科学的本质

   科学,英文表达为science,是自然科学(natural science)的简称。在漫长的人类探索自然的历史中,由于日常生活及社会发展的需要,人类研究并创立了许多关于物质、生命、地球与宇宙相互关联的思想。这些思想代代相传,并不断地被后人修改深化,使我们愈加全面可靠地了解人类自身及其生存的环境。
    科学教育的发展是与科学、技术及社会生产力的提高紧密相连的。当今人类社会正在步入一个以对知识、智力资源的广泛使用为标志的所谓知识经济时代,这个时代不仅需要特殊的中、高级科技和管理人才。而且将需要所有新一代普通公民也具有一定的科学素养。为此,科学教育的研究与改革已成为世界各国教育改革的热点之一。因为这一领域将直接影响社会的发展和国力竞争的成败。为了帮助广大读者更好地理解科学与科学教育的关系,本书将首先对科学的本质、科学素养及科学教育的目标作一简略的论述。
第一节科学的本质
    提起科学,人们自然会想到科学概念、科学定律及科学理论。多数人视科学为关于自然现象的有条理的、系统化的知识体系,或者说是对于表达自然现象的各种概念之间关系的理性研究。事实上,知识本身并不等于科学的全部。目前科学教育界较流行的观念是所谓的“三位一体”说,即完整的“科学”定义应包括三个重要组成部分:科学态度、科学探究的过程及方法、科学探究的成果(科学知识体系)。至于什么是“科学的本质”,科学哲学家、科学历史学家及科学教育工作者各抒己见。至今尚无统一的定义。然而那些分歧就中小学科学教育而言,并非至关重要。根据美国著名科学教育专家莱德曼(Lederman)的调查报告,至少在以下几个方面,各界学者对科学的本质已达成广泛共识:(1)科学思想是不断发展变化的;(2)科学需要证据;(3)科学带有主观性,因而科学家应努力识别并避免偏见;(4)科学是逻辑推理及人类想像和创造力的结合;(5)科学的发展受社会及文化因素的影响。
一、科学思想的相对性和历史性
    科学是一个不断探究、生产知识的过程。科学知识的相对性有两方面的古义:一方面,由于新的观察常常对主流理论提出挑战,知识的发展变化是必然的;同时,已有的观察数据,也可能会被新的理论更恰当更合理地解释。
    科学理论的作用在于总结和描述客观事件的内在联系,解释客观现象,并对未来事件作出科学预测。鉴定一个理论的优劣,主要看它是否精确地反映了客观世界,是否简单明了且易于理解,是否有效地帮助预测未来事件.是否自洽并可最终被客观事实所检验。科学家们假定,纵然无法保证绝对真理的获得.但存在日益精确的逼近,以解释客观世界的自然万物是如何运作的。
    尽管科学思想是不断发展变化的,然而很多基本的科学知识和规律又是相对稳定的。科学理论的发展具有革命性和继承性。科学理论的革命性在于改变旧理论的基本概念和原理,突破和超越旧理论,新理论不仅可以解释旧理论能够解释的所有现象,而且可以解释旧理论不能解释的现象。科学理论的继承性或者表现为理论概念的延伸,或者表现为把旧理论作为一种特例包含在新理论之中。在科学界,对已有科学理论的修正甚于对其直接的摒弃。例如牛顿的运动定律并没有因为爱因斯坦的相对论的建立而被彻底推翻,而是被描述为在一个更为普遍的概念中有限范围内应用的近似。
二、科学的实践性
    科学不相信权威。没有一个科学家有权判决谁的理论更正确或更接近真理,无论其多么著名或多么受尊敬。科学认为宇宙万物总是以一定的形式或规律运行,因而任何科学研究成果,都应是可重复的并最终接受实践的检验。科学家必须重视收集数据,以便为自己的理论提供证据。这样的证据得自于在天然或人工实验室对特定现象的观察和测量(运用人的感官或借助科学仪器)。科学家进行科学研究的方法是多种多样的。比如:自然条件下的描述性研究,实验室条件下控制变量的研究,相关变量的
研究等。
三、科学的客观性和主观性
    打开有关科学的教科书,常常会看到类似的如下定义或描述:科学是人类对自然界及其客观规律的认识;科学定律反映自然界的事物、现象之问的内在的、必然的、本质的联系;科学定律具有普遍性……学生往往会因此而形成误解,认为科学是绝对客观的。事实上,科学的“偏见”是不可避免的。比如,科学家从问题的提出,到现象观察及实验设计,以及对数据的解释.常常是在现有科学理论的指导和影响下进行的。同时,科学家个人的知识背景、国籍、性别、信念和经历等也可能会影响他们进行科学观察或实验的方式及结论。例如,多年来有关灵长类的研究中男性科学家往往注重男性的竞争性和社会行为,而不久前参与此领域的女性科学家则认为女性灵长类建立公社的行为更重要。
    科学的客观性是与科学的实践性紧密相连的。基于同样的科学数据,科学家可能会得出完全不同的结论.但任何科学结论最终要接受实践的检验。尽管科学的观察及实验不可能达到绝对的客观,但是科学家仍需要分析偏见可能的来源并采取措施努力减少可能避免的偏见及其影响。例如,防止未发现的偏见的措施之一就是在某个研究领域里同时有多个不同的研究者或研究小组进行工作。
四、科学的创造性与理智性
    毋庸置疑,科学研究是一项富有创造性的工作。然而,对科学家在科研中哪些具体阶段需要运用他们的丰富想像力和创造力的问题的回答,却众口不一。有人认为科学家只在提出科学假设或设计科学实验阶段需要运用他们的想像力和创造力;很少有人想到从问题的提出,到数据收集及数据分析,乃至如何解释数据得出结论,科学的创造性的影响贯穿科学研究的始终。
    除r前面讲过的科学的实践性,科学也是逻辑推理和想像力的混台体。科学的概念不能自动地从数据中产生。科学家想像客观世界如何运作并设法为其假说或理论寻求证据,就如同诗人写诗,音乐家作曲一样,都是一种充满创造性的劳动。虽然任何想像力和创造力都可以用于提出科学假说或理论,但是科学的结论必须符合逻辑推理的原则,最终必须接受实践的检验。
五、科学与社会文化的关系
    科学的产生是由于社会实践的需要。作为一种社会活动,科学不可避免地反映社会的价值观和世界观。同时,社会文化的价值取向也直接影响科学研究经费的分配、科学研究的方向及方法的选择,甚至决定对科学解释或结论的取舍.历史上“日心说”及“地心说”的长期斗争便是典型的一例。
    无论在对待社会问题还是科学研究方面,科学家与其他人一样.个人偏见难以避免。那种完全独立于个人与社会偏见之外的完全客观的“纯”科学是不存在的。
六、教学活动举例——科学的本质
    如何在科学教学中提高学生对科学的本质的理解?一般有两种途径:一方面是将科学的本质贯穿于科学内容的教学之中,如在学习分子、原子模型时,教师应注重对“证据”的展示以及推论的讨论,而不应将分子或原子理论当成“事实”来讲解;另一方面,也可以针对学生的特点。设计一些特殊活动以澄清学生中普遍存在的有关对科学的本质的误解(如课堂实例1—1和l—2)。
    【课堂实倒1—1】  神秘的足印
    目的:
    1.帮助学生认识观察与推理的区剐。
    2.帮助学生认识到相同的观察数据可能导致多种合理的推断。
    材料:
    投影片(图l—1,图1—2,图1—3)
    步骤:
    1.教师将投影片(图1—1)置于投影仪上,然后问学生:“你观察到了什么?”学生可能会回答:“鸟(或其他动物)的足印”或“两只鸟(或其他动物)互相走近留下的足印”等。接受所有的答案并在黑板上列出。


(图)

    2.继续“鸟的足印”的故事,教师问学生:“你能看见鸟吗?”或“你怎么知道这是鸟留下的足印?”因为无人能在此时观察到鸟的踪影,所以“鸟的足印”只是一种推理而非观察。让学生如实地记下“观察”的结果。可接受的答案如:“投影片上有两行不同形状和大小的黑印记。”正是因为它们很像我们熟悉的鸟的足迹,于是我们推断这些黑印记为鸟的足印。这些印记也完全可能是任何一种不知名的动物或“恐龙”留下的,可能是两种不同的动物,也可能是两只不同年龄的同种动物(孩子与父亲或母亲)。甚至连“大个动物留下较大的足印”一说也仅是推理而已。重要的是告诫学生如何区分科学观察与推理。
    3.教师可以继续追问学生:“这两只动物为什么走向同一地点?”学生可能会回答:“两只动物可能因为发现了同一水潭,也可能动物甲攻击动物乙,或者是幼年动物与成年动物(父或母)相互走近……”
    再次强调对同一问题(“这里曾经发生了什么?”)存在多种同样可能的推理或解释。
    4.教师将投影片(图1—2)置于投影仪上,然后问学生:“你观察到什么?”有的学生可能会回答:“两行黑印记看起来渐渐靠近并混合在一起。”这属于一种观察。有的学生则可能说:“两只鸟打起来了。”这属于一种推理。教师应指出观察与推理的区别,同时提出其他同等合理的可能性。
    5.最后,教师将投影片(图1—3)置于投影仪上并问学生观察到什么。这时学生应能较轻松地区分观察与推理的区别,一种典型的回答可能是:“只有较大的黑印记留在投影片上,较小的看不见了。”然后教师可继续追问:“你的推理是什么?”回答可能多种多样,如:动物甲被动物乙吞食;动物甲飞走了,只留下动物乙;动物甲被动物乙背着行走等。就仅有的证据而言,这些推理都是合理的,人们无法肯定到底发生了什么,除非找到当时在场的“证人”。
    结论:
    观察与推理是科学的基础。科学观察是指通过人的感官(视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉)或科学仪器(人的感官的延伸)而获得的关于客观世界的信息。科学推理则是对观察到的现象的解释。科学推理不是人脑凭空的任意想像,而是时客观现
象的合乎逻辑推理的解释,同一现象可能有多种解释。
    【课堂实例1—2】  立方体的观察与研究
    目的:
    该活动帮助学生理解科学探究的过程及科学的本质。学生必
须首先提出科学问题,设计科学探宄方案,选用适当的工具或技
术收集数据,运用逻辑推理及批判性思维,提出与科学观察相一
致的科学解释,同时认识到多种科学解释并存的可能性,并培养
学生进行科学交流的能力。
    材料:
    立方体(将图1—4,图1—5沿边框剪下并分别制成立方
体),铅笔,小镜子。
   

(图)

步骤:
    1.教师将学生分成小组,每组3—4人,将立方体A置于学生课桌的中央,顶部数字为5,并告知学生不允许转动、提起或
打开立方体,然后要求每个学生针对该立方体提出问题,比如:立方体内装有什么?立方体的底面是什么数字或图案?
    2.教师引导学生集中力量回答一个共同的问题,即“立方体的底面是什么?”要求学生在回答该问题时,必须基于观察结果和逻辑推理。教师应计划足够的时间让学生自由探索,提出答案。以下列出几例学生可能的观察记录:
    ·立方体有五个可见平面和一个不可见平面(与桌面接触)。
    ·数字是黑色的。
    ·可见平面的数字分别为1,3,4,5和6。
    ·相对平面上的数字之和为7。
    ·具偶数的平面是灰色的,具奇数的平面是白色的。
    3.教师让每个小组向全班同学汇报各自的答案并陈述理由。例如:可能会有同学提出立方体的底面是数字“2”,因为由其他可见面的数字组成的序列“1,—,3,4,5,6”中独缺数字2。教师应利用这个机会让学生建立这样一个概念:在科学领域,某种答案或解释受支持的证据愈多,说服力愈强。例如:2是数字序列“1,—,3,4,5,6”中所缺少的一个数字;而且根据观察到的“相对面的数字之和等于7”的规律,既然顶面数字为“5”,底面数字必为“2”。
    4.正如科学家们对有些科学问题的答案无法直接验证,教师也可以在学生汇报完各自的答案后立即将立方体收走,以致学生无法知道立方体的底面到底是什么。教师也可将立方体的底面做成几种不同的情况:无数字、无底面、数字为2或任何其他非2的数字,以说明科学的解答是基于科学观察及推理的产物,可能与实际相符或不符,不能盲目地接受一种答案或理论。切忌在科学的思想与绝对正确的思想之间划等号。
    5.教师组织学生对立方体的研究及科学家的工作进行总结、比较。组织学生讨论二者在哪些方面相似?以下要点供教师参考:
    ·科学起源于对客观世界的思考。
    ·科学解释基于观察。某科学结论被愈多的观察数据支持,说服力愈强。
    ·科学家通过会议或杂志等媒介发表时客观世界的观察与思考,同时也时各自领域的科学成果或结论发表质疑或论证。
    6.教师将立方体B置于每组学生的课桌中央,引导学生回答相同的问题:立方体B的底面是什么?要求学生对立方体进行仔细的观察并将结果记录到笔记本上。当学生一筹莫展的时候,教师可适当点拨。以下是一些可能的观察结果:
    ·所有数字及字母均为黑色。
    ·可观察的表面有的由字母组成,且右上方的数字与字母的个数相同。
    ·相对的可观察表面的起始字母相同,且共同起始字母的个数与表面左下方的数字一致。
    7.立方体的底面可能为多种不同的字母排列:
    ABCD.ABCDE.ABCDEF.ABCDEFG,……
    各组学生可能有不同的假设。教师这时应提醒学生,在这种多种假设并存的情况下,科学家往往根据已知数据的规律,提出科学预言,然后再设计新的实验来检验或证实各种可能性。
    8.教师要求每组同学根据各自的观察数据对底面右上角的数字作一科学预测——结果有可能是4,5,6,7,8等。让各组组员讨论决定对底面的哪个角落进行检查并陈述理由。学生有可能会一时难以作出决定,教师应保证时间,允许学生作出错误的决定,因为这正是科学的一部分。
    9.教师发给每组学生一面小镜,用铅笔尖微微撬起选定的立方体的某一角落,同时利用镜面反射检查该角落的数字。选一活动模拟运用科学技术协助科学研究。借助科学技术和工具的应用,同学们增进了对立方体的了解,尽管不同的角落提供的信息量不同。
    10.有些小组经过讨论,可能会选择对底面的右上角进行窥探,他们将会发现数字8,从而推论底面的字母排列可能为“ABCDEFGH”。
    11.作为课外作业.教师可要求每个小组设计井制作一个立方体,内容可与以下任一学科相关:语文,数学,英语,科学,历史,体育等。然后将制作好的立方体在各组之间进行交换,互相评分,选出最佳立方体。
    结论:
    与观察、研究立方体的活动相类似,科学家在建构科学模型、科学定律或提出科学假设的过程中,不仅需要基于科学观察和实验.还要运用逻辑推理厦创造性思维。由于种种因素的限制,任何科学理论或科学解释都不是绝对的,是具有暂时性的“相对真理”。