论科学教育中的科学方法教育问题

作者:郝京华

对科学方法的重视促成了一批有关科学方法、科学哲学等专著的问世。然而,对于科学教育来说,科学方法的引入却是20世纪后半叶的事,20世纪前半叶的科学教育只有科学知识的教育。
一、科学教育中科学方法教育理念的凸现
综观20世纪科学教育的历程,我们可以粗略地把它划分为三个阶段,即知识本位、方法本位和人本位阶段。
在知识本位阶段,科学教育的重心在科学知识本身。教师们信奉斯宾塞的名言——“科学知识最有价值”。美国学者卡尔·罗杰斯在考察了澳大利亚一个土著居民部落以后阐明了传授知识对人的生存价值:“怎样找水源、怎样追踪猎物、怎样在荒无人迹的沙漠中不迷失方向……在一种敌意的和相对无变化的环境中,教授知识,为它提供了生存之路。”(注:转引自方展画:《罗杰斯“学生为中心”教学理论述评》,教育科学出版社1990年版,第73—74页。)
科学教育局限于科学知识的教育情况在60年代初受到了挑战。人们发现,社会在科学技术的影响下变化加速起来,一个人终身享用在校习得的知识已不再可能。“对现代人来说,如果只有一个真理的话,那么,这就是他生活在一个不断变化的环境中……现在教给学生的物理学,10年之后将会过时……化学、生物学、遗传学、社会学都处于这种不断变化之中,以至今天作出的定论,到人有时间和精力应用这些知识的时候,几乎必定被更改了。”(注:转引自方展画:《罗杰斯“学生为中心”教学理论述评》,教育科学出版社1990年版,第73—74页。)社会变化加速的现实,促使教育家思考在科学方法和科学知识之间谁的价值更深远,结论多倾向于前者。许多科学家、教育家反思科学教育中存在的重知识、轻方法问题。物理学家奥斯特瓦尔特(Ostwarla)指出:“虽然用现在的教授方法很成功地讲授了在其现今发展状态中的科学知识,但是,杰出的和有远见卓识的人不得不一而再地指出时常出现在当前我们的青年科学教育中的一个缺点,这就是缺乏历史感和缺少关于作为科学大厦基础的一些重大研究的知识。”(注:转引自赵玉林:《困惑与出路——现代科学方法导引》“引言”,湖北教育出版社1989年版。)更有学者直截了当地说:“我们必须很快地改变我们对教育的概念,今天所教的80%—90%都应放在科学方法、教育方法、学习方法、推理方法、搜集资料的方法、从事实中做结论的方法以及分析事实和综合事实的能力上。”(注:转引自赵玉林:《困惑与出路——现代科学方法导引》“引言”,湖北教育出版社1989年版。)“科学知识最有价值”的科学教育理念让位于“方法比知识更重要”,科学教育从以科学知识为重心转向以科学方法为重心。美国60年代科学课程改革明显地反映出这一特征。
科学教育中“人本位”观念的兴起,是教育家对本世纪70年代中期以后科学技术双刃剑带来的社会问题反思的结果,科学教育中的伦理道德、价值观教育被提到重要议事日程。面对科学技术发展给人类带来的负面影响,教育家们幡然醒悟:科学教育不能仅仅是“颈部以上”的教育,它应该包括更完整的人的教育。至此,科学教育从单一科学知识教育演变为包括科学知识、科学方法、科学态度、科学精神、科学价值观、科学史等复合的科学素养教育。值得一提的是,科学方法的教育不再是仅对精英而言,而成为对所有学生的普遍要求,因为没有科学的思维习惯,“公民就很容易成为教条主义和胡言乱语的骗子们的牺牲品,用简单方法解决复杂问题”。(注:美国《2061计划》。)
本文仅选择科学方法的教育问题作专门论述。
二、科学方法教育现状综述
综观世界各国的科学教育,不难发现,科学方法的教育明显加强了,这表现在以下诸方面:
(一)在课题目标上
很多国家和地区在考虑制定科学课程的目标时,都将科学方法列为目标之一。例如,日本近期公布的理科改善的基本方针之一为“通过有目的、有意识的观察、实验,培养科学的调查研究能力和态度,同时养成科学的见解和思考方法”。美国近期颁布的国家科学标准则将作为探索过程的科学列为科学教育的八大内容之一,专门制定了作为探索过程的科学教育标准。该标准强调了要培养学生进行科学探索的能力和对科学探索的理解力。标准指出:“各个学科、所有年级的学生都应该有机会进行科学探索并且培养进行探索性思维和探索性活动的能力,包括提出问题、制定调查研究计划并付诸实验、利用有关工具和技术收集数据、对证据与解释之间的关系进行批判性的逻辑思考、构造和分析其他解释方法以及科学论点的交流等。”(注:《美国国家科学教育标准》。)课程目标上的这些变化和半个世纪前的科学课程目标相比,的确有了很大的变化。
为了将培养学生的科学方法意识和运用科学方法的能力落到实处,很多国家还针对不同年段的学生提出不同的要求。如英国国家科学课程标准,从设计实验程序、获得证据、分析证据并得出结论、评价证据第4个方面规定了每一年级的学生应当学习的层次。科学方法目标的具体化、层次化为科学课程的实施提供了便利,它使科学方法的教育不再停留在口号上。课程目标上的这些变化和半个世纪前的科学教育课程目标相比,的确有了很大变化。
(二)在教材的编写上
科学方法以各种形式嵌入在教科书中:
1.在不改变以科学知识为教材逻辑主线的情况下,插入有关科学方法知识的内容。例如,俄罗斯教学论专家列尔涅尔主张,在阐述牛顿第一定理时,可以插入如下一些内容:“惯性定理实质上是由伽利略概述出来的。牛顿定理的基础是脑子里的试想。脑子里的试想被用于科学中,通常呈现为两种形式:原则上不能完成的和实践中不能完成的。试想——这是一种可近不可及的试想,可以接近它们,但不管如何近,仍不能完成它们,因为它们采用的是理念性的客体。借助脑内实验曾得出了古典物理学的一些基本定理和原理……”(注:(俄)沃·维·克拉耶夫斯基:《教学过程的理论基础》,江西教育出版社1996年版,第128页。)列尔涅尔认为插入科学方法的重要性在于,学生是不知道科学上总结的本质的,也不懂得从事实向假设的创造性过渡,而假定中体现着学者对经验资料的看法,所以应该给学生提供某一理论研究方法的观念,以及该方法对科学的意义和知识。他还认为,学生所掌握的那些方法论性质的认识结构,拥有广泛迁移作用的趋向,是现代思维的成分之一。
2.把一门学科的发展历史(即学科的问题史)与解决这些问题的种种尝试结合起来。美国物理科学研究委员会(PSSC)编制的物理学课程是这种模式的一个典型。美国PSSC物理教材较早进入光学领域,这样做的理由是光模型的建立是包括物理在内的所有自然科学研究的一个典型方法:先建立光的粒子模型,用它来解释光的行为,一些行为被合理地解释,而另一些却遇到了困难,甚至矛盾。因此,物理学家面临着两种选择:其一是推翻旧模型,建立新模型;其二是修改旧模型,使它更完善。物理学家作了后一种选择,引入波现象,形成波理论,观察一系列光行为,用波理论解释它们,由此建立光的波模型。据称,尽早地让学生了解物理史上的光模型建立,有助于他们树立科学探索的方法论思想。
3.将科学方法与科学知识史紧密地融合在一起,使科学方法的教育更具操作性。正如施瓦布所说:“不把科学当作证明或证实某些概念、原理的过程,而要把它当作一个发现的过程,一个揭示自然事物的过程和一种提高我们理解力的方式来发现这些事实之间如何联系起来的过程。”匈牙利的高中物理教材堪称此类教材的典范。例如,该教材结合气体、液体、固体的知识系统地培养学生建立物理模型的意识和方法,详细指导学生如何通过观察和实验积累经验,如何在经验的基础上建立物理模型,如何用建立的物理模型解决实际问题、预言未知现象,如何用新的实验现象检验这个物理模型的适用范围,进一步修正物理模型。教材的这种编排方式可以使学生不仅知道科学家是怎么做的,而且自己也学会了如何去做。
4.用增加完整的探索性作业的方式来培养学生的科学方法意识和科学探索能力,例如美国BSCS生物教材就穿插了62项具体的探索项目,中国浙江省的中学理科教材也安排了一些完全由学生独立探索的作业。学者们认为这是培养学生自己从事完整探索活动能力的重要途径。
(三)在教学方法上
为了培养学生理解、运用科学方法的能力,从60年代开始,在中小学的科学教育中出现了大力提倡探索式、发现式学习的倾向。一批统称为信息加工的教学模型应运而生,如萨其曼的探究教学模式、塔巴的概括教学模式等。这类教学模式的共同特征是把科学知识作为掌握科学方法的手段、工具而不是目的,学生在探索、发现的过程中,学会如何建立假设和验证假设等过程技能才是教学的终极目的所在。
仔细考察各种冠之以发现、探索的教学方法,不难发现,它们还是有一定区别的。
部分教育家强调学生的独立探索、自主活动。他们指出:当学校把教学力量放在自我发动和自我调节的“发现”学习活动上时,学校就是好的。英国艾萨克斯夫人的做法是一个典型:她和她的同事在剑桥的一所学校里,严格排除成人的一切干预,把学生引进一间相当于真实的、设备完善的实验室,让学生自行组织他们的实验。年龄从3岁到8岁的儿童,享有大量的原材料和仪器、试管、烧杯、酒精灯等等,随他们处置。这部分教育家相信,儿童通过与环境的交互作用,是获得有关的认知技能、操作技能的必要条件。他们是个体建构心理学的实践者。
部分教育家持社会建构立场,认为“人的一切形式的精神活动,包括科学活动,都不是由孤立的个人进行的,而是一种社会过程。它们都拥有社会——历史地形成下来的建构和运用客体并将客体加以观念化,加以定型和改造的方式和手段”。因此,主张一种有引导的发现,通过师生的共同活动和交往,去了解和占有科学方法。
不论理论上的倾向如何,大部分理科教师现在都或多或少熟悉了“主动参与”、“发现”、“探索”这些教学的新概念了。对科学方法教育的重视,也引起了科学教育评价的改革,对科学方法掌握情况的考核日益受到重视,对科学方法的理解和掌握的考核标准、试题的研究十分丰富。
然而,承认成就并不排斥对科学方法教育的状况给予批判性分析的必要性。
三、对科学方法教育的若干问题思考
(一)个体发现与种系发现的关系问题
使学生积极主动地参与教学过程已是科学教育公认的一条重要原则。美国一些州的科学教育标准中提出的指导原则之一是“学生的好奇和主动的参与应该在所有年级的教学中得到保持。学生要描述物体和事件,提出问题、作出解答,用不同的方式验证答案并同其他人交流他们的看法,这要求体力和脑力的共同参与……”这一原则要求把教学重点由教师单方面的传授知识转向通过学生主动的参与来学习。问题在于如何提出问题、如何建立假设、如何验证假设等方面学生是不可能生而知之的,它只能经教师加以揭示。换言之,仅仅倡导探究、发现、主动参与是不够的,学生在自己探究、发现之前,首先应对科学是如何运用一定的方法,对经验资料作假设、作解释的过程有所了解,尤其是对那些具有迁移性质的科学思维方法的了解,否则,发现将是盲目的。这里有一个个体认识方法与种系(类)认识方法之间的联系问题。正是在这一点上,施瓦布写道:“仅仅向儿童提供刺激环境并指望他们自己去发现和学习是不够的。”
社会建构心理学的这些理论提醒教育工作者,在运用发现法、探索法时要对“何时用、怎样用”做深思熟虑的回答,而不是简单地提供自主探索、独立发现的机会。
笔者认为在运用发现法时需考虑“什么样的知识更值得重新发现”。
发现法教学方法一般是指对结论性知识的重新发现。显而易见的事实是在课堂教学中不可能对所有的结论性知识都去重新发现,那样做没有必要,时间也不允许。那么该选择什么样的知识去重新发现呢?这需要考察知识中的含金量——具有方法和方法论意义的大小,只有那些具有重要方法和方法论意义的知识才值得去重新发现。因为在知识的重新发现过程中,会使个人达到在他本人的发现活动中再现历史形成的人类已有的科学方法。换言之,发现的目的很大程度上是要让学生重新经历人类发现的过程,以便将镌刻在知识中的种系(类)科学方法内化到学生身上。
一般而言,任何一种揭示客观事物及规律的知识,都具有方法的意义,但意义的大小不同。事实性知识与原理性知识相比,后者的方法价值更大。原理、理论知识是学者们运用一定的科学思维方法对感性经验进行加工得来的,正如“进化论本身并不是自然史单纯事实,而是科学的假设,它对有机生命的现象提供了更完全更首尾一至的概观,一种全新的系统解释”。(注:(德)恩斯特·卡西尔:《人论》,上海译文出版社1985年版,第266页。)进化论是一种有关生物发展变化规律的理论,也是一种认识生命本质的重要方法,为了让学生掌握这一重要的思想方法,重新发现该知识,重现该知识的形成过程是值得的,哪怕需要耗费较多的时间。而有些知识,如事实性知识、平行性知识——用同一种科学方法形成的知识(如各类具体的动植物形态知识)就大可不必都去重新经历发现了。这些知识对学生来说可能是新的知识,但对于科学方法来说,却是雷同的,均涉及到观察、解剖、分类等方法。学生一旦习得了这类研究生物性状的方法就没有必要再循环往复了,应将重新发现的时间留给新的研究方法。发现法应给予那些镌刻着对人类发现产生过重大影响且至今仍有价值的科学方法的知识。
(二)如何教科学方法
既然重新发现的目的是为了使学生占有种系(类)已累积的科学认识方法,展示各种科学方法,并通过师生互动完成转化就是发现法理所当然关心的事了。
展示可以是直接的——由教师提示某科学原理所运用的方法;也可以是间接的——通过教师精心设计提问,方法好像是学生自己提出来的。为了让学生真正把握某科学方法精髓,我们提倡间接的展示。例如,南京师范大学附中的一位物理老师在教“比热容”时对学生进行了多方面的科学方法教育。首先,他引导学生结合日常生活经验讨论得出水在温度升高时吸收的热量与水的质量及水温升高的度数有关,并推广至别的物质也具有这一特点。然后老师向学生提问:“所有的物质在温度升高时吸收的热量是不是一样多呢?”此问题的设计是为了让学生能考虑到,只有在质量相同、温度升高的度数也相等时来研究不同物质吸热是否相同才有意义。看似平常的一问一答,学生习得了物理学上重要的一种科学方法——控制变量法。其次,在比热概念建立过程中运用科学猜想。教师向学生提问:相同质量的水和煤油升高相同的温度,哪一个吸热较多?引导学生运用科学猜想,建立如下假设:(1)水吸热多;(2)煤油吸热多;(3)水和煤油吸热一样多。在此基础上给学生介绍猜想方法在科学发现中的重要作用。最后还可以通过类比方法帮助学生建立比热概念,即激发学生根据密度的定义归纳出“比热容”的定义,并告诉学生,从已知的知识所具有的某种性质推出新知识具有的相应的性质,这种科学方法就是类比。控制变量法、科学猜想法、类比法就这样在师生的互动中悄然转移到学生的认识结构中。
(三)对科学方法在教材中嵌入方式的思考
翻阅不同的理科教材,不难发现,大多数教材或多或少都渗透了科学方法的教育,这和以往结论式的教材编写方式——由科学事实、科学原理、公式、理论构成教材内容的方式相比,的确是一个很大进步,因为一门学科的逻辑结构也许不能对学生怎样才能发现它或学习它提供任何有用的指导。爱因斯坦是怎样提出相对论的,这在表述这一原理的方程中并不明显,正如欧几里德的思想变化,在以他的名字命名的定理中并不明显一样。需要有对科学方法的专门介绍。问题在于以往把科学方法与科学内容完全脱节,专门介绍观察比较、分类、归纳、实验、分析、综合、调查、假设等科学方法的做法值得商榷。专门介绍科学方法的益处是各种科学方法的性质、操作程序、适用范围可以一目了解,但学生学了这些有关方法的知识以后,未必就拥有这些方法的经验。因为,第一,这些方法离开了具体构造科学解释的过程变得十分抽象。例如,学生很难通过模型化方法的介绍就能掌握模型化方法。第二,由于缺乏具体的操作过程,科学方法只能静止地存贮在学生的意识中,这就像知道游泳动作要领与实际会游泳是两码事一样。与专门介绍各种科学方法相比,笔者主张应将方法融于结论性知识的陈述中。
本文仅从教学过程和教材编写两个方面论及了科学方法的教育问题,更多的科学方法教育问题有待进一步探讨。