Transcript 科学本质观下的科学教学
科学本质观下的科学教学 杭州市建兰中学 金京生 一个课例引发 的思考…… 课例：七年级科学上《地球表面的板块》 什么是科学？ 什么是科学本质观？ 现代科学本质观下的 科学教学又是如何的？ 一、科学 科学：英语Science专指自然科学，本义是学问、 知识。 《辞海》认为：“科学是关于自然、社会和思维 的知识体系。它适应人们生产斗争和阶级斗争的 需要而产生和发展，是实践经验的结晶。每一门 科学通常都只是研究客观世界发展过程的某一个 阶段或某一种运动形式。科学的任务是揭示事物 发展的客观规律，探求客观真理，作为人们改造 世界的指南。” 科学是： 关于自然世界的知识（科学的知识） 关于科学的方法（科学方法） 关于科学的态度（兴趣、态度、责任） 二、科学本质观 科学本质即为关于科学本身的知识（关 于科学的知识），包括： 如何看待科学知识 如何看待科学方法 如何看待科学家及科学事业及科学、技 术与社会的关系 （一）科学本质观的类型 1、传统的科学本质观 （1）经验主义科学本质观 （2）理性主义科学本质观 （3）逻辑实证主义科学本质观 2、现代的科学本质观 （1）证伪主义科学本质观 （2）历史主义科学本质观 （3）建构主义科学本质观 （二）传统的科学本质观——逻辑实证主义科学本质观 1、对于知识的认识 知识来自于客观的观察，再经由科学的方法得到科学 知识或理论，其中所倡导的科学方法是培根(Bacon)的归 纳法或假设—演绎法，整个科学方法的过程，就是先以 开放的眼光观察自然现象，按着发现到某些规则，因而 在心中形成了假说，再收集资料来验证假说，若假说成 立就变成科学知识。所以只要完全依循上述的过程所产 生的知识就可称为科学知识。 如大陆漂移说、细胞学说等 2、对于科学方法的认识： 观察与推理是研究科学的主要方法。观察是科 学知识的来源，而且观察是一价值中立、客观的活 动，不受任何因素的影响(如观察者的已有知识、理 论和信念)，故所得的数据是客观的。 所以科学的探究模式可分为四个阶段：收集有关的 全部事实、对这些事实加以分析、比较和归类、从 这些事实中抽离出普遍性原理(假说)、以及在事实 中重新检验已经提出的假说。这是一套众所公认的 科学方法，凡是没有依循此套模式的方法就不被视 为科学方法，而且可适用于任何学科领域的研究。 （梅契尼柯夫免疫学吞噬理论的争议） 3、对科学事业的认识 科学家的角色：科学家的任务在于发现自 然界已存在的真理。 科学家是一个价值中立、 客观的研究者，即无意识的研究者。 （三）逻辑实证主义科学本质观下科学 教学的意义 逻辑实证主义科学本质观中包含着很多积极因素。他将数 理逻辑与实验观察结合起来，探讨了对概念进行澄清的步骤， 把外在世界的客观性和对于意识的独立性作为一种既定前提， 致力于区分科学与非科学，追求知识的准确与可靠，把传统的 形式逻辑的科学方法发展为严谨的数理逻辑方法论，这种思维 对于科学的发展、技术的操作有着积极地意义。逻辑实证主义 强调实证精神也是一种务实的态度。 （四）科学教学中实践逻辑实证主义科学本质观 1、突显证据在科学教学中的作用 培养学生逻辑实证精神 宇宙大爆炸模型的证据与理论 （1）星系红移现象 （2）宇宙微波背景辐射 （彭齐亚斯和威尔逊发表的题目为“在4080兆赫上额 外天线温度的测量”的报告，使这两位美国的无线电 工程师彭齐亚斯与威尔逊荣获了1978年度诺贝尔物理 学奖。 ） （3）宇宙中氦元素的丰度 宇宙中氦元素的丰度 自然界有100多种元素，其中原子量最小的元素是氢，在氢的原子核中只 有1个质子，第2号元素是氦，在氦的原子核中有2个质子和2个中子。不 同的元素在自然界中的含量是不同的。科学家们通常用一类元素在被测 样品中的百分含量表示这类元素在样品中的多寡。这类元素的百分含量 也就是它的丰度。科学家们还发现，自然界中含量最丰富的元素是氢， 约占宇宙原子总数的93％，占宇宙物质质量的76％，其次是氦，约占宇 宙原子总数的7％，占宇宙物质质量的23％。相比之下，其他元素的数量 少得可怜，而且元素原子量越大，一般来说它的丰度也就越小。事实 上，氦以后的元素加在一起也只占宇宙物质质量的1％。目前在宇宙各个 方位各个区域观测到的氦丰度都在23％左右。这一观测结果很难用恒星 演化理论的元素生成来解释。因为按照在恒星演化过程中诞生元素的理 论，氦元素只能出现在恒星演化的主序星阶段和红巨星阶段，而且大量 的氦元素应当出现在主序星阶段后期和红巨星阶段的初期，没有恒星的 区域就应该没有什么氦元素，即使有氦元素，在数量上也是微乎其微 的。所以我们可以认为，氦元素的丰度在宇宙的每个地方都大致相同而 且达到23％那样大，必然和宇宙的行为有关，必然和宇宙的起源有关， 氦丰度必定包含着与宇宙起源有关的信息。事实上，科学家们利用热大 爆炸宇宙模型给出的宇宙演化理论，经过精确计算，得到宇宙的氦丰度 值恰好等于23％，还得出今天观测到的氦丰度在宇宙早期就形成的结论 (宇宙大爆炸后的第189秒后形成)。所以我们说，氦丰度的观测事实与热 大爆炸宇宙理论计算非常一致。 宇宙大爆炸模型的证据与理论 （4）古老天体时标 天文学家通常根据恒星演化理论来确定天体年龄。由于球状星团是一 群同时诞生的恒 星，所以天文学家根据不同球状星团中出现红巨星 的情况和恒星中所含各种元素的比例就可 以确定这一群恒星的年 龄。目前测量到的最“年老”的球状星团的年龄为150亿年，并且所 有“年老”球状星团的年龄都很接近，都在100亿到150亿年之间。 这个数值确实与热大爆炸宇宙模型给出的宇宙年龄很符合。 （5）宇宙大爆炸后的演化 （6）宇宙的将来 课例2：地球表面的板块 北冰洋 大 西 洋 太 平 洋 印度洋 科学依据1 一种叫舌羊齿的植物化石在印 度、澳大利亚和非洲的岩层中 被发现。 舌草齿化石 科学证据2 化石 产地 3.可以对接的山脉 南非开普山与南美布 宜诺斯艾利斯的二叠 纪地层可以拼合； 挪威的加里东褶皱山 系在北美东海岸再现 等等 4.有相同结构的岩石 同种岩石 非洲南端和南美阿根廷南部晚古生代 构造方向﹑岩石层序相一致。非洲高 原的前寒武纪片麻岩在巴西重现。 课例3：地球的自转 1851年法国人傅科用单摆实验证明地球在旋转 （四）于科学教学中实践逻辑实证主义科 学本质观 （2）强调实验在科学教学中重要性 科学的最大特点是可检验性（即可重复性），科 学强调和尊重经验事实对科学理论的检验，即实证 性。因此科学实验在科学教学中显得相当重要。 （小鱼尾鳍的实验，心脏解剖的实验等） （3）于评价中渗透逻辑实证主义科学 本质观 例：科学家发现，从红豆杉中提取的紫杉醇 （C47H51NO14）是一种抗癌新药；1994年之 后，科学家在实验室里人工合成了紫杉醇。 假如人工合成的紫杉醇与天然紫杉醇的成分 和结构完全相同，你认为使用天然紫杉醇的 疗效是否比人工合成的紫杉醇更好？ ▲ （填“是”或“不是”），据此计算紫杉醇 中的碳、氢、氮、氧元素的质量比是 ▲ 。 （0.597） （六）目前初中科学教师科学本质观的现 状 2008年，我们与杭州师范大学 陈志伟教授及吴银银硕士合作对浙江 省特别是台州市的初中科学教师有科 学本质观进行了调查。 1 调查方法 本研究采用丁嘉琦所发展的科学本质观问卷[6]进行调 查。问卷共有38题，分科学世界观、科学探究活动和科 学事业三个分量表。题目有正向和反向叙述，其中正向 叙述8题，反向叙述30题，题号顺序采用随机排列。量表 采用李克式(Likert)四点计分方法，正向叙述题按非常同 意、同意、不同意、非常不同意分别赋予4、3、2、1 分，反向叙述题则相应赋予1、2、3、4分。得分的多少 反映了被试对科学本质的理解程度， 即得分越高表示被 试对科学本质的了解程度越高。若受试者的中间分数低 于2.50分，则是较偏向传统的科学本质观；若高于2.50 分，则是较偏向现代的科学本质观。 2008年3月，笔者对浙江省台州市初中科学骨干教师进行 了问卷调查。共发放问卷690份，收回676份，其中有效 问卷665份，有效率为96.5%。其中男性教师311人，女性 教师 354人。 2.1 对“科学世界观”的理解 19（反向）科学结论是以事实为基础，不能含有科 学家个人的看法。 132 416 102 15 2.00 31 （反向）科学知识是反映自然现象的真理。 51 385 219 9 2.28 37 （反向）整体而言，科学家团体比其他团体的言 行更客观。 84 445 130 5 2.08 2.2 对“科学探究活动”的理解 6 （反向）科学是一连串的发现，这些发现的产物即为 科学知识。 48 365 227 22 2.34 33 （反向）科学的分类系统（如：化学元素周期表） 是实际反映大自然真实存在的情形。 34 • 377 223 28 2.37 （正向）科学理论是人类心智的产物，而创造是必 要的条件，所以科学理论并不是被发现的 68 401 174 20 2.12 2.3 对“科学事业”的理解 36（正向）科学研究的方向会被社会大众的舆论和 兴趣所影响。 26 375 242 21 2.39 38（反向）科学与技术都是以改善人类的生活为目 的。 113 389 139 20 2.10 小结： 通过以上的调查发现：从总体上看，台州市在职初中 科学骨干教师对科学本质有一定的认识，略偏向于现 代的科学本质观，但对科学本质的认知水平不高，认 识不全面，仍处于较为朴素的水平，有待提高。对 “科学世界观”、“科学探究”、“科学事业”三个 维度的理解和认识不平衡。其中，对“科学世界观” 相关论点的理解水平略高于对“科学探究”以及“科 学事业”的相关论点。 我们绝大多数科学骨干教师正处到逻辑实证主义 科学本质观阶段，而并未真正接受现代建构主义科学 本质观。 （六）逻辑实证主义科学本质观下的教学存在 的问题： 通过逻辑实证主义科学本质教育传递给 学生有关科学的印象是：科学是一种中性的 活动，不受社会、经济、历史等因素的影响， 因此科学是真实的，可依赖的，由我们学习 的科学方法得出的科学知识可不断地反复验 证。所以是真理。而从事科学研究的科学家 是权威的、伟大的、甚至超脱凡俗的。 1）科学知识是不是真理？ （细胞是不是生物体的结构和功能单位？） 2）科学方法是否具有主观性 ？ （观察的结果是否具有主观性） 鲁宾的面孔／花瓶幻觉 (如对于空气成分的研究中普里斯特利与拉瓦锡观点） 1）科学知识是不是真理？ （细胞是不是生物体的结构和功能单位？） 2）科学方法是否具有主观性 ？ （观察的结果是否具有主观性？） 3）科学家是不是一个价值中立、客观的研究者 ？ （韩国克隆之父首席科学家黄禹锡涉及2004年 2005年在《科学》杂志上发表的有关人类胚胎 干细胞的论文造假；浙大博士后贺海波学术论 文造假，中科院院士李连达卷入其中 ） 戴维与法拉第 爱因斯坦与量子力学 门捷列夫与阿伦尼乌斯关于电离理论 的争执（1884） （2）观察和推论在教学中的混淆 传统科学本质观下，教学设计对于观察和推论是不 加区别。观察是指人们通过感觉器官或借助一定的科学 仪器，有目的、有计划地考察研究对象的一种科学方法。 推论：是人们根据个人的经验和知识对观察结果的理解 与解释。推论是人们对外界事物的反应，是人类思维活 动的结果。很显然，它有很强的主观性，这是它与观察 之间的本质区别。 （如对太阳东升西落的解释，观察鱼浮头现象的解释） 观察和推论不加区别的认识过程设计不易使学生对科学 知识形成较好的理解，同时还容易形成“知道的就是看 见的”认识。 （3）缺乏反思性的作业与活动设计 目前科学教学一般以结论态内容的学习与掌握 为目标，作业与活动设计基本上是围绕知识的掌 握而进行的，对于知识产生过程以及知识的合理 性几乎不加考虑，在作业与活动的设计与实施中 缺乏相应的反思性作业。而反思性作业与活动的 缺乏，将导致学生质疑精神与批判能力的弱化， 更强化了对权威的迷信。 30%乙醇对水蚤心率的影响 （六）现代科学本质观——建构主 义科学本质观 1、科学知识的层面： 科学知识的确认：建构主义认为科学知识的获得是 科学家根据现有的理论(先备知识)来建构科学知识， 而且强调科学知识是暂时性的，它会不断地被修正 和推翻。任何科学家发展出来的理论，必须受到科 学社群的认同，以决定其价值。 科学知识的地位：科学知识可能会因观察工具的进 步或出现反例而受到质疑，所以它仅是一个”暂时 成立”的假说，随时可能会被修改，或被更好的假 说所取代，故科学知识是具有暂时性及可修改的特 质 （如细胞学说、板块学说、自然选择学说、原子结 构理论等） 2.科学方法的层面： 观察活动：不可能有“绝对客观、毫无成见的观 察”，不同的观察者即使在相同地点、观察相同的 现象，所得到的观察结果可能会不同。因为感官所 察觉到的讯息决定权在于观察者已有的知识、信念 和理论，故观察的结果不可能是价值中立的，事实 上应是理论蕴涵的(Theory-laden） (如对于太阳东升西落，地心说与日心说的不同解释） (如对于空气成分的研究中普里斯特利与拉瓦锡观点） 科学方法：科学事业的领域相当广泛，而且每一位科 学家的文化背景、工作情境必有所不同。因此从事科 学研究的环境是无法相同的，故无法定义出对所有情 况都适用的单一科学方法 3.科学事业的层面 科学家的角色：科学家并非仅是遵循科学方法的技术 人员，科学家的工作是一种类似艺术性质的创作。如 果以传统的科学哲学观来看，科学知识是告诉人类宇 宙 事 物 的 内 容 ， 则 科 学 家 的 任 务 是 “ 发 现”(discovering);如果以当代的科学哲学观来看，科 学知识是人类的创作，则科学家的任务是“发 明”(inventing)。 如梅契尼柯夫由海星游走细胞吞噬食物的现象连 系到人体的免疫功能（血液细胞能吞噬微生物） 这确实是惊人的富有创造性的联想。这是科学家 的可贵品质。联想往往是提出新颖的假说、通向 新理论的桥梁。(科学来自于联想) 科学社群的重要性：科学家在从事科学活动时并 非是一个价值中立、客观的研究者，而是一个有 意识的人，故面对研究结果时，会因所持的派典 不同而有不同的解释。而且在同一派典下所发展 出来的知识，必须由科学社群共同决定其价值。 （如魏格纳、伽利略、拉瓦锡等研究） 建构主义科学本质观教育对学生的影响： 能促使学生从以下四个方面理解科学的本质： (1)理解所有的科学观念都不是最终真理，在原则上都 要进行改进，但一些基本概念已经经过大量的实验证 实，在未来不可能有大的变化； (2)科学家通过观察、实验、理论模型和数学模型来 构建和检验对自然界的解释，当遇到与已有的解释不一 致的新的实验证据时，就要改变关于自然界的概念； (3)在研究过程中，如果缺乏大量实验性和观察性证 据，科学家们对同一现象作出不同的解释是正常的，不 同的科学家可能会公布不同的实验结果，或者从同样的 数据中得出不同的结论，但科学家会认识到分歧并努力 消除分歧； (4)对已公布的科学研究成果加以评价，包括审查过 程、检验证据、找出错误推理，对同样的观察结果提出 不同的解释。 （八）如何在教学中体现现代科学本质教育 1、学习课程标准、了解科学本质 2、7至9年级科学课程是体现科学本质的课程。 自然界是有规律的，这种规律是可以被认识的。 科学是认识自然最有效的途径，其根本任务就是对自 然界进行全面和深入的研究，从而产生新知识。科学 知识是人类经过科学探究对客观世界和人类自身的系 统认识，其表现形式包含科学事实、科学概念、科学 原理、科学模型和科学理论，对自然现象具有解释和 预见的功能。科学知识的形成是一个不断修正、不断 深入，以逐步逼近客观存在的过程。个体的创新知识 只有充分接受集体的评议、判断、筛选后，才可能有 选择地被接纳为共识而成为集体知识。只有充分认识 到个体知识和集体知识的相互联系和转换，科学知识 的形成才拥有坚实的社会基础。科学可以转化为技术， 变成改变世界的物质力量。 科学是以多样统一的自然界为研究对象的探究活动， 是建立在证据和理性思维的基础上的，其基本动力 是人类的好奇心和求知欲以及经济与技术发展的需 求。科学探究是创造性思维活动、实验活动和逻辑 推理交互作用的过程，往往需要经过多次循环，不 断有新的发现和问题，在解决这些问题的过程中推 动科学的发展。科学探究过程需要科学情感、态度 和价值观的维系。科学知识是全人类，特别是科学 家探究活动的结果，它是人类智慧和劳动的结晶。 科学是一项全社会的事业，每一个人都应当关注科 学与技术的发展。 科学是一个开放的系统。科学知识具有相对的稳定性 并不断发展和进步，它不是绝对真理，只能在一定的 条件与范围内适用，也不能解决所有的问题。可验证 性是科学知识的重要特征，科学强调和尊重经验事实 对科学理论的检验。 科学活动与其他人类活动一样，都是建立在诚信的基 础之上的，崇尚求真务实，要求科学工作者正确处理 利益、荣誉和伦理等问题，具备良好的职业道德与科 学品行，以及热爱科学、坚持真理和创新的科学精 神。因此，科学活动受到科学道德和社会一般道德的 双重约束。 2、教学中融合科学史、渗透科学本质教育 （1）科学教学中设计能体现科学本质教育的经典课例: 我们居住的地球 牛顿第一运动定律 地球表面的七巧板 水的浮力 大气的压强 神奇的激素 原子的结构 宇宙的起源 太阳系的形成与地球的诞生 生物的进化 空气。。。。。。 （2）区分科学史与科学传说 牛顿与苹果的故事 魏格纳与大陆漂移学说 伽利略与比萨斜塔实验 瓦特与水壶的故事 （3）正确了解科学史及其评价 科学史教育：教师介绍拉瓦锡对空气成分的研究 史，并简介其生平和为人，在充分肯定其杰出的 科学贡献后，还指出后来拉瓦锡参加了反动政府， 最终被革命政府送上了断头台，结束了年仅51岁 的生命。 感悟：看待任何一个人，都要一分为二地去看待 他；成才先成人，所谓人才，首先是做一个正直 的人，然后才是做一个杰出的人。 （评述：拉瓦锡之死尽管在教材中没有提到，但作 为极少的几个被革命政府处死的科学家，确实是一 个既可以当正面教育又可以当反面教育的难得素材， 通过拉瓦锡之死，可以带给学生很多的思考，有利 于学生正确价值观的形成 。 3、在质疑与追问中，理解科学本 质 亚里士多德有句名言：“思维从疑问和惊奇开始。”质 疑是学生有了新的发现后的猜想，是学生进一步探究的 驱动力，更是培养创新能力的前提。但目前的教学中， 学生质疑的意识很少，学生质疑的精神被磨灭，从幼年 时到处是为什么，到现在是没有问题。（如初一学生与 初三学生的提问意识变化）。 所以科学教学就要求教师不断的引导学生向原有的知识 经验质疑，向书本知识质疑，向自己或同学实验现象和 结论质疑。对学生来说，因为是自己有疑问的问题，他 们更乐于去探究，想“弄个明白”也是学生的天性。另 一方面，质疑能大大的激活学生深层次的思维。因为质 疑会打破原来的思维的平衡状态，出现了活跃的不平 衡，激发求得新的平衡。随着经常质疑，学生的求知欲 望会更强烈，质疑情趣会更浓。 在教学中，教师要抓住教学过程中的每一个资源， 有意识的引导学生去质疑。因为研究学生有疑问的问 题，会更有价值，更能发展学生的科学素养 4、在科学探究中体现科学本质 5、在教学中融合科学史、科学哲学、科学社会 学的教育（HPS教育） 近年来，西方一些科学教育专家以建构主义为 指导思想，倡导一种新的科学教育的课程与教学 模式。这种模式要求把科学史、科学哲学和科学 社会学(history，philosophy and sociology Of science缩写为HPS)的有关内 容引入中小学科学教育，以期促进学生对科学本 质的理解，培养他们的科学精神和创造力，这就 是所谓的HPS教育。 (神奇的激素教学设计中体现的科学与技术的关 系） 杠杆教学设计中体现的“平衡—不平衡—平衡” 原子的结构教学设计中体现的“物质无限可分 性”） 6、探索体现现代科学本质教育的评价方式 （1）在纸笔测试中考查学生的科学本质 35. （0.476） 18世纪中期，为了解释燃烧现象，有人提出 了“燃素说”，其主要观点有： ①燃素是一种构成火的元素，火焰是自由的燃素，燃素 能透过一切物体。 ②一般条件下燃素被禁锢在可燃物中，是物体的一个成 分。 ③燃烧是可燃物中物体同燃素分解的过程。 （1）将汞装入密封容器中，置于火炉上加热，容器内形 成了质量增加的红色物质。请以上述燃素说的主要观 点来解释质量增加的原因： ▲ 。 （0.165） 2）法国化学家拉瓦锡也做了加热汞的实验（装置如图）， 他在实验前后称量了容器及其中物质的总质量。 结果发现：反应前后总质量不变，且汞变成红色物质（后 知是氧化汞）增加的质量等于容器中空气减少的质量。之 后，拉瓦锡还将反应形成的氧化汞加强热，使之重新释放 出气体，并将该气体与原来容器中剩余的气体混合，发现 混合气体的性质与最初的空气相同。根据上述资料，回答： ①拉瓦锡实验是否支持燃素说，并说明理由 ▲ 。 （0.480） ②拉瓦锡实验中氧化汞受强热释放出的气体是 ▲ 。 （0.710） ③拉瓦锡在实验中，均对反应前后的容器及其中物质的质 量进行了称量，体现了他对 ▲ 规律的重要认识。 （0.555） 愿我们的教学不但让学生体 会科学之美，更让他们体验 发现科学之美！ 秋天是落叶的季节。 大树下，林子里，我们 可以捡到各种各样的落叶。 我捡了几片落叶？ 这里面有几种树叶？ 我们小组共有几种树叶？ 这些叶子是同一种叶吗？ 观察到了什么，才说它们是同一 种叶？ 观察到了什么，才说它们不是同 一种叶？