科学方法教育目标及教学策略探析

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[摘要]科学方法教育不仅是中学理科教学的重要内容，更是培养学生实践能力和创新精神的重要途径。通过对近300名高三理科生的调查发现。学生在认知层面、行为层面和哲学方法论层面对科学方法的掌握都远远不尽如人意。科学方法教育应让学生形成洞察力、思维力、行动力和鉴赏力四种基本能力。科学方法教育在教学策略上应坚持：在探究活动中激发学生的主体性；解构科学方法，提供具体科学方法的训练场景；走向整体融通的视野，重现科学方法的复杂性原貌。

[关键词]中学理科教学；科学方法教育；教学策略

科学方法教育是全面提高学生素质、保证学生可持续发展的需要，也是当今时代的要求和适应未来激烈竞争的需要。尽管科学方法在理科教学中应占有重要位置已成共识，但科学方法教育的价值、目标、策略等还不是非常明晰，导致在教学实践中还存在着相当多的问题。现有科学方法教育研究大体来说存在以下不足：首先，对于科学方法之于学生发展的价值重在描述，缺乏实证；其次，对学生需要掌握的科学方法缺乏整体的关照，内在结构不清晰，偏于一些具体方法的探讨；再次，缺乏操作性的具体实施路径，实践价值难以彰显；最后，科学方法是知识的载体、是教学内容本身，但更是科学思想、思维和精神等的表现形态，这一点没有得到很好的研究。笔者基于文献研究和问卷调查，初步构建了科学方法教育的目标框架，并提出了相应的教学策略。

一、调查显示：学生实然的科学方法素养不容乐观

笔者于2010年3月对某市近300名高三理科学生进行了关于科学方法素养的问卷调查，结果显示学生科学方法素养的特征表现在以下几个方面。

第一，在认知层面，学生大都知道科学方法的重要性，亦认为物理、化学、生物教师重视科学方法教育，但总体来看，学生对深度的理由缺乏认知，对基本的科学方法缺乏了解。

74％的学生赞同科学方法对学习和以后工作、生活会有帮助。分别有73.3％、75.6％、66.3％的学生赞同他们的物理、化学、生物教师在教学中会提到科学方法的重要性并以案例来强化。78.7％的学生赞同理科学习不仅仅是科学知识的学习，更重要的是要掌握探究科学的工具，即科学方法。这说明学生了解科学方法的重要性，也认为理科教师重视科学方法教育。

但是，从后面的数据来看，这些都是人云亦云的浅见。只有36.4％的学生认为自己了解科学方法的概念、内容。多数学生尽管知道其重要性，但对科学方法本身并不怎么了解。学生对一些基本科学方法的判断，更是证实了这一看法。例如，竟然有62％的学生赞同想象、灵感属于逻辑的科学方法；51.2％的学生认为归纳、演绎属于形象的、非逻辑的科学方法；41.9％的学生认为可以根据发现的问题随意提出科学假说；24.8％的学生认为科学中的灵感、创造性思维不需要基础知识，而是遐想的结果。可见学生对科学方法缺乏最基本的认知。

第二，在行为层面，学生在思维活动以及探究行动中没有表现出良好的科学方法意识和能力。

48.1％的学生认为自己在理科学习时表现出好奇心和能发现问题；54.7％的学生认为自己在问题解决中能发挥想象力；36.8％的学生认为自己在学校会主动参与一些科学探究活动，学会一些探究的科学方法；38.8％的学生认为自己在校外会主动探究一些问题，如发现问题、查阅资料、家庭小实验等；51.6％的学生认为自己曾发现过一些小问题，并通过自己解决获得了一些积极的经验；50.8％的学生认为自己在探究活动中能较好地使用科学方法；44.2％的学生认为自己在考试及平时习题作业的问题解答中，能较好地使用科学方法；62.8％的学生认为自己曾有过合作的经历，获得了一些积极的经验；38％的学生认为自己的探究欲望能与教师共享并得到支持。

数据显示，约半数的学生在思维活动以及探究行动中没有表现出良好的科学方法意识和能力。科学方法只有通过学生的主体活动才能获得，脱离了主体活动，科学方法也就成为了没有生命的机械知识。学生通过参与研究和发现的过程，不仅大大促进了知识的掌握，也增强了运用科学概念、使用科学方法的信心。

第三，在思想(哲学、科学方法论)层面，由于认知、行为层面素养的不足，学生科学方法论素养缺乏源头活水，似成空中楼阁。

绝大部分学生认为观察、发现问题、灵感等都对科学发现有重要作用。83.7％的学生认为科学发现始于观察；79.5％的学生认为科学发现始于提出问题；66.7％的学生认为科学发现始于直觉、灵感、顿悟。

关于科学方法是追求真、善、美的工具这一理解，84_5％的学生认为科学是一种探求真理的精神，82.9％的学生认为科学本身无所谓善恶，而技术的使用有善恶之分；71.3％的学生认为科学是一种文化，科学文化中蕴含着大量的人文价值；71.3％的学生认为科学是一种美，如几何构造美、理论简洁美、统一美等。但是学生只是肤浅的感觉而已，因为仅有41.4％的学生认为自己能迅速从物理、化学、生物的相关学习中举出―种科学美的案例。

关于科学方法的限度、历史性，被调查学生中82.9％认为科学理论是人类认识的成果，但并非绝对的、永恒的真理，表明大部分学生持有相对真理观；79.1％的学生认为科学的发展历程是曲折的，是不断否定和超越的过程，但23.6％的学生认为被否定和超越的那些历史上的理论没有价值，表明部分学生不清楚科学的连续性；68.6％的学生认为科学史上，科学发展到不同的阶段，人们使用的科学方法也不同；64.7％的学生认为所有科学理论形成所使用的方法，均为研究者对不同科学方法灵活而具体的组合。约2／3的学生了解科学方法的历史阶段性，持有动态发展的科学方法观。

这些数据表明学生哲学层面的方法论素养外在表现较好，然而笔者还是认为这仅仅是外在的表现而已，他们对方法本身的理解远远没有达到这个水平。如上述“科学美”就是极有说服力的一个例证，学生在具体方法层面显得没有根基。我们真正需要进一步研究的问题是：学生如何通过具体科学方法的习得上升到科学方法论的高度?

二、目标构建：培养四种重要的基本能力

理科教育的终级目标应当是使学生掌握科学方法、思维及其应用，科学知识只是一种载体，是达到教育目标的工具和手段。中国科学院院长路甬祥指出：我国当前科学教育过分注重于知识的灌输，忽视科学精神、科学方法的培养；中国传统文化和考试升学制度束缚了青年人主动性、创新性的发挥和创新能力的培养；自然科学、社会科学、人文艺术存在人为分割和偏斜。因此我们要有所突破就必须进行变革性实践，将科学方法教育作为科学教学的灵魂。这首先就要求我们必须明确科学方法教育的目标是什么，从而创新教学方式，提升学生的科学方法素养。

本文基于文献的、现实的考量，初步构建了科学方法教育的目标――科学方法素养，试图为教师

提供一个蓝图，清晰地指向学生要达成的理想目标

科学方法素养是一种综合的能力，它对学生真实的可持续发展有着重要的功能。从发现问题的洞察力、思考问题的思维力、解决问题的行动力到反思问题的鉴赏力，一以贯之的是学生作为主体的人与科学世界的积极相互作用。它不仅是学习的过程、学习能力的体现，也是学习的根本目标，更是在哲学层面上人与自然对话需要的基本品质。

洞察力是与科学世界积极交互的主体意识的体现。我们知道，只有在主体有需要的意识这一前提下，探究的链条才可能得以开启。学生应是经历科学探究过程将科学方法、科学思想融进生命血液中的主体的人。格特曼(B.S.Guttnlan)认为科学家要像一位神秘的侦探，充分发挥自己的想象力和创造力，不断地进行质疑和反思；持有怀疑态度的想象是创造力的源泉；他们不应该迷信任何人，而应该大胆怀疑，敢于创新。

思维力在科学研究和科学学习中的重要性是不言而喻的，它包括形象的、逻辑的、抽象的以及综合性的思维能力。思维力对感性材料进行加工并转化为理性认识从而解决问题，它是科学学习能力的核心。形象的、逻辑的和抽象的思维能力是综合性创造思维力的基础。学生应扎实地掌握这些基本的方法。创造性思维是一种综合性的思维能力，指思维活动的创造意识和创新精神，不墨守成规，创造性地提出问题和创造性地解决问题，常常表现为直觉、灵感和顿悟等活动。教师在教学中不能忽视学生创造力的任何表现，没有低级的创造的习惯，就不能发展高级的创造。这正是陶行知先生名言“处处是创造之地，天天是创造之时，人人是创造之人”的深刻内涵。

行动力就是学生通过科学方法来解决问题的实际执行能力。具体来说，行动力包括为解决某个问题收集相关信息的能力、基于信息鉴别的构建猜想能力、为了检验猜想的实验设计能力以及探究过程中的合作交往能力。以往教学中，教师一般注重学生的智力因素，而容易忽视学生的情意品质、态度、价值观等方面。因此探究行动中要注意培养学生持续探究和战胜困难等品质。有人提出用行商AQ(action quotient)概念反映行为领域的心理品质，行商反映行为习惯修养和技术素养，反映实现目标、完成计划任务的能力和把灵感、创意变成现实的创造力。在教育领域中，行商概念有利于正确地评价不同学生，发现并鼓励踏踏实实学习、联系实际、动手能力强的学生，激励其发展。科学本身就是一个动态的探索过程，在理科教学中培养学生的行动力尤为重要。有研究表明，学生通过亲身经历一系列精心编制的科学探究活动，最后他们对科学的理解不再那么机械，对科学事业也有了更为真实的看法。

鉴赏力是指学生通过具体方法的学习，升华到哲学高度对科学进行品评的能力，是学生科学态度、科学精神、健全人格的反映。首先，科学美是无数科学家孜孜追求的动力，彭加勒(J.H.Poincare)在《科学与方法》中这样写道，“如果自然不美，它就不值得去探求，生命也不值得存在……我指的是根源于自然各部分的和谐秩序、纯理智能够把握的内在美”。在理科学习中，教师应通过科学臻美方法来培养学生的科学审美意识，使他们不断积累审美经验，养成对科学的美学敏感，提高科学审美能力。更重要的是，通过科学美这种神圣的美，涵养学生的德性。其次，在理科学习中，教师应让学生深切体会科学方法的时代特点，了解人类通过科学方法认识世界的程度是渐进的、有限度的，知道科学不是纯粹线性的理性活动，而是在一定历史文化场域中人们探求未知世界的复杂的活动，从而明了科学与人文的整合是两者相互促进的正确路径。最后，教师应让学生形成辩证的自然观，深度感受人与自然的和谐统一。总之，科学教育应让学生通过具体科学方法的习得使其对科学家的认识上升到科学方法论的高度。

三、策略建议：科学方法要经由精致结构走向整体融通

从文献和调查来看，科学方法教育在理念、实施、成效等方面存在诸多不足。要变革这种现状，笔者认为，首先需要激发学生的主体性，让其成为科学方法的主人；其次，教师要对科学方法进行解构，分析其内在结构、存在形态等，必须将其细化和具体化，此所谓不积跬步，无以至千里；再次，基于对科学方法精致结构的掌握，教师还要以一种上位的整体融通的视野来对待科学方法，让学生了解科学方法的历史阶段性、运用的灵活性，形成整体的、动态的科学方法观。

(一)激发学生的主体性

主体性是人作为对象性活动的主体所具有的本质特性。它一方面是对客观世界的自觉能动的掌握，另一方面是对客观世界的自觉能动的创造。学生的主体性集中表现为自主性、主动性和创造性。培养学生的主体性，才能使他们成为教学认识的主体，促进其个性的养成和社会性的生成。主体性提出的立论点是针对长期以来将人作为工具的观点，主体性关注的是对人自身发展的追求，探讨的是如何使人成为一个现实的人、一个完整的人。

理科教学的内容载体是自然科学知识，它是人类主动探索自然奥秘的成果，.是人类文明的精华之一。科学理论的形成是人类不断与客体交互的结果，是一个主动的、不断创新与创造的过程。在理科教学中，教师应珍视学生的好奇心，激发其探究欲，培养学生的批判意识和怀疑精神。主体意识是创新的最重要的前提，学生的主体性愈强，就越能发现问题，其解决问题的倾向也越强烈。学生通过主体实践活动，不仅学会知识层面的科学方法，更重要的是将其视为探究工具、思维方式、理l生精神。

(二)解构科学方法，提供具体科学方法的训练场景

科学方法教育在理论上不清楚其内在的结构，以致在教学层面上可操作性不强。为此，教师首先要分析其内在结构，例如，具体的科学方法包括形象的科学方法(科学意象、空间想象、类比等)，逻辑的科学方法(比较、分类，归纳、演绎、溯因，分析、综合等)，抽象的科学方法(理想化方法、模型、数学方法等)以及创造性的科学方法(直觉、灵感、顿悟等)。同时，教师不仅要知道具体的方法，还要知道其存在的形态。例如，分析与综合是辩证统一的，这体现在氧化还原反应、原子结构、经典力学和电磁理论等的建立中。又如，理想化方法是重要的科学方法，它是为了研究事物的本质要素而从复杂的客观现实中抽象出来的，它本身并不存在，常见的有质点、理想气体、光滑平面、点电荷等。建立理想化的研究客体作为研究的基础和中间环节，使得对研究对象的处理大为简化，但这只是客观对象的近似反映，因此在实际问题中，教师要考察每种方法适用的背景。

(三)走向整体融通的科学方法，重现科学方法的复杂性原貌

科学方法的历史性、灵活性告诉我们，科学方法并非是一成不变的机械的静态结构。当今前沿的复杂性科学对传统的还原论和整体论都产生了重大影响，它将两者有机地结合起来，发挥其优势，克服其缺点，形成了互补的关系。这可能为我们思考人如何更好地成为方法的主体提供一种思考路径。

科学史教育是培养学生整体融通方法观的重要教学资源。例如在牛顿第二定律、玻意耳定律、楞次定律等的教学中，学生能强烈感受到科学方法在发现规律中的作用；元素周期表发现史让学生知道逻辑的方法(分析、归纳等)与非逻辑的方法(知觉、灵感等)并行不悖、各显神通，还能培养学生辩证的自然观；光合作用理论史上的几个经典实验能让学生明了科学家是如何通过设计实验来探究光合作用的。向学生呈现科学原本的复杂性面貌，可以培养学生使用创造性的设计实验来探究真实情境中问题的能力。

要取得在理科教学中推进科学方法教育的实质性进展，笔者认为，教师、教育研究者、科学家、科学哲学家应该联合起来，深入研究其理论内涵，为教师提供明晰的思路和举措，从而实现理科教育的深刻变革。