作者简介：黄晓，浙江师范大学教师教育学院教授，博士生导师；高琦，浙江师范大学教师教育学院。321004；郭泓霖，浙江省温州市第二十三中学。325001

　　内容提要：立足于浙江省综合科学课程教学实践中的典型主题开展“历史—探究—反思”的科学本质显性教学，提出“历史—探究—反思”的HPS教学实践有助于学生理解科学的暂时性、创造性、实证性、主观性、科学基于社会文化背景等科学本质内涵，但对科学理论与科学定律的解释力亟待提升。基于科学本质教学实践，认为科学本质的显性教学需要充分挖掘科学教材中的科学史及其蕴含的科学本质内涵，亟待关注“历史—探究—反思”的科学本质教学是如何引发科学本质不同维度理解的机制。

　　关 键 词：科学本质 初中科学教学 科学史哲 科学探究

　　标题注释：本文为教育部重点课题“基于科学史与科学哲学的科学本质理解之机制研究”(DHA140278)的阶段性成果。

　　[中图分类号]G632.3 [文献标识码]A [文章编号]1009-718X(2019)02-0057-06

　　对“什么是科学”的追问一直是科学教育实践试图回答的问题，也是国际科学教育界长久关注与研究的方向，也逐步彰显于我国新一轮修订的各学段的理科课程标准中，特别是科学课程是体现科学本质的课程[1]的表述是对深深隐藏在教育教学现象背后的“科学的本质及其相关问题”的反思。然而，如何发展与建构学生的科学本质理解是一个挑战性的话题，基于皮亚杰提出的儿童思维的心理发生与科学概念的历史发展之间的连续性与同构性，[2]借鉴国际学者提出的融合科学史与探究的方法，[3]有必要立足于中国本土特色的综合科学课程教学实践，探索促进学生科学本质理解的路径。

　　一、研究设计

　　基于本土化综合科学课程与教学近30年实践面对的现实问题，立足于对HPS①价值在科学本质教学中的彰显，提出如何以HPS促进科学本质理解之研究问题，进而将其解剖为系列子问题：(1)初中学生的科学本质理解现状如何？(2)科学本质需要显性教学，以科学史哲、科学探究整合于科学教学，启发学生反思科学本质内涵的教学方法，能否促进学生对科学本质的理解？表现为哪些方面？

　　(一)研究方法与对象

　　本研究采用实验方法，研究假设是：“历史—探究—反思”的科学教学能促进学生科学本质的理解。自变量为是否采用“历史—探究—反思”的科学教学(即实验者主动使它变化或取不同的值的变量)，因变量是学生对科学本质理解的表现(即随自变量的变化而变化的变量)。这一因果关系的假说采用对比性的实验逻辑，即，即通过教学干预比较学生对科学本质的理解之差异()。

　　实验对象选择需要尽量避免初始存在的差异，因此，本研究选择了某一学校同一科学教师授课的两个班学生(7班对照班37人，8班实验班35人)，并就通过科学本质理解的前测对“暂时性(t=1.131，p=0.262)”“创造性(t=0.925，p=0.358)”“区分科学理论与定律(t=0.264，p=0.792)”“科学是基于实证的(t=1.35，p=0.180)”“科学的局限性(t=1.564，p=0.122)”“区分观察与推测(t=0.748，p=0.457)”“主观性(t=1.160，p=0.250)”“科学社群(t=0.530，p=0.597)”“科学与社会(t=0.613，p=0.472)”“科学与技术(t=0.465，p=0.644)”等科学本质的方面进行独立样本t检验，结果表明不存在显著性差异。后测采用了定量分析与结合实验班学生对开放性问题回答的定性分析方法。

　　基于科学本质教学首先需要教师具备科学本质理解，为此，选择开展教学实验的教师是科学教育专业在职研究生，经过培训与学习，用VNOS-E检测其对科学史哲与科学本质教学有较好的认识。

　　(二)研究工具

　　研究工具的编制基于Lederman提出的科学本质七个方面，[4]同时结合了McComas基于当时八个国家科学课程标准提出的部分科学本质理解[5]及我国科学课程教学实践，将科学本质从暂时性、创造性、区分科学理论与科学定律、科学是基于实证的、主观性(不同科学家对科学的理解过程不同，科学研究受科学社群的影响)、观察是渗透着理论的、科学是基于社会与文化背景的、科学与技术的关系几个维度加以理解。前、后测采用了以客观题表述的五级制问卷，问卷内容包括“科学家是否客观地收集数据”“观察的目的是否影响科学探究的过程”等，前、后测试题回答按问题正、反向分别计为0、1、2、3、4，问卷的信度系数为0.746，0.832。后测还采用了最新的VNOS-E[6]开放题，内容涉及对科学的理解、阐述惯性定律的发现史、对地球内部结构认识的判断与观点阐述、对天气预报的精确性及观点论述、对恐龙灭绝两种观点的评判及原因表述、科学实验及举例、关于科学的想象力及举例、科学理论的发展性、科学与社会文化价值观的两种观点之评判与原因阐述。

　　(三)教学干预与实施过程

　　学生对科学本质的理解是需要显性教学的。[7]科学史具有丰富的科学本质教学价值，如，科学家对“光的本性”的认识过程是“问题(现象)”—“检验(理论解释+实验)”—“新问题(现象)”，其体现了科学认识的暂时性与发展性；不管是“粒子说”还是“波动说”，都是基于大量实验现象，是基于实证的；从微粒说占统治地位到波动说占统治地位，体现了科学家的个人经验、地位及价值观等对科学发展的影响，即主观性的一面。科学本质的显性教学是通过科学史拓展课程的教学得以落实的。实践研究的教学干预主要结合教材中蕴涵科学史的案例进行，基于对初中科学教材[8]中HPS内容的分析，选择了“大气压强”“生长素的发现”“水的浮力”“牛顿第一定律”“电流”“温度的测量”及“欧姆定律”等主题开展了“历史—探究—反思”的科学本质显性教学。

　　以“大气压强”为例，结合孟克、奥斯本所提出的“呈现、诱导、历史研究、设计实验、科学观点与经验、回顾与评价”的科学本质教学模式，[9]基于科学史哲、科学探究的价值，采用了“历史—探究—反思”[10]的教学方法与实践。

　　历史：以历史上“水管输送水对水管高度的限制”现象启发学生思考该现象背后的科学依据(提供伽利略“大自然讨厌真空”是有限度的观点作为参考)，托利拆利认为是由于空气的重量产生向下压力与外界空气压力的关系(引出托利拆利实验以及该实验遭遇不同观点时开展的重复实验)，进一步以“马德堡半球”实验及基于科学实验的推测与应用进行论证。

　　探究：“科学探究”的设计是在介绍科学史与历史上著名实验的基础上，引导学生利用生活器材(弹簧秤、吸盘等)模拟历史上的著名实验，感受大气压的大小，制作简易气压计。在“历史”与“探究”中，学生获得了关于大气压的存在、大小及生活中应用等科学知识。

　　反思：启发学生结合前面的科学史与科学探究活动，反思其中显性的科学本质内涵。如，“大气压大小”是基于可重复实验的(科学的实证性)；针对同一科学现象不同科学家存在不同的观点，采用的方法不同，且随着技术的进步或研究的深入，科学家的观点会发生变化(主观性与暂时性)；对大气压的科学认识促进大气压如何测量这一气压计技术的发展，即科学发展可以促进新的仪器的发明(科学与技术的关系)等。

　　二、科学本质理解的分析

　　(一)提升科学本质理解的定量比较

　　通过近一个学期的教学实践(包括前后测、后测访谈)，笔者对实验班、对照班学生“科学本质”理解后测进行比较分析(见表1)、对实验班学生“科学本质”理解进行前、后测对比分析(见表2)。

　　从表1和表2中看出，教学干预对学生理解科学本质的几个方面，即科学的暂时性、科学的局限性、区分科学理论与定律、科学社群有较大的影响。对“科学与社会的关系”，实验班前、后测t检验呈现出显著性差异，而在与对照班的比较中没有显著性影响，进一步分析对照班前、后测的t检验，不存在显著性差异(t=0.963，p=0.339)；对“科学的创造性”之认识，实验班与对照班呈现出显著差异，但从实验班的前、后测比较分析看，学生对“科学的创造性”理解无显著性差异——这需要进一步结合开放题的定性分析及课堂观察进行分析。

　　研究假设的教学干预对学生认识科学的实证性、科学方法的多元性与主观性的影响，在实验班与对照班的后测分析中，实验班前、后测分析中也未发现有显著性差异(如科学是基于实证的：=0.290，=0.830；区分观察与推测：=0.178，=0.897；科学与技术的关系：=0.462，=0.780)。因而，教学干预与对照班的教学是否都对学生理解科学本质的这几个维度有影响还需要进一步从开放题的定性分析中得以阐述。

　　(二)提升科学本质理解的定性分析

　　在教学实验后，笔者进一步采用了VNOS-E开放题问答的定性分析提炼出学生对科学本质不同维度的认识。如，学生在对“科学是什么”的问答中不仅关注了“科学是包含物理、化学、生物知识的一门‘学科’”，而且能以丰富的例子阐述科学与社会、生活的密切联系，认为科学源于生活、用于解释生活现象。

　　学生12：在生活中，我们处处都能发现科学现象。如，水往低处流就是地球地心引力的体现；食品包装袋上都会标有成分表。我们的现代化文明社会也是依靠科学知识的力量发展起来的。因此，科学是人类文明进步的重要工具。

　　学生18：科学用于解释生活中的现象。如，为什么物体在月球上是失重的？水烧开了为什么会有白雾？如何科学地解释僵尸？

　　学生20：科学来源于生活，生活现象需要用科学来解释与验证。如，为什么米饭在咀嚼过程中出现了甜味？

　　此外，还有学生认为“科学是方法，科学是经过观察与实验建立的模型”；“科学注重实验”；“科学与数学都在寻找规律”；“科学是思维、态度，科学是一种严谨的态度，是人类对自然现象的阐述”；“科学带有理性思维，需要深层次的理解力、思维能力与逻辑能力”等。同时，也有学生认识到“科学是发展的——起初是为了反驳当时的教皇或其他权力的理论，之后科学是造福人类，为人类更好地生存与发展而产生的”；“科学又老又新，很久以前就有了科学发明，但它在不断更新，科学知识也在不断改进，每一项发明和发现都远不足以让人去了解宇宙与地球”等。

　　1.暂时性

　　在不管是对“科学是什么”的回答，还是针对“地球内部结构的划分”问题的认识或是“科学理论是否会发展变化”的追问中，实验班的学生一致赞同科学的发展性，多数学生列举了原子结构的发展(也有以“演化理论”为例证)，阐述从道尔顿“物质由原子组成，原子不可分”到汤姆逊证明电子的存在，再至现代电子云，例证科学是发展的。指出科学理论不是完全正确或一直正确，会随着人类的认识而得以补充及修改。

　　学生3：演化理论也被达尔文带向了世界，……DNA相似度99%无不向我们展现了人猿近亲的真理。在未来，随着技术与人类认识的发展，也许又会有理论的颠覆。

　　学生7：当前还有许多困扰人们的科学现象。如，物质结构理论认为夸克构成质子、中子等强子，但夸克为何不能单独存在？夸克的性质定会随着探究的深入而发生改变。

　　学生在对科学的暂时性或科学是发展的观点列举的同时，呈现了技术对人类深入认识科学的作用。

　　学生12：教材中描述的地球层模型只是概括性地呈现了地球内部的组成结构……地核中更是有许多目前人类未知的物质。

　　学生1：目前人类的知识技术水平还不足以探测到地球更深层内部世界，……相信随着技术水平的发展，人类可以揭开地球的神秘面纱，更精确地认识地球内部。

　　2.创造性

　　创造性指科学部分需要推论与想象，这里也涵盖对“观察与推测”的认同。在开放题中体现在对“惯性定律的发现”“恐龙灭绝问题”及“科学研究是否需要创造力与想象力”问题的追问中。实验班的多数学生认为“科学研究过程需要创造力与想象力，推测与猜想过程本来就是想象力与创造力的体现”，并能进行例证。

　　学生9：科学家在设计研究方案和开展实验时运用了想象与创造。如，牛顿通过建立物理模型把实际问题理想化，在假设没有摩擦力的情况下得出了牛顿第一定律。

　　学生3：科学的发展必须运用想象力及创造力，不然牛顿不可能发现万有引力，哥白尼也不能提出日心说，……没有丰富的创造力，人们又何以用上互联网、飞入宇宙？

　　学生20：对实验数据的分析也需要想象力与创造力，需要建立多组实验、数据的联系才能通过推论得到结论。

　　3.实证性

　　实证性即科学是基于实验与证据的。前面的定量比较分析显示对“科学是基于实证的(实证性)”观点，实验班与对照班学生没有显著性差异，即学生都能较好地理解科学的实证性，这可以从“科学的实证性较易为学生所理解”“科学的实证性在教材、教学中时时得以强调”两个方面理解。进一步对实验班学生开放性问题回答进行分析显示，实验班的学生不仅通过“惯性定律的发现”“天气预报”的分析一致认为科学实验是对某现象进行验证的过程，科学知识的获得与发展需要科学实验；而且能借助科学史案例阐述科学的实证性。

　　学生18：科学知识往往在实验中得以验证。如，万有引力定律是科学家通过大量实验所证实，居里夫人就是在实验室发现了放射性元素(镭)。

　　学生2：科学家是通过实验来定义惯性的，伽利略的斜面实验证明了力不是维持物体运动的原因。

　　学生22：2天～3天的天气预报应该是准确的，但3天～5天的天气预报就不一定准确了。因为天气的预测是基于科技发展的，但是天气的变化又非常快，技术无法记录这些偏差。

　　4.主观性

　　科学的主观性表现为不同科学家基于自身的学术或社会背景，对同一科学现象有不同的认识，研究的视角与方法可能会基于背景差异而不同，科学家的伦理道德、经验与价值观等也会影响科学研究的开展。学生对“主观性”的理解不存在显著性差异，是因为学生多层面理解科学的主观性是有难度的，但从开放题“恐龙灭绝原因”的解释分析看，呈现了实验班学生对主观性的理解与认同，并能从多维度进行论证。

　　学生6：因为科学家思考的角度与研究的对象不同。就像是一个圆柱体摆在桌子上，从正上方看是圆形，从侧面看是矩形。

　　学生10：因为不同的事实(推测)有不同的假设支持，因而产生不同的观点，即一些科学家认为巨大的陨石撞击地球导致了恐龙灭绝；另一些科学家认为恐龙的大规模死亡或灭绝与地壳运动和地球气候变迁很有关系。

　　学生12：因为科学家分析问题使用的证据不同。一些科学家认为巨大陨石撞击地球是归于天文学的研究，一些科学家认为地壳运动与地球气候变迁引发恐龙灭绝，是源于对地壳运动的研究。

　　5.基于社会及文化背景

　　科学发展是社会发展的一部分，其在一定程度上会受到技术进步、社会发展需求及文化背景的影响，科学与技术的关系在科学史上、生活中映射于诸多案例中。关于“科学是基于社会、文化背景”的认识，实验班学生要求能对“科学是渗透着文化价值的，还是科学是普及的、不受政治与文化等影响”的观点进行辨析。从他们的回答与论证分析来看，呈现了持两种观点比例相当的现象，在解释“科学是不受政治与文化影响”时，多数学生采用“科学知识的客观性”进行论证。

　　学生24：民族和文化不会因为界限而改变某一科学定律，也不会因为文化观念不同而改变某种科学事实。

　　学生5：万有引力公式在世界各国的表述是一样的。

　　针对“科学是基于社会和文化”的观点，多数学生则采用了科学史案例进行论证。

　　学生1：科学在中世纪受神学束缚，科学的发展也受到宗教和文化的驱动。

　　学生23：科学蕴涵着文化价值，如西方的文艺复兴运动及中国文化运动。社会、政治价值、文化现象同时影响着科学的发展。

　　6.科学理论与科学定律的解释力

　　从实验班的前、后测分析，以及实验班与对照班的后测比较分析来看，呈现了实验班与对照班学生在区分科学理论与科学定律这一维度上是有显著性差异的，即实验班学生明确认为科学理论与科学定律是不同类型的科学知识。在“列举并阐述科学理论与科学定律”的开放题中，实验班的学生能以实例论证对科学理论与科学定律的认识，但与科学哲学中关于科学理论与科学定律之解释有偏差。

　　学生3：在科学实验的基础上，人们总结性地想出一些科学定律，如阿基米德定律、万有引力定律、牛顿定律等。而科学理论只是人们总结现有知识而提出的总结性结论。

　　学生9：科学理论是根据大量事实与猜想而得出的思考，科学定律是根据实验反复验证而得出的结论。

　　可见，尽管多数学生已认识到科学理论与科学定律是不同的科学知识，但对科学理论与科学定律的解释力不够，即以迪尔沃恩提出的科学定律与理论是有根本区别的，认为科学定律表述的是为我们提供事实的知识，而不是对事实为什么如此的解释；理论不像定律那样为我们提供知识，而是为我们提供理解[11]。迪尔沃恩的观点实则隐喻着区分科学定律与科学理论背后“区分观察与推测”的认识。

　　三、结论与反思

　　从国际科学教育界对学生与教师科学本质观的调研结果来看，教师与学生对科学本质的理解有不同程度的缺乏。[12]如，在学生科学本质理解调研中突显的问题，即尽管科学研究需要创造性与想象力，但科学常被以“真理”为代名词，科学知识有一定的权威性，且不容易改变。从上述科学本质不同维度的分析来看，“历史—探究—反思”的科学本质教学，对促进学生理解科学本质的效果在某些维度上与前人研究有一定的相似性，也呈现了科学本质实践教学过程是需要反思的。

　　(一)促进科学本质理解教学的实践效果

　　从实验班前、后测配对样本t检验，实验班与对照班的后测独立样本t检验的比较分析看，学生对于科学的暂时性、创造性、区分科学理论与科学定律、科学的局限性、科学主观性等认识方面有显著的提升。从VNOS-E开放题的进一步分析可见，实验班多数学生改变了科学为“真理”的看法，认为科学是会变化和发展的，技术的进步会促进人类对科学知识的认知；能以科学史案例阐述科学研究离不开想象力与创造力，且体现在实验设计和解释数据等环节中。

　　尽管实验班学生在区分科学理论与科学定律维度上有显著性差异，但在开放题回答的分析中呈现出学生对“科学理论与科学定律是什么”的解释力不够，即学生未能真正理解与区分科学理论与科学定律，这与科学哲学家所阐述的科学定律表述的是为我们提供事实的知识，而不是对事实为什么如此的解释；理论不像定律那样为我们提供知识，而是为我们提供理解[13]的认识是有距离的，这结果也与“科学理论与科学定律的区分是科学哲学中的难点”这一观点是吻合的。科学本质理解的教学实践表明，体现HPS的教学对学生理解“科学的创造性”是有显著影响的。学生对科学主观性的认识反映在科学史例中科学家基于同一科学现象存在不同的观点、思维方式与科学方法的应用，科学家的经验与伦理价值观等会影响科学发展、科学不是价值中立等方面。

　　(二)挖掘科学教材中科学史的科学本质内涵

　　科学本质显性教学的开展离不开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，但从科学教材中相关主题的科学史分析来看，教材在正文中介绍科学史(如马德堡半球实验)的描述不多，而主要体现在插图、活动、探究、思考与讨论、阅读等栏目中。从各栏目与科学史哲有关的内容来看，蕴涵的科学本质内涵主要表现为科学与技术、科学在社会生活中的应用、科学离不开实验与证据(即实证性)，科学教材极少涉及创造性、暂时性的呈现与表述等——即科学教材中的科学史蕴涵的科学本质内涵要素不全面，且未得以显性表述，这与国际上关于科学教材中科学本质的分析结果是类似的[14][15]。面对现行科学教材，教师凭教材中的科学史哲来开展科学本质教学是困难的。科学本质需要显性教学是国际研究共识，为此，我国科学教材需要丰富科学史资料，更需要挖掘科学史中的科学本质内涵并显性表述于教材中。

　　(三)科学本质理解机制的再反思

　　科学本质教学研究中呈现了多种科学本质教学模式与方法，“历史—探究—反思”的科学本质教学是基于对科学史、科学探究有助于科学本质理解的价值认同，进而引导学生对科学教学中科学本质内涵的反思。开展“历史—探究—反思”的科学本质教学，首先，需要教师挖掘科学教材针对某一主题的真实历史情境，找出每部分科学史实蕴涵的科学本质内涵；其次，需要有科学探究的内容与设计，将真实的历史情境与探究内容结合起来，引导学生经历如科学家研究科学一样的“真探究”；最后，在学生探究活动之后，教师需要设计一些能引导学生反思科学史、科学探究活动中的科学本质要素的问题，显性地开展科学本质教学。但把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，这就需要改革仅重视科学知识教学的课堂。

　　“历史—探究—反思”的科学本质教学实验有助于学生对科学本质部分内涵的理解，但是哪个教学环节发挥作用呢？为什么其对学生理解科学本质的其他内涵没有显著性作用呢？这些问题需要进一步的研究。

　　注释：

　　①HPS存在两种理解，一种是History and Philosophy of Science(科学史与科学哲学)，另一种是History，Philosophy and Sociology of Science(科学史、科学哲学与科学社会学)。文中采用前者，即关注科学史与科学哲学在科学教学中的应用。

　　参考文献：

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　　[11][13]子叶.迪尔沃恩：科学定律与理论[J].哲学动态，1988，(3).

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