科学本质与科学探究的意义及实践

农夫山泉

美国李德曼教授访谈录
                                        作者：王晶莹   文章来源：《全球教育展望》
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    [摘要] 李德曼（Norman G. Lederman）教授是伊利诺理工大学教学和科学教育学系的主席，全美科学教学研究联合会（NARST）和科学教师教育联合会（AETS）的前任主席，也是全美科学教师教育协会（NSTA）的主管，并且是《学校科学和数学》杂志的主编。他曾教授中学科学教师的全科课程，指导教师实习，并且曾在中学教授10年的生物。李德曼教授以其对学生和教师科学本质概念发展的研究而闻名，他也从事教师职前和在职的科学知识教学法知识的研究，包括教学内容知识，教师的信念等方面。他创作和编辑了7本书籍，参加了15本书的编写工作，在专业杂志上发表了150多篇文章，在世界各地的专业会议做报告400多场。笔者利用在芝加哥做公派访问学生的机会，进行了本次访谈。

    [关键词]科学教育 科学本质观 科学探究

    一、科学本质与科学探究的历史背景

    王晶莹（以下简称王）：在中国大陆新一轮的课程改革中，科学本质和科学探究作为重要的科学教育目标提出，这一教育目标在国际科学教育界已经达成共识。那么国际教育界最早提出科学本质的教育目标是什么时候，这一目标又是怎样发展的？先请你对这一问题做一简要概述。

    李德曼教授（以下简称李）：好的。科学本质是科学教育中一个永恒的话题，这一目标是针对学生学习科学而提出的，距今正好有一百年的历史。1907年在科学和数学联合中心（Central Association of Science and Mathematics Teachers）首次提出“在科学教育中应当强调科学方法及过程”,但是那时还没有相关的研究出现。[1]直到1957年，Maed和Metraux首次调查了学生对科学家的看法，即《高中生关于对科学家的形象认识》[2]。1963年， Cooley和Klopfer利用他们的TOUS问卷（Test on Understanding Science）调查了高中生对科学的认识，这是科学教育领域中第一次对关于科学本质观议题的研究。[3]我的研究是从20世纪80年代开始的，1983年在雪城大学的博士论文《与学生科学本质相关的课堂变量研究》，就是我最初的研究成果。[4]1990和1993年的美国科学促进会（American Association for the Advancement of Science Research Council[AAAS]）及1996年全美研究委员会（National Research Council[NRC]）皆强调了科学本质和科学探究在学校科学教育中的重要性。

    王：在美国科学教育发展史上有过很多次改革，而目前的改革（1990年美国科学促进会与1996年的科学教育标准）与以往有着明显的区别，最为核心的就是科学本质和科学探究作为认知目标而提出。你也曾指出学生很难在做科学和探究活动中理解科学本质和科学探究，[5]你能就这一问题做一下解释吗，你认为什么方法能最好地发展学生的科学本质观及对科学探究的认识？

    李：我认为目前的科学教育改革与以往改革的最大区别是强调学生理解有关科学本质和探究的知识，比如探究方面的变化就是学生不是仅仅掌握一系列与探究相关的技能，而是发展他们对探究的理解。但我认为目前科学教育改革中对科学本质和科学探究的强调与以往一样影响不大，在教师专业发展方面没有过多关注教师对科学本质和科学探究的理解。这一问题可能源于人们认为科学本质及科学探究同传统学科内容不同，其实我们应该将科学本质、科学探究与原子结构、 ph值、光合作用等同对待。实际上，课程标准和其他的改革文件将科学本质和科学探究定位在“为科学内容提供有意义的情境”这一层面。但是科学教育领域的研究表明，学生很难在“做科学”和探究活动中理解科学本质和科学探究，教师必须采用特殊的方法帮助学生反思他们的活动，这是学生理解科学本质和科学探究的最好方法。另外，还可以通过科学史的方法进行科学本质的教育。

     王：从您的介绍中，让我想到杜威和施瓦布，杜威曾经强调“从做中学”，并且他们两个都在芝加哥，而您也是，并且同施瓦布一样也是生物的背景，您可以介绍一下杜威、施瓦布以及您关于探究的看法吗？

     李：我和他们的看法几乎是相似的。杜威最早提出在学校科学教育中要用探究的方法，并且将探究作为他教育哲学的核心，杜威认为科学教育不仅仅是要让学生学习大量的知识，更重要的是要学习科学研究的过程或方法，最好的方法就是“从做中学”。施瓦布在“科学的本质是不断变化的”的前提下，提出“作为探究的科学教学”（teaching science as inquiry）实际上有两个相互联系的组成部分：“作为探究的科学”（science as inquiry）和“通过探究的教学”（teaching by inquiry）。而且他最早对教师的“实践性知识”进行研究，提出了“实践性样式”的术语，并在学科结构上提出了影响后人的“实质结构”（substantive structure）和“句法结构”（syntactic structure）的概念。我个人认为施瓦布在这方面比杜威的认识更深远一些，他提出的“句法结构”这一概念包括了我们探讨的科学本质和科学探究。杜威和施瓦布主要侧重于学生如何学以及教师如何教，而我的研究中还关注了学生和教师对科学探究的理解，我们处于不同的时代，所以增加了新的内涵。

     二、科学本质与科学探究的研究框架

     王：您在1992年曾给科学本质下了一个清晰的定义，既科学本质是科学认识论，科学是一种获得知识的途径，或者与科学知识的发展相一致的价值和信念。[6]如何解释这一定义呢？

     李：这一定义与以往科学教育中科学本质观的定义有所不同，我认为科学本质和科学探究都属于认识论的范畴，在这个界定中我用了“一种获得知识的途径”和“认识论”两个概念来解释科学本质，即科学是另一种认识世界的方法。认识论是一个很大的概念，这个概念中的科学本质和科学探究经常被人们混淆，他们二者之间有一定的联系，但是也有很大的区别。科学探究是科学知识的发展过程，由于这一过程中的惯例和假设，知识的产生具有一定的不可避免的特点，这就涉及到科学本质的问题。

     王：那么科学探究和我们所说的科学过程的关系是怎样的呢？

     李：尽管科学探究与科学过程有很大联系，但是科学探究不仅仅是过程技能的发展，它还包括观察、推断、分类、猜测、测量、质疑、解释和数据分析等。科学探究包括传统的科学过程，但是也指这些过程同科学知识、科学理性和批判思维的融合而发展科学知识。

     王：您对于科学本质内涵的研究建立了七个方面的分析框架，分别是（1）科学知识是暂定性的、会改变，但是在一定时间内会处于稳定的地位；（2）科学知识是以经验为基础性的，基于对自然世界的观察；（3）科学知识在一定程度上具有创造性；（4）科学知识的产生具有主观性；（5）科学知识与社会和文化有关；（6）科学理论的构建是从观察到推论的过程；（7）科学理论和定律的功能，以及他们之间的关系。[7]这七个方面的认识是如何构建的呢？
李：尽管科学教育界对于科学本质的认识存在不同的观点，我们提出的科学本质内涵的七个方面在科学教育中是存在共同认识的，没有争议的，基础教育阶段的学生和社会的公民对这几个方面的理解具有现实的意义。我们提出这七个方面不是要求教师和学生背诵默记，而是希望他们能够真正理解科学本质的内涵。比如哲学界对于观察问题存在不同的看法，但是在科学教育中学生对于自然现象的观察和他们所作的推论的认识是非常重要的，这必然构成科学本质内涵的一个方面。这七个方面都是来自于我们长期的研究和教学实践，并且与全美科学教育标准和2061计划相一致。

     王：您在科学探究的研究领域建立了八个方面的分析框架，具体是指那些方面？

     李：我们结合长期的研究和教学实践提出了与《探究及国家科学教育标准》相一致的方面，即（1）科学研究都是从问题开始的，但是并不都是检验假设；（2）在科学研究的方法具有多样性；（3）探究过程以问题的提出为指导；（4）科学家即使采用同样的步骤也不一定能得到相同的答案；（5）探究过程影响到研究的结果；（6）研究的结论必须与数据的收集相一致；（7）科学数据与科学事实是不同的；（8）解释来自对数据的收集和研究者的已有认识。

     三、教师、学生的科学本质观和课堂教学

     王：您曾对科学本质问题做过综述性的研究，并指出科学本质的研究可以分为四个相关的、不同的方面，[8]请问这四个方面的研究具体涉及到哪些问题呢？

李：科学教育领域中关于科学本质的研究可以从学生的科学本质观以及教师科学本质观与课程之间的关系角度来划分，如果把课程问题细分，就可以分为你所说的四个方面，即：（１）测查学生的科学本质观；（２）为提高学生科学本质观而进行的课程研发、应用和评价；（３）对教师科学本质观的测查及其改进方法；（４）教师科学本质观、课堂教学、学生科学本质之间的关系。

     王：那么最开始的研究是关于学生的科学本质观，然后是教师的？

     李：是的，开始研究者采用多种方法来了解学生的科学本质观，发现学生对于科学本质的认识不足，于是就研究教师的科学本质观，结果教师的认识也是不够的，这样就认为教师的科学本质观影响到学生对于科学本质的认识。关于科学本质观的测量，早期以李克特式问卷调查为主，后来侧重开放问卷和访谈。无论以哪种研究工具进行研究，其结果都表明当前学生和教师对科学本质的理解不足。因此，研究者开始致力于研究“如何提升科学教师对科学本质的了解”，此类研究多采用课程等中介媒体的设计，使驾驶对科学本质有较多了解。除了对学生和教师的科学本质观的分别调查以外，还有学者尝试探讨两者之间的关联。我的博士论文的一部分就是研究教师对科学本质的认识及其课堂教学的关系，另一部分是教师的课堂教学与学生科学本质观之间的关系，结果发现教师的科学本质观与其科学本质教学相关性很小，而我的研究发现教师在真实课堂中的教学和学生究竟学到了什么有着直接的关系。某些早期的研究显示教师和学生的科学本质观没有显著的相关性，这其中可能有研究方法的缺陷，也可以解释为教师的科学本质观水平较低不足以对学生产生影响，并不意味着教师的科学本质观不会对学生产生影响。实际上，学生会形成怎样的科学本质观，影响的因素是多方面的，这些影响可能来自于使用的课程，可能来自于教师的某些课堂用语，也可能来自于教师采用的发现式的教学方法，还可能来自于教学环境以外的其他因素，比如文化传统、大众传媒等等——以上种种因素交错在一起对学生的科学本质观产生了影响。

    王：您刚才谈到很多研究表明教师的科学本质观与其科学本质教学相关性很小，这一点对于我们来说很难理解。因为从唯物主义辩证法来看，一个人的观念必定会对他的行为产生影响，如果不是科学本质的直接影响，那您认为是哪些观念或者因素影响教师的科学本质观呢？

    李：教师的科学本质教学与其科学本质观的相关性很小。比如在我的一个研究中，一位教师对科学本质的认识要好于另一位教师，但是他们的科学本质教学却是一样的。教师的科学本质教学受到很多因素影响，比如课程、考试、对教师的评价、教师的态度等，课程目标和设置中是否有科学本质的内容，考试题目中是否涉及到科学本质，对教师的评价中是否涉及到如何才能成为高效的科学本质教学方面的教师，教师对于科学本质教学采取这样的态度，这些都会影响到教师实际的科学本质教学，而教师的科学本质观与这些因素相比就对其科学本质教学影响很小了。

    王：您如何界定“高效的科学本质教学的教师”呢？

    李：一个在科学本质教学方面高效的教师意味着他有能力教授学生科学本质的内涵，并且可以帮助学生真正理解科学本质。这不是对于高效教师的一个普通定义，因为不同学科的高效教师的界定标准是不同的，比如物理学科和语言学科关于高效教师的界定必然存在差异。

    四、中美情境中的科学本质观问题

    王：美国的进化论和神创论之争与科学本质教学有关系吗？

    李：他们是两个不同的认识世界的方式，我作为一位从事科学教育研究的学者，相信科学的世界认识方式，我以前在中学教过十年的生物，后来一直从事科学教育研究，当我在大学里开设进化论这门课的时候，许多同事和我说这样的课是很难教的，事实的确如此。在我的科学课堂中，我会尽我所能告诉那些宗教信仰者科学是一种认识世界的方式。

    王：据我所知美国很多科学教师就是宗教信仰者，这与中国有很大的区别，您认为宗教信仰影响到教师的科学本质观么？

    李：是的，宗教也是一种世界观，科学本质观属于世界观或者至少受到个人世界观的影响，一个人对于世界与自然的看法，必然会影响到他对于科学的看法。

    王：的确，这与中国是有很大的区别。从中国大陆的科学课程实施来看，新课程改革之后学校的科学课堂发生了很大的变化，但是面临着科学观念转变、师资和资源问题。学校和教师表面上了解了科学本质，重视学生的探究活动，但是实际教学中不知道如何做，理科教师还存在很多非科学和伪科学的教师行为。于是有学者提出，应该加强教师对科学本质中实证主义和理性主义方面的认识，您是怎么看待这一问题的，您认为理科教师应该具有怎样的科学本质观？

    李：在美国，教育学者已经不再提倡实证主义，因为它本来存在很多问题，库恩的科学哲学对科学本质问题影响很大，我们也经常提到建构主义。作为理课教师也应该了解建构主义，而且“平衡的科学哲学观”是需要的。当今科学本质的概念被有些极端提倡实证主义或后实证主义的学者过度简单化，虽然实证主义受到严厉的批评，但是理性的思考在科学里仍然是必不可少的，理性的思考或者预测的价值也体现在我们的科学本质框架的七个方面中。另一方面，后实证主义也有它的功绩，它呈现出科学的创造性、特质性、社会价值蕴含面和暂时性，使得科学的事业变得较少受约束和更人性化。理科教师应该知道科学本质的不同立场、观点和争论点。

参考文献：

[1]Central Association for Science and Mathematics Teachers. A consideration of the principles that should determine the courses in biology in secondary school. School science and Mathematics,1907:7.241.247.

[2]Mead,M.,&Metraux,R. Image of the scientist among high school students.Science,1957:126.384.390.

[3]Cooley,W.,&Klopfer,L. The evaluation of specific education innovations [J].Journal of Research in Science Teaching,1963:1(1).73.80.

[4]Lederman,N.G. Delineating classroom variables related to students’ conception of the nature of science Dissertation Abstracts International,1983:45.483A.(University Microfilms No.84-10,728).

[5]Flick,L.B&Lederman,N.G. Scientific inquiry and nature of science: Implications teaching, learning, and teacher education. The Netherlands: Kluwer Academic Pubishers,2004.

[6][7][8]Lederman,N.G. Students’ and teachers’ conceptions of the nature of science: A review of the research[J].Journal of Rearch in Science Teaching,1992:29(4)331-359.