葛宇春 張凡華

關(guān)注“科學(xué)概念”是當(dāng)前發(fā)達國家科學(xué)教育的一大特點，也是科學(xué)教育自身發(fā)展的需要?？茖W(xué)概念是對科學(xué)事實的歸類、概括、抽象和總結(jié)。它不僅包括一般的科學(xué)事實和概念，還包括科學(xué)的觀念和對科學(xué)的看法。

美國《K12科學(xué)教育框架》和《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》提出了“學(xué)科核心概念”和“跨學(xué)科概念”，學(xué)科核心概念包含了某一學(xué)科的關(guān)鍵組成部分，為理解和研究更為復(fù)雜的概念和解決問題提供重要工具；跨學(xué)科概念超越各學(xué)科界限，包含了許多有關(guān)科學(xué)方法、科學(xué)精神、科學(xué)思想、科學(xué)價值觀、科技與社會關(guān)系的內(nèi)容，可以促進受眾對學(xué)科核心知識和概念的掌握。韋鈺院士和一批國際上的科學(xué)家、教育家在《科學(xué)教育的原則和大概念》一書提出的 14個“科學(xué)教育的大概念”中，我們可以通過對比發(fā)現(xiàn)第1～10個“大概念”相當(dāng)于美國的“學(xué)科核心概念”；第11～14個“大概念”(韋鈺等稱為“關(guān)于科學(xué)的科學(xué)概念”)相當(dāng)于美國的“跨學(xué)科概念”。為了區(qū)別于作用弱一些的“一般科學(xué)概念”，我們可以將“學(xué)科核心概念”“跨學(xué)科概念”“科學(xué)大概念”“關(guān)于科學(xué)的科學(xué)概念”，統(tǒng)稱為“核心科學(xué)概念”(以下簡稱“核心概念”)。

核心概念在科學(xué)教育中有著相當(dāng)重要的作用，缺乏核心概念，受眾掌握的只是一些知識碎片，沒有關(guān)聯(lián)性，甚至有可能自相矛盾。在科技館的教育活動中，核心概念有助于確定教育活動的“靶心”，圍繞“靶心”構(gòu)建教育活動的架構(gòu)，設(shè)計有指向性的核心任務(wù)，有效進行知識的拓展和遷移，達到培養(yǎng)科學(xué)核心素養(yǎng)，提升科學(xué)教育內(nèi)涵的目標(biāo)。

無論是美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》提出的“跨學(xué)科概念”，還是韋鈺等人提出的“關(guān)于科學(xué)的科學(xué)概念”，科學(xué)方法都是其中不可或缺的重要內(nèi)容。

一、什么是科學(xué)方法

早在古希臘時期，科學(xué)方法已經(jīng)開始了萌芽，現(xiàn)在我們經(jīng)常使用的歸納法、演繹法就是亞里士多德邏輯方法論中的組成部分。簡單地說，科學(xué)方法就是人們在認(rèn)識客觀事物的過程中產(chǎn)生的思維方式和行為模式，是獲取科學(xué)知識的手段途徑與工具。由此可見，科學(xué)方法與科學(xué)知識有著密不可分的關(guān)系，它是人們?yōu)楂@得科學(xué)認(rèn)識所采用的各種手段，是科學(xué)認(rèn)識的必要條件，是構(gòu)筑科學(xué)大廈的腳手架。

目前，科技館的教育活動中，講述的大多是自然科學(xué)知識，向公眾提供物質(zhì)的基礎(chǔ)性質(zhì)、運動形式、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等基本信息。這些信息在被人類發(fā)現(xiàn)的過程中，創(chuàng)造、運用和積累了大量的科學(xué)方法。比如科技館涉及最多的理化知識，它們最基本的體系和架構(gòu)大多來源于實驗、推理或假說，它們的發(fā)現(xiàn)往往經(jīng)歷了不斷探索并時有反復(fù)的艱難歷程?？茖W(xué)方法教育的目的就是弘揚前人執(zhí)著探索的科學(xué)精神，學(xué)會掌握和運用科學(xué)思維，樹立求真務(wù)實的科學(xué)態(tài)度，并指導(dǎo)今后的工作生活實踐。

二、為什么要在展教活動中融入科學(xué)方法教育

(一)國內(nèi)外重視科學(xué)方法教育的發(fā)展趨勢

當(dāng)今社會，國民的科學(xué)素養(yǎng)已成為衡量一個國家競爭力的核心要素，而科學(xué)方法的學(xué)習(xí)對科學(xué)素養(yǎng)的提高有很大的助益。美國是最早意識到科學(xué)方法教育重要性的國家，并進行了一系列相關(guān)的研究。早在20世紀(jì)60年代，著名教育學(xué)家布魯納出版了《教育過程》一書，在書中多次強調(diào)了對科學(xué)方法的重視。布魯納認(rèn)為，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)方法是非常重要的，這一觀點為后面的教育改革提供了重要依據(jù)。1996年美國國家研究理事會頒布了美國第一部《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》，提出了“以探究為核心的科學(xué)教育”理念，而科學(xué)探究是培養(yǎng)科學(xué)方法的重要途徑之一。美國國家研究理事會在2011年發(fā)布的《K12科學(xué)教育框架》和2013年發(fā)布《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中，由“以探究為核心的科學(xué)教育”發(fā)展成為“基于科學(xué)與工程實踐的探究”，[1]并且在支撐科學(xué)教育“三個維度”的“跨學(xué)科概念”“科學(xué)與工程實踐”兩個維度中包含了眾多科學(xué)方法的內(nèi)容。[2]

近幾年來，我國對科學(xué)方法教育的關(guān)注度也日漸提高，韋鈺院士和一批國際上的科學(xué)家、教育家提出：科學(xué)教育要重視科學(xué)的“大概念”，并提出了14個“大概念”，在“關(guān)于科學(xué)的科學(xué)概念”中就包含了科學(xué)方法的內(nèi)容。[3]2001年教育部公布的《基礎(chǔ)教育課程改革綱要(試行)》中明確提出了“知識與技能”“過程與方法”“情感態(tài)度價值觀”三維教學(xué)目標(biāo)；在科技類課程的“過程與方法”中，“過程”即是指科學(xué)探究活動的過程，方法并不是通常被誤認(rèn)為的教學(xué)方法，而是指在探究過程中運用到的各種科學(xué)方法。2017年公布的《小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》提出了“科學(xué)知識”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度”“科學(xué)、技術(shù)、社會與環(huán)境”四維教學(xué)目標(biāo)，在“科學(xué)探究”目標(biāo)中同樣包含了科學(xué)方法。

而在學(xué)校教育范疇，通過查閱文獻我們發(fā)現(xiàn)，隨著課改的推動與深入，與科學(xué)方法教育研究有關(guān)的論文專著，近十年一直呈遞增趨勢，如2013年《物理教師》中《物理科學(xué)方法教育若干思考》一文、2015年首都師范大學(xué)邢紅軍教授出版《高中物理科學(xué)方法教育》以及眾多碩、博研究生論文的問世，科學(xué)方法教育已正式融入學(xué)科教育的內(nèi)容，成為課堂教育中不可缺少的部分。

(二)將科學(xué)方法教育引入科技館展教活動的現(xiàn)實意義

1. 科學(xué)方法與科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神、科學(xué)思想之間的密切關(guān)系，共同構(gòu)成了科學(xué)的認(rèn)識論、方法論、價值觀(三者是相互關(guān)聯(lián)、相互支撐、密不可分的)，成為科學(xué)素質(zhì)中最重要的成份。例如，許多科學(xué)方法都是“實證”的方法，“實證”也是科學(xué)認(rèn)識賴以產(chǎn)生的重要過程與環(huán)節(jié)(認(rèn)識論)，“實證”又是判斷事物的最重要標(biāo)準(zhǔn)(價值觀)。再如，“求真”“質(zhì)疑”也是科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神、科學(xué)思想的核心內(nèi)容，而許多科學(xué)方法就是獲取或驗證“求真”“質(zhì)疑”的方法。因此，科學(xué)方法的引入，為深化科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神、科學(xué)思想等科學(xué)教育內(nèi)涵提供了必要條件。

2. 科學(xué)方法教育的引入可以使活動的全過程更加合理優(yōu)化，幫助觀眾建立完整的知識體系。在參與活動的過程中，以科學(xué)探究為主線安排活動流程，引導(dǎo)受眾的注意力不僅放在實驗的結(jié)果，而是如何設(shè)計實驗、實施實驗、分析實驗結(jié)果、從實驗結(jié)果中獲得科學(xué)發(fā)現(xiàn)的探究過程，在這一過程的各個環(huán)節(jié)中都要運用到科學(xué)方法，這不僅是獲取知識的過程，而且是一個使用和掌握科學(xué)方法的過程。

3. 授人以魚不如授人以漁，單純知識的傳授很容易被慢慢忘記，而方法的教育有利于觀眾在今后發(fā)現(xiàn)問題時，自主地利用所掌握的科學(xué)方法主動地去分析問題、收集信息、處理信息，將被動的接受變成主動的探索，更有助于貫徹現(xiàn)代教育提倡的自主學(xué)習(xí)、終生學(xué)習(xí)，利用所學(xué)知識解決問題的理念。

三、進行科學(xué)方法教育的幾點策略

(一)結(jié)合科學(xué)史開展科學(xué)方法教育

科學(xué)史上很多概念與規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，都包含了科學(xué)方法運用與發(fā)展的過程，只有仔細了解這些科學(xué)知識產(chǎn)生的艱難歷程，把知識和科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)探索之路結(jié)合起來，才有可能真正徹底而又正確理解這些內(nèi)容。[4]如：伽利略的斜面實驗利用了實驗歸納法得出物體的運動不需要力去維持的理論，而后來的科學(xué)家們在他的理論基礎(chǔ)上不斷探索，最終牛頓站在伽利略、笛卡爾等一批巨人的肩膀上推理出了著名的牛頓第一定律；阿基米德通過“洗澡盆溢出水”的現(xiàn)象獲得靈感，發(fā)現(xiàn)了利用等效法將可測量的水的體積來等效代替不規(guī)則的王冠的體積，從而解決了驗證真假王冠的難題；科拉頓利用轉(zhuǎn)換法通過電流計中小磁針偏轉(zhuǎn)來證明在磁場中的導(dǎo)體是否產(chǎn)生電流，為了降低磁鐵對小磁針的影響，他用一堵墻將它們隔開，也正是這堵墻將科拉頓與著名的電磁感應(yīng)定律永遠的隔開了。

(二)將科學(xué)探究的“實踐”過程作為科學(xué)方法教育的有效載體

與具體的學(xué)科知識不同，科學(xué)方法涉及的不是世界本身，而是人們認(rèn)識世界的方式與途徑，是高度抽象的。因此，科學(xué)方法無法孤立直接地表達出來，必須借助一定的載體。

縱觀科學(xué)方法存在的形式，無論在問題的發(fā)現(xiàn)與提出階段、實驗檢驗與探究階段、概念的形成與規(guī)律的總結(jié)階段，都會有科學(xué)方法的運用。而在上述階段中，我們的輔導(dǎo)員往往都是通過設(shè)計讓觀眾親身經(jīng)歷、參與和體驗等多種“模擬再現(xiàn)科技實踐”的過程，讓受眾收獲屬于他們自己的“直接經(jīng)驗”[5]，自主完成收獲各項科學(xué)知識的目標(biāo)。這一過程可能是對展品的直接觀察、體驗，也可以是一項具體的小制作、實驗、活動……但不管是哪種形式，在這個過程中，一定還原了最初科學(xué)家們以科研為目的的科學(xué)探究實踐過程，一定會包含著科學(xué)家思考問題形成結(jié)論的科學(xué)思維，一定會運用諸如類比法、等效法、轉(zhuǎn)換法、控制變量法等豐富的科學(xué)方法。因此，科學(xué)探究的“實踐”過程是科學(xué)方法教育的最好載體。我國2017年《小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》不僅“倡導(dǎo)探究式學(xué)習(xí)”，而且將科學(xué)課定性為“實踐性課程”。

(三)在活動過程中將科學(xué)方法“顯性化”

不管是科學(xué)概念、規(guī)律還是具體的知識點，都是由科學(xué)家借助科學(xué)方法對各種現(xiàn)象經(jīng)過觀察研究分析才總結(jié)出來的。輔導(dǎo)員在進行教育活動方案設(shè)計的時候，為避免生硬的說教與填鴨式的灌輸，要注意將所要傳遞的科學(xué)方法顯性化。

以合肥科技館為例，只有少部分展品及其展板在設(shè)計時會指出用了哪種科學(xué)方法，比如“離心現(xiàn)象”中的控制變量法、“維C含量知多少”中的轉(zhuǎn)換法，但僅僅是點出概念，沒有明確的介紹，大多讓觀眾在參與時自己去體會感受，觀眾的關(guān)注點往往集中在知識環(huán)節(jié)，對科學(xué)方法方面體會甚少。所以，在將科學(xué)方法教育引入展教活動時，方案設(shè)計中要有明確的教學(xué)目標(biāo)、學(xué)情分析、設(shè)計思路，提倡在實驗結(jié)果出現(xiàn)之前，讓受眾做出自己的預(yù)測、表述依據(jù)、互相點評，通過最終的結(jié)果來驗證預(yù)測的正誤，發(fā)揮輔導(dǎo)員的引導(dǎo)作用，帶領(lǐng)觀眾分析預(yù)測正誤的原因，形成“探究+實證”的過程，并且使學(xué)生們通過親身經(jīng)歷、實踐的“直接經(jīng)驗”逐漸領(lǐng)悟、掌握其中的科學(xué)方法以及認(rèn)識論、方法論、價值觀。

結(jié)合上述策略，我們發(fā)現(xiàn)，在把科學(xué)方法教育融入展教活動之后，觀眾不僅可以重溫科學(xué)家們在科學(xué)發(fā)現(xiàn)、技術(shù)發(fā)明的實踐過程，還可以在這一過程中，親身體驗、經(jīng)歷和實踐各種科學(xué)方法。這就使科技史、探究式學(xué)習(xí)、“科學(xué)與工程實踐”“做中學(xué)”與科學(xué)方法之間建立了內(nèi)在的必然聯(lián)系，研究科技史也就有了明確的目的性——了解科學(xué)家們的科學(xué)探究實踐過程及其科學(xué)方法、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神、科學(xué)思想。

四、科學(xué)方法教育的實例分析——“理想與現(xiàn)實”

“理想與現(xiàn)實”這一教育項目我們主要講授的科學(xué)方法是“理想模型法”。

“理想模型法”是科學(xué)研究中經(jīng)常會用到的一種描述物質(zhì)規(guī)律的科學(xué)方法。這種方法的主要特點是將研究的對象理想化，也就是它突出了研究對象的一些主要特征，而主動地忽略了其它方面的一些次要因素[6]。使用理想模型法主要是為了讓人們能夠把更多的注意力放在物質(zhì)的本質(zhì)特征上，很多科學(xué)理論的建立都證明了這是一種非常有效地研究物質(zhì)科學(xué)問題的方法，比如物理教學(xué)中的電場線、質(zhì)點、光線等。為了讓學(xué)生更加深刻地去理解這一科學(xué)方法，本節(jié)課以學(xué)生為中心，以實踐探究為主要內(nèi)容，以小組觀察討論為引導(dǎo)，使學(xué)生能夠在實際問題中提煉出理想模型法中蘊含的科學(xué)思維，并能夠運用它去解決一些生活中的問題。本節(jié)課分為四個教學(xué)階段，各階段主要內(nèi)容如下。

(一)觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問題

階段目標(biāo)：通過觀察發(fā)現(xiàn)磁鐵的一些有趣的現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生好奇心，發(fā)現(xiàn)問題的存在，并引出教學(xué)內(nèi)容。

表1 “理想與現(xiàn)實”教育活動第一階段教學(xué)內(nèi)容

(二)猜想與實驗分享，分析理想模型法

階段目標(biāo)：

1．通過磁鐵的一些性質(zhì)來讓學(xué)生了解磁場的大小和方向；

2．學(xué)會根據(jù)現(xiàn)象提出猜想或假設(shè)；

3．設(shè)計實驗，掌握畫磁鐵周圍磁感應(yīng)線的方法；

4．通過動手實踐來鍛煉學(xué)生動手能力；

5．剖析實驗過程，深刻理解什么是理想模型法。

(三)結(jié)合實際，建立理想模型

階段目標(biāo)：

1．結(jié)合生活現(xiàn)象知道光的一些基本性質(zhì)；

2．以光為例，能夠嘗試建立一些簡單的理想模型，并解釋一些實際問題。

表2 “理想與現(xiàn)實”教育活動第二階段教學(xué)內(nèi)容

表3 “理想與現(xiàn)實”教育活動第三階段教學(xué)內(nèi)容

(四)經(jīng)典案例分析，情感態(tài)度升華

階段目標(biāo)：

1．知道理想模型會隨著科學(xué)的進步而不斷改進；

2．理解科學(xué)會隨著時代不斷發(fā)展完善；

3．培養(yǎng)學(xué)生尊重老師、尊重科學(xué)、尊重真理的態(tài)度。

表4 “理想與現(xiàn)實”教育活動第四階段教學(xué)內(nèi)容

(五)對課程的幾點感想

1．科學(xué)方法教育的實施可以促進學(xué)生形成科學(xué)思維。通過本節(jié)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生利用理想模型法所展現(xiàn)的思維模式，學(xué)會了抓住復(fù)雜事物的主要特征，摒棄次要因素，從而達到化繁為簡的效果，這種思維模式可能會深深影響學(xué)生今后的學(xué)習(xí)與生活。

2．教育效果的反饋具體體現(xiàn)在讓學(xué)生自主構(gòu)建理想模型環(huán)節(jié)，光線模型構(gòu)建起來看似簡單，但其中蘊含了豐富的科學(xué)原理，在構(gòu)建的過程中，學(xué)生可以把抽象的思路落實到紙上具體的模型勾畫中，實現(xiàn)從感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的轉(zhuǎn)變。

3．通過循序漸進的教學(xué)方式，首先利用繪制磁感應(yīng)線的實踐探究在學(xué)生腦海中勾勒出了理想模型法的基本內(nèi)容，然后通過光線模型的構(gòu)建和實踐運用來加深學(xué)生的整體印象，最后借用原子模型的經(jīng)典案例分析來升華課程主題，讓學(xué)生多次接觸，反復(fù)經(jīng)歷，深刻體會到理想模型法的教育，這本身就是一種科學(xué)的方法教育。

4．科學(xué)方法教育的實施更能激發(fā)學(xué)生的科學(xué)熱情。著名教育家第斯多惠說過：“教育的藝術(shù)不在于傳授本領(lǐng)，而在于激勵、喚醒和鼓舞”。[8]本節(jié)課程講述了許多與理想模型法相關(guān)的科學(xué)故事，能夠很好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的熱情。

五、在科學(xué)方法教育中需要注意的問題

(一)保持過程中的統(tǒng)一性

如果將科學(xué)方法作為活動目標(biāo)，那原先開展活動的形式、內(nèi)容、手段都會有一定變化，應(yīng)注意在活動的全程，始終把活動目標(biāo)放在最重要的位置，避免隨意與盲目，不能將方法和知識的比重各占一半或是主次不明，要保證形式、內(nèi)容、手段始終為同一目標(biāo)服務(wù)。

(二)內(nèi)容與載體要有關(guān)聯(lián)性

科學(xué)方法一般都是融合在具體科學(xué)知識的探索過程之中，在選擇相關(guān)探索過程作為載體時，要注意方法與知識的關(guān)聯(lián)性，不能生硬地為了講方法而講方法。輔導(dǎo)員要熟悉科學(xué)史，了解科學(xué)發(fā)展中不斷求證、推翻、再求證的探究過程，深入分析挖掘其中的知識與方法體系。

六、結(jié)語

在展教活動中注重方法教育，培養(yǎng)觀眾對科學(xué)方法不斷的了解、掌握到熟練運用，讓觀眾形成在科學(xué)知識的獲取中離不開科學(xué)方法運用的必要觀念。這樣，在遇到問題時，觀眾就會有更高的敏感性，能迅速發(fā)現(xiàn)問題的關(guān)鍵點，用有針對性的科學(xué)方法去分析問題，找到解決問題的途徑。[9]

觀眾在活動中，會經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、剔除非本質(zhì)方面、通過合適的科學(xué)方法設(shè)計相關(guān)實驗找到有關(guān)的事實與數(shù)據(jù)、做出初步的概括、再次實驗論證得出結(jié)論等階段，既能掌握具體知識，又能在過程中培養(yǎng)質(zhì)疑精神，基于證據(jù)和推理發(fā)表自己的見解，嘗試用不同方法，或看似不相關(guān)的方法來解決問題，打破直線思維的定勢，了解任何理論或自然定律都不是最后定論，新的數(shù)據(jù)、實驗結(jié)果將不斷出現(xiàn)，舊的自然定律將不斷為更普遍的自然定律所替代，在這種新老交替中，人類對世界及自身的認(rèn)知得以更深入的發(fā)展。