周國強(qiáng)，現(xiàn)任加拿大溫莎大學(xué)教育學(xué)院教授、副院長、博士生導(dǎo)師，加拿大阿爾伯塔大學(xué)科學(xué)教育博士。研究領(lǐng)域涵蓋科學(xué)教育、教師教育、國際和比較教育。曾擔(dān)任溫莎大學(xué)校董會(huì)、課程審查委員會(huì)、教育技術(shù)督導(dǎo)委員會(huì)委員，參與制定加拿大安大略省教師教育標(biāo)準(zhǔn)和教師教育項(xiàng)目評(píng)估指導(dǎo)文件。

科學(xué)是什么？這是任何科學(xué)教育工作者首先要回答的問題。因?yàn)閷?duì)科學(xué)本質(zhì)的理解決定了我們?nèi)绾谓炭茖W(xué)，教什么，達(dá)到什么教學(xué)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(xué)教學(xué)論。我常常將這門課的教學(xué)分為多個(gè)課程包。第1 個(gè)課程包就是“科學(xué)的本質(zhì)和科學(xué)課程”，目的是讓學(xué)生認(rèn)識(shí)什么是科學(xué)，理解科學(xué)的本質(zhì)如何指導(dǎo)我們?cè)O(shè)計(jì)科學(xué)課程的內(nèi)容和教學(xué)方法。在課堂上，我利用科學(xué)史故事引導(dǎo)學(xué)生討論科學(xué)的本質(zhì)，效果很好。

科學(xué)的本質(zhì)

在我們的學(xué)校教育和社會(huì)宣傳中，科學(xué)常常被描述為真理，追求科學(xué)就是追求真理。大家都知道，現(xiàn)代科學(xué)起源于西方，但是西方社會(huì)卻沒有把科學(xué)如此神話，他們認(rèn)為科學(xué)不是真理，科學(xué)是人類為解釋自然而創(chuàng)建的模型。美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)對(duì)科學(xué)的本質(zhì)有詳細(xì)的論述[1]?？茖W(xué)認(rèn)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(rèn)知的。宇宙的基本規(guī)律具有普適性，不受地點(diǎn)、時(shí)間和尺寸大小的限制。科學(xué)的觀點(diǎn)隨著時(shí)間的推移會(huì)發(fā)生變化?？茖W(xué)家創(chuàng)建科學(xué)理論解釋觀察結(jié)果，有時(shí)同樣的觀察結(jié)果可以用不同的理論加以解釋，而且新的觀察結(jié)果會(huì)推動(dòng)改變現(xiàn)有的理論解釋。盡管科學(xué)拒絕接受絕對(duì)真理的概念，但是大部分的科學(xué)知識(shí)在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)是可信的。在科學(xué)發(fā)展進(jìn)程中，修正現(xiàn)有的知識(shí)是常態(tài)，而不是完全拋棄。另外，科學(xué)不是萬能的，科學(xué)無法提供對(duì)所有問題的完整答案。比如說信仰、迷信、占卜等，很難用科學(xué)證明它們是對(duì)還是錯(cuò)。以上這些就是我們常說的科學(xué)的世界觀。

對(duì)于科學(xué)的探究過程，美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)強(qiáng)調(diào)科學(xué)需要證據(jù)，證據(jù)來自于自然觀察或者實(shí)驗(yàn)研究。科學(xué)是邏輯推理的產(chǎn)物，但是科學(xué)家常常利用想象和猜測(cè)提出假設(shè)?？茖W(xué)理論應(yīng)該能夠解釋現(xiàn)有的觀察結(jié)果，而且能預(yù)言新的現(xiàn)象，具有證偽性?？茖W(xué)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(huì)導(dǎo)致個(gè)人偏見的產(chǎn)生，但是作為科學(xué)家群體，科學(xué)通過已經(jīng)公認(rèn)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)和審核程序控制科學(xué)中的偏見。同其他行業(yè)一樣，威望高的科學(xué)家會(huì)引領(lǐng)科學(xué)研究，但是這并不說明威望賦予他們特殊的科學(xué)評(píng)判的權(quán)利?？茖W(xué)作為人類的活動(dòng)，它受個(gè)人、社會(huì)和工作環(huán)境的影響?？茖W(xué)研究應(yīng)該遵守科學(xué)倫理（道德）規(guī)范，比如科學(xué)家要保證科研數(shù)據(jù)真實(shí)和公開，以方便其他科學(xué)家進(jìn)行重復(fù)和驗(yàn)證?？上У氖牵茖W(xué)家有時(shí)會(huì)為了追逐名利而在科研數(shù)據(jù)上造假。科學(xué)研究要遵守被研究對(duì)象的意愿和權(quán)益，并把可能的傷害降到最低?？茖W(xué)家要具有對(duì)人類社會(huì)的責(zé)任意識(shí)，他們的研究可能會(huì)對(duì)人類帶來巨大的傷害，比如核彈技術(shù)、克隆和生成性人工智能等。科學(xué)家是否應(yīng)該從事這方面的研究和遵循什么樣的標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)家對(duì)此有不同的看法，但是值得社會(huì)各界的關(guān)注。

美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中這樣概述“科學(xué)的本質(zhì)”[2]：

● 科學(xué)研究運(yùn)用許多方法

● 科學(xué)知識(shí)以實(shí)證數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)

● 科學(xué)知識(shí)需要與時(shí)俱進(jìn)

● 科學(xué)模型、規(guī)律和理論解釋各種自然現(xiàn)象

● 科學(xué)是一種認(rèn)知方法

● 科學(xué)假定自然體系具有連貫性和有序性

● 科學(xué)是人類的探索活動(dòng)

● 科學(xué)回答有關(guān)自然和物質(zhì)世界的問題

科學(xué)課程的目的

科學(xué)不僅是知識(shí)本身，它代表一種世界觀和認(rèn)識(shí)論。與人類的其他行為一樣，科學(xué)具有社會(huì)性，受道德規(guī)范的約束。為了讓學(xué)生對(duì)科學(xué)有一個(gè)全面的理解，科學(xué)教育不能僅局限于傳授知識(shí)，應(yīng)該既教科學(xué)，又教有關(guān)科學(xué)的知識(shí)[3]。在相當(dāng)長的時(shí)間里，我們將基本知識(shí)和基本技能定義為中小學(xué)科學(xué)課程的中心任務(wù)，而忽略了有關(guān)科學(xué)的知識(shí)，包括科學(xué)認(rèn)知過程、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)倫理、科學(xué)社會(huì)性等?？v觀世界各國的科學(xué)教育課程標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)課程的設(shè)置都反映了科學(xué)本質(zhì)的各個(gè)方面。比如說加拿大安大略省的高中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[4] 指出，科學(xué)課程的基本目標(biāo)是培養(yǎng)所有高中學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，包括科學(xué)知識(shí)、技能和態(tài)度習(xí)慣。一個(gè)具有科學(xué)素質(zhì)的人應(yīng)該能夠理解有關(guān)科學(xué)技術(shù)的常見媒體報(bào)告，批判性地評(píng)價(jià)媒體信息，有信心參加關(guān)于科技問題的討論和決定。明白科學(xué)家作為個(gè)人和群體在做什么，科學(xué)知識(shí)是如何產(chǎn)生和驗(yàn)證的，科學(xué)知識(shí)的應(yīng)用有哪些好處、代價(jià)和危險(xiǎn)，科學(xué)如何與技術(shù)、社會(huì)和環(huán)境相互影響?？茖W(xué)素質(zhì)不僅對(duì)將來學(xué)習(xí)科學(xué)技術(shù)的學(xué)生重要，同樣適用學(xué)習(xí)其他多種學(xué)科的學(xué)生，比如學(xué)習(xí)法律、經(jīng)濟(jì)、商業(yè)等的學(xué)生。2022 年剛修訂的加拿大安大略省中小學(xué)科學(xué)技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)[5] 規(guī)定了科學(xué)技術(shù)課程的3 個(gè)主要目的：

● 發(fā)展科學(xué)技術(shù)探究的技能和綜合應(yīng)用

● 將科學(xué)技術(shù)與不斷變化的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境聯(lián)系起來

● 探索和理解科學(xué)技術(shù)概念

這3 個(gè)目的沒有1 個(gè)終止在科學(xué)知識(shí)上，而是定標(biāo)在對(duì)科學(xué)技術(shù)探究和應(yīng)用的概念理解、技能培養(yǎng)，以及與科學(xué)實(shí)踐相關(guān)的宏觀問題上。更具體講，中小學(xué)科學(xué)技術(shù)課程應(yīng)該培養(yǎng)所有學(xué)生：

● 應(yīng)用科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)技能幫助解決學(xué)生個(gè)人和社區(qū)的復(fù)雜問題

● 理解STEM 學(xué)科之間與實(shí)際應(yīng)用中的相關(guān)性

● 理解世界的驚奇和復(fù)雜性，對(duì)科學(xué)技術(shù)在解決環(huán)境和社會(huì)問題上的功效和局限保持樂觀和切合實(shí)際的態(tài)度

● 思考科學(xué)技術(shù)發(fā)展的后果（人類想要的和不想要的）

● 發(fā)展科學(xué)素質(zhì)和技術(shù)技能以便解決科學(xué)技術(shù)問題和成為具有識(shí)辨能力的公民

● 意識(shí)到自己將來能對(duì)STEM 領(lǐng)域作出貢獻(xiàn)

● 意識(shí)到自己可以有效地學(xué)習(xí)科學(xué)技術(shù)，自己的社會(huì)和文化背景可以幫助對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)革新作出貢獻(xiàn)

● 對(duì)影響個(gè)人和社區(qū)的科學(xué)技術(shù)問題探索有效的、公平的、包容的和可持續(xù)的解決方案

● 認(rèn)識(shí)到土著人知識(shí)和認(rèn)知的重要性，理解不同的認(rèn)知觀如何幫助解決STEM 領(lǐng)域所面臨的問題和挑戰(zhàn)

科學(xué)課程的教學(xué)方法

有效的科學(xué)教學(xué)方法應(yīng)該跳出以知識(shí)傳授為中心的傳統(tǒng)，展現(xiàn)給學(xué)生科學(xué)的真實(shí)面貌。換句話說，科學(xué)教學(xué)應(yīng)該以科學(xué)的本質(zhì)為指導(dǎo)，以達(dá)到現(xiàn)代科學(xué)教育的新標(biāo)準(zhǔn)。這里我想重點(diǎn)討論科學(xué)教育方法的2 個(gè)熱門話題：探究式教學(xué)和辯論式教學(xué)。

探究既是教學(xué)方法也是教學(xué)目的

探究式教學(xué)在國內(nèi)外已經(jīng)討論了很久。探究作為科學(xué)本質(zhì)的核心，不應(yīng)該僅僅被視為一種教學(xué)方法，更是一種教學(xué)目的。相對(duì)于知識(shí)傳授式教學(xué)，我們常常把探究作為學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)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(xué)生對(duì)知識(shí)來源的理解，但是仍然將其最終目的定位在學(xué)習(xí)知識(shí)上。我這里要強(qiáng)調(diào)的是探究過程本身也是學(xué)習(xí)內(nèi)容。通過探究，學(xué)生掌握科學(xué)研究的技能和方法，理解科學(xué)研究的過程和方法，樹立科學(xué)探究的態(tài)度和習(xí)慣，建立科學(xué)就是探究的觀念。對(duì)探究式學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)不是知識(shí)評(píng)價(jià)，而是過程評(píng)價(jià)。

以知識(shí)掌握為終點(diǎn)的探究教學(xué)不是真正的探究教學(xué)。在形式上的探究過程中，常常忽略學(xué)生的主動(dòng)參與。學(xué)生只是在教師設(shè)計(jì)好的探究過程中完成任務(wù)。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(gè)演示實(shí)驗(yàn)引入課題，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，然后迅速進(jìn)入了傳統(tǒng)的教學(xué)過程。教師要求學(xué)生2 人1 組做他課前準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)展示改變電流或磁場的方向，安培力的方向會(huì)變化。一組學(xué)生拆了教師預(yù)先接好的線路，“我都事先給你接好了，你拆掉干嗎？”老師責(zé)問道，并很快又幫助學(xué)生把線路恢復(fù)原狀。又過了一會(huì)兒，教師讓學(xué)生回答實(shí)驗(yàn)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(xué)生練習(xí)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(xué)科學(xué)技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)將科學(xué)探究的過程分為6 個(gè)階段，依次為確定問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)施實(shí)驗(yàn)、記錄數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和交流結(jié)論。通過這些階段培養(yǎng)學(xué)生提出問題和設(shè)計(jì)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(jié)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(xué)忽視了開頭和結(jié)尾。在探究的開始階段，學(xué)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(jī)會(huì)參與探究設(shè)計(jì)過程。研究方案都是由教師事先設(shè)計(jì)好的。在收集數(shù)據(jù)和得出結(jié)論后，直接進(jìn)入做題訓(xùn)練，沒有探究交流環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告是唯一的交流方式，但那僅僅是給教師看的，與科學(xué)家的交流方式想去甚遠(yuǎn)。

辯論在科學(xué)發(fā)展和科學(xué)教學(xué)中扮演重要地位

我們常常講科學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，這沒錯(cuò)，但是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)本身并不科學(xué)。辯論才是引領(lǐng)科學(xué)進(jìn)步的機(jī)制，它發(fā)生在科學(xué)活動(dòng)的各個(gè)階段（圖2）。實(shí)驗(yàn)為辯論提供依據(jù)，辯論導(dǎo)致科學(xué)認(rèn)知的進(jìn)步。在實(shí)際的科學(xué)研究中，科學(xué)家之間通過各種方式交流意見，比如同事之間的討論、學(xué)術(shù)會(huì)議交流、期刊論文等。學(xué)術(shù)交流和辯論不僅可以共享資源和催生新觀點(diǎn)，而且可以促進(jìn)科學(xué)家達(dá)成科學(xué)共識(shí)，降低科學(xué)活動(dòng)中的偏見。辯論在科學(xué)革命時(shí)期體現(xiàn)得尤其重要。在科學(xué)發(fā)展史上，新的科學(xué)理論通過辯論代替舊理論[8-10]。比如熱質(zhì)說和熱動(dòng)說的爭論、光的波粒二象性的爭論、玻爾和愛因斯坦有關(guān)不確定性的爭論等，這些爭論促使科學(xué)家進(jìn)一步審視自己的觀點(diǎn)，從不同的角度分析問題，收集新的證據(jù)，提出新的假設(shè)。

愛因斯坦說過，試圖僅僅將理論建立在可觀測(cè)量上是不對(duì)的，事實(shí)上是理論決定了我們能看到什么。他還說，科學(xué)假設(shè)并不直接來自于實(shí)驗(yàn)，它產(chǎn)生于想象和猜測(cè)。也就是說科學(xué)的進(jìn)步不僅僅依賴實(shí)驗(yàn)?？茖W(xué)史上，同一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，卻有不同理論解釋的例子比比皆是。其中一個(gè)有名的例子是弗蘭克- 赫茲實(shí)驗(yàn)。1914 年，弗蘭克和赫茲將他們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（4.9ev）解釋為汞原子的電離能，而玻爾認(rèn)為這是原子從低能級(jí)向高能級(jí)跳躍需要的能量。二人公開爭論了長達(dá)5 年的時(shí)間。1925 年，弗蘭克和赫茲獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，因?yàn)樗麄兊膶?shí)驗(yàn)證實(shí)了玻爾的定態(tài)能級(jí)假說[11]。這個(gè)例子說明了實(shí)驗(yàn)在科學(xué)發(fā)展中的局限性。

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

學(xué)生的前概念是在日常生活經(jīng)驗(yàn)中形成的，盡管在多數(shù)情況下與科學(xué)概念不同，但是它們對(duì)學(xué)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(yàn)會(huì)導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)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(xué)模式很難轉(zhuǎn)變前概念，教學(xué)要有目的和有意識(shí)地改變它們[14]。

圖3 代表了我提出的辯論式教學(xué)法，它包含6 個(gè)教學(xué)階段，依次為提出問題—引出學(xué)生的前概念—?jiǎng)?chuàng)生認(rèn)知矛盾—建構(gòu)科學(xué)概念—捍衛(wèi)科學(xué)概念—評(píng)價(jià)。辯論式教學(xué)要求教學(xué)從前概念開始，在教學(xué)過程中實(shí)現(xiàn)前概念與科學(xué)概念之間的辯論，使學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)科學(xué)概念和科學(xué)認(rèn)知方法的優(yōu)越性。我曾經(jīng)以牛頓第三定律的教學(xué)為例，具體解釋辯論式教學(xué)的過程和要點(diǎn)[15]。

我還記得20 世紀(jì)90 年代中國的物理教材在牛頓第三定律一節(jié)，以水槽實(shí)驗(yàn)開始展開。實(shí)驗(yàn)者雙手各執(zhí)一個(gè)漂浮在水面上的木塊。一個(gè)木塊上放一個(gè)條形磁體，另一個(gè)木塊上放一個(gè)質(zhì)量與磁體相當(dāng)?shù)蔫F塊。同時(shí)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(chǔ)上，引入作用力與反作用力同時(shí)發(fā)生的結(jié)論。這是典型的實(shí)證主義教學(xué)模式。它假設(shè)學(xué)生只要看到實(shí)驗(yàn)事實(shí)，就會(huì)立刻改變自己的原有理解，接受科學(xué)的觀點(diǎn)。實(shí)際上，許多研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)受各種因素的影響，科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變沒有那么容易[16]。要想有效地幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變，教師要提供機(jī)會(huì)讓學(xué)生把自己的前概念激活。教師可以通過演示實(shí)驗(yàn)或者學(xué)生動(dòng)手活動(dòng)激活學(xué)生的相關(guān)生活經(jīng)驗(yàn)。比方說，教師可以演示磁體吸引曲別針的現(xiàn)象。磁體不動(dòng)，但是曲別針跳躍到磁體上。在此基礎(chǔ)上提出問題“曲別針對(duì)磁體有作用力嗎？”引出他們的潛意識(shí)概念。然后再通過水槽實(shí)驗(yàn)創(chuàng)生認(rèn)知不平衡。教學(xué)過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生思考為什么要在水槽里做實(shí)驗(yàn)，為什么磁體和鐵塊的質(zhì)量要相當(dāng)。

對(duì)科學(xué)教師教育的啟示

科學(xué)教育界對(duì)教師和學(xué)生的科學(xué)觀進(jìn)行了相當(dāng)長時(shí)間的研究[17-20]，目的是促進(jìn)大家對(duì)科學(xué)的本質(zhì)有正確的理解?？茖W(xué)和音樂、藝術(shù)一樣，是人類的一種創(chuàng)作。這一創(chuàng)作影響社會(huì)和文化，同時(shí)又受社會(huì)和文化的影響。我建議科學(xué)教師讀一讀這方面的通俗著作，比如《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》[21] 和《什么是科學(xué)》[22]。另外，我推薦教師閱讀幾本關(guān)于科學(xué)歷史和科學(xué)哲學(xué)的書，會(huì)幫助教師理解科學(xué)的本質(zhì)。相應(yīng)地，學(xué)習(xí)不是接受知識(shí)，學(xué)習(xí)是一個(gè)知識(shí)的建構(gòu)過程。教學(xué)不是傳授知識(shí)，而是一個(gè)協(xié)助學(xué)生建構(gòu)知識(shí)的過程。學(xué)習(xí)是一個(gè)與生俱來的行為，并不是學(xué)校的專利。學(xué)生的前認(rèn)知帶給學(xué)生一些基于直覺的理解，教師應(yīng)該重視學(xué)生的前概念。辯論式教學(xué)應(yīng)該成為科學(xué)課堂的常態(tài)。探究和辯論不僅是為了學(xué)習(xí)知識(shí)，更重要的是在一個(gè)相互尊重的環(huán)境下學(xué)習(xí)科學(xué)認(rèn)知的過程。

探究式和辯論式教學(xué)對(duì)教師提出了新要求。過去一個(gè)教師如果表達(dá)清楚、條理分明，能由易到難、講解易懂，那么就是一個(gè)好教師。探究要求教師將教學(xué)的重點(diǎn)從知識(shí)習(xí)得轉(zhuǎn)變到過程訓(xùn)練。探究既是教學(xué)手段，也是教學(xué)目的。辯論要求教師了解學(xué)生常見的前概念，依據(jù)前概念設(shè)計(jì)教學(xué)，與學(xué)生進(jìn)行辯論而不是單向傳授。教學(xué)過程是破除舊概念建立新概念的過程，是一個(gè)破中有立、立中有破、破立結(jié)合的辯證過程。探究和辯論都要求教師把學(xué)生放在教學(xué)中心，鼓勵(lì)他們參與教學(xué)過程，激發(fā)他們發(fā)表意見，參與探究設(shè)計(jì)，參與課堂辯論，這樣課程就變成一個(gè)活的教學(xué)過程了。

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