科学本质观与科学教育,李雁冰华东师范大学大学课程与教学研究所yblikcx.ecnu.edu.cn,引言：什么是我们所讲的科学教育,广义狭义,一、从国内外科学教育的发展历程看科学本质问题,我国的分科教育： “钱学森之问”国外的情况：以美国为例,科学作业测试的两个案例,案例1：如图所示，平静的水面上有一座石桥，桥孔看上去是圆形的。当水面上升时，看到桥孔的形状是（）。 A B C D,案例2：左图中，物体S在平面镜前，所成像为S。若镜后AB处放一块不透明的塑料，则像S将会（）。A.不变 B. 变暗C. 只剩一半D. 消失,A s s B,答案：,案例1：经抽样有40728名八年级学生参加了测试，选、C、D选项和未选的分别为15.9%、46.3%、10.7%、27%、0.1%案例2：经抽样有75854名八年级学生参加了测试，选A、B、C、D选项和未选的分别为43.7%、18.6%、4.8%、32.7%和0.2%,二、二十世纪有关科学本质研究的进展,科学哲学方面的演进科学教育方面对科学本质的理解,面向全体美国人的科学一书中论述的科学本质观1. 科学的世界观自然界是可以被认知的；科学理念是会变化的；科学知识的持久性；科学不能为所有问题提供完整答案；2. 科学探究活动科学需要证据；科学是逻辑和想象的融合；科学解释和预见；科学家要努力鉴别，避免偏见；科学不仰仗权威；3. 科学事业科学是一种复杂的社会活动；科学由学科内容组成，由不同机构研究；科学研究中有着普遍接受的道德规范；科学家在参与公共事务时，既是科学家也是公民。,美国国家科学教育标准中的科学本质观 ：科学家通过观察、实验、理论模型和数学模型来构造和检验对自然的解释；在活跃的研究领域，在缺乏大量实验性或观察性证据及了解的领域，科学家们对所研究的证据和理论做出不同的解释是一种正常现象；对科学成果、实验、观察、理论模型和科学家所提出的解释进行评价，是科学探究的一部分。提出问题、对批评做出回答和公开交流是科学过程的一个组成部分,李德曼（N. G. Lederman）教授对科学本质内涵的界定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；科学知识是以经验为基础性的，基于对自然世界的观察；科学知识在一定程度上具有创造性；科学知识的产生具有主观性；科学知识与社会和文化有关；科学理论的建构是从观察到推理的过程；科学理论和定律的功能，以及他们之间的关系,McComas、Clough 及 Almazroa（1998）依据 McComas 与 Olson（1998）针对八个国际科学教育标准中关于科学本质部分所分析、统整出的三十项交错、重迭性的观点，再予以整合而成十四项具高度重迭性的科学本质观点，以提供给 K-12 年级的学生，期能对其在科学的认识与科学学习上有所帮助。 1科学知识尽管具有经久性，但仍然具有暂时性的特征；2科学知识的形成非常地（但不是全然地）依赖观察、实验证据、合理的论证以及怀疑的态度；3从事科学研究时，并不存在放诸四海皆准而必须步步遵循的科学方法；4科学企图解释自然现象；5定理和理论在科学活动中扮演不同的角色，因此，即使不断有新增加的证据支持，理论仍然是不会变成定理的；,6各文化层面的人都对科学有所贡献；7新的知识必须被清楚且公开地陈述；8科学家必须作正确的纪录，以及接受同行的评论和重新实验的考验；9观察的进行是由观察者心中的理论所指引的；10科学家常在研究过程中融入想象力与创造力，以发展出解释自然现象如何运作的新理论；11科学史显示出科学的发展兼具演化性与革命性的特征；12科学是社会与文化的一部分；13科学与技术彼此互相影响；14科学知识受其社会与历史环境的影响。,达成共识的科学本质观点 :1科学知识以经验为基础的本质科学至少是部分地建立在对自然世界的观察之上，科学主张的有效性“迟早”被相关的现象观察所确定。然而，科学家对于大多数自然现象没有直接的通道。对自然的观察总是通过我们的感觉器官和复杂的仪器过滤，在详尽阐述的理论框架下进行解释，几乎总是以支持科学仪器的功能的一些假设为中介。2科学中的观察、推论和理论本质学生应该能够区别观察和推理。观察是关于直接通向感官或感官的扩展的自然现象描述性的陈述。对于这点，观察者相对比较容易达成一致。例如，抛出的物体倾向于落到地面。相比之下，推论是关于非直接通向感官的现象的陈述。例如，物体因为引力倾向于落到地面。理解观察和推论之间的根本区别是弄懂隐藏在科学世界的许多推论和理论及术语的前提。,3科学理论和规律的功用及其之间的关系科学理论是被建立的比较满意的，高度证明的，内部一致的解释系统。理论是用于解释大量似乎不相关的多种情况下的观察。例如，分子运动论是用于解释与物质物理状态、化学反应速率相关的现象和与热及其传递相关的其它现象。更重要的是，理论在提出研究问题和指导未来的研究中起着重要的作用。科学理论不能被直接验证。只有间接的证据能被用于支持理论和确立它的有效性。科学家从理论推出具体的可验证的预测，并用确实的证据检验他们。在预测和经验证据之间的一致性用于增加被检验理论的可信水平。与观察和推理之间差别紧密相关的是科学理论和科学规律之间的差别。一般来说，规律是对观察现象间的关系的描述性陈述。波义耳定律(在常温下气体的压强与它的体积有关)，是一个恰当的例子。相反，理论是对观察现象或这些现象中的规律提出的假设。例如，用分子运动论解释波义耳定律。理论和规律是不同种类的知识，一种不会成为另一种。理论与规律一样都是合理的科学产物。,4科学知识的创造性和想象性本质科学是以经验为基础的，科学知识的发展包括对自然的观察。然而，科学知识的产生也包括人类的想象和创造。相对于人类的一般信念而言，科学不是一种死板的、完全靠推理的、完全有规则的活动，科学包括解释和理论的发明，需要科学家大量的创造性。例如从原子光谱到具有轨道和能级的玻尔原子模型的跳跃就体现了创造性和想象性。科学的创造性和想象性以及它的推理本质使得人们对于原子和物种等认识成为功能性理论模型，而不是真实的实在的复制。,5科学知识的负载理论本质科学知识是负载理论的。科学家的学术信奉、信念、己有知识、训练、经验和期望实际上影响着他们的工作。所有这些背景因素形成了影响科学家研究问题、怎样进行研究、他们观察什么或不观察什么，怎样解释他们的观察的思维方式。这种个人特征(有时也有群体特征)或思维方式解释了理论在科学知识生产中的作用。与一般的信念相反，科学从未开始于中性的观察。观察和研究总是被一定的理论观点所激发和引导，并获得关于问题的意义，这些问题产生于一定的理论观点。,6科学知识的暂定性本质科学知识虽然是可靠的、经得起检验的，但决不是绝对的和一成不变的。这种知识(包括事实、理论和规律)是易于变化的。随着思维和技术的发展，新的证据会影响到科学主张。按照新的理论对己存在的证据进行重新解释会影响到科学主张。科学主张也将随文化和社会方面的变化，或己确立的研究项目方向的变化而变化。科学中的暂定性不是仅仅因为科学知识是推理的、创造性的和植根于文化和社会的，有逻辑论据对信任暂定性观点提供支持。与一般的信念相反，科学假设、理论和规律决不是不考虑支持性经验证据的数量而被绝对证明的。要证明一个规律，该规律应该说明所描述现象的每一个例子。从逻辑的角度来说，一个未来的我们没有任何了解的例子可能以规律陈述相反的方式表现其行为。因此，规律决不是获得一种绝对的被证明的地位。这同样适应于理论。,7科学知识植根于社会和文化背景之中作为人类事业的科学是在一个大的文化背景中实践的，科学的实践者是相应文化的产物。科学影响着文化的方方面面，同时也受着科学所植根的文化的方方面面的影响。这些因素包括社会结构、权力结构、政治、社会经济因素、哲学和宗教等。,三、科学本质的教学,显性：隐性：,（在收集氧氣的課室教學活動中，當學生將雙氧水加入紅蘿蔔後，陳老師先維持常規、學生暫停並坐下，然後開始討論操作的結果）師：你現在摸一摸放紅蘿蔔那個錐形瓶，溫溫燙燙的對不對（停、學生試摸），有沒有？（停頓）生：沒有啊師：沒有嗎（走下來摸），有啦，有一點溫啦，沒有那麼溫啦，你們那個已經冷掉了，好，我們也可以發現喔，這是額外的發現，它會同時放出熱量，這是化學反應常見的一種現象生：冰冰的師：冰冰的？你要不要摸摸看那個（指著別組），你那個可能已經冷掉了懂不懂，有一些組他們剛剛做的時候有摸摸看、熱的；來，給他們摸摸看（學生去摸），有沒有？,在介紹氧氣的製造法時，陳老師先介紹二氧化錳（板書）的特性後，然後開始在講桌前示範雙氧水加二氧化錳的實驗，此時，學生圍上前去看實驗的反應結果再一一回座，陳老師維持常規，請學生安靜並坐下，然後開始講述實驗的結果）師：所以，不是只有豬肝與水果可以當催化劑，化學藥品也可以當催化劑翻開課本第20頁，開始說明並示範實驗過程與注意事項，其間：師：你不注意聽我說，等一下做錯，我器材只有一份喔/師：你哪一組表現不好，不注意聽，老師都記在腦子裡，扣分/（繼續說明）,（示範實驗：將雙氧水加二氧化錳以收集氧氣）生：沒有氣體啊師：我只有放一些啦，氣體不太夠（收集到氣體後用點燃的線香放入）師：這我不知道會不會燒起來喔，因為收集到的氧氣沒有很多（線香插入，將錐形瓶舉高給學生看）生：沒有啊（示範失敗，線香沒有明顯反應。此時學生紛紛站起來看老師手上的錐形瓶）師：沒有、沒有，等一下等一下，老師把它弄多一點喔，坐下來，坐下（再一次示範，這一次用的二氧化錳比較多）（線香放入後變亮，不過沒有燒起來）,於槓桿原理的單元，師生在操作自製的槓桿活動，師生討論改善實驗誤差的方法，有位學生提出要有幫手，卻引引來另一位學生的質疑。17. 生C：可是多人會礙手礙腳阿，人多手雜阿. （合理回答）（學生質疑教師）18. 師：喔，多人會礙手礙腳，那你可以選擇不會礙手礙腳的人來做實驗阿（笑）。（重述）（教師質疑學生）19. 生A：還要有運氣。（闡述）（創新回答表達理解）20. 生C：對阿，一些是好狗運（笑）。（ 簡單回答表達理解）21. 師：對耶，運氣其實也很重要，像哈雷慧星有沒有，你要去觀察它.（溯源解釋）（連結科學本質限制性）,22. 生D：67年才來一次。（簡單回答）（表達理解）23. 生A：是嗎？是76年吧. （提出問題）（學生相互質疑）24. 生（大部分）：對對！ （簡單回答）（表達理解）25. 師：阿，如果你剛好它走後那一年你才出生，下一次還沒來就掛了，就沒有機會去觀察了阿，所以從事科學活動還是要運氣的，不錯。（溯源解釋連結科學本質限制性）26. 生C：老師，那我問你，那好狗運呢？ （主動提問）27. 師：好狗運喔！很多科學家在想出來一個解答的時候都是恰巧好狗運喔！像那個阿基米得，有聽過阿基米得的故事的人舉手？（溯源解釋）（延續提問）（連結科學本質創造性）,