科学本质与科学教育

科学本质与科学教育
主讲：杭州师范大学继续教育学院来文
一、什么是科学
科学（ Science ）这个词的本义为“学问”、“知识”。

在我国，形成科学这个概念并有科学这个名词迟于西方，大致是在十六世纪以后。

当时我国学者把它翻译成为“格物致知”。

所谓“格物”，就是要以“物”为本，要解决实际问题，它强调“实践”的重要。

所谓“致知”，是指人们可以获得知识。

然而，科学究竟是怎么样的，至今没有一个公认的结论。

几个世纪以来，人们一直想给科学下一个定义，到现在，这种努力还在继续。

可是，大家发现每一个定义都不能令人满意。

后来渐渐感觉到世界上有很多东西是不能下定义的，不下定义的比下定义的往往更好。

于是，大家倾向于从另外一个方面去理解科学，去说科学到底应包含哪些本质特征，而不是直接去定义什么是科学。

这种难以定义科学的状况，正好说明科学的博大和无限生机。

当一个事情能够非常精确严密地被定义的时候，大概它也就没有多少值得探索的内容了。

所以，难以准确定义科学是一件绝好的事情。

由于对科学的定义至今未达成共识，故常常使一线的科学教师感到困惑。

为了便于科学教师理解科学，并在教学中体现科学的本质特征，一些科学家和教育家将自然科学分为四个维度。

若从这四个维度来认识科学，将有助于科学教师在备课、授课和评课的过程中，去体现科学的本质，把握科学课的特征。

自然科学的四个维度是：科学是一系列的思维方式，科学是一套研究的方法，科学是一个知识体系，科学要与技术和社会相互作用。

（思维心理活动的过程：感知、认同、内化、应用循环）
当然，自然科学还会有其他的维度，但有了这四个主要维度，便能够帮助科学教师去分析科学课程标准、教科书、实验和实践活动等内容是否体现了科学的本质特征。

1、科学是一系列的思维方式
思维是人脑的机能和对客观存在的反映，是人脑接受、加工、存储和输出信息以指导人的行为的活动过程。

思维方式则是人类在认知过程中形成的，带有一定普遍性和稳定性的思维结构模式，它是思维规律和思维方法的统一结合形式。

科学思维方式则是人对客体的一种理性的反映、认知，是认识和解决问题的一种思路、方法和程序，是思维运作的方法、程序的总和，是一种相对稳定的、惯性的认识规范。

科学思维是科学智力活动的核心。

科学智力活动主要包括观察、实验、记忆、思维、注意、想象等因素。

在这些因素中，思维处于核心地位。

学习和进行科学研究均离不开思维，不论是科学问题的提出、实验现象的观察、实验数据的测量、科学模型的抽象、科学概念的形成、科学规律和科学理论的建立，还是应用科学理论解决实际问题，都离不开思维。

科学思维的一般过程。

由于自然科学的研究对象是极其复杂的，故具体的科学思维过程没有固定的模式，但就整个自然科学发展来看，科学思维主要遵循提出问题、搜寻事实、捕获信息、立论解释的程序。

科学家对自然界具有强烈的好奇心和求知欲。

他们所具有的态度、信念和价值观，激励着他们不断提出问题、解决问题。

科学工作中许多新的想法、新的观点、新的解释，都是人大脑的思维活动。

现在人们已经知道，人的大脑可以分为左右两个半球。

左脑是语言的优势半球，具有逻辑思维功能，主要分管语言、书写、计算、顺序、判断、推理等。

右脑是形象的优势半球，具有形象思维功能，主要负责韵律、节奏、音乐、图画、想象、幻想等。

右脑思维常以灵感、直觉、顿悟的方式出现。

右脑在创造活动过程中起着突破性的认识作用。

现代脑科学研究还发现，人的显意识功能主要集中在左半球，潜意识功能主要集中在右半球。

可是大多数人在工作、学习和日常生活中，较多使用的是左脑，使左脑常常处于超负荷状态。

左右脑功能差异示意图
目前科学教育界有一大部分人认为：
“三位一体”------完整的“科学”定义包括三个重要组成部分
科学态度
科学探究的过程和方法
科学探究的成果
如何给小学生“科学”定义？
请各位老师设计教学环节
参考：
听到科学这个词的时候，你想到了什么？
科学家——科学是不是只和科学家有关？（引发思考）——看图片，你是否有下面的经历？——小结（好奇心总是让我们去探究许多事物，想知识为什么会是这样的、那样的……）
讲科学家的故事
收集科学家的故事，按照下面的提示，说说他们是如何工作的。

（提示：）
通过这一课的学习，说说科学是什么。

做一个有趣的活动（视觉停留）——英国人杰特的研究——电影的原理
二、科学的本质
美国著名科学教育专家莱德曼（Lederman）对各界学者的调查结果为：
科学思想是不断发展变化的
科学需要证据
科学带有主观性，因而科学家努力识别并避免偏见
科学是逻辑推断及人类想象和创造力的结合
科学的发展受社会及文化因素的影响
科学思想的相对性和历史性
1人类对自然界的漫长的认识过程
2科学研究仪器的精密程度的局限性
3是科学理性区别于其他思维模式和世界观的独特之处.
科学的实践性
科学认为宇宙万物总是以一定的形式或规律运行,因而任何科学研究成果,都应是可重复的并最终接受实践的检验.
科学家必须重视收集数据,以便为自己的理论提供证据.
科学的客观性和主观性
多年来有关灵长类的研究中男性科学家往往注重男性的竞争性和社会行为,而不久前参与此领域的女性科学家则认为女性灵长类建立公社的行为更重要.
尽管科学的观察及实验不可能达到绝对的客观,但是科学家仍需要分析偏见可能的来源并采取措施努力减少可能避免的偏见及其影响.
（实例：《小学科学教育概论》中的例子）
科学的创造性与理智性
从问题的提出,到数据收集及数据分析,乃至如何解释数据得出结论,科学的创造性的影响贯穿科学研究的始终.
科学的概念不能自动地从数据中产生.科学家想象客观世界如何运作并设法为其假说或理论寻求证据.虽然任何想象力和创造力都可以用于提出科学假说或理论,但科学的结论必须符合逻辑推断的原则,最终必须接受实践的检验.
科学与社会文化的关系
作为一种社会活动,科学不可避免地反映社会的价值观和世界观.
社会文化的价值取向也直接影响科学研究经费的分配,科学研究的方向及方法的选择,甚至决定对科学解释或结论的取舍.
（公务员？考查题：
立方体的观察与研究
做右图的一个立方体，顶部数字为5，
不允许转动、提起、打开立方体。

列出你的观察报告。

立方体的底面是什么？
得出结论的理由。

）
（得到观察报告
推出底面的数字和字母）
科学本质的内容
科学知识的确定性；依靠证据；可重复性；科学方法和批判性思维；假说与预测；创造性；科学与提出问题；合作与协作；科学史、科学与社会的关系；科学知识的相对真理性；科学与技术的关系。

科学本质的教育价值
1、有利于学生形成正确的科学观
从认识论角度看，科学是一种相对稳定的理论知识体系；从方法论上看，科学是一个永无止境的探究活动；从社会学角度上看，科学是一种人类的事业，科学会受社会文化、政治、经济及个人主观因素的影响。

2、有利于学生体验科学的方法与过程
有利于学生体验科学家在科学探索中走过的艰难历程，进而认识到科学不是一帆风顺的事业，而是充满挫折、失败、谬误、猜想、顿悟的不断探索的过程。

3、有利于培养学生的批判精神
科学本质教育有利于学生正确认识科学的发展史，而科学的发展与进步的历史，就是科学怀疑的历史，就是科学家不断克服错误、追求真理的历史。

4、有利于培养学生的科学情感
可以促使学生更好地理解、评价、欣赏科学事业，科学家的探索过程更能激发其对科学探索的热情、勇气与欲望，培养其坚忍不拔的意志品质。

三、科学本质在标准中
总目标
通过科学课程的学习，知道与周围常见事物有关的浅显的科学知识，并能应用于日常生活，逐渐养成科学的行为习惯和生活习惯；了解科学探究的过程和方法，尝试应用于科学探究活动，逐步学会科学地看问题、想问题；保持和发展对周围世界的好奇心与求知欲，形成大胆想象、尊重证据、敢于创新的科学态度和爱科学、爱家乡、爱祖国的情感；亲近自然、欣赏自然、珍爱生命，积极参与资源和环境的保护，关心科技的新发展。

教学大纲与课程标准的比较
指导学生获得一些浅显的自然科学基础知识，同时培养他们的科学志趣，以及爱科学、用科学的能力，使他们受到科学自然观、科学态度、爱家乡、爱祖国、爱大自然等思想品德教育，促进他们的身心健康。

通过科学课程的学习，知道与周围常见事物有关的浅显的科学知识，并能应用于日常生活，逐渐养成科学的行为习惯和生活习惯；了解科学探究的过程和方法，尝试应用于科学探究活动，逐步学会科学地看问题、想问题；保持和发展对周围世界的好奇心与求知欲，形成大胆想象、尊重证据、敢于创新的科学态度和爱科学、爱家乡、爱祖国的情感；亲近自然、欣赏自然、珍爱生命，积极参与资源和环境的保护，关心科技的新发展。

四、科学本质（须）在教材中
研读美国的STC教材
编排的科学性
采样的科学性
插图安排的科学性
STC教材的教学单元表
STC教材共24个单元，1年级---6年级均开设了科学课。

每个年级有四个单元。

这24个单元涉及4个主轴的内容：生命科学、地球科学、物质科学和技术设计。

教材每册均按照生命科学、地球科学、物理科学和技术设计这样固定的顺序编排单元的，每块内容安排的单元数量均等，都是4个单元，即一个年级每块内容安排一个单元。

STC教材采用的是大单元大主题的划分方法，一册书就是一个单元，一个单元学习时间相当于我们的半个学期，一个学期学习两个单元，在半个学期的学习时间里都围绕着一个主题学习；
在每个单元里又分成若干个部分，每个部分由若干课组成。

每个部分可以视作是一个小的单元。

每一个部分就是几个阶段的学习周期, 即关注、探索、思考和应用。

关注阶段主要是了解学生对某个主题知道了些什么、他们还想学些什么。

探索阶段是通过一系列的活动, 探索一个科学概念或科学现象。

如观察、记录、制作、测量。

课堂探索通常分小组进行, 两个人或四个人为一组。

思考阶段主要是学生们思考他们在活动中的观察结果,
并把思考的结果。

记录在科学日记上, 与同学一起进行讨论。

应用阶段主要是让他们有机会将所学的新知识应用到真实生活中和课程的基他领域。

STC 中的24 个单元非常固定地按这四个阶段设计的。

STC的知识阶梯列表
科学探究的学习方法梯度
“生态系统”中四个小单元的线形结构
STC教材“生态系统”课文所选素材及过程
四、科学本质在教学中
第一、科学是一种实证的系统，它可以通过证实的、证伪的方法来得出结果，而且可以重复多次，是可检验的。

第二、科学的结论是符合逻辑的，可以通过推理的方法得出结论。

第三，科学的结论是有局限性的，随着时间的发展，其结论也是可改变的
科学本质反映在小学科学课教学中主要体现为以下三个方面：
第一个是培养孩子的实证意识；
第二个是学生的思考要符合逻辑；
第三是培养学生的质疑精神。

1、科学本质教育的基础
科学方法和过程科学工作者在科学研究中必须具备的一些最基本的思维方法与操作技能
把观察、推断与预测、分类、测量称为基本科学过程技能
把确认变量、制表作图、假设、实验论证、分析结论称为综合科学过程技能。

由于受“视错觉”、“人的经验”、“当时情绪”等的影响，仍然会有很大的局限性。

观察
必须遵守以下几个基本原则：
1.客观性原则科学必须以客观事实为基础来探索客观规律。

“求实、各观”是培养科学过程技能的基础，更是科学精神的精髓。

对小学生来说最基本的求实就是在观察时说真话，严禁伪造结果和凑数据。

2.选择性原则观察是有目的的认知活动。

要培养学生学会把观察集中在有意义、有价值的信息上，筛选掉那些无用或无关的信息。

3.全面性原则观察是从某一个侧面或局部开始进行，要培养学生将不同角度、不同层次的观察结果进行综合感知。

4、联系性原则观察者必须注意观察事物变化过程中的中间环节。

因为任何事物的发展过程都有阶段性，这些阶段性有时是质变的关节点，有时是量变过程的部分质变的关节点。

它们是事物变化过程中的要点，而这些要点常常一闪而过。

5、规范性原则对于观察结果要用规范性的术语、约定的符号、标准的计量单位处理。

推理
是人们根据个人的经验和知识对观察结果做出的主观的理解与解释。

推理能导致某种结果。

在推理的过程中，我们要培养学生：
1．从一个观察中，能够作出一个以上的推理；
2．辨别哪些是可以支持推理的观察，哪些不是；
3．能利用一些方法验证所作的推理。

推测、预测、推理、假设是不同的，其主要区别在于：
1．推测：即猜想，无明确的依据，随便说的。

2．预测：依据已知的信息资料，推测“大概会变成这样”。

根据现在事实推测将来。

3．推理：依据已知的信息资料推测“大概是这样的”。

推论事实的实在性、可靠性。

4．假设：依据已知的信息资料，组成一个“规律”。

预测
是一种对未来事物发展的推理。

学生们在已有经验、知识以及对他们正在探究的现象进行观察的基础上做出预测。

只有经过持久而仔细的观察、精确的测量后，才能作出准确的预测。

如不是根据观察所做的预测，只不过是一个无意义的臆测而已。

预测和推理特点
⒈预测与推理具有很强的主观性推理是人们对外界事物的反应，是人类思维活动的结果，它与儿童已有的科学经验和科学知识有紧密关系又产生新的结论，因此具有很强的主观性，这是它与观察之间本质的区别。

⒉预测与推理具有发散性观察以客观性为其基础，观察结果或说描述就有一定的专一性。

每个学生的科学经验和知识都有差别，推理与预测又具有很强的主观性，所以观察与预测的结果就具有多重性。

⒊预测与推理是科学探究中思维活动的开始科学研究从科学观察开始，而对客观事实及其规律的认识，则要进行思维加工。

推理与预测是思维加工中重要的思维活动，是揭示事物本质或认识事物联系规律的思维活动的开始。

比较
是从具有同一性的事物间寻找其差异性，或者从具有差异性的事物间寻找其同一性的思维方法。

对此，我们可以作如下理解：
1、同一和差异，是在各种事物之间普遍存在的一种客观联系。

比较就是在这基础上进行的。

2、在科学研究中，比较是一种有目的的有计划的认识活动。

比较哪些现象以及对象的哪些方面，都是由科学研究的课题所决定的。

3、比较要能看出“异中之同”和“同中之异” 。

所谓能看出“异中之同”，就是要看出表面上有明显差异的事物在本质上有什么相同之处；所谓能看出“同中之异”，就是要能看出表面上相同或相似的事物有什么本质上的差异。

4、任何比较都不会十全十美。

它所作的只是拿所比较的事物或概念的一个方面或几个方面来相比，而暂时有条件地撇开其他方面。

比较的特点
⒈比较的同质性对两个或两个以上研究对象进行比较，必须对其同种性质进行比较，或者是对具有同种性质的研究对象进行比较，也就是比较首先要具有可比性。

如果实的比较，要颜色、大小、光滑程度分别进行比较。

动物与动物、植物与植物的特征进行比较等。

⒉比较的普遍性比较的方法广泛存在于科学学习的全过程。

观察的结果、测量的数据、实验的结果以及与之对应的方法，都要进行比较。

观察、实验的解释、推理与预测的结论，也都要进行比较。

新知识、新技能的学习、对科学新的认识也是在与小学生已有的知识、技能和认识的比较中获得的。

分类
是在观察的基础上。

根据一定方案对物体或事件进行分组或排序。

分类可以使大量繁杂的材料系统化、条理化。

这样就便于寻找事物之间的本质区别和联系，探讨它们之间的转化关系，提供科学发现的线索。

分类还可以使研究对象之间建立起立体的从属关系，形成反映事物内部规律性联系的科学分类系统，从而推理某些未发现事物的性质，指导科学新发现。

分类技能训练
要指导学生运用科学的分类方法，首先要遵照分类的规则：
1．必须按同一标准分类，分类根据对象本身的某种属性或关系来进行。

事物的属性或关系是多方面的，因此分类的标准也是多方面的。

我们可以按实践的需要或研
究问题的角度来确定分类标准，但是每一次分类只能按照同一标准，否则就会出现分类重叠或分类过宽的错误。

2．各子项之和等于母项，各子项都是缺一不可的，否则就会犯子项不穷尽的错误。

3．必须按层次逐级进行，分类必须按照一定的层次逐级进行，否则就会犯越级划分的错误。

分类随着比较的深化而逐级深入。

4．划分的子项必须互相排斥，不能相容。

科学研究中分类方法很多，适合小学生科学学习的、最基本的分类方法主要有“顺序排列法”和“多级二分法”。

多级二分法是按一定标准每次把事物分成二类．直到不能分为止、更具体
讲，多级二分法要遵循以下规则：
(1)每次按一定标准分成二类，这标准由学生自定。

(2)在选用标准时，最好用“是”或“不是”模式。

(3)每个事物占一个空格也只能占一个空格，直到不能分为止。

识别变量和控制变量
为了找到导致事情发生的原因——发现一个变量对另一个变量的影响作用，这就是识别变量；
为了能确切地找出原因，必须确保待测变量以外的其他变量保持恒定，这就是控制变量。

即识别影响和不影响实验的因素以及识别可以操纵和被控制的变量。

发展小学生确认变量能力的要点：
（1）引导学生寻找变量名词。

（2）如果自变量和应变量是可量化的，我们可以做定量观察，如果自变量和应变量不是量化变量，至少可以被划成不同等级。

（3）你能说出什么是自变量、应变量和控制变量？
假设
是人们已有的事实材料和科学原理为依据，对未知领域的现象、本质和规律作推测性地说明。

它既不同于胡思乱想的狂说，又与已被证明的科学理论不同，是尚未证实的具有推测性的认识。

一切科学理论都是由假说转化而来的。

提出假设是解决问题的重要一环，但也不是随便可以提出的。

它要针对问题的核心，寻求一种最佳的有助于问题解决的途径。

科学家在开始科学研究和调查之前，往往要对结果作一个预测。

这种预测
不仅是对实验结果的期望，而且在科学研究时，可以更清楚地确定各变量之间的关系，更明确研究方向。

从广义上讲，研究者使用的假设有两种——实质性假设和统计假设。

实质性假设也叫做研究假设，比如这样的例子：“在小学随着严厉惩罚的方法的增加，学生的科学成绩将下降。

”在科学教育研究中，则可以有这样的假设：“做实验的教学比起局限于讲课、讨论以及解决理论问题的教学方法来，更能促进学生理解科学的过程”。

统计假设属于统计学的术语，它是推断性统计，是关于总体测量研究中一个或多个参数的描述。

统计设计常采用定量的术语，例如，“运用方法A教的3年级学生的平均科学成绩好于通过方法B教的成绩”。

假设的特点：
（1）推断与预测的结论基于某一特定的事物或事件,所以带有很大的特殊性及局部性,而”假设”是描述两个变量之间的一般关系,所以带有普遍性、科学性与推广性。

（2）推断与预测只是个人的一些主观看法和判断，要不要论证、能不能论证有时并不十分重要。

而假设解释的是两个变量之间的一般关系，具有普遍推广的意义，所以必须要论证。

这是它与推断/预测之间的一个很大区别。

不经过论证的假设在科学上没有多大意义。

（3）假设中一般包括自变量、应变量和控制变量及三者之间的关系。

（4）假设一般不能被证明，只能被“支持”或“否定”。

（5）假设经过论证被支持以后，经过反复考验最后上升到科学定律或理论，所以我们说假设的论证是科学理论发展最强大的动力。

提出假设的程序一般是：
1．有意义的问题，即可以用科学方法解决的有价值的问题。

例如，水是液体、固体还是气体?这一看就知道答案了，故不是我们所指的问题。

2．抓住问题的关键，把问题明确叙述出来。

例如，我想买个保温杯，提出的问题是“这杯子好不好?”这样叙述就不明确，应缩小范围，如改为“这杯子能否保温?”这样就明确多了。

3．查找与问题有关的一切资料或事实。

’
4．提出初步的解释、推测或假设。

这里要注意选择与问题有关的重要因素，要搞清楚各种因素间可能存在的关系。

5．选择可能性最大的假设。

这里特别要注意：(1)把与问题有关的各种假设加以分析与选择；(2)判断各种假设，对提出的问题是否切合；(3)指出所提假设的缺点；(4)。