科学教育中的知识、方法与信念 *
——基于科学哲学的考察

2020-01-08 14:47朱晶

华东师范大学学报（教育科学版） 2020年7期

朱晶

（华东师范大学哲学系，上海 200241）

今天的科学研究呈现出两个特点：学科交叉的深度与合作的频次越来越高，科学研究开始更多地面向医疗、环境等现实问题。这说明科学研究越来越专业化，而且科学与公众、社会之间的联系越来越紧密。其结果是，公众开始越来越多地面临与科学相关的社会议题并且需要做出决策，而科学研究的专业化程度越来越高，又使得科学研究与公众的距离越来越远。公众理解科学的必要性和迫切性，与科学需要的专长技能之间的矛盾，凸显了科学教育理解科学功能的重要性。并非人人都是或者需要成为科学家，因而科学教育的目的是促使科学外行能够理解科学，让普通人能够更接近科学，从而能够在与科学相关的社会事务中做出决定。为此，这种科学外行能力的培育是出于认识论上的需要（epistemic needs）。为什么要相信科学家?科学家通过什么方式获得相对客观的知识?如何从常识理解过渡到专家理解?这些都涉及到科学哲学在科学教育中何以必要以及如何发挥作用等问题。作为专门研究科学方法、探讨科学为什么具有认识论权威的科学哲学，其理论模型固然对科学教育中提高学生对科学的理解具有重要作用，但是要成功地发挥这种作用，需要介入一系列与认识论相关的中心问题的考察。例如，是将科学视作一种了解世界的方式，还是将科学看作是理解世界的结果?科学家的认识方式和认识论需要，与门外汉（包括学生）有什么不同?科学教育中应该采纳理解科学的缺省模式，还是参与科学的共生产模式?如何将科学哲学家提出的关于解释、推理、论证、方法等模型和理论，置于科学教育的现实情境之中?如何针对不同知识背景的学生，从认识论依赖出发，构建科学解释或方法并理解科学的本质?已有研究对于如何在中国的科学教育中提高学生对科学本质的理解，进行了经验考察（Wan et al.，2018；裴新宁等，2018），国际上亦有不少对科学教材中讲授科学的本质进行的研究（McDonald ，Abd-EI-Khalick，2017），但是少有从科学哲学的视角，对这些元理论问题进行考察，探讨适用于科学教育的科学哲学模型和理论基础。本文基于科学哲学、认知科学、社会认识论，以及公众理解科学领域对理解科学的认知基础、认识论标准等问题进行研究的新近理论，试图通过对科学教育中理解科学的目标、科学信念产生的社会认知机制、科学的认识论权威以及认知劳力的分配等问题进行分析，进而对科学哲学在科学教育中能够发挥的作用和方式做出探讨。

一、科学教育的目标转向：基于证据做出决策

今天的科学教育或者科学素质的培育和提高，最重要的目标是促使当下和未来的公众在面对与科学和工程相关的议题和情境时，能够根据证据进行推理、解释，或者提出基于证据的解决方案并做出个人决定（National Academies of Sciences，Engineering，and Medicine，2019，p. 9）。基于此，无论是美国的《下一代科学教育标准》（NGSS）、英国最新的《科学课程标准》，还是我国教育部颁布的科学教育课程标准以及物理、化学、生物课程标准中，都将科学方法和对科学本质的理解作为科学教育的核心目标。这种目标转向，除了是教育从知识到能力的转变之外，更重要的是对“什么是科学”这一问题的回答发生了变化。随着科学越来越多地渗入社会与个人生活，科学越来越专门化，参与门槛越来越高，科学哲学家、科学社会学家以及科学政策的制定者开始更多地关注科学过程和实践（science practice），不再将科学仅仅看作是一系列的知识，而是了解世界的方式（a way of knowing the world）。

为什么将科学看作了解世界的方式如此重要?在了解世界时，为什么要选择科学家认识世界的方式，而不是其他类型的认识方式?已有的关于科学教育、科学素养以及公众理解科学的研究，多关注科学知识和态度之间的关系，忽视了在社会行动中理解科学的价值，以及面向个体未来的社会行动的科学教育目标。新近大量的科学哲学与认知科学领域的实证研究表明，对科学知识的接受并不等于理解并能依据科学知识做出判断和决策。非科学家或者门外汉对科学的理解，受到诸多因素的影响。美国大型民意公司的调查显示，美国公众对进化论的接受程度较低，而且只有不到一半的公众认为人类活动会引起气候变化。作为在经济和教育领域具有领先优势的美国，在公众对进化论和气候变化的接受方面，却一直面临着巨大挑战。在与医学、环境、转基因等相关的议题中，研究也发现公众的科学知识与意图、社会行动之间的关系非常弱（National Academies of Sciences，Engineering，and Medicine，2016，p.97）。可见，有知识并不意味着面对现实情境能够做出正确的判断与决策，科学知识的多少与行为决策之间的关系非常复杂。

影响个体社会行为的因素，不仅仅是科学知识和态度，还有许多其他指标。比如，进化论已经成为科学共同体的共识，为什么美国公众会拒斥进化论呢?影响进化论接受的因素中，有文化学习和宗教、动机等，在这些选择和判断的背后，最根本的是社会认知机制，其中包括对进化论的理解、对科学本质的理解、思维方式、身份保护性认知（identity-protective cognition）以及认识论标准的选择（Metz et al.，2018）。具有批判性思维的人，相比直觉性思维的人，更容易接受进化论（Gervais，2015）。而且，对科学的本质越理解，越容易接受进化论（Lombrozo et al.，2008）。在认识论标准的选择中，越倾向于将经验证据和科学共识作为认识论标准的人，越容易接受进化论。成人和儿童都天生具有拒绝与常识和直觉相悖的科学信息和科学观念的特质，尤其是在物理学领域与常识相悖的科学信息和观念，更容易受到拒斥。儿童时期形成的对科学信息的假定和偏见会持续到成年时期，导致当他们后来再从其他人那里学习和获取信息时，会对科学信息的信任变得非常敏感，并在社会化的过程中被放大（Bloom ， Weisberg，2007）。这些研究均凸显了基于证据做出个人决策的重要性。特别是在知识和信息获取方式便利而且多样化的今天，什么信息可以用来作为证据?面对争论时应该相信谁?比如个体能够通过网络获取健康信息，但是需要有能力来决定哪些信息是值得信任的，以及如何通过有效的方式来获得合适的信息（National Academies of Sciences，Engineering，and Medicine，2016，p. 102）。不仅如此，学生作为未来的决策者，不同的个体在不同时期需要完成不同的目标，当他们进入特定的社会系统之中时，还需要有不同的科学能力，甚至是更加高的科学素养水平。

事实上，美国在1960 年代的科学教育改革中，就发生了两个重要的变化。其一，科学教育太重要了，所以科学教育不能仅仅是教育者的任务，还需要全社会的共同努力，重塑科学的形象，增进公众对科学的理解。其二，科学进展的速度太快，因而科学教育的目标应该将科学看作了解世界的方式，而不是掌握大量的科学事实。而促进美国科学教育导向转变的，是科学家们意识到，澄清公众对科学的误解、促进公众理解科学的本质的重要性，而且这种重要性不仅关系到公众的世界观、公众对科学与技术之间关系的理解以及对基于科学的技术所持有的态度，还关系着杜威式的将科学思维扩展到人类事务的方方面面的科学教育理想的实现（Rudolph，2002，pp. 193—194）。科学家和知识精英对科学是怎样的理解，会渗入到科学教育的目标乃至具体内容之中。比如民国时期中国科学家对进化论特别是进化论是否以及如何发挥社会功能的理解，就在当时的生物学教材中得到了体现，科学家包括职业的生物学家在对进化思想进行阐释时，融入了他们的社会诉求（朱晶，2019）。无论如何，科学家和科学教育者所提倡的对科学的理解，始终不局限于科学知识，还会面向科学和技术的不断发展所带来的新的经济、社会、个体与文化理性等问题。需要提及的是，当我们对科学教育在国际和国内发生的变化进行考察时，不能仅仅关注课程标准和教材的发展和使用状况，还应该注意到发生这些变化的根本原因，是对科学的本质，对科学与公众、科学与社会之间关系的新的理解所带来的转变。

在新媒体环境中，曾经作为科学信息守门人的科学刊物与主流出版物，开始受到新媒体的冲击，科学外行关于科学的海量言论，成为考量影响公众理解科学、公众对科学持有的态度的重要新因素。而且，对公众的科学知识与态度之间关系的新近分析表明，公众的科学知识与他们对待转基因食品的态度之间几乎没有任何相关性，但是理解科学的本质、科学证据的作用等却能够帮助公众在基因技术相关的科学争议中表现出理性的态度和行为（National Academies of Sciences，Engineering，and Medicine，2016，p. 98）。也就是说，今天的科学与公众之间的关系，越来越趋向个体的现实生活，科学教育所培育的理性个体不仅仅需要有理性的思考，还需要有做出理性决策的能力。这就涉及个体的认识论问题，个体不仅仅需要理解科学研究中的方法、有批判性思维，还需要利用这种认识论来处理社会事务。

由此，科学研究自身的发展以及科学发展所带来的社会情境的变化，使我们对“什么是科学”的理解发生了变化，从而带来了科学教育目标的转变。在当下社会，将科学看作知识和探究过程固然很重要，但是将科学作为了解世界的一种方式，这种教育目标可以促进未来的个体理解周围的世界，科学研究中的技巧和思维方式可以被用来做出合理的个人决定，从而让个体能够负责任地参与社会生活，维护环境，保持健康，过上更好的生活。正因为此，科学教育的目标，并不是让每个人都一定要对特定的生物学、化学或者物理学知识的增加做出贡献，而应该促进学生理解科学家的工作，理解科学家得出具体科学知识的方式。亦即，理解科学的本质，而不仅仅是科学知识本身，不是因为科学转化为技术所带来的人类社会的巨大变革等科学所具有的社会功能，其重要性是出于受教育者认识论上的需要，这种认识论能够扩展到受教育者的日常生活以及未来生活之中。

二、科学教育中认知劳力的分配：培育科学外行的理解能力

既然科学教育的目标是个体能够对与科学相关的社会议题做出合理的决策，那么，在促进学生对科学的理解时，应该关注何种能力?科学知识是否依然重要?科学知识和理解科学之间的关系是什么?

已有的科学传播或者科学教育中，常常使用和讨论的模型是缺省模型（deficit model），这种模型将科学视作一种方法、知识或态度，是发生在社会之外的，认为科学与社会之间存在着断层，科学过程被定义为产生新知识的方法，科学提供给社会未知信息。因而，被传播者或受教育者是知识缺省的、有待教育的，从上至下地将科学知识传授给个体，可以提高个体对科学的态度，理解科学与现代社会发展的关系。缺省模型过于简单地刻画了科学与社会之间的关系，强调知识，因而受到诸多批评。随之兴起的是知识的共生产模型（knowledge co-production model）。共生产模型将科学看作探究过程而不是产品，将受众视作专家，鼓励受众参与科学过程，让他们自己探究，与科学对话，从而理解科学（Suldovsky，2016），即从关注科学素养转向强调科学在社会中的作用（Bauer，2009）。

更重要的是，无论是缺省模型还是知识的共生产模型，都存在缺陷，特别是在当下的科学教育或者科学传播过程中，当我们一味批评缺省模型将受教育者或者公众当作简单的“接受者”、批评从上至下的线性传播忽视了对主体的动机和能力的考虑时，当我们倡导受教育者或者公众的参与或者对话时，强调从对缺省模型的批判转向知识的共生产模型时，却容易滑向另外一端，即过于强调学生或者公众的参与和探索，较少注意到知识的共生产模型中存在的重要问题：对科学活动中认知劳力（cognitive labor）的分配的忽视。与科学家不同，社会中的个体或者群体需要科学或者需要接受科学教育，是出于认识论的需要，他们与科学家在对科学的需求以及认识科学上，存在着认知劳力上的区别。科学内行和外行有不同的认识论关注点，有不同的认识论标准，而且在做出判断时，会依赖不同的证据。科学家作为其专业领域的专家，之所以与门外汉不同，是因为他们的知识与技巧的水平，他们所拥有的专长（Collins ， Evans，2002），由此形成了他们与门外汉在认识论上的不对称（Gundersen，2018）。这就意味着，在认知劳力的分配中，普通人必须理解的科学，不是作为专家的科学家对于他们专长领域的知识的子集。门外汉和内行的区别在于，他们面对同样的问题时，会使用不同的推理规则，形成推理时所使用的证据和标准不同。门外汉认为自己可靠证据的来源，是基于信念，而且门外汉最佳的认识论策略，不是他们相信什么论断，而是他们相信谁。新近的社会认识论的研究表明，这种信任不是盲目的，普通人常常有足够的证据来评价专家是否可靠，并在这个意义上依赖这些证据，且与信任不相冲突。因为有认知劳力上的分配，普通人最好的认识论策略就是根据证据相信专家，在这种情况下，专家观点中达成一致或者不一致的特定类型和方式，就形成了普通人可靠证据的主要来源。

门外汉为什么要相信专家?这是因为科学具有认识论上的权威，或者是一种可靠的来源，个体能够依赖他的努力来获得这种认识论上的能力。科学作为认识论权威，是由科学家对新的科学知识获取方式以及科学共同体的规范带来的知识的客观性来保证的。科学知识的客观性，可以分为三类：方法和过程的透明与公开，研究过程和科学共同体同行评议过程中的可重复性，以及科学共同体有效的批判。当不同的方法产生趋同，不同的研究者达成一致意见时，科学共同体有组织的怀疑和批评允许不同研究者可以质疑其他人的方法和假定，同时可以在这种批评中通过交互作用来区分认识论上的趋同和一致。这三个标准之间的相互作用，赋予了科学家和科学共同体在科学问题上的权威性。

由此，将科学视作认识论上的权威并没有错，但是在科学教育中，如果假定我们正在为学生提供科学的权威地位，这是不对的。科学教育的目的，不是教条式地假定科学在认识论上的权威地位，而是建立和维护科学的认识论权威，并且利用这种权威传递信息，促进态度和改变行为。在这种框架下，缺省模型并不合理，特别是当科学教育的对象并不认为科学具有认识论上的权威时。缺省模型对于建立科学的认识论权威而言，并不是一种充分的手段，和其他信念一样，认识论权威的分配涉及信念和动机等因素的共同影响。比如在欧美国家已经取得成功的反疫苗运动中，尽管医学专家反复努力告诉公众，疫苗是安全和必要的，提供给反对疫苗的公众大量科学信息，结果反对者并没有改变观点，因为他们质疑科学的认识论权威，而且更容易被非科学的知识或言论说服，缺省模型在这里并不奏效。同样，正因为门外汉和专家在认知劳力上的区别，科学教育的目标不是要让每个人都成为科学家，也不需要每个学生在未来都对新知识的增长做出贡献，因此，科学教育或者传播中的知识共生产模式也存在问题。

可能有人会提出，如果科学外行不参与科学，而是通过相信科学家的权威而获得有关的科学事实和理论，那么，外行何以获得并提高理解科学这一种核心能力呢?外行通过相信科学在认识论上的权威，通过相信科学专家而获得的知识，虽然不能确保完全理解，但是常常会有助于外行来理解科学。我们很难想象，如果外行都不相信至少有些事情需要依靠其他人的权威的话，如何能够让外行来理解科学并获得知识呢?如果外行能够理解现有的专家形成的一致意见等特定信息，并且知道如何获取它们，意识到科学共同体达成的一致意见的重要性，这种理解就是门外汉能够理解科学的核心能力。

需要指出的是，提高科学知识水平在促进对科学的理解中并非不重要，研究影响进化论接受因素的新发现表明，拥有更多关于进化论知识的受众，更容易接受进化论（Weisberg et al.，2018）。但是，仅仅提高科学知识水平，而不理解科学的本质、现代科学方法以及科学知识产生的过程，对提高学生理解科学的能力不可能有很大作用。而且，如果不认识到门外汉和科学家在认知劳力上的分配，仅仅提高其科学知识的水平，并不能将门外汉变成科学家，反而可能会使门外汉面对科学议题时，更倾向于基于自己所知道的知识，而不是基于科学家的权威与证据来做出判断（Kere，2018）。

正因为此，从认知劳力分配的视角来看，科学教育的任务，除了科学知识，还需要建立和维护科学的认识论权威。学生还需要理解科学过程和实践，熟悉科学家如何工作，能够衡量和评价科学产品，能够对科学价值做出判定。也就是说，对科学的理解，除了将科学看作是一种知识，还需要将科学理解为一种社会过程，以及在认识论上能够识别和判断科学专家，形成像科学家一样的思维习惯。在理解科学家的科学实践、获得科学知识、形成判断的方式的基础上，建立和维护科学的认识论权威，培育科学外行的科学理解能力。这种科学教育的目标，与科学教育重要性的认识论基础是一致的。

三、呈现真实的而非理想化的科学实践

既然从认识论的视角来看，理解科学的本质，建立对科学的信念如此重要，科学哲学除了帮助科学教育在认识论上阐明这种目标的重要性之外，在实际的科学教育实践中，科学哲学能够做什么?比如，如何将计算思维、数据概念、模型模拟等思维方式和方法引入课堂?如何帮助学生解释遗传与进化?如何解释天文学家通过数据来建构可视化的地球?

虽然理解科学的本质是目前全球大学学前科学教育的主要目标，美国一直将它作为国家科学教育改革中持续关注的焦点，《下一代科学教育标准》中列出了诸如构建科学解释、发展和使用模型、获得评价与交流信息等8 项必要内容。而实际上，学生有非常粗浅的对科学本质的理解，很多教师没有能力在科学课堂中强调科学的本质，很多学生和教师持有不受欢迎的关于科学的本质的观点。而且，即使是有经验的教师，有意愿且有意识地去教授科学的本质，也不能成功地将科学的本质融入到教学之中，因为他们不知道如何获得帮助（Summers ， Abd-EI-Khalick，2019）。我国科学教育的课程标准，对“科学能力”包含的维度和内容，以及科学能力与其他学科相关能力之间的关系，并没有进行清晰阐述（潘士美等，2018），而且中国文化和传统思维还影响着科学教师对科学的本质的理解（Wan et al.，2018）。造成这种状况的原因有很多，其中的关键环节是，如何将科学哲学中丰富的关于科学的本质的研究理论，转化为具有指导性的教学资源，精确地将科学的本质与教学情境联系起来。正是这些指导资源的缺乏，限制了教师讲授科学的本质的能力。

科学哲学应该在科学教育中发挥重要作用，因为科学哲学研究要解决的正是科学家和科学共同体在科学问题上为何具有权威性这一问题。从科学哲学的理论关注点来看，它可以帮助科学教育提高有能力的科学门外汉理解科学。科学教育研究者虽然对教师如何讲授科学的本质有诸多讨论，但是并没有太多关注科学哲学家对科学解释、科学研究中使用的概念和模型、科学推理等基本问题的讨论。特别是，科学教育的重要目标是建立和维护科学的认识论权威，并且利用这种权威传递信息，改变态度和行为，让学生在未来能够做出合理的个人决定，对与社会和生活密切相关的科学议题做出判断。那么，科学教育中讲授的科学的本质，应该面向科学研究的真实情境，呈现实践中的非理想化的科学研究图景和方法，促进学生和公众对真实情境中科学实践的理解，并能进行概念迁移。例如，在已有的关于人类活动是否引起气候变化的争论中，争论双方都将波普尔的证伪主义作为划界标准，但是争论双方对科学的了解，都是理想的、陈旧的或者简化的科学方法及模型（Mercer，2018），对现实情境中的科学研究以及科学方法的复杂性缺乏了解。当研究者要求学生通过调查判断科学家对政治上有争议的科学问题的意见的一致程度，并且让学生报告他们的发现时，结果显示，学生更倾向于使用奇闻逸事而非科学家的研究来作为证据（Kere，2018）。可见学生面对现实情境，缺乏获取可靠来源信息的方法和途径，缺乏根据证据来判断科学家行为一致性程度的经验。不仅如此，在对美国学生关于科学家的看法长达60 年的研究发现，学生对于现实情境中的“科学家在做什么，科学能够给他们带来什么”并没有清晰的观点，依然认为科学家的形象是“年长的白人男性在实验室中做着危险的实验”，认为科学研究和他们没有关系，或者认为学习科学很难，仅仅适合于男生或者聪明的学生（Beilock et al.，2010）。

实际上，科学哲学在1970 年代末就开始了实践转向，更加关注动态的、现实的科学实践，并且发展出了多样化、精细的理论（Soler et al.，2014，p. 3）。因此，科学教育中除了传统的科学的本质所涵盖的内容，比如科学研究的目的是探索自然和物质世界，科学研究是好奇、探究、询问、搜集和分析数据的过程等系列主题，还应涉及科学哲学对科学实践进行研究呈现科学家在获得可靠的科学知识时，所面临的复杂的现实情境，重塑科学的真实形象。比如，科学研究涉及实证、否证等多种方法，科学家在具体的研究中不会使用固定的、单一的方法；科学理论具有可伪性和暂时性，并不意味着科学知识不具有客观性；科学理论的检验需要依赖更加精细的次级理论和假说，而非直接证据；科学家在科学实践中除了利用已有的理论知识，同样会学习和形成相应的实践知识和技巧，比如操作模型、改造和使用仪器、对统计分析进行解释，依靠这些熟练的技巧，科学家能够取得他们的认识论目标。

如何在科学教育中呈现真实的科学实践，重建真实的科学研究和科学家的形象呢?科学哲学家对科学史中科学发现所获得的严肃的研究结果，可以为实现这一目标提供可行的、贴近学生理解能力与认知特点的有效案例。今天认知科学领域对教学模式的研究亦表明，虽然在对概念（包括科学概念）的表征上，人类使用了各种不同的标准，但是人类在对自然概念和人工概念的表征上，都会使用典型的案例来进行表述、刻画特征以及做出区分，而且对比性的案例往往能够起到更好的效果。科学史上的科学研究相比今天的科学实践，对科学原理和科学现象的解释所需要的知识水平，与受科学教育的学生的知识水平和思维方式比较贴近。这些案例，可以促进学生对科学研究中方法的理解，进而迁移到理解今天的科学实践。比如，在目前中学教学中关于加速度定律的讲述，可以将伽利略的斜面实验作为案例，呈现科学研究中的理想模型，通过斜面实验进一步说明理想化和建立模型是科学研究中常用的方法。在此基础上，拓展到今天的天文学家是如何利用数据、建立模型，从而模拟和建构可视化的地球。又如，在对遗传学的讲授中，通过呈现孟德尔发现遗传学定律的实践，以及孟德尔定律在提出35 年之后又被其他科学家再发展并获得认可，不仅可以帮助学生理解遗传学的理论变化过程和术语的发展，还可以呈现科学家在对遗传现象的解释上是如何达成共识的。科学史中的重要发现与典型案例，往往伴随着科学争论与共识的形成，新的经验证据、仪器、概念等在不同观点的争论中常常发挥着判决性的作用。通过对比呈现不同的观点和论据，可以让学生理解科学家就某个科学理论或概念达成共识，需要科学共同体检验实验数据的有效性与可靠性，以及现象与所获得的数据的一致性与普遍性，而且还需要科学家解释实验数据和现象背后的机制。也就是说，孟德尔虽然通过豌豆实验获得的数据发现了经验定律，但是科学共同体对经验定律背后的机制解释并没有达成一致。虽然陆续有许多理论和假说被其他科学家提出来解释孟德尔的结果，但是往往只能够解释某一类经验现象。

值得注意的是，国内外目前的科学教材中虽然融入了不少科学史上的案例，但目的往往是让学生知晓科学史上的故事，而忽视了科学史上的科学发现的技术细节。职业的科学哲学家与科学史家对科学发现的研究，可以作为很好的案例来呈现科学家获得科学知识的过程、方法与情境。在科学思想和科学方法的演变、竞争与更替中，科学家使用的基于证据的推理和论证等方式，可以迁移到当下社会对科学相关议题的争论之中，培养学生导向社会行动与决策的思维方式。

此外，让学生参与科学探究，促进理解科学实践中科学家所需要使用的技能，而不仅仅将探究的目的设置为验证某项科学定律或者原理，将目标从理解科学的本质过渡到理解科学实践的本质。虽然科学探究在科学教育中已不是新名词，但是如何在科学探究中融入关于科学的本质的理解，却缺乏相应的指导资源。如果科学教师对科学的本质有完整理解，他们会更好地将学生置于理解科学的本质的教学情境之中，创造良好的学习环境。不仅如此，如果忽视了科学发现的具体情境，探究性学习或者实验最后容易变成验证性学习或实验。比如目前物理学教学中使用光电门对牛顿第二定律的探究实验，一旦忽略伽利略和牛顿进行科学研究的情境的设置和呈现，该实验就变成了验证性而非探究性实验。实验在伽利略的科学发现中所起到的作用，绝不是像广为流传的比萨斜塔落球实验那么简单，而且伽利略的斜面实验（非比萨斜塔实验）不是为了验证他的观点，而是为了说明他推导出运动原理的过程和原则。伽利略在研究中所使用的建立理想化模型的方法，同时代的研究者所持有的对力和物体运动之间关系认识的亚里士多德传统（下落物体的速度与其重量成正比），伽利略之前的莫顿学派（Mertonians）与计算学派（Calculators）已经提出的抽象的运动学规则，等等，这些科学发现的知识背景与实验方法、过程，才是通过探究来理解科学发现的关键环节。

再以今天的科学实践广泛使用的模型为例，技能的传递也是科学教育的重要部分。实验室教学的目标指向，就是特定学科的技能，比如化学中的实验技能，或者一般的科学技能，比如数据管理和分析。通过让学生学着建立模型，可以让学生理解模型在科学研究中具有的功能，比如解释、预测、调整理论与经验数据，理解科学家是如何关注特定的问题、依据已有的理论来做出假定，理解科学理论的检验需要依赖更加精细的次级理论和假说，而非直接证据，理解科学家在建立模型的过程中需要新的、有意义的视角，而且模型会表现出对科学理论和数据的独立性，等等（Boesch，2019）。在此基础上，学生才能理解为什么不同的科学家在生态保护、气候变化等方面建立的模型，虽然看起来是多样化的，有时候使用简单模型，有时候使用复杂模型，但并不说明科学家对这类问题的理解存在分歧，而是因为他们针对的具体目标和问题不同。此外，科学哲学对于科学家在科学研究中的技能获得和默会知识做了大量研究，提出了区分科学家和门外汉的“有贡献的专长”（contributory expertise）这一概念，亦即科学哲学和科学史可以为科学教育理解科学发现、科学过程、科学家的技能等提供指导资源。

四、采纳基于科学哲学模型的实用主义进路

上文论述了呈现真实的科学实践的重要性，以及科学哲学可以为科学教育提供理解真实的科学实践中科学的本质的理论资源与案例。但是科学教师并非科学哲学家，而且科学哲学领域对于科学解释、科学争论、科学客观性的获得、科学与非科学的划界、科学专长与技能等提出了多种模型和理论。那么，科学教师在教学中应该如何根据学生背景和认识论需要，选择科学哲学中的何种模型，来促进学生的理解呢?不仅如此，科学哲学家研究的是科学家在科学实践中使用的科学解释和方法等，如何将它们转化为适合学生理解和需要的资源呢?

以科学解释为例，与预测和描述不同，由于构建和评价解释在科学实践中发挥着非常核心和重要的作用，帮助学生理解科学过程，根据证据进行论证并且提供解释，是科学教育的重要部分。科学研究中的解释与日常生活中的解释不同，也与推理、阐述等不同。一方面，已有的科学教育的教材和资源中，除了没有对科学解释和日常生活中的解释做出区分，也常常误解关于解释的哲学模型。另一方面，科学哲学家对科学解释进行了大量研究，为科学教育提供了在很多情况下开展教学实践的背景和启发。关于科学解释的哲学模型，有演绎－律则模型、归纳－统计模型、原因－机制模型、综合描述模型，而且原因－机制模型又可以分为识别原因模型、正面原因模型、负面原因模型、因果控制与操纵模型等。这些模型适合于不同的条件，有不同的标准和要求，而且也存在不同的问题和可能的解决方案。在具体的科学教育中，如何利用这些资源也是一大困难。

另外，科学教育除了缺乏与科学哲学中的解释是什么的相应的教学资源与指导，还在课堂中面临着现实困难。首先，对于科学哲学家而言，一个好的科学解释应该具有预测能力，但是学生在科学探究中进行的预测，并不总是理论预测或者规律推演出来的结果，而且并不总是准确的，或者并不必然是受到证据或者推理所支持的。比如当扔掉小球时，学生预测小球会掉落在地上，但这只是一种预测，而不是一种解释，而且这种预测不能自动地转化为解释。此外，预测与描述不同，预测并不总是基于观察，在很多情况下，预测是基于学生的知识或者科学背景（Alameh ，Abd-EI-Khalick，2018）。其次，虽然科学教科书中含有很多关于自然现象的解释、对实验程序的介绍，但是在对某一个自然现象进行解释时，教科书中必须用一定的篇幅来描述各种被解释项（explanandum），还可能包括对实验步骤和数据的描述，而学生并不熟悉这些描述所包括的物质实体和活动。因而，教科书会花大量篇幅来介绍抽象的或者具体的实体以及科学活动，而不是解释现象本身。例如，为了解释扫描隧道显微镜，科学教师会花大量时间来解释有关扫描隧道显微镜的实体，比如原子、电子以及单个原子、表面电子等。而且研究也发现，在范例解释方面，科学家与学生对范例解释的理解不同（Goddiksen，2015，pp. 105−126）。

更重要的是，科学家要解释科学定律，而中小学科学教育中，学生需要做的是解释遵循定律的特定自然现象或者事件。对特定事件的解释与对规则或者定律的解释不同，在实际的科学教育中，教师会问学生：为什么当光从一种介质进入另一种介质中时，会发生弯曲?而不是问学生：为什么当光从一种介质进入另一种介质中时，会遵循折射定律?类似“为什么事件A 会发生”的问题还有：为什么有些物体会保持运动?为什么物体会落到地面?为什么塑料尺会吸引小纸屑?科学哲学将这种模式的问题称作与待解释项相关的“待解释的事实”（the fact-to-be explained）。

不仅如此，科学教育的实际情境中，学生面对的某类科学事实为什么是如此的明言问题（explicit questions），往往还隐含着一系列对比性问题（contrastive questions）和相似性问题（resemblance questions）。科学家在科学实践中也会处理对比性和相似性问题（Pincock，2018）。科学教育中有大量对比性问题，比如，在小学科学教育中，教师要讲解地球在宇宙中的位置，需要涉及与此相关的科学事实：星图只有晚上才能看到，而白天无法观察到。当教师展示给学生夜晚的星图时，需要解释为什么这些星体夜晚会出现在天空中。实际上，该问题还隐含着一系列对比性问题：为什么夜晚是星体（而不是其他物体）出现在天空中?或者为什么这些星体夜晚出现在天空中（而不是其他地方）?或者为什么这些天空中的星体出现在晚上（而不是白天）?生命科学教育中常常出现相似性问题，比如，孩子为什么会长得像父母?为什么小红和小明都是B 型血?

另外，科学解释的类型在不同学科领域也存在明显差异，因而在具体的科学教育中，还应该帮助学生学习建立、使用和评价不同类型的解释。比如生物学领域的解释就与化学和物理学等物质科学领域的解释存在很大区别。生物学中的目的论解释和功能解释、历史和进化解释等，很少出现在物质科学领域中，分子生物学中则倾向于使用机制解释。比如生物学中将有机体的特性解释为自然选择的产物，就是一种典型的历史解释，而不像物理学领域利用普遍的力学定律来对特定运动进行解释。生物学中还常常从基因和蛋白质的分子水平方面来对器官的功能进行解释（Braillard ， Malaterre，2015，pp.1—28）。科学哲学家伍迪（Andrea I. Woody）对主流的化学教材进行分析后也提出，虽然科学教材中提供了最常见的科学解释策略，但是科学解释在不同学科领域的作用是什么，科学教材中并没有明确说明，科学教育中关于科学解释的经验研究还非常少（Goddiksen，2015，pp. 105—126）。

科学哲学中近几年出现了不少关于解释的情境主义讨论，关注解释在科学实践中的作用，韦伯等（Weber et al.，2013，pp. 39—69）专门对科学实践而非理想化的科学中的解释问题及其模式提供了工具箱，不仅涵盖了几乎所有关于科学解释的哲学模型，而且针对不同类型的问题提供了不同的解释模型和指导。利用这些资源，可以选择不同模式来回答所有上述科学教育中面对的对比性问题、相似性问题。比如针对事实解释性问题，科学教育中可以使用演绎－律则模型，根据已知的定律或者规则来推演和解释现象；针对相似性问题，可以使用综合描述模型，通过一系列的概念、定律和假定来解释尽可能多的事实（Alameh ， Abd-EI-Khalick，2018）。再如，关于科学解释中的因果解释，虽然科学哲学家有不同的争论，对于科学课程而言，可以侧重于关注原因的暂时优先性、原因的时空近似性以及当原因发生时结果的必要性这三方面。

五、科学哲学与科学教育进行建设性对话

对科学的本质的研究，是科学哲学的核心议题，科学哲学在实现科学教育的重要目标上，理应投入更多的关注。科学教育与科学哲学结合，产生可以应用于科学教育的实践框架，在哲学模型和描述的指导之下，形成能够应用于理解科学解释、推理、论证等问题的实用主义框架，从而用于教学。遗憾的是，这些资源的利用和整合，目前已做的工作非常少，还需要科学哲学与科学教育进行建设性对话。

科学教育中如何促进学生对科学的理解，还有许多问题没有解决。虽然科学教育教师意识到科学教育中强调理解科学的本质而并非仅仅传授科学知识的重要性，但是对于什么是科学的本质，并没有达成共识，而且关于科学教育的诸多文件和指导资料中对科学的本质的表述大多是模糊的。即使是有研究者提出了对科学的本质应该达成的共识是：科学的本质就是理解科学事业；在科学教育中应该向学生讲授的是科学文本或者科学史、科学哲学、科学社会学的文本关于科学本质的表述中最没有争议的方面。比如，科学知识是经过经验确证且可靠的，但是仍有可能会发生变化；除了实验探索，科学研究还依赖于想象和创造力；科学家进行观察时，需要以理论为基础；观察和推理有区别；科学能够自我纠错；等等。但是，这种共识又过于狭隘，不仅将科学研究中的认识论原则和方法论标准分隔开来，还忽视了不同学科领域在这两方面存在的差异（Irzik ，Nola，2011）。

从元认知的观点来看，离开了明确的、有指导性的学习，仅仅通过做科学实验，特别是那些传统的科学实验，学生并不能认识到科学的本质。科学课堂中科学教师有指导性地进行引导和对话，才能帮助学生进行反思（National Academies of Sciences，Engineering，and Medicine，2019，pp. 38—39）。比如，对于科学教育中如何培养学生对现象进行科学解释的能力，哲学家对科学解释的研究，给科学教育中的教学实践提供了启发，大家都公认，不同学科领域和问题的解释实践有所不同，哲学家却专门关注它们的相似性与共通点。虽然采纳基于科学哲学模型的实用主义进路分析教育中学生实际面对的科学解释问题，实用性地选择某种解释模型，可以帮助学生理解科学解释等问题，但是科学教育面对的是不同年级、不同知识背景的学生，那么如何有针对性地形成精确的教学指导呢?

为了促进目标的实现，对于科学哲学研究而言，除了关注科学家的科学实践，还应该关注作为学生的科学门外汉，在面对诸如科学与非科学的划界，科学解释、推理和判断等问题时，学生的认知方式和科学家有什么不同，应该重视学生面对科学问题时的认识论资源和标准，思考如何区分可信赖的个体与可信赖的陈述，从而能够有针对性地为科学教育提供资源和建议。科学哲学还应该探讨面向学生的、有学科差异的对科学的本质的理解，比如天文学、物理学、进化生物学、医学等不同学科分别侧重于强调观察、实验、预测、双盲随机实验等方法。而且，虽然所有的科学分支领域都会用到观察或者数据搜集，但是天文学、动物行为学和考古学中所使用的观察方法以及观察所使用的仪器是不一样的。物理学中常常使用数学计算，而植物学中却多使用分类。

科学哲学还应该更加关注科学史上的案例，更加关注科学史中的概念、思想、方法，以及历史上的科学知识是如何产生的，呈现真实的科学实践，并与科学教育进行建设性对话，将哲学理解转化为教学资源，向学生呈现科学家获得科学知识的真实情境。基于科学史上的案例进行的科学教育，不能仅仅停留于故事性的讲述和粗线条的刻画，而应该深入到科学史上科学发现的具体情境，呈现出不同理论或者观点的争论，对比不同的解释和证据，科学家如何为理论或者新观点提出证据支撑，他们为了解决争论所使用的仪器、方法、数据等。这些不仅需要科学哲学与科学史整合视角下的专业研究，还需要结合学生的认知水平实现历史情境向教学情境的转化。此外，科学哲学还应该提供更多的证据来支持理解科学的本质在个人决策中的重要性，进一步澄清理解科学的本质与科学内容之间的关系。

科学教育中的科学教师首先应该对科学的本质有充分的理解，但教师教育中同样缺乏有效、精确的关于如何理解科学的本质的教学指导，较少有科学教师的教育项目需要修习科学哲学相关课程，极少有专门的关于科学方法的课程来促进教师深入地理解科学的本质。目前虽然有科学史与科学哲学的课程，但是常常是为相关专业的本科生以及该领域的研究生而开设，没有专门针对职前科学教师。因此，当我们在科学教育中倡导科学教育的最终目标是促进理解、做出决策时，必须首先关注科学教育的教师本身对科学的本质的理解，提供促进科学教育的职前及在职教师理解科学的指导性资源，这种指导应该是具体而明确的，而不仅仅是列出他们需要教授的条目。这些对科学教师的教学指导和培训，可以是反思性地进行论文撰写、对教学情境的分析，邀请科学社会学家、科学哲学家及科学史家开设讲座进行交流、辩论；也可以从科学哲学中的基本问题出发，综合科学史中的案例研究，比较科学哲学家、科学史家和科学社会学家的不同观点，在这些内容和观点的基础之上来开发科学教育的课程。更为具体的，在对科学教育的教师指导中，还应该通过教学案例来明示科学研究的过程和方法，而非仅仅提供原则性指导。比如NGSS 中关于“脚印化石能够告诉我们什么”的教学指导，建议学生通过观察恐龙脚印化石来解释恐龙的活动，从而帮助学生理解科学研究是经验的，而且是基于理论的，根据恐龙的脚印，不同的科学家可能推理出不同的结论，这些结论都可能是合理的。该案例不仅仅是为了让学生认识到我们可以从古代生物的脚印化石中获得物理特征上以及行为方式上的信息，而且是为了促进学生理解科学的本质之一—观察和推理有区别，但是，由于教学指导中缺乏具体的示例和补充信息，没有明确的指导来说明，由此造成的后果是，科学教师不能通过该案例教学来实现促进学生理解观察和推理有区别这一教学目标（Summers， Abd-EI-Khalick，2019）。这些都凸显了科学哲学研究者对于科学教师进行明确的而非条例性的教学指导的重要性与必要性。