科学本质观：发挥科学教育育人价值的关键①

冯华

摘要学生对于科学本质的理解是构成科学素养的重要方面。教师深刻理解科学知识本质、科学探索本质，才能在教学中凸显科学的属性，帮助学生通过学习科学知识认识科学的本质，提升科学素养，充分发挥科学领域各学科教育价值。基于科学本质的科学教学，要教科学而非常识，要教学生与物对话、与材料合作、与自然交流，让学生在研究自然的过程中产生好奇并提出问题。

关键词学科育人；科学教育；科学素养；科学知识本质；科学探索本质；科学创造

中图分类号G63

文献标识码B

文章编号1002-2384（2019）11-0015-03

国际科学教育界普遍认为，学生对于科学本质的理解是构成科学素养的重要方面。我国中小学科学教师一般都经过物理、化学、生物、地理等学科的分科学习，他们往往习惯于从本学科的知识体系理解科学，擅长讲授具体知识，但缺乏从科学本质的高度思考本学科教学内容的意识和能力。以我国中学物理教师为例，调查显示：该群体对于科学本质的认识尚处于较低水平。[1]教师对于科学本质理解的不足，必然会弱化科学学科的教育价值。因此，中小学科学教师要真正加深对于科学本质的理解，思考如何在教学中以知识为载体，帮助学生认识科学的本质，提升科学素养。

对于科学本质的认识，包括对于科学知识本质的认识、对于科学探索本质的认识和对于科学事业本质的认识。[2]本文根据笔者多年来对科学教师教学实践的观察，探讨教师应该如何加强对于科学知识和科学探索本质的认识。

1. 科学知识依靠证据并在新的证据下不断被修正

科学知识需要证据判定，科学知识的证据来源于自然环境或实验室。为了获取证据，科学家不仅通过身体感官，還制造并利用仪器增强辨别力，用以扩大人类观察的视野，发现人的自身辨别力尚无法发现的自然特性，获取更加丰富的证据。从伽利略发现自由落体运动规律到牛顿提出万有引力定律，再到爱因斯坦提出相对论，各个时期的科学家都把注意力集中在搜集准确的证据上。

一个科学原理即使经过了反复证实，也还要不断地接受验证，新的证据经常会对流行的理论提出挑战。以牛顿物理学从辉煌到发现它的局限性为例，1687年，牛顿出版了研究长达20年的《自然科学的哲学原理》一书。在书中，牛顿从一些基本概念和几个运动定律出发，使人们对大自然的了解有了前所未有的扩展和统一。特别是在1846年，天文学家应用牛顿的力学理论计算出海王星的运行轨道，这一成果被誉为“不必向天上看一眼就发现了一颗行星”，进一步证实了牛顿理论的客观性。在当时，科学界将牛顿物理学作为终极的绝对真理接受下来。但在200多年后的19世纪末，用牛顿物理学不能解释的新的实验结果出现了。最终，牛顿定律作为爱因斯坦狭义相对论在宏观、低速条件下的近似定律而包含在相对论中。

纵观人类认识宇宙的历史，从地心说到日心说，再到宇宙无中心论；从经典力学理论统一天地间的一切机械运动规律，到电磁场理论统一电、磁、光的运动规律，再到四种相互作用统一宇宙间的一切自然力；从绝对时空观到狭义相对论时空观，再到时空几何化的广义相对论时空观；从经典物理学的机械决定论和因果论，到量子力学的概率描述和统计因果论……科学知识的更新记录着人类对客观世界认识发展的历史。

2. 科学理论是对自然现象的解释和对未观测到现象的预见

科学以解释自然现象为目的。科学对自然现象解释的追求，激励着一代又一代科学家对自然的探索。以对宇宙中心的研究为例，古希腊的科学家通过观察所有的天体都是东升西落的现象，认为地球是宇宙的中心，但地心说无法解释火星的逆行现象。哥白尼提出太阳是宇宙的中心，所有天体都绕太阳做圆周运动，解释了火星逆行现象，但还是解释不了所有观测现象。牛顿的万有引力定律成功地解释了开普勒通过总结观测事实得到的行星运行规律，用更加基础和深刻的科学规律支持日心说。随着观测技术和水平的提高，人类目前对于宇宙中心的推测是宇宙没有中心。

教学内容中的概念、定律、公式、法则只是科学知识结论的表现，从科学知识的本质思考这些教学内容，科学知识就与人类探索自然的活动结合起来，科学知识的教育价值便凸显出来。

1. 科学探索没有一成不变的固定模式

科学探索是人类认识世界的过程，世界上没有一个简单的、一成不变的步骤可供科学家遵循，没有一条道路可以确保正确地引导科学家获取科学知识。但是，科学探索在依靠证据、利用假设和理论、运用逻辑推理等方面具有突出的特征，这些特征支持着人类科学事业的传承和社会的发展。

在科学教学中，教师一般是采用规范的探究模式引导学生提出问题、做出假设、设计实验方案，直至交流展示。这种范式固然可以让学生体验科学探索的一般过程，但科学探索绝不是刻板的程序，学生掌握了科学探究的技能不等于理解了科学探索的精神，更不一定能像科学家一样思考问题。科学教师需要不断加深对科学探索本质的认识，在教学中通过回顾历史或设计学生活动，帮助学生感受和体验科学探索的过程，避免自以为在带领学生体验科学探索的过程，结果却在传播非科学甚至伪科学。

2. 科学探索是逻辑与想象的结合

早在公元前300年，希腊数学家欧几里得就从一些定义、公理出发，通过演绎的方法，建立了严谨的逻辑体系。此后，在希腊哲学家发明的形式逻辑体系以及文艺复兴时期伽利略应用的通过实验找出自然现象因果关系的方法的基础上，科学家循着这条“发现的逻辑”推动着科学的发展。但是，在科学发展的历史上，科学创造也发挥着重要作用。有些科学发现是依靠提出假设、发明理论来想象这个世界如何运转，然后再解决如何检验假设和理论的问题。在科学教学中，教师要兼顾“发现”和“创造”两个逻辑，避免忽视后者，造成学生把科学看作仅仅由逻辑思维和实证方法构成的“大厦”，而不能通过其他非逻辑思维方式获得。

爱因斯坦提出广义相对论就是最好的证据。1915年，爱因斯坦提出广义相对论及三个可供实验验证的推论。1919年天文学家观测到了水星近日点的反常进动，证实了爱因斯坦的理论预言。[3]直到今天，引力波的发现、获取黑洞的视觉证据等还在验证广义相对论的预言。因此，广义相对论也被誉为“人类思想史上最伟大的成就之一”。对于“假如没有爱因斯坦，相对论会被发现吗”这样的问题，爱因斯坦本人曾表示，如果他没有提出狭义相对论，5年之内就会有其他物理学家提出；但50年之内也不会有人发现广义相对论。

我们从爱因斯坦提出广义相对论的探索过程中思考科学探索的本质：科学探索的过程不仅是逻辑思维和实证方法的结合，合理假设、直觉思维、大胆想象等非逻辑的思维方式在科学发现中也发挥着重要作用。科学发展的过程是综合运用各种思维方式探索的过程。

从对科学知识和科学探索本质的思考，反观我们的科学教育课堂，其还有很多值得研究的问题，有很大可以发展的空间。科学课堂需要突出科学学科的特点，帮助学生通过学习知识、体验探究，认识科学的本质，为学生终身发展奠定基础，促进人类科学事业的传承和社会发展。

1. 科学教学是教“科学”而非“常识”

“科学”与“常识”有着本质的不同。“常识”一般指普通知识，是被认为正确的结论。科学是不断发展的人类对于自然界的认识，它既是一种知识体系，又是一种认识体系，它反映了思维的逻辑体系。

例如：对于今天的人类来说，地球是球体已经是常识。但是从科学的角度思考，人类对于地球是球体的认识经历了漫长的过程。从远古时代的“天圆地方”说，直到亚里士多德根据月食时月面出现的地影是圆形的，给出地球是球形的第一个科学证据。1622年，葡萄牙航海家麥哲伦带领的船队实现了环球航行，证明地球确实是球形的。1687年，牛顿在《自然哲学的数学原理》中提出万有引力定律，并通过理论研究地球自转对地球形态的影响，认为地球应是一个赤道略微隆起、两极略扁平的椭球体。地球形状的研究引发人类思考空间的各个方向是均等的，这也是人类形成科学时空观的重要一步。直到今天，科学家仍在深入研究地球这个球体。

教师教科学，要把科学家为什么要研究这个问题的背景描述出来，明确科学结论解释什么、怎样解释自然现象；把科学家对于自然或实验现象的深入观察和基于证据的推理过程展现出来，把科学家在解决问题过程中应用的主要研究方法梳理出来，把通过研究形成的重要观点提炼出来，凸显蕴含在具体科学知识中的科学的本质。

2. 科学教学要与物对话、与材料合作、与自然交流

科学学科的研究对象是自然界，是由“物”构成的人类生存的现实世界。科学探索的基础是仔细观察，通过观察搜集证据并在此基础上展开推理和想象。观察、推理和想象相互作用，观察支持推理和想象，推理和想象引发新的观察。因此，教师应不断拓宽学生理解科学的途径，包括如何与物对话、与材料合作、与自然交流，如何从研究对象处获取信息，学习和体验在研究自然的过程中追寻真理。

例如：当学生研究一只昆虫时，教师应当引导学生观察昆虫的身长、形状、颜色，有没有翅膀，翅膀的形状，头的大小、形状，眼睛、嘴的形状，足的形状等，进而思考这只昆虫为什么具有这样的形状和特点、与其他昆虫有哪些区别、为什么有这些区别等问题，而不是提出“它叫什么名字”的问题后让学生通过阅读资料获得答案。

3. 科学教学要教“询问”而非“获得”

科学教育的目的是希望学生在研究自然的过程中能够产生好奇并提出问题。著名理论物理学家和物理教育家韦斯科夫指出：“科学不是死记硬背的知识、公式、名词。科学是好奇，是不断发现事物和不断询问为什么，为什么它是这样的。科学的目的是发问，问如何和问为什么。它主要是询问的过程，而不是知识的获得（很可惜多数人认为是后者，而且是这样教的）。”[4]

科学教育的询问不是教师预设的、逼近科学知识结论的系列化问题，而是学生对物、材料和自然产生好奇后的发问。对于高年级的学生，他们还应该能够提出哪些是事实、哪些是推论、推论是怎样得到的、历史上科学家对这个问题有几种观点、我为什么相信这个结论等问题。

问题是科学发展、人类进步的阶梯，问题也是学习的开始和持续的动力。提出问题能力的重要性早已成为教育界的共识。但反思今天的科学课堂，我们教学生如何提出问题了吗？有多少机会给学生提出问题？教师真的关注学生的问题吗？除去“课下查阅资料”的答复，教师针对学生个性化的问题是否提供了解释或解决问题的支持？

不同领域、不同学科具有不同的育人价值，综合起来构成基础教育课程体系。2017年教育部颁布的普通高中各学科课程标准在前言中明确提出：“学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。”[5]我们只有从科学的高度研究学科、从科学本质的深度思考教学，才能真正发挥科学和科学领域各学科的育人价值。

参考文献：

[1] 陈维霞，陈娴.中学物理教师科学本质观的调查研究与思考[J].物理教师，2014，（6）.

[2]美国科学促进协会.面向全体美国人的科学[M].中国科学技术协会，译.北京：科学普及出版社，2001.

[3] 申先甲，张锡鑫，祁有龙.物理学史简编[M].济南：山东教育出版社，1985.

[4] 赵凯华.从物理学的地位和作用看对中学物理教师的要求[J].大学物理，2000，（7）.

[5] 教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017.

注释：

① 本文系北京市教育委员会社科计划资助项目“在物理教学中培育物理核心素养研究”（项目批准号：SM201850061001）的研究成果。