将科学方法教育引入科技馆展教活动的思考与实践

葛宇春 张凡华

关注“科学概念”是当前发达国家科学教育的一大特点，也是科学教育自身发展的需要。科学概念是对科学事实的归类、概括、抽象和总结。它不仅包括一般的科学事实和概念，还包括科学的观念和对科学的看法。

美国《K12科学教育框架》和《新一代科学教育标准》提出了“学科核心概念”和“跨学科概念”，学科核心概念包含了某一学科的关键组成部分，为理解和研究更为复杂的概念和解决问题提供重要工具；跨学科概念超越各学科界限，包含了许多有关科学方法、科学精神、科学思想、科学价值观、科技与社会关系的内容，可以促进受众对学科核心知识和概念的掌握。韦钰院士和一批国际上的科学家、教育家在《科学教育的原则和大概念》一书提出的 14个“科学教育的大概念”中，我们可以通过对比发现第1～10个“大概念”相当于美国的“学科核心概念”；第11～14个“大概念”(韦钰等称为“关于科学的科学概念”)相当于美国的“跨学科概念”。为了区别于作用弱一些的“一般科学概念”，我们可以将“学科核心概念”“跨学科概念”“科学大概念”“关于科学的科学概念”，统称为“核心科学概念”(以下简称“核心概念”)。

核心概念在科学教育中有着相当重要的作用，缺乏核心概念，受众掌握的只是一些知识碎片，没有关联性，甚至有可能自相矛盾。在科技馆的教育活动中，核心概念有助于确定教育活动的“靶心”，围绕“靶心”构建教育活动的架构，设计有指向性的核心任务，有效进行知识的拓展和迁移，达到培养科学核心素养，提升科学教育内涵的目标。

无论是美国《新一代科学教育标准》提出的“跨学科概念”，还是韦钰等人提出的“关于科学的科学概念”，科学方法都是其中不可或缺的重要内容。

一、什么是科学方法

早在古希腊时期，科学方法已经开始了萌芽，现在我们经常使用的归纳法、演绎法就是亚里士多德逻辑方法论中的组成部分。简单地说，科学方法就是人们在认识客观事物的过程中产生的思维方式和行为模式，是获取科学知识的手段途径与工具。由此可见，科学方法与科学知识有着密不可分的关系，它是人们为获得科学认识所采用的各种手段，是科学认识的必要条件，是构筑科学大厦的脚手架。

目前，科技馆的教育活动中，讲述的大多是自然科学知识，向公众提供物质的基础性质、运动形式、内部结构等基本信息。这些信息在被人类发现的过程中，创造、运用和积累了大量的科学方法。比如科技馆涉及最多的理化知识，它们最基本的体系和架构大多来源于实验、推理或假说，它们的发现往往经历了不断探索并时有反复的艰难历程。科学方法教育的目的就是弘扬前人执着探索的科学精神，学会掌握和运用科学思维，树立求真务实的科学态度，并指导今后的工作生活实践。

二、为什么要在展教活动中融入科学方法教育

(一)国内外重视科学方法教育的发展趋势

当今社会，国民的科学素养已成为衡量一个国家竞争力的核心要素，而科学方法的学习对科学素养的提高有很大的助益。美国是最早意识到科学方法教育重要性的国家，并进行了一系列相关的研究。早在20世纪60年代，著名教育学家布鲁纳出版了《教育过程》一书，在书中多次强调了对科学方法的重视。布鲁纳认为，培养学生的科学态度和科学方法是非常重要的，这一观点为后面的教育改革提供了重要依据。1996年美国国家研究理事会颁布了美国第一部《国家科学教育标准》，提出了“以探究为核心的科学教育”理念，而科学探究是培养科学方法的重要途径之一。美国国家研究理事会在2011年发布的《K12科学教育框架》和2013年发布《新一代科学教育标准》中，由“以探究为核心的科学教育”发展成为“基于科学与工程实践的探究”，[1]并且在支撑科学教育“三个维度”的“跨学科概念”“科学与工程实践”两个维度中包含了众多科学方法的内容。[2]

近几年来，我国对科学方法教育的关注度也日渐提高，韦钰院士和一批国际上的科学家、教育家提出：科学教育要重视科学的“大概念”，并提出了14个“大概念”，在“关于科学的科学概念”中就包含了科学方法的内容。[3]2001年教育部公布的《基础教育课程改革纲要(试行)》中明确提出了“知识与技能”“过程与方法”“情感态度价值观”三维教学目标；在科技类课程的“过程与方法”中，“过程”即是指科学探究活动的过程，方法并不是通常被误认为的教学方法，而是指在探究过程中运用到的各种科学方法。2017年公布的《小学科学课程标准》提出了“科学知识”“科学探究”“科学态度”“科学、技术、社会与环境”四维教学目标，在“科学探究”目标中同样包含了科学方法。

而在学校教育范畴，通过查阅文献我们发现，随着课改的推动与深入，与科学方法教育研究有关的论文专著，近十年一直呈递增趋势，如2013年《物理教师》中《物理科学方法教育若干思考》一文、2015年首都师范大学邢红军教授出版《高中物理科学方法教育》以及众多硕、博研究生论文的问世，科学方法教育已正式融入学科教育的内容，成为课堂教育中不可缺少的部分。

(二)将科学方法教育引入科技馆展教活动的现实意义

1. 科学方法与科学态度、科学精神、科学思想之间的密切关系，共同构成了科学的认识论、方法论、价值观(三者是相互关联、相互支撑、密不可分的)，成为科学素质中最重要的成份。例如，许多科学方法都是“实证”的方法，“实证”也是科学认识赖以产生的重要过程与环节(认识论)，“实证”又是判断事物的最重要标准(价值观)。再如，“求真”“质疑”也是科学态度、科学精神、科学思想的核心内容，而许多科学方法就是获取或验证“求真”“质疑”的方法。因此，科学方法的引入，为深化科学态度、科学精神、科学思想等科学教育内涵提供了必要条件。

2. 科学方法教育的引入可以使活动的全过程更加合理优化，帮助观众建立完整的知识体系。在参与活动的过程中，以科学探究为主线安排活动流程，引导受众的注意力不仅放在实验的结果，而是如何设计实验、实施实验、分析实验结果、从实验结果中获得科学发现的探究过程，在这一过程的各个环节中都要运用到科学方法，这不仅是获取知识的过程，而且是一个使用和掌握科学方法的过程。

3. 授人以鱼不如授人以渔，单纯知识的传授很容易被慢慢忘记，而方法的教育有利于观众在今后发现问题时，自主地利用所掌握的科学方法主动地去分析问题、收集信息、处理信息，将被动的接受变成主动的探索，更有助于贯彻现代教育提倡的自主学习、终生学习，利用所学知识解决问题的理念。

三、进行科学方法教育的几点策略

(一)结合科学史开展科学方法教育

科学史上很多概念与规律的发现，都包含了科学方法运用与发展的过程，只有仔细了解这些科学知识产生的艰难历程，把知识和科学家的发现探索之路结合起来，才有可能真正彻底而又正确理解这些内容。[4]如：伽利略的斜面实验利用了实验归纳法得出物体的运动不需要力去维持的理论，而后来的科学家们在他的理论基础上不断探索，最终牛顿站在伽利略、笛卡尔等一批巨人的肩膀上推理出了著名的牛顿第一定律；阿基米德通过“洗澡盆溢出水”的现象获得灵感，发现了利用等效法将可测量的水的体积来等效代替不规则的王冠的体积，从而解决了验证真假王冠的难题；科拉顿利用转换法通过电流计中小磁针偏转来证明在磁场中的导体是否产生电流，为了降低磁铁对小磁针的影响，他用一堵墙将它们隔开，也正是这堵墙将科拉顿与著名的电磁感应定律永远的隔开了。

(二)将科学探究的“实践”过程作为科学方法教育的有效载体

与具体的学科知识不同，科学方法涉及的不是世界本身，而是人们认识世界的方式与途径，是高度抽象的。因此，科学方法无法孤立直接地表达出来，必须借助一定的载体。

纵观科学方法存在的形式，无论在问题的发现与提出阶段、实验检验与探究阶段、概念的形成与规律的总结阶段，都会有科学方法的运用。而在上述阶段中，我们的辅导员往往都是通过设计让观众亲身经历、参与和体验等多种“模拟再现科技实践”的过程，让受众收获属于他们自己的“直接经验”[5]，自主完成收获各项科学知识的目标。这一过程可能是对展品的直接观察、体验，也可以是一项具体的小制作、实验、活动……但不管是哪种形式，在这个过程中，一定还原了最初科学家们以科研为目的的科学探究实践过程，一定会包含着科学家思考问题形成结论的科学思维，一定会运用诸如类比法、等效法、转换法、控制变量法等丰富的科学方法。因此，科学探究的“实践”过程是科学方法教育的最好载体。我国2017年《小学科学课程标准》不仅“倡导探究式学习”，而且将科学课定性为“实践性课程”。

(三)在活动过程中将科学方法“显性化”

不管是科学概念、规律还是具体的知识点，都是由科学家借助科学方法对各种现象经过观察研究分析才总结出来的。辅导员在进行教育活动方案设计的时候，为避免生硬的说教与填鸭式的灌输，要注意将所要传递的科学方法显性化。

以合肥科技馆为例，只有少部分展品及其展板在设计时会指出用了哪种科学方法，比如“离心现象”中的控制变量法、“维C含量知多少”中的转换法，但仅仅是点出概念，没有明确的介绍，大多让观众在参与时自己去体会感受，观众的关注点往往集中在知识环节，对科学方法方面体会甚少。所以，在将科学方法教育引入展教活动时，方案设计中要有明确的教学目标、学情分析、设计思路，提倡在实验结果出现之前，让受众做出自己的预测、表述依据、互相点评，通过最终的结果来验证预测的正误，发挥辅导员的引导作用，带领观众分析预测正误的原因，形成“探究+实证”的过程，并且使学生们通过亲身经历、实践的“直接经验”逐渐领悟、掌握其中的科学方法以及认识论、方法论、价值观。

结合上述策略，我们发现，在把科学方法教育融入展教活动之后，观众不仅可以重温科学家们在科学发现、技术发明的实践过程，还可以在这一过程中，亲身体验、经历和实践各种科学方法。这就使科技史、探究式学习、“科学与工程实践”“做中学”与科学方法之间建立了内在的必然联系，研究科技史也就有了明确的目的性——了解科学家们的科学探究实践过程及其科学方法、科学态度、科学精神、科学思想。

四、科学方法教育的实例分析——“理想与现实”

“理想与现实”这一教育项目我们主要讲授的科学方法是“理想模型法”。

“理想模型法”是科学研究中经常会用到的一种描述物质规律的科学方法。这种方法的主要特点是将研究的对象理想化，也就是它突出了研究对象的一些主要特征，而主动地忽略了其它方面的一些次要因素[6]。使用理想模型法主要是为了让人们能够把更多的注意力放在物质的本质特征上，很多科学理论的建立都证明了这是一种非常有效地研究物质科学问题的方法，比如物理教学中的电场线、质点、光线等。为了让学生更加深刻地去理解这一科学方法，本节课以学生为中心，以实践探究为主要内容，以小组观察讨论为引导，使学生能够在实际问题中提炼出理想模型法中蕴含的科学思维，并能够运用它去解决一些生活中的问题。本节课分为四个教学阶段，各阶段主要内容如下。

(一)观察现象、发现问题

阶段目标：通过观察发现磁铁的一些有趣的现象，激发学生好奇心，发现问题的存在，并引出教学内容。

表1 “理想与现实”教育活动第一阶段教学内容

(二)猜想与实验分享，分析理想模型法

阶段目标：

1．通过磁铁的一些性质来让学生了解磁场的大小和方向；

2．学会根据现象提出猜想或假设；

3．设计实验，掌握画磁铁周围磁感应线的方法；

4．通过动手实践来锻炼学生动手能力；

5．剖析实验过程，深刻理解什么是理想模型法。

(三)结合实际，建立理想模型

阶段目标：

1．结合生活现象知道光的一些基本性质；

2．以光为例，能够尝试建立一些简单的理想模型，并解释一些实际问题。

表2 “理想与现实”教育活动第二阶段教学内容

表3 “理想与现实”教育活动第三阶段教学内容

(四)经典案例分析，情感态度升华

阶段目标：

1．知道理想模型会随着科学的进步而不断改进；

2．理解科学会随着时代不断发展完善；

3．培养学生尊重老师、尊重科学、尊重真理的态度。

表4 “理想与现实”教育活动第四阶段教学内容

(五)对课程的几点感想

1．科学方法教育的实施可以促进学生形成科学思维。通过本节课程的学习，学生利用理想模型法所展现的思维模式，学会了抓住复杂事物的主要特征，摒弃次要因素，从而达到化繁为简的效果，这种思维模式可能会深深影响学生今后的学习与生活。

2．教育效果的反馈具体体现在让学生自主构建理想模型环节，光线模型构建起来看似简单，但其中蕴含了丰富的科学原理，在构建的过程中，学生可以把抽象的思路落实到纸上具体的模型勾画中，实现从感性认识到理性认识的转变。

3．通过循序渐进的教学方式，首先利用绘制磁感应线的实践探究在学生脑海中勾勒出了理想模型法的基本内容，然后通过光线模型的构建和实践运用来加深学生的整体印象，最后借用原子模型的经典案例分析来升华课程主题，让学生多次接触，反复经历，深刻体会到理想模型法的教育，这本身就是一种科学的方法教育。

4．科学方法教育的实施更能激发学生的科学热情。著名教育家第斯多惠说过：“教育的艺术不在于传授本领，而在于激励、唤醒和鼓舞”。[8]本节课程讲述了许多与理想模型法相关的科学故事，能够很好地激发学生学习科学的热情。

五、在科学方法教育中需要注意的问题

(一)保持过程中的统一性

如果将科学方法作为活动目标，那原先开展活动的形式、内容、手段都会有一定变化，应注意在活动的全程，始终把活动目标放在最重要的位置，避免随意与盲目，不能将方法和知识的比重各占一半或是主次不明，要保证形式、内容、手段始终为同一目标服务。

(二)内容与载体要有关联性

科学方法一般都是融合在具体科学知识的探索过程之中，在选择相关探索过程作为载体时，要注意方法与知识的关联性，不能生硬地为了讲方法而讲方法。辅导员要熟悉科学史，了解科学发展中不断求证、推翻、再求证的探究过程，深入分析挖掘其中的知识与方法体系。

六、结语

在展教活动中注重方法教育，培养观众对科学方法不断的了解、掌握到熟练运用，让观众形成在科学知识的获取中离不开科学方法运用的必要观念。这样，在遇到问题时，观众就会有更高的敏感性，能迅速发现问题的关键点，用有针对性的科学方法去分析问题，找到解决问题的途径。[9]

观众在活动中，会经历发现问题、剔除非本质方面、通过合适的科学方法设计相关实验找到有关的事实与数据、做出初步的概括、再次实验论证得出结论等阶段，既能掌握具体知识，又能在过程中培养质疑精神，基于证据和推理发表自己的见解，尝试用不同方法，或看似不相关的方法来解决问题，打破直线思维的定势，了解任何理论或自然定律都不是最后定论，新的数据、实验结果将不断出现，旧的自然定律将不断为更普遍的自然定律所替代，在这种新老交替中，人类对世界及自身的认知得以更深入的发展。