科学元勘与科学教学改革的两种模式，本文主要内容关键词为：科学论文,两种论文,教学改革论文,模式论文，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。
一、引言
北京大学科学哲学学者刘华杰博士把科学学诸学科统称为“科学元勘”(science studies)，主要包括科学哲学、科学史和科学社会学等学科。（注：刘华杰：《科学元勘中SSK学派的历史与方法论述评》，《哲学研究》2000年第1期.）无独有偶，近年来西方科学教育界也杜撰了一个缩写词HPS（即history,philosophy and sociology of science，科学史、科学哲学和科学社会学），二者所指恰好暗合。把科学史、科学哲学和科学社会学的有关内容纳入中小学科学课程中以期提高学生对科学本质的理解，培养他们的科学精神和创新能力，是当前国际科学教育研究与改革中一个前沿性课题。
20世纪80年代以来，国际科学教育研究对HPS的关注也反映在当代各个发达国家科学课程与教学改革中。美国在《2061计划》(1989)、《科学素养的基准》(1993)和《国家科学教育标准》(1996)中，加拿大一些省的科学课程中(1991)，英国国家课程的科学部分(1988)，荷兰的PLON课程(1988)，挪威的核心课程(1994)，丹麦的科学技术课程(1990)，以及西班牙的新科学课程中，都对HPS的课程与教学有着的明确要求。（注：Matthews,M.R.(1998).The nature of science and science teaching.In B.J.Fraser and K.G.Tobin(eds.),International Handbook ofScience Education,p.981.）科学史和科学哲学的课程已成为培养理科教师课程的一部分。在美国有些学区，学完这门课才能取得教师证书。西班牙和丹麦最近也为理科师范生开设了这门必修课。
笔者在《HPS教育与科学课程改革》（《比较教育研究》2000年第6期）一文中对各国何以在科学教育改革中都强调HPS教育作了论述，本文则探讨怎样把科学史、科学哲学和科学社会学纳入课程与教学中。下面具体评述科学元勘与科学教学改革的两种新模式。
二、孟克与奥斯本的融合模式
1997年，英国伦敦大学国王学院的科学教育学者孟克(M.Monk)和奥斯本(J.Osborne)联袂在《科学教育》杂志上发表了《把科学史和科学哲学融入课程中：一个教育学的发展模式》一文。（注：Monk,M.&Osborne,J.(1997).Placing the history and philosophy of scienceon the curriculum:A model for the development of pedagogy.Science Education 81.p.408.）在总结历史经验与教训的基础上，结合当前关于科学课程改革的新观点（如建构主义学习观），他们提出了把HPS融入科学课程与教学中的新模式。其理论基础特别注重两点：一是学生的已有知识和经验（通常叫做儿童的“选择性框架”或“儿童的科学”），二是“我们如何认知”这一重要的认识论问题。同时，这个课程与教学模式还充分考虑到教师在课堂教学中关注的两个重要任务，即促进学生对科学概念的理解与课堂管理。
这一模式（见图1）假设，学习的课题是科学史上某一个科学家曾经研究过的自然现象，如落体的变化、植物从哪里获得食物或燃烧现象，等等。教学共有6个阶段。
图1 科学教学过程模式（注：Ibid.）
在第一个阶段，教学以一个演示开始，教师让学生的注意力集中于某一现象上，由此产生一个需要解决的问题。例如：你们能否预测这两个一大一小的石头往下放时哪个先落到地面？一根铁条在空气里燃烧过后是变重了呢还是变轻了？你能说说在没有土壤而只在自来水里生长的植物，其重量会发生怎样的变化吗？
一开始向学生揭示的自然现象必须是以往科学家们在历史上进行理论研究的一个象。因此，并非所有的题目都适宜于这种教学。但在教学中有了这种解决问题的探究性学习，正如马赫所言，它们将使学生切身感受到什么是科学发现，并在他们头脑里扎根。
在第二阶段里引出学生的观念。应当用各种有效的方法把学生关于这一自然现象的观念搜集起来，如采用回答、概念图(concept map)、词语联想、绘画、讨论等等方式。采用这些教学策略时还可以加上小组学习的方式，因为小组学习可让更多的学生有机会积极参与。在这个阶段，教师对学生提出的所有观念都应当采取不加判断的态度，鼓励他们自由地提出各种不同的观点。同时，教师也要鼓励学生提出证据支持自己的观点。为此，可以采取一种叫做“课堂脑风暴”的方法（即由发散性思维产生各种各样观点的方法），使学生各抒己见，畅所欲言。
鼓励学生提出各种观念及其解释能够充分发挥语言的作用，由此调动和激发学生积极地和创造性地思考。这就使学生感到，科学家的作用不仅在于发现所谓“科学事实”，而且要通过他们创造性的想象建构它们。因此，这个模式提供了一种机制，超越了把科学教育等同于传授最终的知识产品的传统教学方式。
在第三阶段学习历史时，教师需要进行以下工作：(1)介绍早期科学家关于这一现象思考的例子，作为供学生考虑的又一个观点；(2)提供当时经济—社会—政治状况的背景信息；(3)举例说明当时其他科学家不同的观点；(4)引导学生讨论或探索这些信息或其他支持这种历史观点的背景情况；(5)按日期和事件简要地总结历史上的研究。教师可以口头讲述，也可以通过课本或多媒体材料让学生在小组里积极学习。学习历史当然要与前面选择的要进行学习和研究的自然现象有关，是教师经过仔细考虑的、适合于教学需要的科学故事。例如，盖伦关于血液的性质和目的观念、范·赫尔蒙特关于植物营养的困惑、亚里士多德关于自由落体的思想，等等。为什么古代科学家有那种想法？每个科学故事都可以提供给学生思考的机会。这种科学故事创造了一个探究科学思想的情境，学生认识到古人并不是因为愚蠢才产生错误的观念，而是受当时得到资料和收集资料的技术手段的限制，或者受不同观念影响的结果。
科学史表明，科学发现与科学家的时代背景有着一定的必然联系。为什么当时发生的事件促使科学家提出一个新的思想？他提出这个思想面临着什么困难？例如，为什么英国人哈维1678年却在意大利的帕多瓦(Padua)？水泵是何时首次发明的？如果从来没有见过水泵他会那样思考吗（指血液循环）？为什么人们认为那种思考是合理的？为什么人们相信了这个观念？通过这样的探讨，就会使学生理解过去的科学家是在当时的社会和历史情境中展开其工作的。
教师课前认真准备一个科学故事，在学生提出的各种观念的基础上增加一个“新”的声音，通过科学故事作为学习科学概念的一个环节，可以使学生在心理上和情感上接近科学，可以激发他们的想象力，还可以使他们以一种移情的方式设身处地体验以往科学家的探究和思考。埃根(K.Egan)在《以讲故事进行教学》一书中极力主张这种教学方式。他认为，传统的教学模式是以目的／目标／策略和评价为基础的，是一种机械性的教学。它的目的限于狭隘的认知观点，旨在提高学生的理性思维能力。然而，这种教学模式却不能发展和利用学生思维的想象和创造性成分。用埃根的话来说，传统的科学教育是基于：“一种贫乏的经验主义的科学观，误用了科学的权威以教育来促进一种狭隘的逻辑思维，却牺牲了我们从儿童富于想象的活动中经常见到的其他类型的思维形式。”（注：Egan,K.(1988).Teaching as story telling.London:Routledge.Quoted in M.Monk & J.Osborne(1997),op.cit.,p.418.）
其他科学教育学者，如萨滕(C.Sutton)也认为，科学故事有益于科学教学。利用科学故事进行科学教学能够使儿童通过情感的方式掌握有用的概念工具。（注：Ibid.,p.418.）加拿大科学教育学者斯迪纳(A.Stinner)甚至大力倡导以科学故事为线索重新编写科学教材，以“故事线索”(story-line)的方式进行科学教学。（注：Stinner,A.(1998).History and philosophy of science in the science curriculum.In B.J.Fraser & K.G.Tobin.op.cit.,p.1030.）
第四阶段是设计实验。现在有了多种多样的观点（或观念），既有学生提出的，也有历史上科学家提出的。教师要求各小组的学生考虑哪种观点正确。在这个阶段，又可以激发学生的想象力为设计实验。因为在设计实验决定那种观点有效和正确时，他们需要进行创造性和富于想象力的思考。
在这个阶段，教师要通过实验让学生知道通常可提出一系列可供选择的或辅助性的假说解释实验证据。例如，1638年托里切利(Torricelli)演示的空气压力可以有多种不同解释，而他的解释多年未被广泛接受。也就是说，在指导学生实验时，教师既要让学生弄清搜集有效证据的方法问题，又要揭示“我们如何知道”的证明和解释问题。这两个方面结合起来才使科学构成一种独特形式的知识。
在这个阶段，教师要使学生意识到以下几点：(1)一个正在研究的自然现象；(2)班上不同的学生对正在进行的研究会有稍微不同的思考，以及造成分歧的原因；(3)过去有人思考过这些事情；(4)过去人们遇到这种现象的历史情境；(5)可用来检查某种观点有效性的可能的试验。
第五阶段由教师讲解当代的科学观点，即介绍教科书上对这种自然现象的解释。这时教师的讲解也成为一个新的声音，增加了一种观点。这种观点是可以通过现代实验予以证实的。学生学习这一科学的观点（或概念）是在前面一系列活动之后进行的，这或许为他们的观念转变提供了一个思想基础。
如图1所示，这个阶段还要对科学的观念（概念）进行实验，由实验提供的资料帮助学生接受科学的观念。实验证据支持科学的解释，但并不一定是无可辩驳的。科学史表明，即使是后来被普遍接受的科学观念至少在开始阶段并不是很容易被人接受的。就是说，仅仅有实验证据并不是科学知识的唯一裁决者。因为：“批评者举出否定性的结果为理由对争论的现象不予考虑，而任何剩下的肯定性的结果都被辩解为不适合、幻觉、甚至是欺骗。然而，支持者则把否定性的结果解释为未能完全重复获得肯定性结果的相同的条件而造成的。所以，实验似乎不能解决争端。”（注：Collins,H.& Pinch,T.(1993).The Golem:What everyoneshould know about science.Cambridge:Cambridge University Press.Quoted in M.Monk & J.Osborne(1997),op.cit.,p.419.）
根据孟克和奥斯本的观点，一个具有当代科学观的理科教师并不简单化地断言，科学的观念就是正确的，而应当采用工具性的观点，即现代自然现象的解释是更为精确的预测、或更清楚的解释、或具有更广泛的应用。（注：Monk,M.& Osborne,J.(1997),op.cit.,p.419.）如此而已。应该说，这种理性怀疑主义的态度是科学精神的重要组成部分，是值得肯定的。
最后一个阶段是总结与评价。这个阶段虽简短但都是必要的。总结和评价的目的在于帮助学生更加深刻的了解科学探究的过程、历史上科学家的探究和科学概念。
综上所述，我们可以看到孟克和奥斯本的融合模式有以下几个特点：①科学史与科学哲学的学习与当前科学概念或理论的学习有机地融合在一起，使教师不再象以往那样感到科学史与科学哲学是科学课的附加部分；②整个教学过程提供了一个解决问题的情境，是一个探究过程，因而有利于培养学生的解决问题的能力和创新能力；③充分发挥了学生的主体性，促进了他们的主动学习和建构知识；④使学生认识到早期的科学家在解释一些自然现象时与他们一样有着类似的错念，从而使他们得到一种心理上的支持；⑤在学生错念的基础上通过探索形成正确的科学概念，这种建构主义的学习方式有利于学生深刻理解科学概念。
三、马修斯的适度模式
另一个教学模式是澳大利亚新南威尔士大学教育学院的科学哲学教授迈克尔·马修斯(Michael R.Matthews)提出的。多年来马修斯积极倡导把科学本质的内容纳入科学课程与教学中，这一主张集中反映在其1994年出版的专著《科学教学：科学史和科学哲学的作用》一书（注：Matthews,M.R.(1994).Science teaching:The role of history andphilosophy of sicence.New York:Routledge.）和许多篇关于科学哲学与科学教学的论文中，尤其在《教科学本质的适当目标：一个辩护》一文中。（注：Matthews,M.R.(1998).In defense of modest goalswhen teaching about the nature of science.Journal of Researchin Science Teaching,Vol.35,No.2,pp.161-174.）
作为一个科学哲学家，马修斯深知科学哲学和科学史素养对于理科教师的重要性。他希望理科教师多懂一些科学哲学、科学社会学和科学史，然而他同时又是一位现实主义者，认为希望所有理科教师和理科师范生都成为有能力的科学哲学家、科学史学家或科学社会学家是不现实的。因此，应当把目标限制在让师范生或教师了解课堂上出现的有关认识论和科学本质的问题范围内。在马修斯看来，在任何一个理科课堂上，哲学问题无处不在。因为任何理科教材或课堂教学都会涉及到这样一些术语：定律、理论、模式、解释、原因、真理、知识、假说、证实、观察、证据、理想化(idealization)、时间、空间、场、物种……。至于科学史，理科教学中都会不可避免地遇到许多科学家的名字，如伽利略、牛顿、波义耳、达尔文、孟德尔、法拉第、伏特、道尔顿、玻尔、爱因斯坦等等。一个优秀的理科教师应当能够对这些与科学哲学有关的术语和科学史上的著名人物作一些解释，就象一位音乐教师会说一说贝多芬、莫扎特和其他大音乐家的故事一样。马修斯的这一见解与英国皇家督学维斯特威(Westaway)对优秀理科教师的期待是一致的，即除了会教他们那门学科外，他们还应当具有哲学家的气质，熟悉科学史，能够与一群孩子一起坐下来给他们讲解关于天才科学家——如伽利略、牛顿、法拉第和达尔文——的观察和判断误差、他们的生活和工作。
依照马修斯的观点，当教师和学生在科学教学过程中遇到上述术语时，当他们停下来问一问它们是什么意思以及正确使用它们的条件时，哲学就出现了，因为所有这些概念都起源于哲学家对认识论和形而上学问题的思考（请记住，科学在19世纪中期以前就叫做自然哲学），因而它们也有助于哲学思考。教师和学生都应当问一问哲学家们经常问的问题：你所指的……是什么意思？你是如何知道……的？例如，当讨论波义耳定律、道尔顿原子模型或达尔文的进化论时，上述这种初步的哲学分析就会使学生更好地理解它们所蕴涵的独特的经验和概念问题。同时，这种方法也在一般意义上促进了批判性思维和反省思维。
对于许多未接受过哲学史和科学哲学熏陶的理科教师来说，他们在科学教学时也许难以发现科学课本身就蕴涵着许多值得探讨的科学史故事和科学哲学的概念。对他们提出过高的要求显然是不可能实现的。同样，对于学生来说，让他们在学习科学的同时获得很多哲学中知识和科学哲学训练同样是过高的奢望。鉴于此，一个可行的办法是要求教师和学生就科学课中出现的基本的科学史和科学哲学问题作些探讨。例如，可以就下列问题进行讨论：什么是科学的解释？什么是受控实验？什么是判决性实验？模型在科学中有何作用？一个假说需要多少证实才能建立？是否有办法评价相互竞争的研究计划？牛顿的宗教信仰影响他的科学吗？普朗克战争期间留在纳粹德国继续他的科学研究是否应当受到谴责？等等。
或许有人认为，对于高中生科学教学中涉及这些科学史和科学哲学的概念、人物和问题是可取的，但对于小学和初中学生来说恐怕行不通。这种看法未免有些片面。事实上，儿童和青少年不仅可以学好科学，也可以学好哲学。近些年来，国外有关儿童哲学运动的大量文献表明，儿童不仅能够探索初步的哲学问题，而且对哲学思考具有浓厚的兴趣，并因此而能够提高他们的思维水平。例如，美国哲学教授马修斯(GarethB.Matthews)所撰写的《哲学与幼童》一书，揭示了儿童自己提出的大量哲学问题，足以证明他们是喜欢进行哲学探讨的。马修斯发现，“他们中许多人（指大学生——笔者注）在孩提时代就已经在运用哲学了。”哲学活动是儿童“与生俱来的一种活动，不过这种活动后来为适应社会生活需要而放弃了。”（注：〔美〕马修斯著、陈国荣译：《哲学与幼童》，生活·读书·新知三联书店1989年版，第1页。）80年代初美国另一位哲学教授李普曼(Mathew Lipman)等人编写的《儿童哲学》教程，内容涉及艺术、社会学习和科学等学科的概念，是利用哲学故事教儿童思维技能的好教材。（注：参见丁献：《美国中小学思维教学概览》，刊载于《外国教育研究》1989年第4期。）凡此种种，都说明迈克尔·马修斯教授倡导在科学课上利用课程本身蕴藏的哲学史和科学哲学素材进行科学本质的教育既是有益的，也是可行的。
四、结语
以上我们详细介绍并分析了进行HPS教育的两个模式。它们的共同特点似乎可以概括为：(1)把HPS整合到科学课程和教学过程之中，而不是一个附加的额外任务；(2)教学过程中突出了对科学方法的重视或教学的探究性，强调培养学生的理性和思维能力；(3)强调学生对科学本质的把握和培养他们的科学精神和科学态度；(4)教学过程中体现了学生中心或学生主体的精神；(5)传统科学教学极为重视的科学知识的目标是通过促进学生积极思考、鼓励参与知识的建构以及科学探究与解决问题的过程而获得的，与仅仅通过阅读教科书和听教师讲解而记忆获得科学知识的方式完全不同。
尽管这些新的科学教学模式对提高学生的科学素养或许具有较大的功效，但也不可否认，利用它们进行成功的教学有一个前提，那就是对理科教师提出了更高的要求。对于中国的理科教师来说，他们所面临的挑战比西方国家的同行更大，因为西方国家的理科教师对作为文化核心的西方哲学或多或少总是了解一些的（尽管实际调查证明他们也不够了解），起码在思维方式上与中国理科教师就会有所不同。目前，许多西方国家理科师资培训已开始加强哲学史、科学哲学和科学社会学的教学，目的在于使理科教师对科学本质有更为深刻的理解，从而为他们从事科学教学、提高学生对科学本质的理解作好理论准备。