時，教師也可借此幫助學(xué)生理解和區(qū)分科學(xué)研究中的觀察與推論。

在構(gòu)建DNA 結(jié)構(gòu)的過程中，莫里斯·威爾金斯（Maurice Wilkins）和羅莎琳德·富蘭克林（Rosalind Franklin）通過DNA 成像技術(shù)獲得了高質(zhì)量的DNA 衍射圖，這為詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）提出DNA 呈螺旋結(jié)構(gòu)提供了重要的證據(jù)。然而，沃森與富蘭克林關(guān)系相處得并不好，富蘭克林在最初得到高質(zhì)量DNA 衍射結(jié)果時想要保密，而沃森在他1968年出版的暢銷書中對富蘭克林的描述也很差。這不僅反映了當時2 人性格上的差異，也反映了這一時期科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)、外對女性的性別歧視，可見，科學(xué)也會受到社會文化的影響。沃森和克里克在使用DNA 衍射結(jié)果這一證據(jù)時，創(chuàng)造性地選擇了建立三維模型的方法探索DNA 的螺旋結(jié)構(gòu)，更好地幫助他們發(fā)現(xiàn)了DNA 結(jié)構(gòu)中各部分分子的排列方式。因此，科學(xué)是一項創(chuàng)造性的工作。但在構(gòu)建模型之初，沃森花費相當多的時間試圖使相同的堿基配對，即C 與C 配對，G 與G 配對，T 與T配對，及A 與A 配對。盡管查戈夫法則已提供了反駁他這一觀點的證據(jù)，但沃森在早期始終堅持這一想法?？梢?，科學(xué)家的主觀因素也會影響科學(xué)研究的進程。在這一段科學(xué)史中，教師可引導(dǎo)學(xué)生討論證據(jù)的使用如何促成了DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出，強調(diào)科學(xué)采用基于實證的范式。同時，教師也可向?qū)W生指明人為因素會對科學(xué)研究產(chǎn)生影響。

2.2 通過科學(xué)探究促使學(xué)生獲得并使用證據(jù) 除了使用在科學(xué)家身上發(fā)生的研究故事可幫助學(xué)生理解實證對于科學(xué)的必要性外，在課堂上開展科學(xué)探究也是促使學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)的重要途徑。參與科學(xué)探究將為學(xué)生提供動手和動腦的親身經(jīng)歷，通過觀察獲得數(shù)據(jù)，進而梳理形成證據(jù)并利用證據(jù)構(gòu)建科學(xué)解釋。這些直觀的、具體的證據(jù)將刺激學(xué)生思考現(xiàn)象背后的因果關(guān)系，更好地理解抽象概念和科學(xué)本質(zhì)，促進科學(xué)思維的形成和社會責(zé)任的培養(yǎng)[1]。教師在使用科學(xué)探究幫助學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)時，不僅要注意凸顯學(xué)生的主體地位，讓學(xué)生有機會進行觀察、動手、記錄和交流等活動，還要引導(dǎo)其直接、明確地討論科學(xué)本質(zhì)，從而實現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容在課堂上的外顯化。此外，在一次科學(xué)探究活動中，教師也可將多項科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容相結(jié)合加以強調(diào)。

以酵母菌細胞呼吸方式的科學(xué)探究活動為例，教師通過引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷并分析基于證據(jù)的論證過程促進科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)?；顒又校瑢W(xué)生通過觀察發(fā)現(xiàn)，有氧呼吸條件下的實驗裝置在間歇性通入空氣之后，澄清石灰水變渾濁?；谝延械幕瘜W(xué)知識，即澄清石灰水的溶質(zhì)為氫氧化鈣，它與二氧化碳反應(yīng)后生成沉淀碳酸鈣，導(dǎo)致宏觀上出現(xiàn)澄清石灰水變渾濁的現(xiàn)象，學(xué)生可根據(jù)觀察到的事實推理得出，裝置中的酵母菌培養(yǎng)液在通入除去二氧化碳的空氣后，產(chǎn)生了二氧化碳。在這些證據(jù)的支持下，學(xué)生進一步推論得出實驗結(jié)論：酵母菌在有氧條件下能進行呼吸。教師應(yīng)當引導(dǎo)學(xué)生分析論證酵母菌能進行有氧呼吸的證據(jù)及其作用，并向?qū)W生明示科學(xué)研究基于實證。此外，教師可借助該探究經(jīng)歷，促使學(xué)生討論觀察與推論之間的區(qū)別，還可在學(xué)生完成酵母菌能進行無氧呼吸的論證后，強調(diào)證據(jù)的增加會逐漸完善人們對自然的認知，使得科學(xué)知識不斷發(fā)展和修正。

3 結(jié)語

科學(xué)本質(zhì)作為科學(xué)教育的重要內(nèi)容，已受到國內(nèi)、外基礎(chǔ)教育改革團隊的重視。目前，美、澳、加等多個國家已將科學(xué)本質(zhì)納入課程標準中，并將其作為衡量學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)達成情況的指標之一[6-8]。我國高中生物學(xué)課程標準也建議教師注重科學(xué)本質(zhì)在課堂上的落實，引導(dǎo)學(xué)生理解科學(xué)工作采用基于實證的范式。在科學(xué)研究中，通過觀察獲得的事實數(shù)據(jù)經(jīng)組織和整理后形成證據(jù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建科學(xué)解釋，進而支持或反駁某一科學(xué)觀點。證據(jù)的使用使得科學(xué)觀點是可被驗證的，培養(yǎng)學(xué)生形成尊重事實和證據(jù)的科學(xué)思維，將促使其更好地區(qū)分科學(xué)與非科學(xué)，從而在科學(xué)相關(guān)的問題上作出理性的決策。教師在課堂上可借助科學(xué)史中科學(xué)家進行研究工作的史實，或科學(xué)探究活動中學(xué)生親身的探究經(jīng)歷，明示科學(xué)是對證據(jù)的推理過程[9]這一根本理念，并可密切結(jié)合其他科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生理解自然科學(xué)的特點，促進學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的達成。