科学本质教育的困境与出路

黄惠敏

摘要：长期以来，科学本质教育一直面临着三大困境：一是规范教材缺失，二是师资力量不足，三是教学效果差。究其原因，主要是由于科学本质的内涵不清晰，教师自身对科学本质的理解困难，并且所采用的教学方法不恰当。面对以上困境，首先，可以根据共识观点初步确定科学本质的教学内涵。其次，运用家族相似法有助于理解科学本质。再者，应将内隐的教学方法转变为外显方法，以更加有效地提高学生的科学本质观。

关键词：科学本质;共识观点;家族相似法;外显方法

一、引言

科学教育的最终目标是培养出具备良好科学素养的公民，其中对科学本质的理解被认为是科学素养的核心组成部分。理解科学本质实际上就是要回答“科学是什么”、“科学如何运作”这样的问题，对此有深入的思考不仅有助于具体科学学科的学习，还能加深对科学过程和科学事业的认识，对科学本质具有良好的理解才能就科学社会议题做出明智的决策。实际上，理解科学的本质从20世纪初开始就不断地被世界各地的科学教育改革文献提倡为重要的教育成果。相应地，科学本质教育逐渐成为了科学教育的一个重要组成部分，即在科学教学过程中引导学生对科学本质进行思考。

然而，科学本质教育在实际的教学中却一直步履维艰。20世纪60年代后，以美国为主，国际科学教育领域中出现了大量与科学本质相关的实证研究。全球各地的研究陆续表明，科学本质教育在众望之下仍长期停滞于起步阶段，绝大部分地区尚未形成一套完整有效的教学体系，也未能取得令人满意的教学成果。本文旨在揭示科学本质教育的多重困境，究其背后的原因，并指出突破困境之路。

二、科学本质教育的困境

科学本质教育的困境主要体现在三个方面，首先是科学本质教学内容的缺失与不规范，其次是师资力量不足，再者是采用的教学方法效果差。

1. 规范教材缺失

在科学本质教育中，教材上关于科学本质的呈现是学生了解科学本质的重要途径，也是教师展开科学本质教学的基本依据。尽管理解科学本质的重要性已经得到了广泛的承认，但是科学本质并不像科学知识一样相对确定与规范地体现在课本之中，目前的科学教材在科学本质方面存在着明显不足。首先，科学教科书大多重视科学知识而忽略科学本质方面的内容。巧妇难为无米之炊，欲实施科学本质教育首先必须确定科学本质的教学内涵，没有规范教材的引导，科学本质教育便只能落为空谈而难以体现到实际的教学活动之中。另外，一些教材不仅未能解决许多关键的科学本质问题，甚至还传达关于科学本质的不准确的信息（例如，科学概念与人类的创造力无关，存在一套放之四海而皆准的科学方法等），这些错误信息既误导教师的教学方向，也阻碍学生科学本质观的发展。所以，相关教材的缺失与不规范是一个多世纪以来科学本质教育一直面临着的首要困境。

2. 师资力量不足

与科学教材相应，科学教师也往往精通科学知识，却对科学本质知之甚少，难以胜任科学本质相关的教学活动。已有部分实证研究对教师的科学本质观、教学活动以及学生的科学本质观三者之间的关系进行了调查，结果发现，就算教师对科学本质有着充分的理解，也不一定会直接体现到其教学活动之中;但是，如果教师要向学生教授科学本质的相关内容以促进学生对科学本质的理解的话，那么教师自身必须先对科学本质有着足够深入的理解。然而，近几十年来全球各地大量的实证研究却表明，各地区、年级、专业的科学教师对科学本质的理解都有所不足。比如，很大一部分教师认为科学知识是不会改变的，不涉及主观性，也不是创造力的直接作用，一些教师对科学本质的理解远没有达到可以向学生进行科学本质教学的水平，少数教师的科学本质观甚至不如学生。

3. 教学效果差

自上个世纪初以来，以发达国家为首，全球各国陆续将理解科学本质列入科学课程标准之中，并逐渐加大对科学本质教育的重视，但从学生的科学本质观水平来看，实际的教学成果却微乎其微。对学生的科学本质观的实证研究始于20世纪60年代，已有研究尽管研究方法不尽相同，但是研究结果却大同小异，总的来说，各地区学生对科学本质的理解普遍不足。比如，不少学生认为科学知识是绝对的，科学研究揭示了无可辩驳的绝对真理，并且他们无法区分定律与理论的区别等。其中值得注意的是，不少学者对各个年级的学生进行研究，发现各年级学生之间的科学本质观并无明显差异。并且，早期研究所指出的诸多不足在近期研究中仍然不断地重复出现，总体来看学生们的科學本质观并没有明显的进步。由此可见，科学本质教育的实际效果亟待提高。

三、困境背后的原因

科学本质教育的困境存在已久，因为这些困境背后有着更深层的原因。教学内容的缺失与不规范是由于科学本质的内涵不清晰;师资力量不足则是因为教师自身缺乏相关教育，导致理解困难;再者，教学效果差乃是不恰当的教学方法所造成，而这不恰当的教学方法一方面是不正确的观点所致，另一方面也是教师们在重重困境之下不得已而为之的逃避性选择。

1. 科学本质内涵不清晰

科学的本质是科学区别于非科学的根本特征，也是区分科学与伪科学的标尺，与科学划界问题息息相关，一直都是科学哲学的核心问题。传统的归纳主义、逻辑实证主义、证伪主义、历史主义，还有相对近期的科学实在论、科学虚构论等，都是在从各个方面探究科学的本质。一个多世纪以来，科学哲学得到了不断的发展，科学本质的内涵也发生了巨大的变化。传统的科学哲学认为科学知识是外在客观的反映，科学知识是已被证明的、可靠的、不变的真理，科学探究过程中不包含人类的价值观。而后现代主义则对知识的客观性提出了挑战，认为科学知识不是绝对正确的客观真理，科学探究过程是在人类的价值影响下形成的。

总的来说，科学哲学中对科学本质的认识大致经历了从客观到主观、从绝对到相对、从静态到动态的转变。但是关于科学本质的内涵，至今仍然存在着诸多争议，实际上并没有一个统一的定义。这给科学本质教育带来了巨大的困难，因为没有统一的定义也就意味着难以编订规范的教材。另外，科学本质内涵不清晰还进一步导致相应的教学目标太空泛，教学效果难以测评，使得科学本质教育难上加难。没有具体教学目标的指导和支配，也难以对教学效果进行有效的检验和评价，科学本质教学在实际的科学教育中往往只流于表面化和形式化。

2. 教师自身理解困难

大部分教师都明白科学本质教育的重要性，但在理解科学本质上较为困难，所以影响其科学本质观和科学教学 。首先，大多数科学教师在成为教师之前没有接受过与科学本质相关的教育。无论是基础的科学教育，还是针对科学师范生的教育，往往都只重视对科学知识的掌握而忽视对科学本质的理解，直到现在仍有大量科学专业的师范生接触不到专门的科学本质教育。并且，理解科学本质并非易事，因为科学本质是一个复杂的交叉领域，涉及到科学史学、科学哲学、科学社会学、认知科学等多个学科，需要教师对诸多领域均有一定涉略，才能对科学本质有较充分的把握。再者，人们科学本质的认识随着科学的发展不断地发生着变化，教师亦需要不断地更新和加深自己对科学本质的理解才能正确地引导学生对科学本质进行思考。所以，没有接受过科学本质教育的教师在自己理解科学本质时较为困难，导致教授科学本质时往往心有余而力不足。

3. 教学方法不恰当

导致科学本质教育进展缓慢的另一个主要原因是教师们所采用的教学方法不恰当。教师在实际的科学本质教学活动中往往采用内隐的方法。所谓的内隐方法是一种潜移默化的教学方法，把学生的科学本质观改变看作是一种附带的教学效果。一般通过让学生亲身参与科学探究活动，使学生在做科学的过程中感悟科学的本质，从而树立正确的科学本质观。这种方法假定科学家就是对科学本质有着最深刻理解的人，科学探究活动的过程中必然伴随着科学本质观的转变和发展。但是，研究表明，内隐方法对学生理解科学本质并没有多大帮助。

基于所谓“内隐方法”，教师仅仅让学生自己“做科学”，而不用对科学本质进行分析与讨论，一来既绕开了没有规范教材指导的困难，二来也避免了自身对科学本质认识不足的尴尬。再加上对教师教学成果的检验往往不包括学生的科学本质观，教师在没有相应教学压力的情况下，通常不会主动去提升自己的科学本质观以进行有效的科学本质教学。所以，在实际的科学教育中，大多数教师要么对科学本质弃之不顾，要么避重就轻采用内隐方法，真正进行有效的科学本质教学的教师少之又少，这也就解释了为什么科学本质教育这么长时间以来几乎停滞不前。

四、走出困境之路

面对科学本质教育的困境及其背后的原因，在众多学者的努力与尝试之下，目前已有不少突破。首先，根据共识观点总结出的科学本质清单可以作为科学本质教学的基本内容。其次，家族相似法为理解科学本质提供了新的视角。再者，将传统的内隐方法转变为外显方法可以有效提升教学效果。

1. 根据共识观点确定教学内涵

所谓的共识观点主要由诺曼·莱德曼（Norman G. Lederman）及其团队所提出和发展，其主要内容是：在面向1-12年級学生的科学本质教育的层面上，各学界对科学本质的内涵存在着一些基本的共识，应将这些较为普遍的共识作为科学本质的教学内容。

一直以来关于科学本质的看法存在诸多分歧，但这其中的大多数争论其实与基础教育没有太大关系。科学本质教育的目标是引导学生发展对科学本质的恰当理解，以助于学生具备良好的科学素养。对于1-12年级的学生来说，重要的是那些与他们日常生活关系较为紧密，并且在他们理解范围之内的科学本质内容。因此，有必要对科学本质内涵进行适当的简化，避免太过繁杂琐碎和晦涩难懂的一些争论。也正是在这样的一般层面上，各学界对科学本质的内涵有着基本的共识。

这些共识即为突破科学本质教育困境的关键，就是可以纳入基础科学本质教学的内容。科学本质的概念与科学知识相类似，都是动态发展的。科学知识并不具有绝对的确定性和稳定性，但是我们却能编订出规范的科学知识教材并以之为根据进行科学教育，这是因为，教育的目的主要不是探索未知，而是传授已知。虽然科学知识具有不确定性，但是目前得到普遍公认的就是相对确定的知识，也就是当下可以教授给学生的最好的知识。同样的，虽然随着科学的快速发展与对科学的系统思考的不断深入，人们对科学本质的认识在不断地改变，但是在诸多分歧之中那些相对而言得到广泛承认的内容就是科学本质目前较为确定的内涵，也是1-12年级的学生们所应当理解和掌握的方面。

莱德曼及其团队根据长期的教学实践与研究，并结合科学、科学哲学、科学历史学、科学社会学、科学教育学等诸多领域对于科学本质的基本共识，总结出了一份“科学本质清单”，其主要内容如下：（1）科学知识的暂时性：科学知识是暂定性的、会改变，但是在一定时间内会处于稳定的地位;（2）观察和推论的区别：观察是直接感受到的关于自然现象的描述性陈述，推论是超越感官的;（3）科学中的主观性和客观性：科学的目标是客观和精确，但科学中的主体性是不可避免的;（4）科学的创造性和合理性：科学知识是人类基于对自然世界的观察，从想象和逻辑推理中创造出来的;（5）科学中的社会和文化嵌入：科学是社会和文化传统的一部分，受到社会和文化的影响;（6）科学定律和理论的区别：科学定律和理论都可能发生变化，科学定律描述了在某些条件下被观察或者感知到的自然现象的一般关系;（7）科学方法的多样性：不存在一种放之四海而皆准的科学方法。

根据共识观点得出的科学本质清单得到了广泛的承认，近年来大量的科学本质实证研究都以此作为理论基础。该清单也为科学本质教育提供了一个有效可行的起点，使得科学本质教学有据可依，为教师在具体的科学教学活动中展开与科学本质相关的讨论提供了必要的引导和帮助，也为学生更加系统和全面地理解科学本质提供了较为规范的指导。

2. 运用家族相似法理解科学本质

近几年来，家族相似法逐渐发展为理解科学本质一个新视角。众所周知，家族相似性的概念最初由路德维希·维特根斯坦（Ludwig Wittgenstein）所提出，用于解决哲学中长期以来的共相问题，后来逐渐被其他学者们应用到诸多学科中，比如用于解释科学的统一性与多样性。

应用家族相似法来理解科学的本质，即把科学视为一个大家庭，将各个具体的学科比做这个大家庭中的成员，这些成员之间具备着某些共同的特征但又不尽相同。下面以天体力学、进化生物学、地震科学、粒子物理学这4个具体学科与观察性、实验性、解释性、预测性这4个主要特征为例进行简要的说明。首先，天体力学具有观察性，也能够对行星的位置给出充分的解释和准确的预测，但是却不具有实验性，虽然绝大多数科学学科都需要做实验，但是目前来讲在天文学领域中进行实验根本不可能。而进化生物学能够很好地解释物种的进化，但是却无法做出精确的预测。相似的，地震科学也能够说明地震发生的原因，但是仍未能准确预测下一次地震的时间和地点，并且地震科学也不具有明显的实验性特征。相比之下，粒子物理学不仅具备观察性也具备实验性，并且在解释与预测粒子现象方面也都做得非常好。以上这4个学科与4种特征之间的关系可以概括为：（1）天体力学：观察性、解释性、预测性;（2）进化生物学：观察性、实验性、解释性;（3）地震科学：观察性、解释性;（4）粒子物理学：观察性、实验性、解释性、预测性。可以看出，这4个学科之间存在着相似性，但是又各不相同;4种特征在不同的学科中得到了不同的体现，这4种加上其他未列举出来的一系列特征（如数据收集、推理、假说演绎法等）共同塑造了科学这个大家庭的面貌。如果我们尝试着通过这些特征来给科学下一个确切的定义，会发现根本无法找到科学的充分必要条件。首先，明显实验性与预测性就只是科学的不必要条件而已。其次，虽然观察性和解释性是这4个学科都具备的两个特征，但是这也只说明观察性与解释性是科学的必要不充分条件，观察性与解释性并不是科学的专属特征，就比如我们过马路前看来往的车辆与红绿灯，这也具有观察性。也就是说，科学的各个分支之间具备着一些共同的特征，然而这些特征并不足以定义科学，也无法为科学划界。改变为科学寻找充分必要条件的思路，换用家族相似法来理解能更好地把握科学的全貌，这也正是家族相似法的优势所在。

家族相似法極大地拓宽了人们对科学本质的认识。首先，家族相似法不仅包括了各科学学科的共同点，也使得各个学科的独特之处得以展现，在显示科学统一性的同时也很好地体现了科学的多样性，描绘出了一幅较为全面的科学图景。另外，家族相似法所提供的视角也易于理解，有助于教师提高自身的科学本质观。并且，通过家族相似法来理解科学的本质具有动态性和开放性，这更符合科学的实际情况，也更有助于培养师生的批判性思维，促进对科学的本质的深入思考与分析。

3. 采用外显方法提高教学效率

目前已有不少学者对科学本质教学方法进行研究，研究发现，外显的教学方法明显比内隐的教学方法更能有效提高学生的科学本质观。外显方法指实施科学本质教学的过程中，明确地指出相应的科学本质内容，直接讨论和反思关于科学本质的问题，如：你认为科学知识会变化吗？为什么？如果会变化，请举例说明。外显方法通常结合社会性科学议题，或者融入科学史和科学哲学来进行教学。

社会性科学议题指的是由科学的发展与应用引发的一系列具有争议性的议题，比如转基因食品、基因编辑、人工智能等。利用社会性科学议题情境进行外显的科学本质教学，一方面能激发学生的兴趣，通过开放性与争议性的热点问题，学习其背后的科学知识与科学本质，另一方面也能让学生学以致用，培养其分析和解决实际问题的能力。以基因编辑这一议题为例，在实际教学中，可以先进行相关生物知识的教学，在此基础上再引出该议题，根据科学本质的基本内涵引导学生进行小组讨论。另外，也可以将基因编辑这一议题作为课程的主线，在介绍、讨论该议题的过程中穿插进行具体知识的学习。

在科学教学中融入科学史与科学哲学，并不意味着将科学史与科学哲学作为独立的学科进行教学，而是通过原本科学课程背后值得探讨的科学史故事与科学哲学的观念，把科学本质内容体现到课程之中，引导学生进行思考和讨论，进行外显的科学本质教学。由此可以使学生了解科学探究是如何进行的、科学知识是如何产生的、科学的作用与局限等，从而促进学生对科学本质的理解。

实际上，无论是内隐方法还是外显方法，与具体的教学内容和方法并没有一一对应的关系。例如，如果在科学探究活动中直接讨论科学本质问题，那就属于外显方法。即使结合社会性科学议题，或者融入科学史和科学哲学，如果没有明确提出科学本质问题，仍属于内隐方法。因此，外显方法除了结合社会性科学议题、融合科学史和科学哲学教学之外，还可以在科学概念、科学模型、科学定律、科学理论等科学知识的教学中直接展开科学本质教学。

由于外显方法能够有效营造出观念冲突与反思的情境，有助于学生科学本质观的转变与发展。因此，在科学本质的教学实践中应提倡教师们将内隐的教学方法转化为外显方法。

五、结语

总的来看，科学本质教育所面临的困境是多方面、多层次的，且各方面的困境及其背后的原因又互相影响、互相阻碍。欲突破科学本质教育的重重困境，首先要确定科学本质的教学内涵。尽管各学界对科学本质存在诸多争议，但是实际上在基础教育的层面上存在着一些普遍的共识。应将这些共识观点作为科学本质教育的基本内涵，为科学本质教育提供一个有效可行的起点。其次，提高教师自身的科学本质观是进一步突破科学本质教育困境的关键。家族相似法是理解科学本质的一个新视角，为教师对科学本质进行深入的思考与分析提供了有效路径。为帮助教师加深对科学本质的理解，形成一套恰当的科学本质观，应提倡教师学习和掌握必要的科学史与科学哲学。目前可以对在职教师进行科学史与科学哲学的相关培训，而在今后的科学教师的培养过程中，应将科学本质作为与科学知识一样重要的必修课，为其之后的科学本质教学打好基础。教师在对科学本质有了足够深入理解的基础上，应将传统的内隐教学方法转变为外显教学方法，并在教学过程中不断摸索更为有效可行的教学模式，以提高学生的科学本质观及科学素养。最后，需要说明的是，本文所指出的突破科学本质教育困境之路并非独创，很大部分都来自于他人的杰出工作。但同时也需要指出的是，本文仍然做了一项基于自身思考的独立工作，即对科学本质教育的多重困境进行梳理，究其背后的原因，并将诸多学者所做出的突破贯穿成一条走出困境之路。

参考文献：

[1] Driver R ， Leach J ， Millar R ， et al. Young people's images of science[J]. American Journal of Education， 1996， 31（3）：706–710.

[2] Lederman N G . Students' and teachers' conceptions of the nature of science： A review of the research[J]. Journal of Research in Science Teaching， 1992， 29.

[3] McDonald C V， Abd-El-Khalick F. Representations of nature of science in school science textbooks[M]//Representations of Nature of Science in School Science Textbooks. Routledge， 2017： 1-19.

[4] Lederman N G. Nature of science： Past， present， and future[M]//Handbook of research on science education. Routledge， 2013： 845-894.

[5] Fah L Y ， Hoon K C . Teachers' Views of the Nature of Science： A Study on Pre-Service Science Teachers in Sabah， Malaysia[J]. Journal of Science & Mathematics Education in Southeast Asia， 2011， 34：262-282.

[6] Miller， P. E. （1963）. A comparison of the abilities of secondary teachers and students of biology to

understand science. Iowa Academy of Science， 70， 510–513.

[7] Rye J A ， Rubba P A ， Wiesenmayer R L . An investigation of middle school students’ alternative conceptions of global warming[J]. International Journal of Science Education， 1997， 19（5）：527-551.

[8] Zeidler D L， Walker K A， Ackett W A， et al. Tangled up in views： Beliefs in the nature of science and responses to socioscientific dilemmas[J]. Science education， 2002， 86（3）： 343-367.

[9] King B B . Beginning teachers' knowledge of and attitudes toward history and philosophy of science[J]. Science Education， 1991， 75（1）：7.

[10] Lederman N G， Lederman J S. Research on teaching and learning of nature of science[J]. 2014.

[11] Lederman N G ， Abd‐El‐Khalick， Fouad， Bell R L ， et al. Views of nature of science questionnaire： Toward valid and meaningful assessment of learners' conceptions of nature of science （p 497-521）[J]. Journal of Research in Science Teaching， 2010， 39（6）：497–521.

[12] Lederman N G ， Abd‐El‐Khalick， Fouad， Bell R L ， et al. Views of nature of science questionnaire： Toward valid and meaningful assessment of learners' conceptions of nature of science （p 497-521）[J]. Journal of Research in Science Teaching， 2010， 39（6）：497–521.

[13] Wittgenstein L . Philosophical Investigations[M]. B. Blackwell， 2009.

[14] Gürol Irzik， Nola R . A Family Resemblance Approach to the Nature of Science for Science Education[J]. Science & Education， 2011， 20（7-8）：591-607.

[15] Lederman N G， Lederman J S. Research on teaching and learning of nature of science[J]. 2014.