姜智萌 魏冰
長期以來,科學(xué)方法是中小學(xué)理科課程和教學(xué)改革強調(diào)的一項重要內(nèi)容。近年來,隨著科學(xué)實踐等教育理念的推行,科學(xué)方法多樣性受到了科學(xué)教育界的廣泛關(guān)注,為科學(xué)方法教育提供了新的思路。系統(tǒng)地探討了科學(xué)方法及其多樣性的內(nèi)涵,討論了關(guān)于科學(xué)方法多樣性的一個重要理論框架(布蘭登矩陣)。結(jié)合相關(guān)實證研究和我國中小學(xué)科學(xué)方法教育的現(xiàn)狀,提出了關(guān)于科學(xué)方法及其多樣性教育的三方面的建議。
科學(xué)方法;科學(xué)方法的多樣性;科學(xué)實踐;理科教學(xué)
長期以來,科學(xué)方法都是中小學(xué)理科教育關(guān)注的焦點之一。在理科課程改革中,無論是能力培養(yǎng),科學(xué)探究還是科學(xué)實踐的教育理念,使學(xué)生理解和使用科學(xué)方法都是一項重要目標。但是,“科學(xué)方法”這一概念一直缺乏明確的定義,人們一般把通過實驗檢驗假設(shè)(也習慣地稱為“公平測試”或“控制變量”)為特征的系列科學(xué)過程看作科學(xué)方法。但是,越來越多的研究者認為科學(xué)方法是多樣的,過于強調(diào)上述特征容易使人們對真實的科學(xué)探究或科學(xué)實踐產(chǎn)生誤解。顯然,如果缺乏對科學(xué)方法的正確認識,就談不上恰當?shù)厥褂每茖W(xué)方法,科學(xué)探究或科學(xué)實踐的教育理念也就無從落實。為此,本文系統(tǒng)地梳理科學(xué)方法及其多樣性的內(nèi)涵,在此基礎(chǔ)上對中小學(xué)教學(xué)中落實科學(xué)方法教育提出一些建議。
在科學(xué)教育領(lǐng)域,“科學(xué)方法”這一術(shù)語可以追溯至17世紀英國哲學(xué)家弗朗西斯·培根(Francis Bacon) 的歸納主義哲學(xué)思想。這種哲學(xué)思想主導(dǎo)的科學(xué)方法在19世紀晚期進入中等學(xué)校,通常指基于實驗進行歸納從而得出科學(xué)結(jié)論的過程。進入20世紀以后,隨著杜威(J. Dewey)提出的“邏輯思維五步法”,科學(xué)方法有了新的含義。杜威認為科學(xué)不應(yīng)該只是知識積累和技能訓(xùn)練,更重要的是“反省思維”,他的思維五步法指的是察覺問題、定義問題、設(shè)計可能的解決方案、推理方案、驗證方案五個步驟。在后來的數(shù)十年里,受杜威思維五步法的啟發(fā),科學(xué)方法通常以步驟化的形式出現(xiàn)在許多理科課程改革文件及科學(xué)教科書的導(dǎo)言中,大體包括5到7個步驟,即定義問題、收集信息、形成假設(shè)、進行觀察、測試假設(shè)、得出結(jié)論等。雖然這些步驟的出發(fā)點是為在教學(xué)中落實科學(xué)思維方法提供幫助,但在實際教學(xué)中卻常常被生搬硬套,曲解為在進行科學(xué)研究時有一種普適的、跨學(xué)科的、權(quán)威的“科學(xué)方法”。20世紀50年代以來,這種“科學(xué)方法”觀廣受批評,認為它缺乏情境性、太過程序化、忽視科學(xué)概念的學(xué)習等。80年代以來,對“科學(xué)方法”的討論逐漸轉(zhuǎn)向“科學(xué)探究”,這突出體現(xiàn)在1996年由美國國家研究院(NRC)發(fā)布的《國家科學(xué)教育標準》中。該文件強調(diào)探究是綜合性的,探究的過程涉及觀察現(xiàn)象、提出問題、作出假設(shè)、設(shè)計實驗、驗證假設(shè)、解釋數(shù)據(jù)、得出結(jié)論、討論交流等;同時強調(diào)要讓學(xué)生理解科學(xué)探究的本質(zhì)并形成科學(xué)探究的能力。盡管科學(xué)教育工作者一般都反對將科學(xué)方法程序化,強調(diào)避免將探究看作一套固定的步驟,提倡在實際教學(xué)中根據(jù)具體情況進行靈活應(yīng)用。但是,程序化、教條化的“科學(xué)方法”一直根深蒂固地存在于科學(xué)教學(xué)實踐中。為此,近年來,科學(xué)教育界呼吁將唯一的、普適的科學(xué)方法的表述轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄻踊目茖W(xué)方法。
關(guān)于科學(xué)方法多樣性的討論主要基于真實的科學(xué)實踐。國際及國內(nèi)的科學(xué)教育研究者根據(jù)自己對科學(xué)家進行科學(xué)實踐過程的理解提出了各自的觀點。例如,韋格等人(D. Wivagg)創(chuàng)造了“科學(xué)家工具箱”的概念,旨在說明科學(xué)家在實際工作中可能使用多種方法,如建立模型、類比、規(guī)律識別、歸納、盲檢、采集原始數(shù)據(jù)、計算機模擬等。這一概念基于科學(xué)的創(chuàng)造性特征和科學(xué)家的真實工作狀況,突破了傳統(tǒng)觀念中關(guān)于科學(xué)過程或科學(xué)方法的表述;同時,它支持了尋找科學(xué)證據(jù)的多種途徑,包括直接的、間接的、實驗的、觀察的、統(tǒng)計的、控制變量等。奧斯本(J. Osborne)認為,在多數(shù)情況下,科學(xué)既不是從測量開始也不是從觀察和實驗開始,科學(xué)是關(guān)于現(xiàn)實世界的一套觀念(ideas),是從充滿科學(xué)觀念的世界開始的。在奧斯本看來,科學(xué)觀念可以通過六種形式的推理形成,包括(1)數(shù)學(xué)演繹;(2)實驗探索;(3)假設(shè)建模;(4)類比歸類;(5)規(guī)律識別與概率計算;(6)歷史記載與描述。在這6種形式中,“實驗探索”只是其中之一,它并不比其他方法有效或優(yōu)越,更不能替代其他方法。特納(D. Turner)認為科學(xué)歸根結(jié)底是在探尋世界的本質(zhì),而探尋的手段(方法)紛繁龐雜,想要概括出一種普適的科學(xué)方法是作繭自縛的。吳俊明認為在科學(xué)研究的起始階段,科學(xué)家并不刻意遵循某種固定的科學(xué)方法或模式,而是運用他們的直覺、想象和創(chuàng)造性,以一種開放的心態(tài)來觀察研究對象,提出種種猜想和假設(shè)、不斷設(shè)計研究或反省結(jié)果。鄧陽和王后雄則強調(diào)突出以“解釋-論證”為特征的科學(xué)探究,努力改變基于邏輯實證主義、固定探究程式、探究結(jié)果定向、觀察實驗導(dǎo)向的科學(xué)探究模式。
除了科學(xué)教育研究者的呼吁外,一些科學(xué)教育改革方案也支持多樣化的科學(xué)方法。例如,由美國國家研究院在2012年頒布的《K-12年級科學(xué)教育框架》中,明確提出“科學(xué)實踐”的概念,這既是對科學(xué)探究內(nèi)涵的深化,又是對科學(xué)方法模式化傾向的變革。為了落實科學(xué)實踐的理念,該框架提出八個科學(xué)實踐要素,分別是:(1) 提出問題和定義問題、(2)計劃和實施調(diào)查、(3)分析和解釋數(shù)據(jù)、 (4)發(fā)展和使用模型、(5)使用數(shù)學(xué)和計算思維、(6)構(gòu)建解釋和設(shè)計解決方案、(7)基于證據(jù)的論證、(8)獲取、評估和交流信息。值得注意的是,在傳統(tǒng)的自然科學(xué)教育中備受關(guān)注的“實驗”或“假設(shè)檢驗”等并沒有作為科學(xué)實踐要素單獨提出。誠然,實驗是是一些自然科學(xué)的重要特征,是表征科學(xué)方法的一種重要形式,但過于強調(diào)實驗方法容易使人把科學(xué)方法等同于實驗方法,從而忽視那些非實驗方法的重要性,比如自然觀察和歷史調(diào)查等描述性的方法。埃爾杜蘭(S. Erduran)認為在理科教學(xué)中過于強調(diào)實驗而忽視科學(xué)方法的多樣性會帶來諸多弊端,包括:使學(xué)生認為從非實驗性方法中獲得的知識不如從實驗性方法中獲得的知識可信或重要;影響學(xué)生對學(xué)科內(nèi)容和過程的正確理解;可能會導(dǎo)致學(xué)生拒絕一些沒有通過假設(shè)檢驗或?qū)嶒灦鴺?gòu)建的理論。
科學(xué)哲學(xué)家布蘭登(N.Brandon)立足于科學(xué)研究中實驗和理論的關(guān)系,重點關(guān)注被哲學(xué)家忽視的實驗的本質(zhì)屬性,以此闡釋科學(xué)研究中科學(xué)方法的多樣性問題。布蘭登認為要理解什么是實驗,可以從什么不是實驗說起。因此,他從觀察與實驗的區(qū)別以及描述性的研究與實驗性的研究的區(qū)別這兩個角度理解實驗的本質(zhì)。實驗和觀察之間的本質(zhì)區(qū)別在于是否故意地對變量進行操縱:實驗需要人為地操縱變量而觀察則不需要。實驗性的研究與描述性的研究的區(qū)別對應(yīng)著假設(shè)檢驗與參數(shù)測量的區(qū)別:實驗性的研究中一般涉及對假設(shè)的檢驗,而描述性的研究則不存在假設(shè),通常是對某些參數(shù)進行測量。因此,觀察/實驗與描述性的/實驗性的研究通過正交的方式兩兩組合形成了一個矩陣(圖1)。這個矩陣的優(yōu)勢在于它突破了將科學(xué)方法等同于通過實驗檢驗假設(shè)的步驟化過程的局限性,對科學(xué)方法提供了一個更系統(tǒng)、全面和包容的解釋。
如圖1所示,在科學(xué)研究中運用的科學(xué)方法并不只有實驗(操縱變量)或者假設(shè)檢驗,科學(xué)研究中至少會涉及四種類型的科學(xué)方法,包括:(1)操縱性的假設(shè)檢驗(Manipulative hypothesis testing), (2)非操縱性的假設(shè)檢驗(Non-manipulative hypothesis testing), (3)操縱性的參數(shù)測量(Manipulative parameter measurement), (4)非操縱性的參數(shù)測量(Non-manipulative parameter measurement)。需要注意的是,雖然矩陣只顯示了四種類型的科學(xué)方法,但是它并不意味著科學(xué)方法僅僅局限于這四個類別,也并不意味著同一類別內(nèi)的所有研究都以同樣的方式進行。相反,矩陣意在說明同一類型的科學(xué)研究運用的科學(xué)方法存在某些共同特點(例如,都涉及假設(shè)檢驗或觀察)。即使某些研究屬于同一類型,它們也可以運用多種不同的方式達到研究目的。
在這個框架中,科學(xué)方法看似是兩極化的,要么是實驗性的(操縱變量的或檢驗假設(shè)的),要么是非實驗性的(不操縱變量的或不檢驗假設(shè)的)。但布蘭登強調(diào),科學(xué)方法并不是非此即彼的,打破方法間的壁壘將它們看作兩個連續(xù)體更為合適,也即從不操縱變量到操縱變量,從不檢驗假設(shè)(參數(shù)測量)到檢驗假設(shè)。這種認識為科學(xué)方法提供了動態(tài)變化的空間,能更加靈活地反映科學(xué)研究的性質(zhì)。由此,科學(xué)方法間的差異由“實驗性”強與弱的區(qū)別替代了“實驗性”是與非的區(qū)別。如圖2所示,“實驗空間”(space of experimentation)反映了實驗性強弱程度的變化,越接近左上角的科學(xué)研究也即越能體現(xiàn)假設(shè)檢驗與操縱變量的研究,它的實驗性就越強?!皩嶒炐钥臻g”的概念旨在打破科學(xué)方法在人們頭腦中形成的固有觀念,幫助人們理解科學(xué)方法的多樣性。
我們認為,布蘭登矩陣在揭示科學(xué)方法多樣性方面邁出了關(guān)鍵的一步,為中小學(xué)的科學(xué)方法教育提供了重要的理論依據(jù)。同時,布蘭登矩陣也為我們了解科學(xué)方法多樣性在教育實踐中的落實狀況提供了一個分析工具。近幾年,在國際科學(xué)教育研究領(lǐng)域,布蘭登矩陣廣泛地應(yīng)用于大學(xué)入學(xué)考試題、理科教科書、師生關(guān)于科學(xué)方法的認識等的實證研究中,為研究科學(xué)方法的教學(xué)、學(xué)習和評價提供了重要的幫助和啟發(fā)。
前文已述,科學(xué)方法教育是一直是中小學(xué)理科課程和教學(xué)所關(guān)注的一個重要內(nèi)容。但是,無論是在教師的教,學(xué)生的學(xué),抑或教學(xué)評價方面,科學(xué)方法教育的實際狀況都不盡人意。結(jié)合國際科學(xué)教育領(lǐng)域的相關(guān)研究成果以及我國中小學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀,我們認為正確認識和實施科學(xué)方法及其多樣性需要注意三個問題。
4.1關(guān)于科學(xué)方法多樣性的理解
理解科學(xué)方法的多樣性有助于學(xué)生形成正確的科學(xué)本質(zhì)觀,也有助于探究式學(xué)習的真正落實。但是在目前的理科課堂中,教師一般只重視假設(shè)檢驗的科學(xué)方法而忽視其他科學(xué)方法,由此影響到學(xué)生對科學(xué)方法的正確認識。例如,馬斯里(Y. EI Masri)等人發(fā)現(xiàn)學(xué)生缺乏對科學(xué)方法多樣性的理解,他們往往將科學(xué)方法等同于假設(shè)檢驗等某一種方法,且認為不操縱變量、不檢驗假設(shè)的不是科學(xué)方法。此外,長期以來,科學(xué)方法教育主要以“隱性”方式進行,即教師并不明確教授科學(xué)方法,主要以潛移默化的方式讓學(xué)生感受。但這種方式的效果并不明顯,學(xué)生也容易對科學(xué)方法產(chǎn)生誤解。近年來,科學(xué)教育工作者認為科學(xué)方法的教學(xué)應(yīng)該從隱性的“滲透”轉(zhuǎn)變?yōu)轱@性的“明示”,即明確告知學(xué)生科學(xué)方法是多樣的,并不僅限于通過實驗檢驗假設(shè)。為此,埃爾杜蘭(S. Erduran)等人把布蘭登框架融入科學(xué)方法課程,研究顯示,經(jīng)過一段時間的教學(xué),學(xué)生對科學(xué)方法的本質(zhì)內(nèi)涵及多樣性的理解有了明顯的改善??茖W(xué)有法,但無定法。理解科學(xué)方法的多樣性要把握科學(xué)研究的基本原則,即科學(xué)研究是由問題主導(dǎo)的,要從實際問題出發(fā),在特定的情境中選擇合適的方法解決問題,不能為了迎合某種模式生搬硬套地選擇和使用科學(xué)方法。
4.2關(guān)于各種科學(xué)方法的均衡性
鑒于科學(xué)方法的多樣性,不同類型的科學(xué)方法在價值和意義上沒有高低之分。但是,無論是在教科書里,外部評價抑或理科教學(xué)中,不同種類的科學(xué)方法缺乏均衡的體現(xiàn)。例如,在教科書方面,魏冰等人發(fā)現(xiàn),布蘭登矩陣的四類科學(xué)方法在中國初中階段使用的理科教科書內(nèi)的動手活動(實驗)中分布并不均衡且差異很大,并都以非操縱性參數(shù)測量為主;在“實驗性”方面(即假設(shè)檢驗的程度),物理、化學(xué)、生物三個學(xué)科依次降低。這種不均衡也體現(xiàn)在外部選拔性考試的試卷里。庫里南(A. Cullinane)等人的研究顯示四種科學(xué)方法在英國三種不同類型的高考化學(xué)試卷的題目中所占的比例有很大差異。他們還發(fā)現(xiàn),在理科課堂中被當作科學(xué)方法來介紹的“操縱性假設(shè)檢驗”并沒有在試題中占主導(dǎo)地位;相反,這類題目的比例遠遠小于參數(shù)測量和非操縱性的題目。忽視科學(xué)方法的多樣性容易造成顧此失彼的局面,使學(xué)生對不同的科學(xué)方法形成等級觀念,認為某些不常練習或不??嫉目茖W(xué)方法不重要。為此,我們認為有必要在課堂教學(xué)、教科書、教學(xué)評價中增加那些在傳統(tǒng)的理科教學(xué)中不太常見的科學(xué)方法,比如建模、科學(xué)解釋、科學(xué)論證等。
4.3關(guān)于教—學(xué)—評之間的一致性
教學(xué)、學(xué)習與評價的一致性是當代理科教育改革的一個重要目標。但是,這種一致性并沒有很好的落實,教—學(xué)—評脫節(jié)的現(xiàn)象司空見慣,即學(xué)的卻沒評,評的非所教。就科學(xué)方法教育的議題而言,科學(xué)方法的多樣性在課程、教學(xué)和評價環(huán)節(jié)的要求并不一致。例如,雖然理科課程標準會直接或間接地提及各種科學(xué)研究方法,但是,在實際教學(xué)中,實驗及假設(shè)檢驗等才是教師們強調(diào)的科學(xué)方法;在教科書中不操縱變量的、測量參數(shù)類的動手活動居多;在評價中操縱性參數(shù)測量類的題目卻又是賦分比重最高的。造成這種現(xiàn)象的原因很多,但課程標準制定者、教科書編寫者以及教學(xué)評核者對科學(xué)方法及其多樣性缺乏統(tǒng)一的認識應(yīng)是主要原因。不管原因為何,科學(xué)方法及其多樣性的教育都不應(yīng)該是紙上談兵,需要課程、教學(xué)和評價各環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)行動。唯有如此,才能確??茖W(xué)方法教育真正落實到位,從而有效促進科學(xué)探究的實施,貫徹科學(xué)實踐的理念以及達成科學(xué)本質(zhì)教育的目的。
探討科學(xué)方法的多樣性,是為了探尋科學(xué)及科學(xué)實踐的本質(zhì),為真實的科學(xué)探究正名。正確理解科學(xué)方法及其多樣性有助于科學(xué)教育實現(xiàn)由“我們應(yīng)該知道什么”(知識)向“我們?nèi)绾尾拍苤馈保ㄟ^程)以及“我們?yōu)槭裁匆@樣做”(思考)的轉(zhuǎn)變。本文系統(tǒng)地梳理了科學(xué)方法這一概念的來龍去脈,厘清了科學(xué)探究、科學(xué)實踐與科學(xué)方法之間的關(guān)系,重點討論了科學(xué)方法的多樣性,為科學(xué)方法教育提供了一個新的思路。文章強調(diào),無論是實驗方法還是非實驗方法都是科學(xué)方法,沒有哪一種科學(xué)方法相對其他科學(xué)方法更為重要或優(yōu)越。各類科學(xué)方法在解決問題時并沒有等級之分,關(guān)鍵在于是否適合要解決的問題。特別是,作為科學(xué)方法多樣性的具體表征,布蘭登矩陣可用于設(shè)計關(guān)于科學(xué)方法的新型教學(xué)材料、教學(xué)方法和評價策略,從而有效地促進科學(xué)方法教育的落實。
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