编者按：两会期间，科学教育备受关注。代表委员纷纷呼吁加强科学教育的重要性，促进科学素养的提升。小编精心挑选了权威专家关于“科学教育”的相关文章，以期为广大科技教育工作者提供一份关于科学教育深度解读的精神食粮。

科学的本质与科学教育

作者：周国强，现任加拿大温莎大学教育学院教授、副院长、博士生导师，加拿大阿尔伯塔大学科学教育博士。研究领域涵盖科学教育、教师教育、国际和比较教育。曾担任温莎大学校董会、课程审查委员会，教育技术督导委员会委员，参与制定加拿大安大略省教师教育标准和教师教育项目评估指导文件。

科学是什么？这是任何科学教育工作者首先要回答的问题。因为对科学本质的理解决定了我们如何教科学，教什么，要达到什么教学目的。在北美高校从事教师教育近20年，每年我都给师范生上科学教学论。我常常将这门课的教学分为多个课程包。第1个课程包就是“科学的本质和科学课程”，目的是让学生认识什么是科学，理解科学的本质如何指导我们设计科学课程的内容和教学方法。在课堂上，我利用科学史故事引导学生讨论科学的本质，效果很好。

科学的本质

在我们的学校教育和社会宣传中，科学常常被描述为真理，追求科学就是追求真理。大家都知道，现代科学起源于西方，但是西方社会却没有把科学如此神话，他们认为科学不是真理，科学是人类为解释自然而创建的模型。美国科学促进会对科学的本质有详细的论述[1]。科学认为世界是可以理解的，世界万物的存在和变化是有规律的，这些规律是可以认知的。宇宙的基本规律具有普适性，不受地点、时间和尺寸大小的限制。科学的观点随着时间的推移会发生变化。科学家创建科学理论解释观察结果，有时同样的观察结果可以用不同的理论加以解释，而且新的观察结果会推动改变现有的理论解释。尽管科学拒绝接受绝对真理的概念，但是大部分的科学知识在相当长的时间内是可信的。在科学发展进程中，修正现有的知识（而不是完全抛弃）是常态。另外，科学不是万能的，科学无法提供对所有问题的完整答案。比如说信仰、迷信、占卜等，很难用科学证明它们是对还是错。以上这些就是我们常说的科学的世界观。

对于科学的探究过程，美国科学促进会强调科学需要证据，证据来自于自然观察或者实验研究。科学是逻辑推理的产物，但是科学家常常利用想象和猜测提出假设。科学理论应该能够解释现有的观察结果，而且能预言新的现象，具有证伪性。科学家的国籍、性别、文化和政治背景，以及他们的研究方法和研究过程会导致个人偏见的产生，但是作为科学家群体，科学通过已经公认的评判标准和审核程序控制科学中的偏见。同其他行业一样，威望高的科学家会引领科学研究，但是这并不说明威望赋予他们特殊的科学评判权利。科学作为人类的活动，它受个人、社会和工作环境的影响。科学研究应该遵守科学伦理（道德）规范，比如科学家要保证科研数据真实和公开，以方便其他科学家进行重复和验证。可惜的是，科学家有时会为了追逐名利而在科研数据上造假。科学研究要遵守被研究对象的意愿和权益，并把可能的伤害降到最低。科学家要具有对人类社会的责任意识，他们的研究可能会对人类带来巨大的伤害，比如核弹技术、克隆和生成性人工智能等。科学家是否应该从事这方面的研究和遵循什么样的标准，科学家对此有不同的看法，但是值得社会各界的关注。

美国《新一代科学教育标准》中这样概述“科学的本质”[2]：

● 科学研究运用许多方法

● 科学知识以实证数据为基础

● 科学知识需要与时俱进

● 科学模型、规律和理论解释各种自然现象

● 科学是一种认知方法

● 科学假定自然体系具有连贯性和有序性

● 科学是人类的探索活动

● 科学回答有关自然和物质世界的问题科学课程的目的

科学不仅是知识本身，它代表一种世界观和认识论。与人类的其他行为一样，科学具有社会性，受道德规范的约束。为了让学生对科学有一个全面的理解，科学教育不能仅局限于传授知识，应该既教科学，又教有关科学的知识[3]。在相当长的时间里，我们将基本知识和基本技能定义为中小学科学课程的中心任务，而忽略了有关科学的知识，包括科学认知过程、科学态度、科学伦理、科学社会性等。纵观世界各国的科学教育课程标准，科学课程的设置都反映了科学本质的各个方面。比如说加拿大安大略省的高中科学课程标准[4]指出，科学课程的基本目标是培养所有高中学生的科学素质，包括科学知识、技能和态度习惯。一个具有科学素质的人应该能够理解有关科学技术的常见媒体报告，批判性地评价媒体信息，有信心参加关于科技问题的讨论和决定，明白科学家作为个人和群体在做什么，科学知识是如何产生和验证的，科学知识的应用有哪些好处、代价和危险，科学如何与技术、社会和环境相互影响。科学素质不仅对将来学习科学技术的学生重要，同样适用学习其他多种学科的学生，比如学习法律、经济、商业等的学生。2022年刚修订的加拿大安大略省中小学科学技术课程标准[5]规定了科学技术课程的3个主要目的：

● 发展科学技术探究的技能和综合应用

● 将科学技术与不断变化的社会、经济和环境联系起来

● 探索和理解科学技术概念

这3个目的没有1个终止在科学知识上，而是定标在对科学技术探究和应用的概念理解、技能培养，以及与科学实践相关的宏观问题上。更具体讲，中小学科学技术课程应该培养所有学生：

● 应用科学研究和工程设计技能帮助解决学生个人和社区的复杂问题

● 理解STEM学科之间与实际应用中的相关性

● 理解世界的惊奇和复杂性，对科学技术在解决环境和社会问题上的功效和局限保持乐观和切合实际的态度

● 思考科学技术发展的后果（人类想要的和不想要的）

● 发展科学素质和技术技能以便解决科学技术问题和成为具有识辨能力的公民

● 意识到自己将来能对STEM领域作出贡献

● 意识到自己可以有效地学习科学技术，自己的社会和文化背景可以帮助对科学发现和技术革新作出贡献

● 对影响个人和社区的科学技术问题探索有效的、公平的、包容的和可持续的解决方案

● 认识到土著人知识和认知的重要性，理解不同的认知观如何帮助解决STEM领域所面临的问题和挑战

科学课程的教学方法

有效的科学教学方法应该跳出以知识传授为中心的传统，展现给学生科学的真实面貌。换句话说，科学教学应该以科学的本质为指导，以达到现代科学教育的新标准。这里我想重点讨论科学教育方法的2个热门话题：探究式教学和辩论式教学。探究既是教学方法也是教学目的

探究式教学在国内外已经讨论了很久。探究作为科学本质的核心，不应该仅仅被视为一种教学方法，更是一种教学目的。相对于知识传授式教学，我们常常把探究作为学生学习知识的新途径。这条新途径更具有趣味性和操作性，而且可以增加学生对知识来源的理解，但是仍然将其最终目的定位在学习知识上。我这里要强调的是探究过程本身也是学习内容。通过探究，学生掌握科学研究的技能和方法，理解科学研究的过程和方法，树立科学探究的态度和习惯，建立科学就是探究的观念。对探究式学习的评价不是知识评价，而是过程评价。以知识掌握为终点的探究教学不是真正的探究教学。在形式上的探究过程中，常常忽略学生的主动参与。学生只是在教师设计好的探究过程中完成任务。几年前，我在中国观摩过一堂物理公开课[6]，课的内容是安培力。公开课教师先通过一个演示实验引入课题，激发学生的好奇心和求知欲，然后迅速进入了传统的教学过程。教师要求学生2人1组做他课前准备好的实验，通过实验展示改变电流或磁场的方向，安培力的方向会变化。一组学生拆了教师预先接好的线路，“我都事先给你接好了，你拆掉干吗？”老师责问道，并很快又帮助学生把线路恢复原状。又过了一会儿，教师让学生回答实验发现“随着电流或磁场的方向变化，安培力的方向也跟着变化”，接下来教师给出了安培力大小的公式，要求学生练习寻找各种情况下安培力的方向和大小……加拿大安大略省的中小学科学技术课程标准将科学探究的过程分为6个阶段，依次为确定问题、设计实验、实施实验、记录数据、分析数据和交流结论。通过这些阶段培养学生提出问题和设计研究方案的能力、研究操作和记录数据的能力、分析和解释数据的能力，以及交流研究结论的能力。

上面提到的公开课反映了我们的探究式教学忽视了开头和结尾。在探究的开始阶段，学生常常不知道研究问题从哪里来，为什么要研究它，更没有机会参与探究设计过程。研究方案都是由教师事先设计好的。在收集数据和得出结论后，直接进入做题训练，没有探究交流环节。实验报告是唯一的交流方式，但那仅仅是给教师看的，与科学家的交流方式想去甚远。辩论在科学发展和科学教学中扮演重要地位

我们常常讲科学是以实验为基础的，这没错，但是实验数据本身并不科学。辩论才是引领科学进步的机制，它发生在科学活动的各个阶段。实验为辩论提供依据，辩论导致科学认知的进步。在实际的科学研究中，科学家之间通过各种方式交流意见，比如同事之间的讨论、学术会议交流、期刊论文等。学术交流和辩论不仅可以共享资源和催生新观点，而且可以促进科学家达成科学共识，降低科学活动中的偏见。辩论在科学革命时期体现得尤其重要。在科学发展史上，新的科学理论通过辩论代替旧理论[8-10]。比如热质说和热动说的争论、光的波粒二象性的争论、玻尔和爱因斯坦有关不确定性的争论等，这些争论促使科学家进一步审视自己的观点，从不同的角度分析问题，收集新的证据，提出新的假设。

爱因斯坦说过，试图仅仅将理论建立在可观测量上是不对的，事实上是理论决定了我们能看到什么。他还说，科学假设并不直接来自于实验，它产生于想象和猜测。也就是说科学的进步不仅仅依赖实验。科学史上，同一个实验结果，却有不同理论解释的例子比比皆是。其中一个有名的例子是弗兰克-赫兹实验。1914年，弗兰克和赫兹将他们的实验数据（4.9ev）解释为汞原子的电离能，而玻尔认为这是原子从低能级向高能级跳跃需要的能量。二人公开争论了长达5年的时间。1925年，弗兰克和赫兹获得诺贝尔物理学奖，因为他们的实验证实了玻尔的定态能级假说[11]。这个例子说明了实验在科学发展中的局限性。既然辩论是科学发展的基本特征，科学教学就应该赋予它一个重要的角色。辩论起源于不同的看法，这刚好符合课堂教学的现实。在课堂上，学生对科学问题和现象有他们自己的看法，文献中称之为前概念[12]。学生的前概念来自于个人的生活经历，常常不同于科学概念（教师的概念）。来自不同文化背景的学生之间，他们的前概念也可能存在差异。这些学生与教师，以及学生之间的不同，提供了课堂辩论的基础和要求。学生的前概念是在日常生活经验中形成的，尽管在多数情况下与科学概念不同，但是它们对学生来说是有意义的[13]。太阳每天从东方升起在西方降落、磁铁吸起小铁钉、卡车把小轿车撞坏了、天冷了要穿棉衣……类似的日常经验会导致学生认为太阳围绕地球转、磁铁的吸引力大、卡车的作用力大、棉衣产生热……研究发现，传统的教学模式很难转变前概念，教学要有目的和有意识地改变它们[14]。代表了我提出的辩论式教学法，它包含6个教学阶段，依次为提出问题-引出学生的前概念-创生认知矛盾-建构科学概念-捍卫科学概念-评价。辩论式教学要求教学从前概念开始，在教学过程中实现前概念与科学概念之间的辩论，使学生深刻认识科学概念和科学认知方法的优越性。我曾经以牛顿第三定律的教学为例，具体解释辩论式教学的过程和要点[15]。

我还记得20世纪90年代中国的物理教材在牛顿第三定律一节，以水槽实验开始展开。实验者双手各执一个漂浮在水面上的木块。一个木块上放一个条形磁体，另一个木块上放一个质量与磁体相当的铁块。同时放开双手后，观察者可以看到磁体和铁块相互靠拢。在此基础上，引入作用力与反作用力同时发生的结论。这是典型的实证主义教学模式。它假设学生只要看到实验事实，就会立刻改变自己的原有理解，接受科学的观点。实际上，许多研究发现，学生的学习受各种因素的影响，科学概念的转变没有那么容易[16]。要想有效地帮助学生实现概念转变，教师要提供机会让学生把自己的前概念激活。教师可以通过演示实验或者学生动手活动激活学生的相关生活经验。比方说，教师可以演示磁体吸引曲别针的现象。磁体不动，但是曲别针跳跃到磁体上。在此基础上提出问题“曲别针对磁体有作用力吗？”引出他们的潜意识概念，然后再通过水槽实验创生认知不平衡。教学过程中，教师要引导学生思考为什么要在水槽里做实验，为什么磁体和铁块的质量要相当。对科学教师教育的启示

科学教育界对教师和学生的科学观进行了相当长时间的研究[17-20]，目的是促进大家对科学的本质有正确的理解。科学和音乐、艺术一样，是人类的一种创作。这一创作影响社会和文化，同时又受社会和文化的影响。我建议科学教师读一读这方面的通俗著作，比如《科学革命的结构》[21]和《什么是科学》[22]。另外，我推荐教师阅读几本关于科学历史和科学哲学的书，会帮助教师理解科学的本质。相应地，学习不是接受知识，学习是一个知识的建构过程。教学不是传授知识，而是一个协助学生建构知识的过程。学习是一个与生俱来的行为，并不是学校的专利。学生的前认知带给学生一些基于直觉的理解，教师应该重视学生的前概念。辩论式教学应该成为科学课堂的常态。探究和辩论不仅是为了学习知识，更重要的是在一个相互尊重的环境下学习科学认知的过程。探究式和辩论式教学对教师提出了新要求。过去一个教师如果表达清楚、条理分明，能由易到难、讲解易懂，那么就是一个好教师。探究要求教师将教学的重点从知识习得转变到过程训练。探究既是教学手段，也是教学目的。辩论要求教师了解学生常见的前概念，依据前概念设计教学，与学生进行辩论而不是单向传授。教学过程是破除旧概念建立新概念的过程，是一个破中有立、立中有破、破立结合的辩证过程。探究和辩论都要求教师把学生放在教学中心，鼓励他们参与教学过程，激发他们发表意见、参与探究设计、参与课堂辩论，这样课程就变成一个活的教学过程了。

参考文献

[1] American Association for the Advancement of Science. Science for All Americans. Oxford University Press.1990.

[2] NGSS Lead States. Next Generation Science Standards: For States, By States. Washington, DC: The National Academies Press. 2013.

[3] Osborne, J., Collins, S., Ratcliffe, M., Millar, R., & Duschl, R. What “ideas‐about‐science” should be taught in school science? A Delphi study of the expert community. Journal of research in science teaching, 2003, 40(7), 692-720.

[4] Ontario Ministry of Education. Science (grade 9-12 curriculum). King’s Printer for Ontario. 2008.

[5] Ontario Ministry of Education. Science and Technology (grade k-8 curriculum). King’s Printer for Ontario. 2022.

[6] 周国强．对中国教育现状的几点认识．苏州大学学报（教科版），2014（1），121-125.

[7] National Research Council. A Framework for K-12 Science Education: Practices, Crosscutting Concepts, and Core Ideas. Washington, DC: The National Academies Press. 2012，P. 45

[8] Kuhn, D. Science as argument. Science Education, 1993, 77, 319-337.

[9] Kuhn, T. The structure of scientific revolutions. Chicago: Chicago University Press. 1970.

[10] Thagard, P. Conceptual revolutions. Princeton, NJ: Princeton University Press. 1992.

[11] Frank, J. Noble Lecture: Transformations of kinetic energy of free electrons into excitation energy of atoms by impacts. Retrieved Dec 8, 2023 from http://nobelprize.org/physics/laureates/1925/franck-lecture.pdf

[12] Driver, R., Guesne, E., & Tiberghien, A. (Eds.). Children’s ideas in science. Open University Press. 1985.

[13] Zhou, G., Nocente, N, & Brouwer, W. Understanding student cognition from an analysis of their preconceptions in physics. Alberta Journal of Educational Research, 2008，54(1).

[14] Redish, E. F., & Steinberg, R. N. Teaching physics: Figuring out what works. Physics Today, 1999，52, 24-30.

[15] Zhou, G. Conceptual change in science: A Process of Argumentation. Eurasia Journal of Science, Mathematics, and Technology Education, 2010，6(2), 101-110.

[16] Zhou, G. A Cultural Perspective of Conceptual Change: Re-examine the Goal of Science Education. McGill Journal of Education, 2012，47(1), 109-129.

[17] Lederman, N. G. Nature of science: Past, Present, and Future. In S. K. Abell, K. Appletom, D. Hanuscin (Eds.), Handbook of Research on Science Education (pp. 831–880). Mahwah, New Jersey: Lawrence Erlbaum Associates. 2007.

[18] Mcdonald, C. V., & Abd-El-Khalick, F. Representations of nature of science in school science textbooks: A global perspective. NY: Routledge. 2017.

[19] Abd‐El‐Khalick, F., Waters, M., & Le, A. P. Representations of nature of science in high school chemistry textbooks over the past four decades. Journal of Research in Science Teaching, 2008, 45(7), 835-855.

[20] Brunner, J. L., & Abd-El-Khalick, F. Improving nature of science instruction in elementary classes with modified science trade books and educative curriculum materials. Journal of Research in Science Teaching, 2020, 57(2), 154-183.

[21] Kuhn, T. The Structure of Scientific Revolutions. Chicago, Il: Chicago University Press. 1970.

[22] Chalmers, A. What it This Thing Called Science? University of Queensland Press, 4th edition, 2013.■

来源: 中国青少年科技教育工作者协会