呂 德 明

(溫嶺市城南中學(xué)，浙江 溫嶺 317515)

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學(xué)科探究

辯證地認(rèn)識(shí)科學(xué)知識(shí)與科學(xué)教學(xué)

呂 德 明

(溫嶺市城南中學(xué)，浙江 溫嶺 317515)

中學(xué)科學(xué)教學(xué)的現(xiàn)狀中有很多不科學(xué)的做法。由此從樹立正確知識(shí)觀入手，以掌握正確的科學(xué)方法、領(lǐng)會(huì)正確的科學(xué)精神為途徑幫助教師樹立正確的教學(xué)觀，使學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的同時(shí)體會(huì)科學(xué)文化，并最終建構(gòu)屬于學(xué)生的對(duì)宇宙的認(rèn)知圖式。

科學(xué)知識(shí)；科學(xué)方法；科學(xué)文化；科學(xué)教學(xué)

一、中學(xué)教師知識(shí)觀和教學(xué)觀的現(xiàn)狀

水中的倒影與擺動(dòng)的小球遵循著對(duì)稱之美；天體的運(yùn)行和原子的模型體現(xiàn)著統(tǒng)一之美；熱水中的冰塊和通過摩擦獲得的電荷展示著守恒之美。自然界在這些美妙的現(xiàn)象中向我們展示著它的神奇，同時(shí)它還隱藏著無數(shù)的秘密、遵循著許多特有的規(guī)律，這一切并不會(huì)因?yàn)槲覀兩形窗l(fā)現(xiàn)而停止運(yùn)轉(zhuǎn)?？茖W(xué)家們走在時(shí)代前面，通過不斷努力地觀察和實(shí)驗(yàn)，探尋著這些現(xiàn)象背后的規(guī)律，向世界提出他們對(duì)這些現(xiàn)象最好的解釋。然而，審視我們周圍科學(xué)教學(xué)的現(xiàn)狀卻不容樂觀：大部分教師認(rèn)為書本中的科學(xué)知識(shí)就是科學(xué)真理，是永遠(yuǎn)正確的理論，任何與之相違背或有偏差的現(xiàn)象一定是我們自己出了錯(cuò)，并想方設(shè)法推翻這些不符合理論的現(xiàn)象。認(rèn)真思考之后不難發(fā)現(xiàn)：這種做法和反對(duì)日心說的教會(huì)又有什么區(qū)別呢?所以，科學(xué)教學(xué)應(yīng)該走和科學(xué)家一樣的從已知到未知的道路。

二、樹立正確的知識(shí)觀

科學(xué)知識(shí)的產(chǎn)生是以科學(xué)家們?yōu)橹黧w，是他們?cè)趯?duì)宇宙中各種現(xiàn)象即客體認(rèn)識(shí)過程中所提出的描述。這個(gè)認(rèn)識(shí)過程為：從觀察事實(shí)中發(fā)現(xiàn)問題→針對(duì)問題建立符合科學(xué)家信念的猜想→通過觀察實(shí)驗(yàn)獲得證據(jù)驗(yàn)證猜想→大量證據(jù)符合猜想則猜想被接受并最終變成理論→不符合猜想則推翻原來的猜想并尋求更好的猜想。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，科學(xué)理論來自某種信念下的猜想，因此都具有假設(shè)性。目前的科學(xué)理論雖然經(jīng)受了大量的檢驗(yàn)，但不能被當(dāng)作絕對(duì)真理。因?yàn)?，縱觀整個(gè)科學(xué)史我們會(huì)發(fā)現(xiàn)：只要出現(xiàn)一些新現(xiàn)象不符合理論，該理論就面臨著被更替的境況。所以，科學(xué)知識(shí)的產(chǎn)生和發(fā)展是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，它既包含繼承與發(fā)展，也包含批判與顛覆。正如艾倫·查爾默斯在《科學(xué)究竟是什么》一書中提到的：“理論是人類智力創(chuàng)造的推測(cè)性和試探性的猜想，克服先前理論遇到的問題，給世界和宇宙某些方面提供適宜的描述。理論不一定是真的，但可以是最好的?！盵1]

1.科學(xué)知識(shí)的發(fā)展規(guī)律

從有文字記載以來人類文明經(jīng)歷了5 000多年，科學(xué)知識(shí)也是從那時(shí)開始萌芽?？茖W(xué)知識(shí)的發(fā)展具有積累性、漸進(jìn)性、繼承性和有序性，呈現(xiàn)循序漸進(jìn)的發(fā)展。[2]從發(fā)展過程分析，科學(xué)知識(shí)的獲得經(jīng)歷了無數(shù)的曲折?？茖W(xué)知識(shí)發(fā)展歷程就像達(dá)爾文的進(jìn)化論一樣，由過度繁殖→生存斗爭→遺傳變異→適者生存。我們呈現(xiàn)給學(xué)生的知識(shí)就是其中的“適者”，在現(xiàn)代科學(xué)知識(shí)達(dá)到了一個(gè)爆炸式發(fā)展的黃金時(shí)期。作為學(xué)生的引路人，教師也要不斷學(xué)習(xí)、更新觀念，因此，在知識(shí)的海洋里對(duì)每個(gè)人既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。

2.科學(xué)知識(shí)的聯(lián)動(dòng)性

科學(xué)知識(shí)量的積累到達(dá)一定程度就會(huì)發(fā)生質(zhì)的飛躍，這些飛躍就會(huì)引發(fā)變革。從冷兵器到火藥，從馬車到蒸汽機(jī)，從煤油燈到電燈，這些技術(shù)上的進(jìn)步都離不開科學(xué)，同時(shí)科學(xué)的發(fā)展也離不開技術(shù)的進(jìn)步，它們是相輔相成的?？茖W(xué)技術(shù)和社會(huì)同樣存在這樣的緊密聯(lián)系，民主的社會(huì)會(huì)促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，反之則抑制。我國古代的“焚書坑儒”、歐洲“黑暗的中世紀(jì)”導(dǎo)致科技出現(xiàn)空白就是很好的例證。當(dāng)今，科學(xué)技術(shù)這把雙刃劍對(duì)環(huán)境影響顯現(xiàn)得越來越明顯，關(guān)注科學(xué)技術(shù)與環(huán)境，學(xué)會(huì)運(yùn)用知識(shí)促使人與環(huán)境和諧發(fā)展，也是我們必須考慮的問題。這些現(xiàn)象都說明了科學(xué)知識(shí)不是孤立地存在，而是與技術(shù)、社會(huì)和環(huán)境緊密結(jié)合在一起體現(xiàn)著復(fù)雜的聯(lián)動(dòng)性。

三、樹立正確的教學(xué)觀

很多學(xué)生都曾經(jīng)做過一個(gè)科學(xué)家夢(mèng)：長大以后成為一名科學(xué)家。然而，隨著他們所獲得知識(shí)的增多，這個(gè)夢(mèng)也在慢慢地幻滅。究其原因?yàn)槲覀兒涂茖W(xué)家之間沒有溝通的渠道，現(xiàn)代的科研總是被一些先進(jìn)的儀器武裝起來，讓人望而生畏。其實(shí)，這是一個(gè)誤區(qū)，研究任何科學(xué)問題時(shí)，科學(xué)家們最初的想法都是非常簡單、非常樸素的。[3]那么，我們?cè)诮虒W(xué)中要給學(xué)生留下什么呢？筆者認(rèn)為在科學(xué)教學(xué)中，辯證地認(rèn)識(shí)科學(xué)知識(shí)產(chǎn)生的過程，運(yùn)用好觀察和實(shí)驗(yàn)、歸納和演繹等科學(xué)方法，帶領(lǐng)學(xué)生們?cè)诓粩嗟負(fù)荛_層層迷霧中滲透科學(xué)精神，探尋未知世界并建立他們自己對(duì)世界的認(rèn)知，才是我們科學(xué)教育工作者努力的方向。

1.準(zhǔn)確地利用科學(xué)方法建構(gòu)科學(xué)知識(shí)

人類通過感官感受世界，通過對(duì)觀察到的現(xiàn)象的分析建立對(duì)世界認(rèn)識(shí)的圖式。從問題出發(fā)，利用觀察和實(shí)驗(yàn)獲取經(jīng)驗(yàn)事實(shí)是建構(gòu)知識(shí)的首要任務(wù)。從觀察和實(shí)驗(yàn)到科學(xué)理論的建立是一個(gè)曲折的過程，正是因?yàn)樗那鄄攀刮覀冇刑骄康臎_動(dòng)。因此，在教學(xué)中我們不能走捷徑，要讓學(xué)生充分進(jìn)行觀察和實(shí)驗(yàn)，以此主動(dòng)獲得經(jīng)驗(yàn)事實(shí)。否則，科學(xué)教學(xué)就會(huì)走回迷信權(quán)威的歷史覆轍之中。

(1) 全面無偏見地觀察。我們的眼睛只能看到可見光，我們的耳朵也只能聽到頻率為20～20 000 Hz的聲音，我們所感受到的世界并不是世界的全部，盲人摸象的故事就是一個(gè)很好的例證。在這樣有限的觀察范圍內(nèi)，就必然需要我們進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的觀察以防止以偏概全。

例如：活潑金屬與酸反應(yīng)。為了確定反應(yīng)的發(fā)生，我們需要在實(shí)驗(yàn)中觀察產(chǎn)生的現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生往往最容易被產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象吸引，而忽略了其他現(xiàn)象的存在(如溶液顏色的變化、金屬反應(yīng)前后的金屬光澤等)。這樣的觀察結(jié)果能否證明金屬與酸發(fā)生了化學(xué)變化呢？答案當(dāng)然是否定的，就像如果我們把塑料球放入雪碧瓶中，塑料球周圍也會(huì)布滿氣泡，但這并不是塑料球與雪碧發(fā)生了化學(xué)變化。這個(gè)事例提醒我們，觀察需要排除我們的主觀意識(shí)，系統(tǒng)全面地觀察是保證我們認(rèn)識(shí)事物規(guī)律、減少錯(cuò)誤出現(xiàn)的重要保障。

(2) 利用已有知識(shí)描述觀察事實(shí)?？捎^察的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，在不同人的頭腦中會(huì)呈現(xiàn)出不同的形態(tài)，因此，學(xué)生陳述的觀察事實(shí)也是可錯(cuò)的。為了科學(xué)地描述觀察事實(shí)，我們必須以已有知識(shí)為前提，在已有知識(shí)的框架下陳述觀察到的現(xiàn)象。

例如：學(xué)習(xí)“條形磁鐵周圍存在磁場”，在條形磁鐵周圍放入小磁針，會(huì)觀察到小磁針在磁鐵周圍的不同位置處放置時(shí)N極的指向是不同的。但是，學(xué)生對(duì)于這一觀察事實(shí)的描述卻并不一定會(huì)向我們預(yù)期的目標(biāo)前進(jìn)。在很多學(xué)生的前概念里小磁針在磁場中是會(huì)運(yùn)動(dòng)的，因此，他們描述的觀察事實(shí)往往會(huì)是“小磁針在條形磁鐵不同位置都會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)”。這樣的描述就忽略了小磁針的主要作用是指示方向這一科學(xué)知識(shí)。如果他們意識(shí)到要用指示方向這一科學(xué)知識(shí)，再進(jìn)行描述的時(shí)候，就能更準(zhǔn)確地陳述觀察事實(shí)。

2.從陳述事實(shí)中提出假說

陳述事實(shí)只能說明科學(xué)中的某個(gè)事件，要想使有限的陳述事實(shí)變成科學(xué)知識(shí)，需要我們從有限數(shù)目的具體事件中，提出適合這些事件普遍認(rèn)同的最好解釋，從而使陳述事實(shí)逐步上升到普遍的科學(xué)理論。

(1) 從大量事實(shí)中歸納出統(tǒng)一規(guī)律，提出假說。自然界中有很多事物，存在大量可以通過觀察和實(shí)驗(yàn)來獲取陳述事實(shí)的例證。但是，這些事實(shí)或?qū)嶒?yàn)結(jié)果是在特定的時(shí)間和特殊的條件下獲得的，即使數(shù)量很多也并不能代表事物的全部?？茖W(xué)的目的不是認(rèn)識(shí)某個(gè)事物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)或規(guī)律，而是研究事物之間的普遍聯(lián)系。因此借助已獲得的事實(shí)，歸納概括出從個(gè)別到一般的假說就更有利于認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)。

例如：水中有倒影、銅鏡可以成像、玻璃幕墻會(huì)反光、穿白色衣服更涼快等等現(xiàn)象在光的世界中廣泛存在。通過概括這些普遍存在的現(xiàn)象，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)光傳播到這些物質(zhì)時(shí)，傳播方向會(huì)發(fā)生改變。這樣的陳述事實(shí)只能告訴我們有限的經(jīng)驗(yàn)，而如果我們想要得到更加普遍的知識(shí)，就必須在普遍現(xiàn)象的基礎(chǔ)上建構(gòu)出合適的假說，光的反射概念由此應(yīng)運(yùn)而生。光的反射概念的提出最大的優(yōu)點(diǎn)在于，它使人們對(duì)光的傳播方向改變這一事實(shí)的認(rèn)識(shí)，從個(gè)別現(xiàn)象歸納出普遍概念。如果想要對(duì)光的反射有更深入的認(rèn)識(shí)，就必須以定性描述為基礎(chǔ)，精確地找出入射光線和反射光線間的定量關(guān)系。建立定量關(guān)系的過程，即確定入射角和反射角的具體數(shù)值，并且得到有限個(gè)角度相等。要實(shí)現(xiàn)個(gè)別到一般的提升可借助數(shù)學(xué)語言進(jìn)行歸納性描述。我們把入射角用變量i表示，反射角用變量i′表示，這樣建立的等式就擺脫了具體的數(shù)值，進(jìn)而得到普遍規(guī)律。學(xué)生學(xué)習(xí)這一知識(shí)的過程，就是建構(gòu)對(duì)光的反射的認(rèn)知的過程，通過實(shí)驗(yàn)獲取證據(jù)來驗(yàn)證猜想。不論證據(jù)是否支持自己的猜想，尊重證據(jù)、尊重事實(shí)是必不可少的重要思維品質(zhì)。

(2) 從少量事實(shí)中演繹出一般規(guī)律，提出假說。自然界是神秘的，因?yàn)楹芏喱F(xiàn)象發(fā)生的概率很低，或者發(fā)生的時(shí)間短暫，或者已經(jīng)一去不復(fù)返。面對(duì)這樣的現(xiàn)象靠歸納的方法是不可靠的，這就需要我們利用已有知識(shí)演繹出對(duì)自然界適宜解釋即假說，并以此預(yù)測(cè)我們未知的現(xiàn)象，以判斷假說的正確與否。

例如：對(duì)于宇宙的起源的認(rèn)識(shí)?？档潞屠绽棺钤绺鶕?jù)觀測(cè)到的太陽系本身運(yùn)動(dòng)規(guī)律，利用角動(dòng)量守恒原理建立了星云假說，他們第一次把上帝排除在太陽系之外，并把演化的思想帶進(jìn)了天文學(xué)。哈勃根據(jù)觀測(cè)到的譜線紅移現(xiàn)象做出宇宙膨脹的解釋。勒梅特在哈勃基礎(chǔ)之上建立了“膨脹宇宙模型”，他對(duì)宇宙中恒星之間的位置不斷遠(yuǎn)離，而且離我們?cè)竭h(yuǎn)的恒星，遠(yuǎn)離我們的速度越快這一現(xiàn)象提出了解釋。1948年美國物理學(xué)家伽莫夫等人提出“大爆炸宇宙模型”，并預(yù)言宇宙中現(xiàn)在還存在著大爆炸的余熱，估計(jì)溫度在絕對(duì)10度左右。1964年科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了這種微波背景輻射，從而使該理論得到極大的支持，即現(xiàn)在普遍認(rèn)可的宇宙大爆炸學(xué)說。宇宙形成于約137億年前，人類不可能回到過去，所以對(duì)于宇宙起源之謎我們所知的事實(shí)很少。在這種情況下，我們對(duì)宇宙起源之謎只能進(jìn)行推測(cè)和猜想，所得到的描述也只能是一種假說。哪種假說能預(yù)言更多我們所未知的現(xiàn)象并最終被我們觀測(cè)到，那么該假說就更易被人們接受。

3.由歸納和演繹獲得的知識(shí)也是可錯(cuò)的

由歸納法和演繹法提出的假說，在得到事實(shí)證據(jù)支持的情況下，就會(huì)逐步演變成科學(xué)知識(shí)。不論是歸納法還是演繹法，由這些方法推導(dǎo)出的科學(xué)知識(shí)都是以有限的事實(shí)為前提。然而，由這些方法獲得的知識(shí)，卻是要解釋宇宙中無限多的事件，所以，這些知識(shí)也可能是錯(cuò)誤的。

(1) 觀察手段的進(jìn)步導(dǎo)致不完全歸納產(chǎn)生的知識(shí)錯(cuò)誤。事物是發(fā)展和變化的，一定時(shí)期的觀察會(huì)隨著觀察工具和人類認(rèn)識(shí)水平的進(jìn)步，而產(chǎn)生對(duì)事物解釋新的變化。

例如：亞里士多德被稱為希臘的“百科全書”，他認(rèn)為重的物體下落快。在迷信權(quán)威的古代，這種觀點(diǎn)歷經(jīng)兩千多年一直被大家廣泛認(rèn)可，因?yàn)?，在?dāng)時(shí)的社會(huì)里空氣阻力是無法排除的，那么，重力越大的物體空氣阻力對(duì)它的影響也就越小。當(dāng)時(shí)伽利略提出了邏輯思辨：把大小不同的兩個(gè)鐵球綁起來哪個(gè)先落地？用邏輯分析來證明，亞里士多德的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。證明某個(gè)觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的方法多種多樣，但是，人們更愿意接受眼見為實(shí)。當(dāng)兩個(gè)物體質(zhì)量相差懸殊且能同時(shí)落地時(shí)，人們就會(huì)接受這樣的事實(shí)。利用現(xiàn)代的工具我們可以做這樣的實(shí)驗(yàn)：把鋼珠、羽毛放到一個(gè)透明的玻璃管內(nèi)，抽出玻璃管內(nèi)的空氣，讓鋼珠和羽毛同時(shí)下落。最終，在新工具的幫助下，我們發(fā)現(xiàn)他們同時(shí)落地。這個(gè)例子說明了任何人通過歸納得出的知識(shí)，都是可錯(cuò)的。

(2) 誤差存在產(chǎn)生的錯(cuò)誤。科學(xué)理論在形成初期一般以定性解釋的形式出現(xiàn)，隨著理論的不斷完善以定量的數(shù)學(xué)形式出現(xiàn)就更具備可檢驗(yàn)性，也更易被人們接收。但是，精確定量的數(shù)學(xué)表達(dá)形式卻常常從并不精確的觀察測(cè)量中獲得，也是可錯(cuò)的。

直接觀察存在誤差，如我們觀察遠(yuǎn)處的景物或在遠(yuǎn)處觀察平面鏡中物體像的大小，距離越遠(yuǎn)我們感覺觀察到的物體越小。而間接觀察數(shù)據(jù)也可能存在誤差，如Q=mq，熱值是單位質(zhì)量的物體完全燃燒所產(chǎn)生的熱量。由公式測(cè)量熱值時(shí)，首先我們不可能做到完全燃燒，因?yàn)檠鯕馀c物體接觸面積有限；其次，即使我們擴(kuò)大了接觸面積也不可能使熱量不散失。這樣，看似精確的計(jì)算公式就存在很多不確定因素。

4.在科學(xué)教育中滲透科學(xué)文化

我國的傳統(tǒng)文化重視人的道德規(guī)范，對(duì)全世界都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。但是，這種過分強(qiáng)調(diào)人的尊卑、中庸的思想易于使人們迷信權(quán)威，其對(duì)于人們求真、創(chuàng)新、堅(jiān)持不懈和實(shí)事求是等科學(xué)精神、科學(xué)意識(shí)和科學(xué)態(tài)度的發(fā)展有一定的阻礙作用。在科學(xué)教學(xué)中，我們可以利用科學(xué)史向?qū)W生展示科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程中科學(xué)家所體現(xiàn)的科學(xué)精神。例如：竺可楨為了研究氣候問題幾十年如一日地堅(jiān)持科學(xué)觀測(cè)；鄧稼先為了獲得核裂變反應(yīng)的具體數(shù)據(jù)，冒著生命危險(xiǎn)進(jìn)入輻射區(qū)域采集第一手材料；亞里士多德為了真理冒著天下之大不韙批判他的恩師柏拉圖的學(xué)說。這些事例中所體現(xiàn)的科學(xué)精神，正是我們平時(shí)教學(xué)中所缺失的科學(xué)文化。學(xué)生們只有充分認(rèn)識(shí)到科學(xué)文化內(nèi)涵，才能使科學(xué)素養(yǎng)的提升成為可能。

總之，在科學(xué)教學(xué)中我們只有樹立正確的知識(shí)觀和教學(xué)觀，才能擺脫現(xiàn)有知識(shí)的羈絆；才能更理性地認(rèn)識(shí)科學(xué)理論，更自信地去揭示宇宙的奧秘；才能更科學(xué)地幫助學(xué)生掌握科學(xué)方法，繼承和發(fā)揚(yáng)科學(xué)精神，并最終建構(gòu)屬于他們的對(duì)世界的最好解釋。

[1] 艾倫·查爾默斯.科學(xué)究竟是什么[M].邱仁宗，譯.石家莊：河北科學(xué)技術(shù)出版社，2002：96-97.

[2] 欒早春.自然科學(xué)的發(fā)展規(guī)律[J].科研管理，1982(1):2.

[3] 劉睿銘.科學(xué)的故事[M].長春：吉林出版集團(tuán)有限公司，2014：181.

[責(zé)任編輯：陳學(xué)濤]

[DOI]10.16165/j.cnki.22-1096/g4.2016.08.018

2016-03-23

呂德明(1979-)，男，黑龍江七臺(tái)河人，中學(xué)高級(jí)教師。

G633.7

A

1002-1477(2016)08-0070-04