基于科学史与科学哲学的科学本质理解之机制研究

基于科学史与科学哲学的科学本质理解之机制研究

来源：全国教育科学规划领导小组办公室    作者：黄晓

浙江师范大学黄晓主持完成了全国教育科学规划教育部重点课题“基于科学史与科学哲学的科学本质理解之机制研究”(课题批准号：DHA140278)。课题组主要成员：李春密、岳刚德、陈锋、谢杰妹、葛新福、黄鹏飞、谢群、龚伟、吴樟华、竺丽英、孙超群、余晗。

一、内容与方法

（一）研究内容

本研究立论于对科学本质及其教学的系统研究与实践，旨在推进浙江省综合科学课程的发展与深化，主要探讨基于浙江省综合科学课程背景下，促进科学本质理解的教学方式的开展，并寻求本土化实践路径以推动综合科学课程的进一步发展。具体探讨内容如下：

1.调查浙江省学生科学本质认识及概念理解现状，探讨影响学生科学本质理解的因素

对学生科学本质观的把握，已经成为相关科学本质实践开展的基础。为有效对学生进行有效的科学本质观测评，我们在梳理国际上已有的科学本质策略量表的基础上，综合分析各量表的测量维度、题目设置、评测时长以及后续数据处理等方面，认可N. G. Lederman及其团队研制的VNOS系列量表与VOSI系列量表测评的有效性及其测量维度，遂翻译了针对中学生的“VNOS-E”与“VOSI-E”，并结合大陆学生特点，增加了相关的历史背景，并与基于科学概念理解的二段式纸笔测评相结合，开展针对性的访谈对学生现有科学本质理解的评价，以得到初中学生对科学本质理解的现状。

2.建构科学本质教学模式及概念教学范式，寻求有效的提高科学本质理解的教学途径

国内外学者将科学本质的教学策略，归纳为内隐途径与外显途径，而相关研究显示，显性途径促进学生科学本质理解的教学更为有效，Abd-El-Khalick和N. G. Lederman（2000）指出外显途径与内隐途径的基本区别就在于外显途径能提供给学习者更多对科学本质进行反思的机会。基于这一认识，研究者们提出“显性-反思性教学”。此外，基于现代建构主义的学习理论，知识必须放在一个它如何被使用的真实情境中才能被学习。国内外的学者将科学史哲与科学探究作为重要的科学本质教学情境，并利用科学探究及科学史哲进行科学本质教学并开展实证研究，认可科学史哲与科学探究在科学教学中的作用。因此，基于科学史与科学哲学中关于本体论与认知论的观点，以基于体现科学本质的科学史教学情境设计，相同/不同知识本体与相同/不同认知方式的实证研究，探索学生在概念表现、心智模式与科学本质认知维度与层次的异同，以明晰提升科学本质理解的机制，实现提升科学素养课程目标的达成。

3.基于综合科学课程实施现状寻求科学本质教学本土化路径

基于浙江省综合科学课程背景，开展科学本质教学的本土化探索。立足于教师自身科学本质理解及教学行为中科学本质知识的转化对学生科学本质理解存在的影响，构建科学教师科学本质学科教学知识理解与转化的机制，通过教师自身科学本质观念及教学观念的转变来促进学生科学本质理解的提高，以达成在教学实践中有效促进学生对科学本质理解和科学素养提升。此外，结合科学教材与科学课程标准中科学本质的呈现，寻求科学本质教学本土化实践途径，以开展有效的科学本质教学。

（二）研究方法

基于以上研究内容，本研究采取了文献研究法、比较分析法等研究方法：

1.文献研究法。搜集科学教育领域中有关科学本质教学的文献，基于国际学者对科学史价值与概念转变、科学本质理解必要性与可能方法的研究，界定本课题的核心概念，形成科学本质内涵、科学本质观现状、科学本质文本分析、科学本质教学等研究综述，寻求机制之理论支撑。

2.调查法。调查法以问卷调查和访谈调查为主。课题开展前期，编制二段式诊断问卷和科学本质观评价量表，抽取相应样本进行问卷调查；课题开展后期，编制科学本质量表后测问卷并针对学生个体进行访谈，深入调查学生科学本质观的提升情况

3.比较分析法。比较分析不同国家和不同版本的科学课程标准中对科学本质的理解以及科学教材中科学本质的显性或隐性的文字呈现，挖掘文本中的科学史哲和科学探究以及可教的科学本质。

4.实证研究法。基于学生科学本质理解调研的现状以及科学教材的文本分析，选择教材中蕴含科学史的系列典型的科学主题，开展以科学史哲和科学探究融入科学教学的教学设计与教学干预，采用“历史-探究-反思”的教学方法进行教学实证。

5.案例分析法。案例分析贯穿于整个研究中，在科学本质是什么和相关主题持有的迷思概念中，访谈和课堂观察采用了典型案例分析；在课堂实践中，主要彰显与科学史融入科学本质的教学中结合某一特定的策略某一主题的典型案例分析阐述；“历史—探究—反思”的教学方法的效果则表现与地市典型学校的课程实践剖析中。

二、结论与对策

本研究基于浙江省综合科学课程背景，积极探索发展促进学生科学本质理解的教学途径，并为保障科学本质教学的切实成效寻求合适的本土化路径。基于此目标的达成，展开一系列与科学本质教学相关的调查及研究，得出以下结论与对策：

1.我国科学课程标准缺乏科学本质的内涵阐释与实施建议

教师的教学行为需接受科学课程标准的指导，为把握本土化科学本质教学的要求及内容，分析我国大陆《义务教育初中科学课程标准（2011版）》并与美国《下一代科学教育标准》、《国家科学课程标准》及我国台湾的《国民教育阶段九年一贯制课程总纲》相比较，发现：①我国《义务教育初中科学课程标准（2011版）》在科学课程的性质与价值层面强调了引导学生理解科学的本质这一要求。②美国《国家科学课程标准》中重视科学史对科学本质理解的作用，建议呈现为显性的教学。而我国大陆《义务教育初中科学课程标准（2011版）》在课程内容中将科学技术史作为教学主题，但仍将科学本质的学习作为进行相关教学活动后的附属品。③美国《下一代科学教育标准》中呈现与实践及跨学科概念相联系的科学本质要素，我国大陆《初中科学课程标准》中的科学本质内涵表现为理论性的表述，未作出具体的阐释。④美国《下一代科学教育标准》及我国台湾《国民教育阶段九年一贯制课程总纲》对不同学段的学生其科学本质的要求作出区分。对此，我们认为课标应：①认可科学本质理解的教学目标，并以此作为教学评价的一部分；②了解科学本质的认识论本质，将其作为知识性的内容纳入至课程内容；③重视科学本质的教学途径的开发，提供有效的科学本质教学方式以及创设合适的科学本质教学情境。

2.科学教材中的科学本质内涵多以隐性呈现

科学本质的教学依托于科学教材。在对美国《科学探索者》、台湾《自然与生活科技》和大陆浙教版《科学》、华东版《科学》、武汉版《科学》五套科学教材其中所包含的科学本质相关内容进行比较分析中，研究发现：①教材当中科学本质内容的呈现较“全”但是具有“不均衡”的特点，“基于证据的”、“社会与文化渗透的”及“观察和推理”三个维度呈现的内容较多，而“暂时性”、“主观性”和“创造性”三个维度呈现的内容较少；②教材中可直接获得科学本质相关维度内涵的显性呈现较少，多以需进一步解读的隐性呈现为主；③体现科学本质的内容在五套教材中，美国《科学探索者》中呈现最多，台湾《自然与生活科技》最少，大陆三版教材中，华东版教材表现较多，浙教版及武汉版体现科学本质内容相当；④文字的呈现方式是教材中科学本质的主要呈现方式，图像明显低于文字，表格的形式基本没有。基于此，我们认为，在教材中需要对科学本质进行显性表述，凸显科学本质层次性关照；正确认识科学本质内容与科学知识的关系等若干教材编写的建议。

3.学生科学本质理解是有进阶的，且亟待提升

审视国际上研究者、教育文件中对于科学本质内涵的解释，认为学生对科学本质理解应当包括对科学概念及科学是什么的认识，基于此对浙江省初中学生进行了科学概念理解、科学本质观及科学探究观的现状调研，发现总体上学生对科学本质的理解还处于较低的水平：①浙江省不同地区、不同年级的学生科学概念存在显著差异，八年级学生较七年级学生好，但同样的对浮力、水的三态变化、天气与气候和细胞四个主题概念存在迷思概念。②七年级学生对于科学探究的“探究过程基于所提出问题”、“研究结论与收集的证据相一致”的方面表现较好，而在“数据不同于证据”、“科学方法的多元”、“相同的研究过程可以得到不同的结果”方面的表现有待进一步提高。③学生的科学本质观总体上学处于较低的层次，其中对于“主观性”的认识最好，对于“区分理论与定律”的认识最差。

针对浙江省初中学生科学本质理解现状进行归因，可能的原因有：①概念本身的抽象性、多个概念之间的联结不良；②学生迷思概念的产生与科学史上科学概念发展进程中呈现的迷思概念有类似性；③教材中与科学本质理解相关内容的隐性阐述；④教师自身科学本质理解及科学本质教学能力的不足。

4.科学本质的显性教学可以是有多元路径

国内外学者将科学本质的教学策略归纳为内隐途径与外显途径。而科学本质的显性途径能提供给学习者更多对科学本质进行反思的机会，促进学生科学本质理解的教学更为有效。科学本质的显性教学可以采取多元路径，挖掘历史、社会文化、科学探究情境对科学本质教学的价值，如社会性科学议题(SSI)、HPS教学（科学史与科学哲学）、科学探究、科学论证、科学阅读与写作、多重表征等。

5.认知方式对科学本质理解是有影响的

针对同一认识本体，如学生存在的迷思概念与科学史上概念发展过程的异同比较，其在概念获得与转变过程中体现的科学本质认知维度与层次存在差异的。本研究将学生迷思概存在的原因按照概念习得的过程中涉及到的因子分为概念因素，学生认知因素，教师、教材因素和情境因素。其中，学生认知因素即认知方式的差异作为学生科学本质理解的内部原因，是不可忽视的。基于论证的认知方式来理解科学本质内涵，经实证，学生对科学本质的各个维度的理解都有了显著的提升，尤其是在“基于证据的”、“区别观察与推测”、“主观性”、“暂时性”这几个维度理解较为良好。基于科学史情境下的“历史-探究-反思”认知方式来理解科学本质内涵，实证结果表明该认知方式对于学生理解“科学的暂时性”、“科学的局限性”、“区分科学理论与定律”、“科学社群”、“科学与社会的关系”具有较大影响，而对于“科学的创造性”、“区分观察与推测”、“科学与技术的关系”、“科学是基于实证的”等维度不存在显著性影响。基于论证-探究的认知方式满足概念转变一个重要条件，它是以小组合作学习与探究活动展开的，这可以使学生发生认知冲突，从而引起概念转变。基于该认知方式的学生能理解科学探究要素中的“获取事实和证据”，对于控制变量也有一定认识。

6.不同知识本体对于科学本质理解有影响

学生对于特定的概念总是难以理解与学习，但有些却能心领神会，认识其体现的方法、思想与科学本质要义。在这问题的背后绝不是内容本身的难易是唯一的因素，需要思考究竟是什么学习过程的机制在其中，以致有些特定概念难以转变、有些内容难以理解其体现的本质内涵。本体论观点有助于解释迷思概念产生成因——科学知识可依照其属性的不同，分成为物质、过程与心智模式等三种模式，当学生将所获得的概念，做了错误的分类，而放置在一个不适当的类别中，迷思概念便因此而产生。当一个概念由一种类别，重新放置到另一种类别的时侯，概念改变便从而发生。浙江省不同地区、年级学生科学概念理解存在显著差异，并存在迷思概念。学生的迷思概念形成的原因包括概念因素、学生认知因素、教师因素以及情境的影响，因此，从科学本质内涵的不同维度看，在知识维度则表现了对科学知识（概念）本质的认识，需要经由教学过程运用有效的教学方法得以促进转变与理解（如科学的发展性、基于实证的）；同时在促进概念转变的教学过程中促成了学生不同维度与程度的其它科学本质要义理解与转变。

7.“历史—探究—反思”科学本质教学方法能有效促进学生科学本质理解

认可科学史哲与科学探究在科学本质理解中的价值，基于国内外学者对科学史哲与科学探究的整合，提出“历史—探究—反思”的科学本质教学方法并开展实证研究，以探析该教学方法在学生科学知识学习过程中科学本质诸层次、维度的理解的效度。研究发现以“历史—探究—反思”方法开展科学本质教学的学生在科学的暂时性、创造性、科学的局限性、科学主观性等认识方面有显著的提升，而对于区分科学理论与科学定律这一维度，学生仍缺乏深刻的认识。针对“历史—探究—反思”实践中对于不同科学本质维度成效不同的现象，仍需进一步探讨，但对于科学本质的显性教学，还需关注：①教师对科学史本身的理解与科学史中科学本质内涵的挖掘，这有赖于教师自身的科学本质学科教学知识以及教材中对于科学本质内涵的显性陈述；②将科学史与科学探究活动相结合，需要时间和资源等诸方面的保障，即改革仅重视科学知识教学的课堂。

为促成“历史—探究—反思”教学方式的有效开展，对科学探究进行剖析，认可“探究始于问题”这一观点，将学生能否提出批判性问题作为有效探究的前提，并给予关注，认为：显性的开展提问方法/技能的教学，结合认知冲突情境的创设与探究活动的开展、以问题单构建问题链及问题与科学知识的联系、教师及时理答与正向反馈等，有助于提升初中学生批判性提问能力。