楊季冬　王后雄

摘要： 科學解釋是一種重要的科學實踐活動，提升學生科學解釋能力是科學教育的一個重要目標，在我國科學教育中應(yīng)當給予關(guān)注。這不僅因為在科學發(fā)展中，科學解釋有著重要地位，而且學生通過科學解釋能夠促進知識理解、提升探究質(zhì)量、培養(yǎng)高階思維、發(fā)展核心素養(yǎng)。通過分析國際的測評框架和許多國家及地區(qū)的科學課程標準，也發(fā)現(xiàn)科學解釋受到各方關(guān)注。

關(guān)鍵詞： 科學教育; 科學解釋; 核心素養(yǎng); 國際理念

文章編號： 1005-6629（2019）5-0003-06 ? ? ? ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： B

科學解釋在科學活動中有著重要的作用，它可以是科學探究的目的，可以是科學理論的應(yīng)用，也可以是科學知識形成的一個環(huán)節(jié)。對科學解釋研究的主陣地是科學哲學，不同的哲學家持不同的科學哲學觀便會對科學解釋有著不同的理解，他們重點是從邏輯結(jié)構(gòu)及語用學角度進行研究，因此他們對科學解釋的本體討論是深入的、復雜的。而作為科學教育者，則一般站在較為寬松的哲學立場上定義科學解釋[1]，進而重點關(guān)注在課堂場域之中教學主體的科學解釋行為、能力等?？茖W解釋的基本內(nèi)涵是解釋者通過理論或方法來闡述自然現(xiàn)象背后的原因或發(fā)生過程。

不論是科學研究，還是科學教育中，科學解釋都扮演了重要角色，然而我國科學解釋的相關(guān)文獻并不多見?？梢?，在我國科學教育的研究領(lǐng)域?qū)Υ俗h題的關(guān)注度較低。因此，需要先行對科學教育中關(guān)注科學解釋的必要性進行探討。

科學解釋能夠推動科學事業(yè)發(fā)展，促進公眾理解科學，是一類重要的科學實踐活動。因此，學生學習科學要利用科學解釋、進行科學解釋，從而實現(xiàn)發(fā)展。而了解相關(guān)國際理念，有助于我們搞好科學解釋的教學。由此，本文將從科學發(fā)展、科學學習、國際理念三個視角對該問題進行闡述，其具體聯(lián)系如圖1所示。

1 ?科學發(fā)展視角

科學的發(fā)展離不開科學本體研究，也離不開科學哲學的探索，而科學解釋在這兩方面都有著重要地位。

1.1 ?科學進步與科學解釋密切相關(guān)

科學最重要的目的之一就是試圖解釋周圍所發(fā)生的一切[2]。有時科學家出于實際目的從而尋求解釋，例如我們想知道是什么原因?qū)е氯蜃兣?，從而采取一些有用的措施。而有時則是出于好奇，想了解我們的世界。在提供解釋上，雖然宗教、文學、哲學等也在為之努力，但無疑科學取得了巨大的成功。

可以說對科學解釋的追求推動了科學發(fā)展，而科學的發(fā)展則會為我們提供強有力的科學解釋。在科學史中，重要的成果都體現(xiàn)了上述兩方面。燃燒是自然界中發(fā)生的一個重要現(xiàn)象，正是人類希望解釋燃燒現(xiàn)象，從而產(chǎn)生化學史上的第一個理論——燃素說，該理論不僅解釋了燃燒現(xiàn)象，而且還成功地解釋了許多其他化學現(xiàn)象，因此，它作為統(tǒng)一理論一直延續(xù)到18世紀末。隨著新發(fā)現(xiàn)的化學現(xiàn)象層出不窮，燃素說的解釋日漸乏力，面臨全面的危機。然后拉瓦錫（A.L. Lavoisier）根據(jù)已有的實驗現(xiàn)象，給出了正確解釋，建立了氧化學說。也正是氧化學說能夠科學地解釋大量的化學事實，因此拉瓦錫將其擴展成為一個普遍性理論，并使用至今。再比如科學家對化學鍵的研究也與“解釋”密不可分。眾所周知，原子依靠化學鍵形成了分子，路易斯（G.N. Lewis）是較早對化學鍵進行了解釋，并提出了路易斯理論，即著名的八隅體規(guī)則的。路易斯理論雖然能夠解釋一些事實，但其缺陷也十分明顯，比如不能解釋分子的立體結(jié)構(gòu)，不能解釋不符合“八隅體規(guī)則”的穩(wěn)定分子，也無法解釋電荷排斥的兩個電子能夠形成電子對。此后，德國化學家海特勒（W. Heitler）和倫敦（F.London）應(yīng)用量子力學求解氫分子的薛定諤方程揭示了共價鍵的本質(zhì)，提出了化學鍵的價鍵理論。鮑林（L.Pauling）則在此后提出雜化軌道理論，解釋了多原子分子的幾何構(gòu)型，推動了價鍵理論的發(fā)展。由于價鍵理論不能有效地解釋如He ?+2的形成、氧分子順磁性，因此20世紀30年代馬利肯（R.S.Mulliken）和洪特（F.Hund）又提出一種新的理論——分子軌道理論。分子軌道理論和價鍵理論成為解釋分子結(jié)構(gòu)的兩大不同分支。由此可見，許多科學理論的發(fā)展離不開科學解釋。

1.2 ?科學哲學對科學解釋密切關(guān)注

科學解釋是科學哲學中的核心問題之一，幾乎所有的科學哲學大家都對科學解釋進行過研究，梳理他們的觀點能反映出科學解釋之于科學活動的重要性。

從古希臘時期的米利都學派開始，人們就試圖用自然因素而不是神話故事來解釋世界。之后各流派也都是對實在、本質(zhì)進行探討，認為這些是解釋現(xiàn)象世界的原因。亞里士多德繼承了這一觀念，并對科學解釋進行了一些學理分析。亞里士多德科學方法論的要害在于演繹與歸納，而科學解釋在其中則是一個必要環(huán)節(jié)，即通過歸納獲得解釋性原理，再通過解釋性原理演繹被解釋的經(jīng)驗現(xiàn)象，如圖2所示。亞里士多德更多的是強調(diào)理性、邏輯，而非經(jīng)驗。在伽利略與牛頓等人的工作下，科學解釋與實驗科學相結(jié)合，用經(jīng)驗事實與數(shù)學來獲取普遍定律，這對科學解釋理論來說是一個重要突破。

實證主義的孔德認為，人的思想發(fā)展分為神學階段、形而上學階段和科學階段。在神學階段人們通過神的力量來解釋萬物，在形而上學階段人們以抽象觀念來解釋萬物，在科學階段人們只是借助觀察、推理來解釋現(xiàn)象世界，因此其科學解釋有著實證意味。另一位實證主義的代表人物穆勒在提出其“歸納五法”中，也發(fā)展了科學解釋理論。其獨特貢獻在于區(qū)分了對單個事件的解釋和對定律的解釋，認為它們本質(zhì)上都是因果解釋，這一區(qū)分得普遍認同。

之后坎貝爾、石里克、波普爾都對該問題進行過討論，但是一個重要節(jié)點出現(xiàn)在了1948年。亨普爾與奧本海默發(fā)表了《解釋的邏輯研究》，提出了第一個科學解釋模型，即演繹-定律模型（DeductiveNomological Model， D-N模型），提出“演繹即論證”的科學解釋觀，形成了邏輯實證主義對科學解釋的解釋。其后，科學解釋成為了科學哲學中的一個核心問題，不斷有人在亨普爾的研究基礎(chǔ)上進行拓展、改良、批判，從而形成一片繁榮的研究景象。

科學哲學的歷史主義建立在批判邏輯實證主義的基礎(chǔ)之上，其代表人物圖爾敏認為科學哲學不應(yīng)與科學史、科學實踐相脫節(jié)，認識到科學解釋在科學實踐中的基礎(chǔ)作用，將解釋看作科學理論的本質(zhì)特征。庫恩繼承圖爾敏的觀念，并將科學解釋與范式結(jié)合起來，認為科學解釋是在范式指導下的活動，范式?jīng)Q定了需要解釋的現(xiàn)象，也決定了解釋的準則。

隨后，語用學科學解釋繼承并發(fā)展了科學解釋的歷史主義，其中代表人物是范弗拉森和阿欽斯坦。范弗拉森通過強調(diào)語境的作用，一定程度上克服邏輯實證主義的一些問題，同時也掀起了科學哲學上對科學解釋討論的另一個高潮。

2 ?科學學習視角

促進學生的發(fā)展是一個永恒的話題，在學生科學學習中融入科學解釋有以下幾個主要作用。

2.1 ?促進學生知識理解

發(fā)展學生對科學概念有意義理解對實現(xiàn)培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)至關(guān)重要。有意義的理解科學概念并不是對它們死記硬背，而是在不同的信息片段間建立聯(lián)系，而運用現(xiàn)有的科學知識來解釋現(xiàn)象便是如此。建構(gòu)科學解釋需要將依據(jù)與事實相聯(lián)系，而這些依據(jù)往往便是“理論”“假設(shè)”“模型”等，因此學生在學習科學解釋的過程中能對這些詞語的科學意義產(chǎn)生理解，同時也會比較它們的含義與日常生活中有何不同[3]。學生在構(gòu)建解釋的過程中也會對當前科學中的主要理論和模型進行深入了解，如分子動理論、玻爾理論等，學生將體會到這些理論如何解釋數(shù)據(jù)、如何解釋觀測的現(xiàn)象。在這個學習過程中，從對常見現(xiàn)象的解釋出發(fā)，學生學習某種科學理論，進而再用科學理論解釋其他的現(xiàn)象則可以加深對理論的理解，這符合“實踐-認識-再實踐-再認識”的哲學認識論。還有研究認為科學概念的深入理解與轉(zhuǎn)化需要語言的支持[4]，而不論是口頭解釋還是書面解釋這都是語言參與，因此這也說明科學解釋有助于學生對科學概念的準確理解。

2.2 ?提升科學探究質(zhì)量

科學探究能使學生體會科學家進行研究的過程，幫助學生體會科學知識產(chǎn)生的過程。桑多瓦爾（Sandoval）和瑞瑟（Reiser）在其研究中把科學解釋作為科學認識論的一個重要的方面。他們提倡在探究活動中學生應(yīng)為解釋現(xiàn)象而努力，并強調(diào)學生所采用的解釋形式。這有利于讓學生在探究活動中注意解釋的認知特征，也為學生的探究提供了認知目標。在科學探究中構(gòu)建令人信服的科學解釋需要有明確的因果關(guān)系和數(shù)據(jù)的支撐。在探究活動中，學生注意發(fā)展符合標準的科學解釋，他們將更多地了解科學本質(zhì)和科學的心理習慣[5]。在該過程中學生也將體會到科學知識是如何建立的，這使他們今后能更好地成為科學知識的消費者，并能更好地判斷社會上的偽科學。此外，還有研究表明，解釋驅(qū)動探究是以建構(gòu)解釋的實踐活動為核心，驅(qū)動學生探究活動的展開，它能夠促進學生科學概念理解水平的提高[6]。

2.3 ?培養(yǎng)學生高階思維

高階思維可以看作一系列復雜、非線性、不規(guī)則思維的集合體[7]，比如批判性思維、創(chuàng)造性思維等，都屬于高階思維。高階思維不是知識本身，不具備可傳遞性，因此要培養(yǎng)學生的高階思維必須要讓學生參與相關(guān)的能動活動。在此，以批判性思維和創(chuàng)造性思維為例來說明構(gòu)建科學解釋如何能培養(yǎng)學生的高階思維。學生通過科學學習或者實驗操作，針對現(xiàn)象構(gòu)建科學解釋，在這個過程中會有不同理解，從而產(chǎn)生學生獨特的觀點，能夠通過推理產(chǎn)生自洽的認知，這本身就是一種創(chuàng)造行為。而對于一個現(xiàn)象產(chǎn)生諸多解釋，即存在競爭解釋時，學生通過相互評估、判斷、反駁，對不同主張進行辨別，從而發(fā)展批判思維。在構(gòu)建科學解釋的實踐活動中，學生既能發(fā)揮主體性，也能發(fā)揮主體間性，從而使學生一系列的高階思維能夠得到培養(yǎng)。

2.4 ?發(fā)展學生核心素養(yǎng)

發(fā)展學生的核心素養(yǎng)意味著課程的“知識本位”要轉(zhuǎn)向“素養(yǎng)本位”，關(guān)鍵問題是如何將知識轉(zhuǎn)化為素養(yǎng)?？茖W解釋本身就被認為是科學素養(yǎng)之一（如PISA測試），換句話說一個具備科學素養(yǎng)的公民應(yīng)該能夠科學地解釋現(xiàn)象，因此培養(yǎng)學生科學解釋的能力就是在發(fā)展學生的科學素養(yǎng)。在我國科學素養(yǎng)被具體化為物理核心素養(yǎng)、化學核心素養(yǎng)、生物核心素養(yǎng)，那么發(fā)展學生科學解釋能力的同時是否有助于這些學科核心素養(yǎng)的形成呢？以化學學科為例，化學核心素養(yǎng)分為了五個維度[8]，其中“證據(jù)推理與模型認知”這一核心素養(yǎng)要求學生“建立認知模型，并能運用模型解釋化學現(xiàn)象”，而在建立認知模型的過程中也會涉及到基于證據(jù)的推理;“科學探究與創(chuàng)新意識”中提到，“認識科學探究是進行科學解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應(yīng)用的科學實踐活動”，這與前文所述有一致之處，即科學解釋是科學探究的一個重要目的;“宏觀辨識與微觀探析”則涉及通過物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)解釋宏觀現(xiàn)象等等。由此可以看出科學解釋可以作為發(fā)展學生核心素養(yǎng)的一個抓手，將“素養(yǎng)為本”的理念落到實處。

3 ?國際理念視角

在國際科學教育浪潮中，一些國際測評框架、許多國家及地區(qū)的課程文件進行了更新，但它們都對科學解釋給予關(guān)注。

3.1 ?國際科學測評關(guān)注科學解釋

由經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（OECD）組織的PISA測試在歷次科學素養(yǎng)測量中都將“科學地解釋現(xiàn)象”作為評估能力之一。在其2015年的評價和分析框架中明確提到科學在文化上的成功在于其提供一些解釋性的理論，從而改變了我們對自然界的看法，一個具有科學素養(yǎng)的人應(yīng)當具備科學解釋的能力，指出“科學地解釋現(xiàn)象”是指認識、提供、評價各種自然與技術(shù)現(xiàn)象的解釋。科學的解釋現(xiàn)象的能力要求學生在特定情況下回憶適當內(nèi)容知識，并用它來解釋感興趣的現(xiàn)象。這些知識也可以用來在缺乏相關(guān)知識或數(shù)據(jù)的情況下產(chǎn)生初步的解釋性假設(shè)。一個具備科學素養(yǎng)的人能夠利用標準的科學模型簡單地解釋日常現(xiàn)象（如抗生素為什么不殺死病毒），并利用這些預測現(xiàn)象。這種能力包括描述現(xiàn)象并預測可能發(fā)生的變化過程。此外，它還包括識別適當?shù)拿枋觥⒔忉尯皖A測[9]。

而另一項大規(guī)模的國際測評TIMSS同樣也對科學解釋給予了關(guān)注?！?019科學框架》是TIMSS針對2019年科學測評發(fā)布的最新框架，其中主要部分是四年級與八年級學生的測評內(nèi)容。TIMSS將認知維度分為了解、應(yīng)用、推理，而“解釋”則被歸入應(yīng)用之中，被描述為使用科學概念或原理為觀察或自然現(xiàn)象提供解釋。比如在八年級生命科學中提到“解釋主要器官和主要器官系統(tǒng)在維持生命中的作用”，化學中提到“解釋溫度、攪拌和表面積（溶質(zhì)與溶劑接觸面積）如何影響溶質(zhì)溶解的速率”，地球科學中提到“解釋節(jié)約用水的重要性，并描述確保人類有充足淡水的方法”等[10]。而以下題目則是TIMSS對學生科學解釋能力的測試實例：

例1 ?（八年級）像鷹這樣的猛禽無法在沒有植物的環(huán)境中生存。請解釋原因。

例2 ?（四年級）一塊磁鐵固定在一個塑料小車頂部。Sarah想用另一個磁鐵來推動小車（見圖3、圖4）。

她用哪種方式拿磁鐵能推動小車？

解釋你所選擇的答案。

3.2 ?各國及地區(qū)科學課程關(guān)注科學解釋

美國于2011年頒布的重要科學教育文件《K-12科學教育框架： 實踐、跨學科概念與核心觀念》，將1996年頒發(fā)的《國家科學教育標準》著重倡導的“探究”轉(zhuǎn)向“實踐”[11]，并將構(gòu)建科學解釋視為8項科學實踐能力之一。該框架指出，“科學是為了增進人類對世界的理解，而科學理論的發(fā)展提供了解釋，旨在闡述特定的自然現(xiàn)象，預測未來的事件，對發(fā)生的事情做出推論?！碚摬粌H僅是猜測，其重要價值在于能為多個事件提供解釋”[12]?？茖W解釋是將科學理論與具體觀察或現(xiàn)象聯(lián)系起來的描述，框架將該實踐能力分述成了八條具體目標，以及相關(guān)的學習進階。在此基礎(chǔ)上，美國于2013年頒布《下一代科學標準》，將這些目標與具體學科內(nèi)容實現(xiàn)了融合。

英國于2014年發(fā)布了《英國國家課程框架文件》，在其科學課程中多次表達科學解釋的重要性。在科學學習目的部分指出，“通過建立一個重要的基礎(chǔ)知識和概念的主體，應(yīng)該鼓勵學生認識到理性解釋的力量，……他們應(yīng)該被鼓勵去理解科學如何被用來解釋正在發(fā)生的事情，預測事物的行為，并分析原因”。從該表述中可看出他們要求學生既要領(lǐng)悟科學的理性解釋的作用，也要具備科學解釋的能力。而在具體各階段描述中也多次提到解釋，比如在階段3（Key Stage 3，類似我國初中階段）“分析與評價”中要求學生能夠“給出合理解釋，包括解釋與預測、猜想相關(guān)的數(shù)據(jù)”，在階段4（Key Stage 4，類似我國高中階段）“發(fā)展科學思維”中要求學生能夠“解釋日常生活和技術(shù)中的科學應(yīng)用”[13]。

澳大利亞高中各科學課程中都提到了科學的解釋作用。在其物理課程原理中指出“物理是一門基礎(chǔ)科學，它正努力解釋宇宙中所有的自然現(xiàn)象。它的力量在于使用相對較少的假設(shè)、模型、定律和理論來解釋各種各樣的現(xiàn)象?！瓕W生要研究統(tǒng)一的物理概念如何解釋不同的現(xiàn)象……”在物理對應(yīng)的課程目標中則提出要讓學生理解多樣的現(xiàn)象能夠被解釋。在化學課程的培養(yǎng)目標中則指出： （1）要讓學生明白在他們所處的不斷變化的世界中化學在解釋現(xiàn)象時的有用性;（2）了解解釋化學系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的理論與模型[14]。而類似的情況也出現(xiàn)在其生物與地理的課程目標中。

新加坡學生在PISA和TIMSS測試中都表現(xiàn)優(yōu)異。其《化學大綱大學預科H1》中指出，“教學大綱的目的是發(fā)展學生在宏觀現(xiàn)象、微觀互動和符號表征之間的化學能力，以此聯(lián)系和解釋自然界”，在學習目標中明確提出“要發(fā)展學生思維方式來解釋現(xiàn)象……聯(lián)系宏觀、微觀、符號表征來解釋和預測化學系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)”。在學生評價方面，大綱分為“知識理解”與“操作、應(yīng)用與評價信息”。在“知識理解”中，大綱規(guī)定的知識內(nèi)容會以六個行為動詞來表述，“解釋”是其中之一（其余五個為定義、陳述、命名、描述、概述）。在“操作、應(yīng)用和信息評價”中，則要求學生“對現(xiàn)象、模式、關(guān)系給出合理解釋”[15]。而在其余級別（如H2）、其余學科（如物理、生物）的大綱中也都有此情況，可見新加坡對學生科學解釋能力十分重視。

我國香港地區(qū)2015年更新了高中科學教育課程文件，包括物理、生物、化學、綜合科學、組合科學。以《組合科學課程與評估指引（中四至中六）》為例，其評估目標分為物理、化學、生物三個部分來表述，物理部分所需評價學生的能力之一為“應(yīng)用物理知識、概念和原理來解釋現(xiàn)象和觀察結(jié)果，并解決問題”，化學部分所需評價學生的能力之一為“應(yīng)用化學知識，解釋觀察所得和解答為接觸的難題”，生物學部分所需評價學生的能力之一為“應(yīng)用生物學知識、概念及原理，解釋現(xiàn)象和觀察結(jié)果，以及解答問題”?？梢姡愀鄣貐^(qū)將科學解釋作為學習完科學課程后學生需要形成的一種必備能力。除此以外，還強調(diào)學生在科學探究學習中科學解釋的重要作用[16]。

綜上所述，從科學發(fā)展、科學學習、國際理念三個視角出發(fā)，發(fā)現(xiàn)關(guān)注科學解釋既有利于科學事業(yè)發(fā)展，也有利于學生科學學習，還有利于我國科學教育在改革浪潮中穩(wěn)步前進。由此可見，我國科學教育應(yīng)對科學解釋給予關(guān)注。然而從現(xiàn)實來看，在我國目前的科學教育領(lǐng)域?qū)茖W解釋的研究并不多見，因此，將科學解釋融入科學課堂既需要相關(guān)教師具有相關(guān)意識，也需要研究人員做好相關(guān)的本土化研究，從而發(fā)揮科學解釋在科學教育中的巨大作用。

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