周國強，現(xiàn)任加拿大溫莎大學教育學院教授、副院長、博士生導師，加拿大阿爾伯塔大學科學教育博士。研究領域涵蓋科學教育、教師教育、國際和比較教育。曾擔任溫莎大學校董會、課程審查委員會、教育技術督導委員會委員，參與制定加拿大安大略省教師教育標準和教師教育項目評估指導文件。

科學是什么？這是任何科學教育工作者首先要回答的問題。因為對科學本質(zhì)的理解決定了我們?nèi)绾谓炭茖W，教什么，達到什么教學目的。在北美高校從事教師教育近20 年，每年我都給師范生上科學教學論。我常常將這門課的教學分為多個課程包。第1 個課程包就是“科學的本質(zhì)和科學課程”，目的是讓學生認識什么是科學，理解科學的本質(zhì)如何指導我們設計科學課程的內(nèi)容和教學方法。在課堂上，我利用科學史故事引導學生討論科學的本質(zhì)，效果很好。

科學的本質(zhì)

在我們的學校教育和社會宣傳中，科學常常被描述為真理，追求科學就是追求真理。大家都知道，現(xiàn)代科學起源于西方，但是西方社會卻沒有把科學如此神話，他們認為科學不是真理，科學是人類為解釋自然而創(chuàng)建的模型。美國科學促進會對科學的本質(zhì)有詳細的論述[1]。科學認為世界是可以理解的。世界萬物的存在和變化是有規(guī)律的，這些規(guī)律是可以認知的。宇宙的基本規(guī)律具有普適性，不受地點、時間和尺寸大小的限制?？茖W的觀點隨著時間的推移會發(fā)生變化?？茖W家創(chuàng)建科學理論解釋觀察結果，有時同樣的觀察結果可以用不同的理論加以解釋，而且新的觀察結果會推動改變現(xiàn)有的理論解釋。盡管科學拒絕接受絕對真理的概念，但是大部分的科學知識在相當長的時間內(nèi)是可信的。在科學發(fā)展進程中，修正現(xiàn)有的知識是常態(tài)，而不是完全拋棄。另外，科學不是萬能的，科學無法提供對所有問題的完整答案。比如說信仰、迷信、占卜等，很難用科學證明它們是對還是錯。以上這些就是我們常說的科學的世界觀。

對于科學的探究過程，美國科學促進會強調(diào)科學需要證據(jù)，證據(jù)來自于自然觀察或者實驗研究?？茖W是邏輯推理的產(chǎn)物，但是科學家常常利用想象和猜測提出假設?？茖W理論應該能夠解釋現(xiàn)有的觀察結果，而且能預言新的現(xiàn)象，具有證偽性?？茖W家的國籍、性別、文化和政治背景，以及他們的研究方法和研究過程會導致個人偏見的產(chǎn)生，但是作為科學家群體，科學通過已經(jīng)公認的評判標準和審核程序控制科學中的偏見。同其他行業(yè)一樣，威望高的科學家會引領科學研究，但是這并不說明威望賦予他們特殊的科學評判的權利。科學作為人類的活動，它受個人、社會和工作環(huán)境的影響?？茖W研究應該遵守科學倫理（道德）規(guī)范，比如科學家要保證科研數(shù)據(jù)真實和公開，以方便其他科學家進行重復和驗證。可惜的是，科學家有時會為了追逐名利而在科研數(shù)據(jù)上造假。科學研究要遵守被研究對象的意愿和權益，并把可能的傷害降到最低?？茖W家要具有對人類社會的責任意識，他們的研究可能會對人類帶來巨大的傷害，比如核彈技術、克隆和生成性人工智能等?？茖W家是否應該從事這方面的研究和遵循什么樣的標準，科學家對此有不同的看法，但是值得社會各界的關注。

美國《新一代科學教育標準》中這樣概述“科學的本質(zhì)”[2]：

● 科學研究運用許多方法

● 科學知識以實證數(shù)據(jù)為基礎

● 科學知識需要與時俱進

● 科學模型、規(guī)律和理論解釋各種自然現(xiàn)象

● 科學是一種認知方法

● 科學假定自然體系具有連貫性和有序性

● 科學是人類的探索活動

● 科學回答有關自然和物質(zhì)世界的問題

科學課程的目的

科學不僅是知識本身，它代表一種世界觀和認識論。與人類的其他行為一樣，科學具有社會性，受道德規(guī)范的約束。為了讓學生對科學有一個全面的理解，科學教育不能僅局限于傳授知識，應該既教科學，又教有關科學的知識[3]。在相當長的時間里，我們將基本知識和基本技能定義為中小學科學課程的中心任務，而忽略了有關科學的知識，包括科學認知過程、科學態(tài)度、科學倫理、科學社會性等?？v觀世界各國的科學教育課程標準，科學課程的設置都反映了科學本質(zhì)的各個方面。比如說加拿大安大略省的高中科學課程標準[4] 指出，科學課程的基本目標是培養(yǎng)所有高中學生的科學素質(zhì)，包括科學知識、技能和態(tài)度習慣。一個具有科學素質(zhì)的人應該能夠理解有關科學技術的常見媒體報告，批判性地評價媒體信息，有信心參加關于科技問題的討論和決定。明白科學家作為個人和群體在做什么，科學知識是如何產(chǎn)生和驗證的，科學知識的應用有哪些好處、代價和危險，科學如何與技術、社會和環(huán)境相互影響。科學素質(zhì)不僅對將來學習科學技術的學生重要，同樣適用學習其他多種學科的學生，比如學習法律、經(jīng)濟、商業(yè)等的學生。2022 年剛修訂的加拿大安大略省中小學科學技術課程標準[5] 規(guī)定了科學技術課程的3 個主要目的：

● 發(fā)展科學技術探究的技能和綜合應用

● 將科學技術與不斷變化的社會、經(jīng)濟和環(huán)境聯(lián)系起來

● 探索和理解科學技術概念

這3 個目的沒有1 個終止在科學知識上，而是定標在對科學技術探究和應用的概念理解、技能培養(yǎng)，以及與科學實踐相關的宏觀問題上。更具體講，中小學科學技術課程應該培養(yǎng)所有學生：

● 應用科學研究和工程設計技能幫助解決學生個人和社區(qū)的復雜問題

● 理解STEM 學科之間與實際應用中的相關性

● 理解世界的驚奇和復雜性，對科學技術在解決環(huán)境和社會問題上的功效和局限保持樂觀和切合實際的態(tài)度

● 思考科學技術發(fā)展的后果（人類想要的和不想要的）

● 發(fā)展科學素質(zhì)和技術技能以便解決科學技術問題和成為具有識辨能力的公民

● 意識到自己將來能對STEM 領域作出貢獻

● 意識到自己可以有效地學習科學技術，自己的社會和文化背景可以幫助對科學發(fā)現(xiàn)和技術革新作出貢獻

● 對影響個人和社區(qū)的科學技術問題探索有效的、公平的、包容的和可持續(xù)的解決方案

● 認識到土著人知識和認知的重要性，理解不同的認知觀如何幫助解決STEM 領域所面臨的問題和挑戰(zhàn)

科學課程的教學方法

有效的科學教學方法應該跳出以知識傳授為中心的傳統(tǒng)，展現(xiàn)給學生科學的真實面貌。換句話說，科學教學應該以科學的本質(zhì)為指導，以達到現(xiàn)代科學教育的新標準。這里我想重點討論科學教育方法的2 個熱門話題：探究式教學和辯論式教學。

探究既是教學方法也是教學目的

探究式教學在國內(nèi)外已經(jīng)討論了很久。探究作為科學本質(zhì)的核心，不應該僅僅被視為一種教學方法，更是一種教學目的。相對于知識傳授式教學，我們常常把探究作為學生學習知識的新途徑。這條新途徑更具有趣味性和操作性，而且可以增加學生對知識來源的理解，但是仍然將其最終目的定位在學習知識上。我這里要強調(diào)的是探究過程本身也是學習內(nèi)容。通過探究，學生掌握科學研究的技能和方法，理解科學研究的過程和方法，樹立科學探究的態(tài)度和習慣，建立科學就是探究的觀念。對探究式學習的評價不是知識評價，而是過程評價。

以知識掌握為終點的探究教學不是真正的探究教學。在形式上的探究過程中，常常忽略學生的主動參與。學生只是在教師設計好的探究過程中完成任務。幾年前，我在中國觀摩過一堂物理公開課[6]，課的內(nèi)容是安培力。公開課教師先通過一個演示實驗引入課題，激發(fā)學生的好奇心和求知欲，然后迅速進入了傳統(tǒng)的教學過程。教師要求學生2 人1 組做他課前準備好的實驗，通過實驗展示改變電流或磁場的方向，安培力的方向會變化。一組學生拆了教師預先接好的線路，“我都事先給你接好了，你拆掉干嗎？”老師責問道，并很快又幫助學生把線路恢復原狀。又過了一會兒，教師讓學生回答實驗發(fā)現(xiàn)“隨著電流或磁場的方向變化，安培力的方向也跟著變化”，接下來教師給出了安培力大小的公式，要求學生練習尋找各種情況下安培力的方向和大小……

加拿大安大略省的中小學科學技術課程標準將科學探究的過程分為6 個階段，依次為確定問題、設計實驗、實施實驗、記錄數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和交流結論。通過這些階段培養(yǎng)學生提出問題和設計研究方案的能力、研究操作和記錄數(shù)據(jù)的能力、分析和解釋數(shù)據(jù)的能力，以及交流研究結論的能力（圖1）。

上面提到的公開課反映了我們的探究式教學忽視了開頭和結尾。在探究的開始階段，學生常常不知道研究問題從哪里來，為什么要研究它，更沒有機會參與探究設計過程。研究方案都是由教師事先設計好的。在收集數(shù)據(jù)和得出結論后，直接進入做題訓練，沒有探究交流環(huán)節(jié)。實驗報告是唯一的交流方式，但那僅僅是給教師看的，與科學家的交流方式想去甚遠。

辯論在科學發(fā)展和科學教學中扮演重要地位

我們常常講科學是以實驗為基礎的，這沒錯，但是實驗數(shù)據(jù)本身并不科學。辯論才是引領科學進步的機制，它發(fā)生在科學活動的各個階段（圖2）。實驗為辯論提供依據(jù)，辯論導致科學認知的進步。在實際的科學研究中，科學家之間通過各種方式交流意見，比如同事之間的討論、學術會議交流、期刊論文等。學術交流和辯論不僅可以共享資源和催生新觀點，而且可以促進科學家達成科學共識，降低科學活動中的偏見。辯論在科學革命時期體現(xiàn)得尤其重要。在科學發(fā)展史上，新的科學理論通過辯論代替舊理論[8-10]。比如熱質(zhì)說和熱動說的爭論、光的波粒二象性的爭論、玻爾和愛因斯坦有關不確定性的爭論等，這些爭論促使科學家進一步審視自己的觀點，從不同的角度分析問題，收集新的證據(jù)，提出新的假設。

愛因斯坦說過，試圖僅僅將理論建立在可觀測量上是不對的，事實上是理論決定了我們能看到什么。他還說，科學假設并不直接來自于實驗，它產(chǎn)生于想象和猜測。也就是說科學的進步不僅僅依賴實驗。科學史上，同一個實驗結果，卻有不同理論解釋的例子比比皆是。其中一個有名的例子是弗蘭克- 赫茲實驗。1914 年，弗蘭克和赫茲將他們的實驗數(shù)據(jù)（4.9ev）解釋為汞原子的電離能，而玻爾認為這是原子從低能級向高能級跳躍需要的能量。二人公開爭論了長達5 年的時間。1925 年，弗蘭克和赫茲獲得諾貝爾物理學獎，因為他們的實驗證實了玻爾的定態(tài)能級假說[11]。這個例子說明了實驗在科學發(fā)展中的局限性。

既然辯論是科學發(fā)展的基本特征，科學教學就應該賦予它一個重要的角色。辯論起源于不同的看法，這剛好符合課堂教學的現(xiàn)實。在課堂上，學生對科學問題和現(xiàn)象有他們自己的看法，文獻中稱之為前概念[12]。學生的前概念來自于個人的生活經(jīng)歷，常常不同于科學概念（教師的概念）。來自不同文化背景的學生之間，他們的前概念也可能存在差異。這些學生與教師，以及學生之間的不同，提供了課堂辯論的基礎和要求。

學生的前概念是在日常生活經(jīng)驗中形成的，盡管在多數(shù)情況下與科學概念不同，但是它們對學生來說是有意義的[13]。太陽每天從東方升起在西方降落，磁鐵吸起小鐵釘，卡車把小轎車撞壞了，天冷了要穿棉衣……類似的日常經(jīng)驗會導致學生認為太陽圍繞地球轉(zhuǎn)，磁鐵的吸引力大，卡車的作用力大，棉衣產(chǎn)生熱……研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的教學模式很難轉(zhuǎn)變前概念，教學要有目的和有意識地改變它們[14]。

圖3 代表了我提出的辯論式教學法，它包含6 個教學階段，依次為提出問題—引出學生的前概念—創(chuàng)生認知矛盾—建構科學概念—捍衛(wèi)科學概念—評價。辯論式教學要求教學從前概念開始，在教學過程中實現(xiàn)前概念與科學概念之間的辯論，使學生深刻認識科學概念和科學認知方法的優(yōu)越性。我曾經(jīng)以牛頓第三定律的教學為例，具體解釋辯論式教學的過程和要點[15]。

我還記得20 世紀90 年代中國的物理教材在牛頓第三定律一節(jié)，以水槽實驗開始展開。實驗者雙手各執(zhí)一個漂浮在水面上的木塊。一個木塊上放一個條形磁體，另一個木塊上放一個質(zhì)量與磁體相當?shù)蔫F塊。同時放開雙手后，觀察者可以看到磁體和鐵塊相互靠攏。在此基礎上，引入作用力與反作用力同時發(fā)生的結論。這是典型的實證主義教學模式。它假設學生只要看到實驗事實，就會立刻改變自己的原有理解，接受科學的觀點。實際上，許多研究發(fā)現(xiàn)，學生的學習受各種因素的影響，科學概念的轉(zhuǎn)變沒有那么容易[16]。要想有效地幫助學生實現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變，教師要提供機會讓學生把自己的前概念激活。教師可以通過演示實驗或者學生動手活動激活學生的相關生活經(jīng)驗。比方說，教師可以演示磁體吸引曲別針的現(xiàn)象。磁體不動，但是曲別針跳躍到磁體上。在此基礎上提出問題“曲別針對磁體有作用力嗎？”引出他們的潛意識概念。然后再通過水槽實驗創(chuàng)生認知不平衡。教學過程中，教師要引導學生思考為什么要在水槽里做實驗，為什么磁體和鐵塊的質(zhì)量要相當。

對科學教師教育的啟示

科學教育界對教師和學生的科學觀進行了相當長時間的研究[17-20]，目的是促進大家對科學的本質(zhì)有正確的理解?？茖W和音樂、藝術一樣，是人類的一種創(chuàng)作。這一創(chuàng)作影響社會和文化，同時又受社會和文化的影響。我建議科學教師讀一讀這方面的通俗著作，比如《科學革命的結構》[21] 和《什么是科學》[22]。另外，我推薦教師閱讀幾本關于科學歷史和科學哲學的書，會幫助教師理解科學的本質(zhì)。相應地，學習不是接受知識，學習是一個知識的建構過程。教學不是傳授知識，而是一個協(xié)助學生建構知識的過程。學習是一個與生俱來的行為，并不是學校的專利。學生的前認知帶給學生一些基于直覺的理解，教師應該重視學生的前概念。辯論式教學應該成為科學課堂的常態(tài)。探究和辯論不僅是為了學習知識，更重要的是在一個相互尊重的環(huán)境下學習科學認知的過程。

探究式和辯論式教學對教師提出了新要求。過去一個教師如果表達清楚、條理分明，能由易到難、講解易懂，那么就是一個好教師。探究要求教師將教學的重點從知識習得轉(zhuǎn)變到過程訓練。探究既是教學手段，也是教學目的。辯論要求教師了解學生常見的前概念，依據(jù)前概念設計教學，與學生進行辯論而不是單向傳授。教學過程是破除舊概念建立新概念的過程，是一個破中有立、立中有破、破立結合的辯證過程。探究和辯論都要求教師把學生放在教學中心，鼓勵他們參與教學過程，激發(fā)他們發(fā)表意見，參與探究設計，參與課堂辯論，這樣課程就變成一個活的教學過程了。

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