高中生物科学史教学中的科学本质教育，本文主要内容关键词为：本质论文,生物科学论文,高中论文,科学论文,教学中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
科学的本质是近年来世界范围内科学教育改革所关注的热点问题之一。我国新一轮的课程改革，在新颁布的科学课程标准中也强调了学生对科学本质的领悟。科学本质的教育，是提高学生科学素养的核心内容[1]。当代科学本质观认为：科学认识的对象是客观的，科学认识活动的过程不是一个简单的“拷贝”或反映，而是一个认识主体对客体的作用过程，它包含有人的想象性和创造性。科学认识活动是以事实为基础的，但事实本身并不一定是科学的，科学认识是相对合理的，有时甚至是错误的。所以，科学知识具有暂定性本质。生物学作为自然科学的重要基础学科，充分体现了科学的本质特征。科学的本质蕴含于科学的发展过程中，离开具体的科学史谈科学本质往往会很空泛。本文拟结合高中生物学教材中的科学史，来阐明科学本质的内涵，并介绍如何在教学中增进学生对科学本质的理解。
1 科学知识的暂时性和发展性
科学知识只是当时对科学问题或自然现象所作的最好的解释，它不是一成不变、完美无缺的“绝对真理”，而只是对客观世界的一定程度和一定层次正确反映的“相对真理”，它会随着研究的深入而不断发展，并非是永恒不变的。当发现新的证据和对已有事实有新的解释时，科学知识将会改变。例如，关于新细胞的产生，最初施莱登和施旺认为“新细胞从老细胞中产生，即从老细胞核中长出一个新细胞，或者是在细胞质中像结晶那样产生新细胞”；后来耐格里通过实验发现新细胞的产生是细胞分裂的结果。关于遗传物质，20世纪20年代，多数科学家认为蛋白质是生物体的遗传物质；1952年，赫尔希和蔡斯的噬菌体侵染细菌的实验表明，DNA才是真正的遗传物质；再后来的研究证明，遗传物质除了DNA以外，还有RNA。所以说DNA是主要的遗传物质。关于生物膜的结构，1959年罗伯特森认为生物膜是由蛋白质—脂质—蛋白质三层结构构成的静态结构，1972年桑格和尼克森在新的观察和实验证据基础上提出了生物膜的流动镶嵌模型为多数人所接受。
2 科学需要且依赖于经验证据，科学认识活动是以实验事实为基础的
科学知识最终建立在经验证据基础之上，也就是对自然世界的观察。科学的特质是需要将数据资料公布于众，接受他人的评判，用于检验其所有的最终结论。当然，科学中的有些思想是作为试探性的想法提出来的，但为了让其他科学团体也接受，最终的实验证据资料是必不可少的。科学最本质的东西是对经验的追求，因此，科学探究并不是毫无依据的随意和浪漫。生物学的知识基本都是在观察与实验的基础上获得的，如酶本质的探索、细胞学说的提出、细胞膜的结构与成分、生长素的发现、光合作用的原理、遗传规律的发现等。
3 科学是观察与推论的必然结合
科学知识的获得基于对自然界的观察，通过观察获得证据，但它又不完全依赖于观察，科学知识建立在观察和推论基础之上。理解观察和推论之间的区别是理解科学本质的前提。如果对于观察和推论不能加以显性区别，就会使学生认为推论就是观察的结果，知道的就是看见的，科学认识就是对于自然世界认识的“拷贝”性“发现”。这样既不利于学生理解科学内容本身，也不利于理解科学本质。因此，只有将观察和推论加以显性区别，才能真正实现学生认识上的跨越。观察是通过人的感官或这些感官的扩展收集的，推论是对这些观察的解释。在实验中有一些是观察到的，有一些是在观察基础上推论得出来的。换句话说，知道的并不都是看到的。观察和推论之间存在着区别，从观察到推论的认识过程并不是一个连续的认识序列。例如，1925年，两位荷兰科学家用丙酮从人的红细胞中提取脂质，在空气—水界面铺展成单分子层，观察的结果是：测得单分子层的面积是红细胞表面积的2倍。他们由此得出的推论是：细胞膜中的脂质分子必然排列为连续的两层。再如，DNA分子的双螺旋结构是由沃森和克里克根据DNA分子的X光衍射图谱、DNA分子不同碱基之间数量关系的分析，在事实的基础上提出的一种假设模型，是在实验的基础上推论出来的。这种双螺旋结构模型能很好地解释DNA是遗传信息的携带者，以及基因的复制突变等遗传现象，但它不是直接观察到的DNA分子的真正结构。
4 科学定律和科学理论是有区别的
科学定律和科学理论是不同的科学知识。科学定律是描述可观测的自然现象之间的关系，而科学理论是对自然现象的解释。科学理论不能直接被检验，只能被间接证据所支持。科学理论和科学定律之间没有层次高低之分，它们是科学知识的两种不同形式，它们虽然具有不同的功能，但是却都是科学体系中不可缺少的部分。科学定律和科学理论最本质的区别在于它们产生方式的不同，科学定律的产生方式是归纳模式，科学理论产生的方式是建构模式。例如，脲酶只能催化尿素水解而对尿素的各种衍生物不起作用。麦芽糖酶只作用于麦芽糖，而不作用于其他双糖。淀粉酶只作用于淀粉，而不作用于纤维素。这些是通过实验观察到的现象，据此归纳出酶的催化作用具有底物专一性，这样得出的结论就是科学定律。而为什么酶的催化作用具有专一性呢？Koshland提出了“诱导契合假说”的科学理论，比较满意地解释了酶的专一性。科学理论不能直接被检验，只能被间接证据所支持。近年来，X衍射分析的实验结果（证明了酶与底物结合时，确有显著的构象变化）支持了这一理论。因此，教师在组织学生学习研究科学定律的时候，使用的知识形成话语是“从大量的事实可以归纳出……”；在组织学生学习研究科学理论的时候，使用的知识形成话语是“我们提出……理论能够很好地解释这些事实，这种理论的合理性可以通过证实其预测的情况来间接找到支持性依据。”在理论学习的过程中，使用话语“发现”是不恰当的；因为这会使学生误以为果真如此。
5 科学知识的想象性和创造性
科学认识的结果，并不是纯粹客观的，它包含有人的想象性和创造性。人类的想象和创造性参与了科学知识发展的所有阶段，包括假设提出、实验设计和数据解释等。这种富有想象和创造的最初的发现和分析是特别有个性和特别主观性的。一些科学家在调查研究过程中表现出了超常的洞察力，从而取得了大量突破，由此可见科学家主观性的重要性和挑战力。例如，在促胰液素的发现史中，法国学者沃泰默通过实验发现：把稀盐酸注入狗的上段小肠腔内，会引起胰腺分泌胰液。若直接将稀盐酸注入狗的血液中，则不会引起胰液分泌。他进而切除了通向该段小肠的神经，只留下血管，再向小肠内注入稀盐酸时，发现这样仍能促进胰液分泌。他对这一结果的解释是：这是一个十分顽固的神经反射。这是因为当时学术界普遍认为，人与动物的一切生理活动都是由神经系统调节的。而英国科学家斯他林和贝利斯读了沃泰默的论文，则大胆地作出另一种假设：这不是神经反射，而是化学调节。并最终通过实验验证了这一假设，从而发现了第一种激素。再如，1939年，美国科学家鲁宾和卡门将放射性同位素创造性地运用于实验设计，从而证明了光合作用产生的氧气来自于水而不是二氧化碳。遗传学家萨顿研究精子和卵细胞的形成过程，根据基因和染色体行为存在着惊人的一致性，提出基因位于染色体上的假说。当然，想象得出的结论并不具有逻辑的必然性，其正确与否，还需要观察和实验的检验。
6 科学知识的负载理论本质
科学家个人的信仰、学术背景、经验和研究预期都会影响他们的工作，既影响他们所研究的课题，又影响他们如何研究、如何观察、如何解释他们所观察到的现象，因此科学家得出的结论也并不是客观的。由于科学作为人类的活动，受个体科学价值观和先前知识的影响，两个科学家看待同一个问题可能会作出不同的结论。例如，在酶的本质的探索中，关于酿酒中糖类变成酒精和二氧化碳的解释：法国微生物学家巴斯德提出酿酒中的发酵是由于酵母细胞的存在，没有活细胞的参与，糖类是不可能变成酒精的；德国化学家李比希却坚持认为引起发酵的是发酵中的某些物质，但这些物质只有在酵母细胞死亡并裂解后才能发挥作用。两种观点争执不下。再比如，在光合作用的发现史中，1771年，英国科学家普利斯特利通过实验证实，植物可以更新因蜡烛燃烧或小白鼠呼吸而变得污浊的空气。而当时有人重复普利斯特利的实验，却得到完全相反的结论，认为植物跟动物一样能使空气变污浊。但这种主观性不会使科学变得缺乏严密性或者有用性，因为最终科学结论还是会在较大的科学团体面前讨论，必须通过会议和公共评论系统得到其他专家学者的审查。这些过程保证了科学领域中的重要的主观因素得到有效的检验锤炼，因为科学是需要明辨是非，避免偏见的。
7 科学影响和受到文化和社会价值观念的影响
科学作为一项事业，具有个人、社会和团体三个层面。在个人方面，科学家的国籍、性别、民族、年龄、政治信仰等都可能影响他们寻求或强调这种或那种数据或解释。在社会方面，科学不可避免地要反映文化价值和社会观点。在科学团体方面，科学研究的方向也受到科学文化自身非正式的影响。因此，科学知识无疑是根植于社会文化背景之中的。科学是人创造的，而人受社会文化价值观的影响。例如，历史上第一个提出比较完整的进化学说的是法国博物学家拉马克，但由于当时人们信奉神创论和物种不变论，他的学说不但没有引起社会的重视，反而遭到了种种非难和攻击，更没有被社会所接受。再如，达尔文的自然选择学说，由于受当时科学发展水平的限制，对于遗传和变异的本质，达尔文还不能作出科学的解释；对生物进化的解释也局限于个体水平；强调了物种形成是渐变的结果，但不能很好地解释物种大暴发等现象，这些都说明，即使像达尔文这样伟大的科学家，其思想观点也会有历史的局限性。又比如克隆，在有些国家可以被接受，而另一些国家则强烈禁止。
科学本质的教育一直是科学教育中较难把握的问题，因为科学本质大多属于观念的东西，它不如科学知识与技能那样直观、实在，也不如科学过程与方法那样便于体会。研究表明，显性和反思性方法是促进学生科学本质理解的较为有效的方法[2]。理解科学本质被认为是一种认知性学习结果，应该被显性地教，而不是期望在科学活动中通过一种渗透过程被同化。因此，在教学中首先要将学生理解科学本质作为显性教学目标。其次，由于观念的培养不是一朝一夕就可以完成的，因此需要教师在科学史教学中恰到好处地、不断地重现科学本质观话语，如“观察”、“推论”、“猜测”、“可能是”、“支持”、“提出”等显性话语，使学生渐渐建立科学本质观。教师必须向学生清楚地指出教学内容涉及了科学本质的哪些方面，因为完全依靠学生自己领悟到科学本质的方方面面是不现实的，也是低效的，而且容易产生一些错误观念。另外，要为学生提供各种机会对认识活动进行反思。可以对科学家的认识活动过程进行反思，对自己的认识活动过程进行反思，也可以对知识的产生过程以及知识的合理性进行反思。例如，关于酶本质的探索，可让学生思考：巴斯德和李比希的观点各有什么积极意义？各有什么局限性？他们为什么会对这同一现象产生不同的看法呢？巴斯德和李比希的争论对后人进一步研究酶的本质起到了什么作用？你怎么看待酶本质的探索历程？等。学生只有对科学认识活动进行反思，才有可能认识到科学认识活动中的“建构性”特点。要给学生反思与讨论的时间，让学生思考其中体现了科学本质的哪些方面。在此过程中，教师要对某些学生的错误理解给予正确的引导，以免这种错误理解影响其他学生。
科学本质观的教育，不仅拓宽了学生的思维，改变了学生认识问题的角度、习惯和方法，更重要的是，通过这样的教学理念，能使学生在以后的学习和生活当中，能从当代科学本质观的角度去认识科学、认识世界，并发展出良好的科学创造精神和创新能力。