例说科学课1在案例的思考中揣摩科学的本质

在案例的思考中揣摩科学的本质 曾宝俊 相信很多科学老师都这样问过自己：科学是什么？科学本质究竟是什么？ 作为一个科学老师，如果这个问题都回答不了，好像有点说不过去。那么，科 学是什么呢？ 中国古代称“科学”为“格物致知”——即格物而致知。爱因斯坦指出：“科学” 是“探求意义的经历”。用儿童的话来说，“科学”就是“探索大自然的秘密”。 如果，上网络搜索一下，对科学的定义会是一个惊人的数据，可是，又有 谁真正说清晰科学的本质是什么呢？美国诺贝尔物理奖获得者费曼在他的《别 闹了，费曼先生》的书中说道：“……对于学者，对于普通人来说，更多的是依靠 自身的科学经验，而不是哲学，才能回答这个问题：科学是什么？” 的确，我们很难给“科学”下一个确凿的定义，我们可以对一些案例进行思 考，慢慢地揣摩科学本质的内涵。 一、是客观，还是主观？一、是客观，还是主观？ 【案例 1】冥王星的身份改变 我们自认为了解太阳系，但是太阳系的变化速度却超过大多数人的理解。 2006 年，在天文学界发生了一件让世人震惊的事情，这就是冥王星被“开 除”了，不再是太阳系九大行星之一了，它被划归“矮行星”。时至今日，这件事 在学术界仍有争议，有的科学家说，应该将其开除，有的则反对，各执一词。 还算荣幸，冥王星的发现者克莱德•汤博没看到这一天。这个 1930 年发现 太阳系第九颗行星的堪萨斯农家男孩于1997 年 1 月离开人世，享年 90 岁。不 过 2006 年 1 月，汤博又一次“离开”这个世界：“新地平线”号太空探测器把他的 骨灰送入太空。但是，就在 2015 年“新地平线”号穿过小行星带与冥王星相会 时，地球上的一群天文学家却宣布，它的目的地现在属于另一类天体：矮行 星。 1 1 / 1414 汤博 93 岁的妻子帕特里·夏说，若汤博生前就知道，他能理解这个决定。但 是，就她自己而言，则有点失望。她对《亚利桑那明星日报》记者说：“我并没 有觉得冥王星被降级，反而觉得自己降级了。本来我是某颗行星的发现者的妻 子，现在却成了某颗矮行星发现者的妻子……” 不管人类对冥王星的定义如何改变——从当初发现它和现在否定它，冥王 星始终都沿着自己的那条轨道默默地行进着，81 年来，它才走过轨道的五分之 一，它始终是客观存在的。那么，冥王星在太阳系中的位置，这是人类自己的 定义，还是宇宙的定义？ 【案例 2】《解释——雪地上的足迹》教学片段 第一环节 教师投影打出一张将印有小鸟足迹的图片，然后问：你观察到了什么？ 生：鸟的足印。 生：两只鸟互相走近留下的足印。 生：某种动物的脚印。…… 老师将学生所有的答案在黑板上列出。然后问：你能看见鸟吗？你怎么知 道这是鸟留下的足印？实际上，你看到了什么？(因为无人能在此时观察到鸟的 踪影，所以“鸟的足印”只是一种推理而非观察。) 生：幻灯片上有两行例外形状和大小的黑印记。 生：正是因为它们很像我们熟悉的鸟的足迹，我们才推断这些黑印记为鸟 的足印。 这些印记也完全可能是任何一种不知名的动物或“恐龙”留下的，可能是两 种例外的动物，也可能是两只例外年龄的同种动物（孩子与父亲或母亲），甚 至连“大个动物留下较大的足印”一说也仅是推理而已. 教师继续追问学生：这两只动物为什么走向同一地点？” 生：两只动物可能因为发现了同一水源。 2 2 / 1414 生：也可能动物甲攻击动物乙。 生：是幼年动物与成年动物（父或母）相互走近。 …… 老师再次强调存在多种可能的推理或解释。 第二环节 教师将第二张幻灯片置于投影仪上，然后问：这一次，你又观察到什么？ 生：两行黑印记看起来渐渐靠近并混合在一起。（这属于观察。） 生：两只鸟打起来了。（这属于推理。） …… （教师指出观察与推理的区别，同时鼓励学生提出其他同样合理的可能 性。）第三环节 教师将第三张幻灯片置于投影仪上并问学生观察到什么。 这时学生能较松弛地区分观察与推理的差别，典型的回答是：只有较大的 黑印记留在幻灯片上，较小的看不见了。 教师继续追问：你的推理是什么？ 回答多种多样，如动物甲被动物乙吞食、动物甲飞走了只留下动物乙、动 物甲被动物乙背着行走……（就仅有的证据而言，这些推理都是合理的，人们无 法肯定到底发生了什么，除非找到当时在场的“证人”。） 观察与推理是科学的基础。科学观察是指通过人的感官（视觉、听觉、味 觉、嗅觉、触觉）或科学仪器（人的感官的延伸）而获得的关于客观世界的信 息。科学推理则是对观察到的现象的解释，是一种主观的推断。 科学推理不是人脑凭空的任意想象，而是对客观现象的合乎逻辑推理的解 释，同一现象可能有多种解释。那么，这种解释是客观的，还是主观的？ 【案例 3】《蜗牛的观察》教学片段 3 3 / 1414 在对蜗牛观察了一段时间后，学生们开始在一起交流自己的观察记录：生 1：我发现蜗牛走过的路上有一些粘液一样的物质留下来。 生 2：蜗牛有两对触角，前面一对短，后面一对长。 生 3：我发现蜗牛它的后面一对触角上长有眼睛，而且它看得不是很远。 生 4：蜗牛不喜欢吃苹果，喜欢呆在阴凉的地方，因为它怕热。生5：蜗牛 的牙齿非常多，有一万多颗。吃起东西来一定很快。 生 6：蜗牛壳上的螺旋有左旋的也有右旋的，但是我不知道左旋的蜗牛多， 还是右旋的蜗牛多。 在这个案例中，应该说，学生交流的这些东西没有什么知识性的错误，但 是就记录的内容来说，有一些不是通过观察而能够得到的。例如，学生3 交流 的是结论性的东西，“看得不是很远”只是一种臆测，不是简单的观察就能够得 到的事实；学生 4 用“喜欢”这种人性化的词来描述蜗牛显然是一种由此及彼的 心理推测，“因为它怕热”也不是科学的解释；先不说学生 5 的观察可能性条件 （必须用显微镜）是否存在，单看那“一万多颗牙齿”就不是真实的观察结果， 同时数据也不是很确凿，很显然是学生头脑中旧有知识储备的再现。学生6 的 前半句是观察得到的信息，后半句则是问题的提出，把它们一起放在观察记录 里面也是不适合的。以上观察记录说明：在科学教育活动中，很少有人注意到 观察记录的的主观和客观表述问题。 观察过程本身就具有研究的性质，观察是科学探究的核心方法之一，通常 简单的问题通过认真仔细的观察就可以找到一些证据，如何引导学生如实描述 和记录呢？让我们看一看哈佛大学兰本达教授是怎样引导学生用观察来进行研 究的。 生：蜗牛先在外面爬，爬累了就缩进去休息，不累了再出来。 兰：你怎么知道它累？ 生：它像人一样，人累了坐下来休息，它累了也得进壳去休息一会儿。 兰：它有什么表现让你想到它累？ 4 4 / 1414 生：它把触角先缩回去，头再回去，尾巴回去后，把口封住，再捅它也不 出来。 兰：是不是有其他原因使它缩回去？ …… 科学强调客观性，这就要求科学实验，包括观察活动，要具有一个严重的 特质，那就是科学界公认的可重复性。对于一个观察结果，如果别人在同等条 件观察的时候，得不到你所描述的那种信息，这时就会引发质疑。观察记录是 对客观的描述，它例外于推理和假设。推理和假设是意识形态，在这个领域 里，“仁者见仁，智者见智”并不奇怪，但是观察记录则不允许，如果是一个接 力式的记录（比如一天中对天气情况各变量因素的观察和测量），没有一个统 一的格式