靳冬雪 王笑梅 劉恩山*

（1 北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100875 2 東北師范大學(xué)附屬中學(xué) 吉林長(zhǎng)春 130022）

為了提高全體國(guó)民的科學(xué)素質(zhì)和人才培養(yǎng)質(zhì)量，我國(guó)基礎(chǔ)教育理科課程要求學(xué)生不僅要掌握“科學(xué)知識(shí)”，也要了解“關(guān)于科學(xué)的知識(shí)”，即科學(xué)本質(zhì)（nature of science，NOS）。我國(guó)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中指出，科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)將幫助學(xué)生了解科學(xué)知識(shí)產(chǎn)生過(guò)程的特點(diǎn)，促進(jìn)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成[1]?！翱茖W(xué)工作依賴觀察和推論”作為科學(xué)本質(zhì)的重要內(nèi)容之一，強(qiáng)調(diào)了自然科學(xué)研究方法的基礎(chǔ)及其特點(diǎn)，理解該內(nèi)容將幫助學(xué)生更好地掌握科學(xué)探究的過(guò)程性技能，促進(jìn)科學(xué)思維的發(fā)展，也能加深對(duì)學(xué)科核心概念的理解。

科學(xué)教師應(yīng)當(dāng)將“科學(xué)工作依賴觀察和推論”落實(shí)到課堂中，促使學(xué)生區(qū)分觀察和推論在科學(xué)工作中的作用和特點(diǎn)，并在科學(xué)實(shí)踐中正確應(yīng)用觀察和推論這2 項(xiàng)技能。因此，教師不僅要掌握觀察和推論的含義與區(qū)別，還應(yīng)了解將其融入科學(xué)教學(xué)的途徑。

1 科學(xué)工作中的觀察和推論

科學(xué)不僅建立在大量觀察的基礎(chǔ)上，除觀察外，推論也是十分重要和必要的工作內(nèi)容。觀察和推論相輔相承，共同推動(dòng)科學(xué)研究的進(jìn)行和科學(xué)知識(shí)的構(gòu)建。基于充分的觀察和有邏輯的推論得到的知識(shí)是穩(wěn)定和有力的，雖然不會(huì)是絕對(duì)意義上的真理，但對(duì)于人類在生產(chǎn)、生活中的決策具有指導(dǎo)性意義[2]。

1.1 觀察 觀察是一種知覺(jué)活動(dòng)，是對(duì)某一事件或現(xiàn)象的注意和記錄[3]。觀察得到的結(jié)果是科學(xué)事實(shí)，并且不同觀察者容易對(duì)同一現(xiàn)象的觀察結(jié)果達(dá)成一致意見(jiàn)[4]。年級(jí)越低的學(xué)生，其觀察會(huì)越直接依賴感官，包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)和觸覺(jué)，例如，判斷物體的相對(duì)大小、材料的軟硬、聲音的高低等。但隨著年級(jí)的增長(zhǎng)，學(xué)生會(huì)越來(lái)越多地借助工具延伸這些感官[5]，例如，利用顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡觀察超出肉眼可視范圍的現(xiàn)象。工具不僅能幫助學(xué)生擴(kuò)大感知范圍，更重要的是，它讓學(xué)生能使用標(biāo)準(zhǔn)單位對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行定量觀察。簡(jiǎn)單的觀察諸如使用尺子測(cè)量物體的長(zhǎng)度，使用溫度計(jì)測(cè)量室溫等，復(fù)雜的觀察包括使用雷達(dá)測(cè)量目標(biāo)的方位、高度、速度，使用放射性碳定年法測(cè)量化石的年代等。此外，當(dāng)觀察從靜態(tài)變?yōu)閯?dòng)態(tài)，從觀察個(gè)體變?yōu)橛^察群體，將促使研究者在不同尺度上發(fā)現(xiàn)更多的模式[6]。

綜上，在真實(shí)的科學(xué)研究工作中，觀察是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，它具有目的性、規(guī)劃性和持久性。因此，觀察者需要具備扎實(shí)的、豐富的知識(shí)，才能作出有針對(duì)性的觀察方案，有效地解決待研究的問(wèn)題，還要具有持之以恒的毅力，以完成長(zhǎng)期的、連續(xù)的觀察任務(wù)[6]，例如，生物學(xué)家珍妮·古道爾（Jane Goodall），在幾十年的觀察研究中，深入野外，堅(jiān)持不懈，從黑猩猩群體的習(xí)性、行為等方面收集了大量的珍貴數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)所展示的觀察結(jié)果，構(gòu)成了科學(xué)工作重要基礎(chǔ)，即科學(xué)事實(shí)或稱為事實(shí)性知識(shí)。

1.2 推論 推論是通過(guò)邏輯推理構(gòu)建解釋的過(guò)程，通常以既定的知識(shí)或假設(shè)為基礎(chǔ)[3]。在一項(xiàng)科學(xué)研究中，人們通過(guò)觀察，獲得了大量的數(shù)據(jù)，對(duì)于數(shù)據(jù)中存在的模式及其背后的因果關(guān)系，需要用已有的知識(shí)為基礎(chǔ)，對(duì)事實(shí)進(jìn)行推論以構(gòu)建解釋，形成該研究的的結(jié)果。這種研究結(jié)果不是重復(fù)陳述簡(jiǎn)單的事實(shí)，而是對(duì)事物的本質(zhì)或規(guī)律最終形成科學(xué)解釋或概括，其認(rèn)知本質(zhì)是科學(xué)觀點(diǎn)。以摩爾根（Morgan）的果蠅遺傳行為實(shí)驗(yàn)為例，他發(fā)現(xiàn)紅眼雌蠅與白眼雄蠅雜交的F2代中，白眼性狀的個(gè)體總是雄性，于是他和同事推論，控制白眼的基因只會(huì)出現(xiàn)在X 染色體上，Y 染色體不會(huì)含有其等位基因。這就解釋了為什么果蠅的白眼會(huì)出現(xiàn)伴性遺傳的模式。在這個(gè)科學(xué)史事件中，可發(fā)現(xiàn)推論需要將觀察結(jié)果與已有知識(shí)、邏輯推理和創(chuàng)造力相結(jié)合，構(gòu)建解釋從而形成科學(xué)觀點(diǎn)[7]。具體來(lái)說(shuō)，摩爾根在解釋果蠅的白眼遺傳模式時(shí)，受孟德?tīng)枺∕endel）理論和薩頓（Sutton）假說(shuō)（基因在染色體上）的影響，再基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯推理和創(chuàng)造性的聯(lián)想，最終完成了伴性遺傳的推論。

科學(xué)研究中，進(jìn)行推論需要判斷和篩選哪些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可作為構(gòu)建解釋的證據(jù)，并考慮已有的證據(jù)是否足夠充分支持所構(gòu)建的解釋[7]。仍以摩爾根的果蠅遺傳實(shí)驗(yàn)為例，在作出伴性遺傳的推論后，他和同事又通過(guò)測(cè)交等方法，進(jìn)一步驗(yàn)證了這個(gè)解釋。人們還可使用模型理解證據(jù)和構(gòu)建解釋[7]，例如，伴性遺傳的推論可用圖1的模型加以理解。

圖1 果蠅雜交實(shí)驗(yàn)分析圖解[8]

1.3 觀察和推論的區(qū)別與聯(lián)系 觀察和推論是不同的研究活動(dòng)，得到的結(jié)果也不同。以加拉帕戈斯群島的地雀為例，達(dá)爾文通過(guò)觀察知道島上的13 種地雀有不同型的喙，分別對(duì)應(yīng)吃不同的食物、居住在不同的環(huán)境中；這些是科學(xué)事實(shí)。但若要知道為什么會(huì)形成不同的地雀物種，則需要通過(guò)推論對(duì)觀察結(jié)果加以處理，并構(gòu)建解釋：最初屬于同一個(gè)物種的地雀因遷移產(chǎn)生了地理隔離，而后不同島嶼上的地雀種群因基因突變和基因重組形成了具有明顯差異的基因庫(kù)，從而逐漸產(chǎn)生生殖隔離，形成不同的物種；這是通過(guò)推論形成的科學(xué)觀點(diǎn)或稱為研究結(jié)論。

由于觀察是對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行陳述性描述，且不同觀察者可相對(duì)容易地就觀察結(jié)果達(dá)成一致意見(jiàn)，因此，其客觀性較強(qiáng)。而推論不同于觀察，由于研究者在進(jìn)行推論時(shí)會(huì)結(jié)合自己的創(chuàng)造力和想象力，因此，作出的推論是帶有偏見(jiàn)和主觀性的[9]。這也就解釋了為什么對(duì)于同一觀察結(jié)果，不同的研究者可能會(huì)作出不同的推論。

觀察和推論存在明顯的區(qū)別，但也有一定的聯(lián)系。觀察得到的事實(shí)是進(jìn)行科學(xué)推論的基礎(chǔ)，能提供證據(jù)啟發(fā)、支持或反駁科學(xué)推論。科學(xué)工作同時(shí)依賴觀察和推論，二者是構(gòu)建科學(xué)知識(shí)的基本方法。

2 教學(xué)活動(dòng)案例及建議

科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)最終要落實(shí)到理科課堂之中，因此，教師要掌握合適的教學(xué)策略幫助學(xué)生理解。結(jié)合觀察和推論的含義與特點(diǎn)，本研究建議教師在科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中基于情境對(duì)該內(nèi)容進(jìn)行外顯化教學(xué)。

2.1 活動(dòng)案例 以“神奇的腳?。╰ricky tracks）”為例，該活動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)動(dòng)物的足跡進(jìn)行觀察和推論，并對(duì)明確地討論二者的區(qū)別。具體的活動(dòng)內(nèi)容和材料見(jiàn)圖2和表1。

表1 “神奇的腳印（tricky tracks）”活動(dòng)內(nèi)容[10]

圖2 神奇的腳?。╰ricky tracks）[9]

在這個(gè)活動(dòng)中，學(xué)生知道了先通過(guò)觀察獲得事實(shí)，再通過(guò)推論提出觀點(diǎn)或結(jié)論。這樣，隨著學(xué)生不斷地觀察到新的事實(shí)、得出新的推論，教師可讓其逐漸排除之前提出的那些與現(xiàn)有事實(shí)不一致的推論。在活動(dòng)的最后，教師還需要總結(jié)2 個(gè)要點(diǎn)：1）觀察與推論之間的區(qū)別；2）根據(jù)同一份觀察結(jié)果，可針對(duì)1 個(gè)問(wèn)題得到不同的推論。學(xué)生通過(guò)活動(dòng)已構(gòu)建了對(duì)這2 個(gè)要點(diǎn)的理解，這一步的總結(jié)將再次加深學(xué)生的印象。教師還要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)，科學(xué)家在試圖解釋關(guān)于自然界的問(wèn)題時(shí)，也會(huì)經(jīng)歷同樣的推論過(guò)程，并且往往會(huì)有幾種推論都是可信的，沒(méi)有唯一正確的答案[9]。

2.2 教學(xué)建議 在上述活動(dòng)案例中，學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中結(jié)合具體的動(dòng)物腳印情境對(duì)觀察和推論進(jìn)行了充分的討論，同時(shí)，教師還向?qū)W生明確地強(qiáng)調(diào)了二者之間的區(qū)別，幫助學(xué)生理解和正確使用這2 項(xiàng)技能。因此，本研究對(duì)科學(xué)教師在課堂上落實(shí)“科學(xué)工作依賴觀察和推論”這一內(nèi)容提供如下教學(xué)建議。

1）讓學(xué)生在基于情境的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中學(xué)習(xí)觀察和推論?？茖W(xué)本質(zhì)源于人們對(duì)科學(xué)研究實(shí)踐特點(diǎn)的總結(jié)，它的學(xué)習(xí)自然也離不開(kāi)實(shí)踐活動(dòng)。而情境的使用可幫助教師專門突出科學(xué)本質(zhì)的特定內(nèi)容[10]，讓學(xué)生在對(duì)具體現(xiàn)象進(jìn)行觀察和推論時(shí)學(xué)習(xí)二者的特點(diǎn)及區(qū)別。教師可利用科學(xué)探究、社會(huì)科學(xué)性議題、科學(xué)史片段等創(chuàng)設(shè)情境，可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行的實(shí)踐活動(dòng)參考表2中的“相關(guān)的實(shí)踐活動(dòng)”。

2）在活動(dòng)中應(yīng)針對(duì)觀察和推論給予學(xué)生明確的提示和討論。讓學(xué)生參與了基于情境的科學(xué)實(shí)踐不等于教授了科學(xué)本質(zhì)，他們無(wú)法在這個(gè)過(guò)程中自然而然地理解觀察和推論的實(shí)質(zhì)，以及二者的區(qū)別。因此，教師要在課堂上圍繞觀察和推論給予學(xué)生充分的提示，讓他們進(jìn)行有針對(duì)性的討論和反思，主動(dòng)構(gòu)建對(duì)該內(nèi)容的理解[11]?？蛇M(jìn)行的提示和討論參考表2中的“促進(jìn)學(xué)生理解的反思性問(wèn)題”。

表2 科學(xué)本質(zhì)中觀察和推論的要點(diǎn)、實(shí)踐與反思性問(wèn)題[3]

3 結(jié)語(yǔ)

觀察與推論是重要的科學(xué)研究活動(dòng)，由觀察得到的事實(shí)，以及通過(guò)推論形成的觀點(diǎn)共同構(gòu)成了科學(xué)知識(shí)的來(lái)源。針對(duì)同一現(xiàn)象，不同的觀察者可較容易地觀察到相同的科學(xué)事實(shí)，但由于已有知識(shí)和主觀因素等的存在，人們可能會(huì)對(duì)觀察結(jié)果進(jìn)行不同的加工，從而對(duì)同一問(wèn)題推論出不同的科學(xué)觀點(diǎn)或稱為科學(xué)結(jié)論。學(xué)生在科學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中，正確地使用觀察和推論將加深其對(duì)核心概念的理解，強(qiáng)化探究技能，培養(yǎng)科學(xué)思維，最終促進(jìn)核心素養(yǎng)的達(dá)成。教師可通過(guò)科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生基于一定情境明確地討論觀察和推論的含義及二者的區(qū)別，幫助其理解科學(xué)知識(shí)產(chǎn)生的方式和特點(diǎn)，從而將科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)容落實(shí)到課堂中。