科學本質理論研究述評

張培

摘要：對科學本質的理解是科學素養(yǎng)的重要組成部分，受到了越來越多的關注。文章從哲學角度介紹了六個流派的科學本質觀，并分析了科學教育界對科學本質的研究，認為對中學階段應教授何種科學本質觀逐步達成共識，并且發(fā)現(xiàn)科學教育文件中“融合”了不同哲學流派的科學本質觀。

關鍵詞：科學本質；科學本質觀；科學教育

文章編號：1005 - 6629（2015）5 - 0012 - 06

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

科學素養(yǎng)（ Scientific Literacy） -詞由美國著名教育家、化學家、哈佛大學校長科南特于1952年首次提出。時至今日，科學素養(yǎng)已成為當今世界各國基礎教育階段科學課程改革的出發(fā)點和歸宿。我國的科學教育與國際接軌，力求培養(yǎng)更多適應新世紀中國社會發(fā)展需要的高素質公民。對科學本質（ Nature of Science，NOS）的理解是科學素養(yǎng)的一個重要組成部分，幫助學生發(fā)展適當?shù)目茖W本質觀是科學課程“最普遍的科學教育目標之一”。作為站在教學一線的教師，只有當其自身對科學本質擁有精深的理解時，才能在課堂中有意識地融人科學本質內容，才能讓學生在學習過程中逐步地領會科學的本質，所以促進教師科學本質觀及其教學行為的發(fā)展對培養(yǎng)學生科學本質觀具有十分重要的意義。本文從科學哲學和科學教育的角度，就科學本質的哲學淵源、內涵與范疇等方面對科學本質的理論研究進行梳理，以期對我國的科學本質教育的理論研究與教學實踐有所啟迪與借鑒。

1 科學本質的哲學淵源

中世紀，對自然界或某些自然現(xiàn)象的研究尚未冠以“科學”之稱，而是被叫作自然哲學?？茖W和哲學有著由來已久的淵源，故而我們有必要從哲學層面對科學進行審視?？茖W本質的哲學觀點隨著科學的進步而改變，甚至在同一時代存在著多種不同的哲學認識，一般可歸納為經驗主義、理性主義、實證主義、邏輯經驗主義、否證主義和歷史主義等。根據(jù)科學本質的歷史演進，前四種被視為“傳統(tǒng)”的科學本質觀，后兩種被視為“新”的科學本質觀，也有學者將歷史主義視為“新”的科學本質觀，而否證主義被視為介于“傳統(tǒng)”和“新”的兩種科學本質哲學觀點之間的“過渡”觀點。

1.1 經驗主義的科學本質觀

經驗主義的科學本質觀也稱為歸納主義的科學本質觀，其基本觀點是：所有的知識都必定來白感官經驗，或者建立在感官經驗的基礎上，而這些知識是借由超然客觀的觀察以及歸納法的科學方法所得到的。這一流派的代表人物主要有Bacon（培根，英國）、Locke（洛克，英國）、Berkeley（貝克萊，愛爾蘭）、Hume（休謨，蘇格蘭）等。

經驗主義主張感覺經驗是科學知識的唯一來源。Bacon指出，“一切自然的知識都應求之于感官”。Locke則認為，“我們的一切知識都在經驗里扎著根基，知識歸根到底是由經驗而來的”。J.J.Davis在他的著作《論科學方法》中寫道：“科學是建立在事實上面的建筑物?！奔みM的經驗主義者Hume則認為，知識不僅來自于感官經驗的印象，也來白于所有心智活動的觀念。

經驗主義認為知識是借由觀察以及歸納法的科學方法所得到的。知識獲得的方式是從個別到一般，而且只有以這種方式獲得的知識才是可靠的，反對由一般演繹為特殊，也就是說，認為知識是純粹經驗的產物而不是理性的產物。

經驗主義強調科學的客觀性。經驗主義者認為從事科學研究的觀察者應該具有正常的未受傷害的感官，應該忠實地記錄下他所能看到、聽到等等的東西，作為和他正在觀察的情況有關的事例，而且他在做這些事時不能帶有任何成見。個人的主觀意愿在科學中沒有地位?？茖W知識是在客觀上被證明了的知識，是可靠的知識，是真理，是不會被推翻?？茖W知識以一種線性累加的方式增長。

1.2 理性主義的科學本質觀

與Bacon同時代稍晚的哲學家、科學家Descartes（笛卡爾，法國）是近代演繹主義的始祖，以其為代表的理性主義與經驗主義相反，認為科學知識來源于理性而非經驗，人類的感覺經驗是不可靠的。Descartes推崇演繹法，提倡用邏輯推理分析的方式獲得知識，他認為觀察和實驗只能給人以或然的知識，而必然的真理性知識只能來自基于天賦觀念的演繹法。

19世紀初，認識論的理性主義者Kant （康德，德國）試圖調和提倡歸納法的經驗主義與推崇演繹法的理性主義之間的斗爭。他雖然承認感性直覺的意義，但認為并不是所有的知識全部興起于經驗，有一些知識是與經驗無關的。Kant結合了理性主義和經驗主義兩者，主張思想若無內容是空的，而感官知覺（直覺）若無概念是盲目的。

與經驗主義類似的是，理性主義認為科學知識是“客觀的”、“絕對的”、“科學的”?！翱陀^的”是指知識是一種具有客觀基礎的、得到充分證據(jù)的真實信念，它與僅僅是個人的意見或證據(jù)支持的主觀信念相區(qū)別；“絕對的”是指通過嚴格的與科學的邏輯過程（即理性思維過程）獲得的知識具有絕對的、永恒的和普遍的價值特性，是不容置疑的；“科學的”是指知識是按照學科體系各自成為一種具有某種共同本質屬性的學科知識，每一種學科都有自己的知識體系和語言。

1.3 實證主義的科學本質觀

19世紀40年代，法國哲學家Comte（孔德，法國）開創(chuàng)的實證主義，起源于Berkeley和Hume的主觀唯心主義、懷疑論和不可知論，而后Mill（穆勒，英國）以其邏輯學理論、Spenser（斯賓塞，英國）以其“綜合哲學”對其加以發(fā)展，使之成為了一種廣泛的思潮。Comte認為科學的具體任務為：

首先，通過觀察和實驗以尋找和擴大感性的經驗材料；

其次，從大量的感性材料中尋找不變的先后關系和相似關系，即規(guī)律；

再次，簡化這些相似關系和不變關系，極力把它們壓縮到最小的數(shù)目，即簡化為最少量的關系。

1.4 邏輯實證主義的科學本質觀

邏輯實證主義又被稱為邏輯經驗主義，亦即相對于英國傳統(tǒng)經驗主義的“新經驗主義”，也是相對于Comte的傳統(tǒng)實證主義的“新實證主義”。邏輯經驗主義將數(shù)理邏輯作為哲學分析和論證的主要工具，主要代表人物有Schlick（石里克，德國）、Carnap（卡爾納普，美國）、Hempel（亨普爾，美國）等。

邏輯實證主義強調科學知識的可證實性，認為知識是由感官感知外在世界而形成的。而且觀察是一種價值中立、客觀的活動，不受任何因素的影響（如觀察者的已有知識、理論和信念），故所得的資料一定是客觀的。由于科學知識形成過程被認為相當客觀，而且它是對自然界的本質的真實的描述，因此是極不易改變的，故科學知識被視為絕對客觀的真理。

代表人物Hempel認為以歸納法為前提的推測所得的結論不具有確定性，然而以演繹法為前提的推測所得的結論具有確定性。除了演繹法外，科學的探究過程中需要提出暫時的假說來給予研究一個方向，提倡假設一演繹法。整個科學研究的過程，就是先以開放的眼光觀察自然現(xiàn)象，通過歸納發(fā)現(xiàn)獲得某些規(guī)則，進而在頭腦中形成某種假說，再收集資料驗證假說，若假說成立就變成科學知識。

邏輯經驗主義認為科學進步的動力是累積的。當科學知識不斷地形成時，就代表真理不斷地增加，亦即科學知識的成長象征著真理以一種線性累加的方式增長。

1.5 否證主義的科學本質觀

以Popper（波普爾，奧地利）為代表的否證主義是科學哲學從邏輯主義轉向歷史主義過渡。Popper反對歸納法，反對邏輯經驗主義的“經驗證實原則”，在反歸納法的基礎上提出了“經驗證偽原則”，認為科學知識或理論都不能用經驗“證實”，而只能用經驗“證偽”。

Popper把科學理論等同于假設，提出“理論先于觀察”的理論。從Bacon以來的科學家和哲學家均肯定觀察和實驗是科學知識的來源與基礎，但Popper對此提出反對意見，反對Bacon提出的“科學開始于觀察”的觀點，認為不是“先有觀察，后有理論”，而是“先有理論，后有觀察”。

科學知識或理論既不來自于觀察，那么來源于何處呢？ Popper認為，科學理論來自靈感對問題的猜測?？茖W理論是科學家為解決科學問題而提出的嘗試性的、探索性的暫時性假設?？茖W從問題開始，促使科學家思考；針對問題，科學家進行各種大膽的嘗試性的猜測，即假設或理論；各種理論之間激烈競爭，互相批判，并經受觀察和實驗的嚴格檢驗，在檢驗中清除錯誤，并篩選出逼真度較高的新理論；新理論被科學技術的進一步發(fā)展所證偽，又出現(xiàn)新的問題?？茖W不再是線性累加式地發(fā)展，而是在這樣的循環(huán)中發(fā)展前進。

1.6 歷史主義的科學本質觀

歷史主義批判了邏輯經驗主義對科學知識作靜態(tài)邏輯分析的思想，批判繼承并發(fā)展了否證主義科學發(fā)展動態(tài)模式的合理思想，主張將科學與科學史相結合，對科學知識作動態(tài)社會歷史分析。

歷史主義的主要代表人物Kuhn（庫恩，美國）同意Popper的反歸納法觀點，認為科學理論不是來自經驗事實歸納，科學發(fā)展不是一個逐漸累積或單純量的進化過程。但庫恩不贊同“經驗否證原則”，認為經驗不可能否證理論，理論的轉變是科學家們的心理的信念轉變，而不是理論的被否證。庫恩把科學的發(fā)展分為常規(guī)科學和科學革命兩個時期，科學的發(fā)展是常規(guī)科學時期量的進化與科學革命時期質的飛躍的不斷交替，可表示為：前科學時期→常規(guī)科學時期→危機時期→新的常規(guī)科學時期……

2 科學教育機構和學者對科學本質內涵與范疇的研究

早在1907年，美國國家科學與數(shù)學教師學會（Central Association of Science and MathematicsTeachers）就首次提出了“在科學教育中，應當強調科學方法及過程”。時至今日，理解科學的本質這一科學教育目標已被多數(shù)科學家、科學教育組織和科學教育者所認同。

2.1 科學本質內涵與范疇的闡述

雖然科學教育界對培養(yǎng)學生發(fā)展適當?shù)目茖W本質觀的重要性達成共識，但是從科學哲學領域對科學本質的探討中可以看出，科學本質的哲學認識一直在發(fā)生著變化，科學本質并非單一的觀點，而是涵蓋了關于科學的一系列的觀點，很多問題尚且存在著爭議，那么我們在中等教育階段應幫助學生發(fā)展怎樣的科學本質觀呢？科學教育機構和學者紛紛對此展開了研究。

The Center of Unified Science Education（ 1974）列出了科學知識本質的九個方面：暫時的（服從變化并且不是絕對的）、公開的（基于公開的而不是個人的證據(jù)）、可復制（基于證據(jù)）、或然的（使人們能進行或然的預測和解釋）、人文主義的（是人類想象和創(chuàng)造的產品）、歷史主義的（過去的知識是當前科學知識的基礎）、獨特的（以其本質和過程與其他獲得認識的方式相區(qū)別）、整體的（內部一致）、經驗主義的（基于觀察和實驗）。

在上述科學知識本質觀的9個因素的基礎上，Rubba和Andersen （1978）等合并了其中部分交疊的因素，建立了科學知識本質觀模型：無關道德的、創(chuàng)造性、發(fā)展性、簡約性、可檢驗的、同一性。

美國科學促進協(xié)會在《面向全體美國人的科學》（“2061計劃”叢書）一書中，集合了上百位科學家、工程師和教育學者經過三年的努力，從科學世界觀、科學探究和科學事業(yè)三個維度闡釋科學本質。

Collette和Chiapetta （1994）基于后現(xiàn)代科學本質觀從以下三個方面闡述科學本質的范疇與內涵：科學是探究自然界的“思考”方式（a way ofthinking）；科學是一種“探究”的方式（a methodand a way ofinvestigation）；科學是知識的集合體（ahody of knowledge）。

McComas和Olson（ 1998）兩位學者利用質性的方法分析了美國、澳大利亞、英國、新西蘭、加拿大五個國家八份科學課程標準文件中有關科學本質的陳述，將其中一致的觀點歸納如下：（1）科學知識兼具持久性和暫時性的特征；（2）科學知識非常（但不是完全地）依賴觀察、實驗證據(jù)、合理的論證以及懷疑的態(tài)度；（3）通向科學的道路并不唯一（因此，并不存在普適的、逐步的科學方法）；（4）科學試圖解釋自然現(xiàn)象；（5）在科學研究中，定律和理論扮演著不同的角色，因此學生應該注意，就算有再多的證據(jù)，理論也不會變成定律；（6）各種文化背景的人都對科學有貢獻；（7）新的知識需要清楚并公開發(fā)表；（8）科學家需要精確記錄，研究結果需經過同行評審和重復實驗；（9）觀察是理論蘊含的；（10）科學家具有創(chuàng)造性；（11）科學史揭示了科學兼具漸進性和變革性特征；（12）科學是社會和文化的一部分；（13）科學和技術相互影響；（14）科學觀念受所處的社會和歷史環(huán)境的影響。

英國2000年公布的《國家科學教育課程標準》（ Science in the National Curriculum）把科學本質列入主要目標，并對處于四個不同關鍵階段（keystage）的學生提出了具體的教學要求：關鍵階段一（1～2年級），認識通過觀察和測量收集證據(jù)回答問題的重要性；關鍵階段二（3～6年級），利用證據(jù)檢驗科學思想的重要性；關鍵階段三（7～9年級），運用事例說明經驗性問題、證據(jù)和科學解釋；預測并檢驗預測結果與證據(jù)的一致性；關鍵階段四（10—11年級），如何提出、評價和傳播科學思想；科學觀點因證據(jù)的不同會產生不同的解釋；科學工作者的背景對工作方式和科學思想傳播的影響；思考科學的力量和局限。

Osborne（2003）等采用德爾菲調查法（Delphi），調查23位國際上不同領域的知名專家，確定了科學本質的9個主題：科學方法和批判性測試；科學的創(chuàng)造性；科學知識的歷史發(fā)展；科學與質疑；科學思維的多樣性；數(shù)據(jù)的分析和解釋；科學的確定性；假設和預測；科學知識發(fā)展需要合作。

美國研究科學本質的資深專家Lederman（2004）等指出中學階段應該教授一些沒有爭議或爭議較小的科學本質內涵：暫時性；基于經驗的；主觀性；創(chuàng)造性；植根于社會與文化；觀察與推論；定律與理論。

McComas （2008）提出了適用于K-12（幼兒園到12年級）的核心科學本質觀：科學成果需要并依賴于經驗證據(jù)；科學知識的形成過程有著許多共性，如思維的習慣、準則、邏輯思考、觀察和數(shù)據(jù)記錄的方法、忠于事實的記錄等；科學知識具有暫時性、持久性、自我修正性；定律和理論相互關聯(lián)，但屬于兩種不同類型的科學知識；科學具有創(chuàng)造性；科學具有主觀性，即觀察是理論蘊含的。這種主觀性在科學探究中既可能起積極作用也可能起消極作用；科學的實施和研究方向會受歷史、文化和社會的影響；科學和技術相互影響，但并不相同；科學不能回答所有的問題，存在著局限性。

從上述部分科學教育機構和學者對科學本質內涵與范疇的研究中可以看出，不同領域的學者之間、甚至在同一領域的不同學者之間、不同的科學教育文件之間對科學本質的內涵與范疇的闡述各不相同，存在著某些差異或者說各有側重。分析這些觀點，筆者認為有兩點值得我們思考：

第一，科學教育界對科學本質的內涵是否形成一致的認識；

第二，上述科學本質的內涵與范疇與科學哲學主要流派中的科學本質觀之間有著怎樣的關系。

以下將從這兩個方面展開分析。

2.2 科學本質教育中存在的分歧與達成的共識

研讀上述科學本質的內涵與范疇，并查閱相關文獻，筆者認為雖然科學教育界未就科學本質形成一個明確統(tǒng)一的定義，但是對于中學階段應教授怎樣的科學本質觀已逐步達成共識。

2.2.1 尚未形成明確統(tǒng)一的科學本質定義

科學教育界雖然一致認為培養(yǎng)學生理解科學的本質是十分重要的，但科學本質并非一個單一的觀點，其本身存在著復雜性與多元性，至今科學教育界并未對科學本質形成一個明確的、統(tǒng)一的定義。

2.2.2 就中學階段應教授何種科學本質觀逐步達成共識

部分學者認為科學本質的內涵存在較大分歧。Stanley和Brickhouse指出“盡管幾乎每個人都同意應該傳授學生關于科學本質的觀點，但是對于應該教授哪些科學本質的觀點卻有相當大的分歧”。哈佛大學教育哲學研究中心的學者Alters也認為科學本質的觀點未取得一致。Alters整理并歸納了39項科學本質的具體內涵，從美國科學哲學協(xié)會（ Philosophy of Science Association，PSA）中選擇了210名會員對這39項科學本質的觀點進行了調查，分析176份有效問卷后發(fā)現(xiàn)不同的科學哲學家對科學本質的觀點未取得一致。

但是，更多的學者認為盡管在哲學層面上科學本質的理解還存在著較大的分歧，但是這種爭論與中小學科學教育關系并不緊密，中小學教育階段對科學本質的理解上并不存在很大的分歧，可以說雖然科學教育界并未對科學本質形成完全一致的定義，對于科學本質的具體內涵和范疇的闡述也各有側重，但是在很多觀點上是達成共識的。Alters的研究遭到了很多科學教育研究者的質疑。Smith、Lederman、Bell、McComas和Clough五位學者認為Alters的調查設計、語句陳述、數(shù)據(jù)解釋存在著問題，只選擇科學哲學家為研究對象也欠考慮。Abd-El-Khalick、Bell和Lederman指出，對于哲學層面上的科學本質的定義及理解的分歧或許會長時間存在于哲學家、歷史學家和科學教育工作者之中，但是這些對于學生而言太過抽象，而且和他們的日常生活也并不緊密相關，除卻這些爭論以外，仍有一些科學本質的認識是普遍被接受的，這些普遍被接受的科學本質觀能夠被中小學生所理解并與他們日常生活相聯(lián)系，而對于這一層面上科學本質的理解，哲學家、歷史學家和科學教育工作者并沒有很大的分歧。

McComas和Olson對科學教育文件展開研究，研究表明中學階段應教授怎樣的科學本質觀達成了部分共識。McComas和Olson運用定性的方法，從科學史、科學心理學、科學社會學以及科學哲學四門學科的角度對科學進行審視，分析了美國的《科學素養(yǎng)的基準》（Benchmarks for ScienceLiteracy）、《加利福尼亞州公立學校的科學架構》（ Scienc，e Framework for California Public， Schools）、《國家科學教育標準》（National Science EducationStandards）、《科學人文》（The Liberal Art ofScience），澳大利亞的《科學陳述》（A Statementon Science），英國的《國家科學課程》（Science inthe National Curriculum），新西蘭的《新西蘭科學課程》（ Science in the New Zealand Curriculum），加拿大的《共同框架》（Common Framework）共五個國家八份科學教育文件，統(tǒng)整出14項高度重迭的科學本質觀點（詳見2.1）。這14條高度重迭的科學本質觀點表明這些科學教育文件對于應該教授何種科學本質觀達成了部分共識，而這些文件無一不是眾多科學家、科學教育者、教育方針制定者、科學教師等共同討論的產物，這也說明他們對這一問題達成了共識。

Osborne等五位學者展開調查研究，結果進一步表明中學階段應教授怎樣的科學本質觀達成了部分共識。Oshorne、Colins、Ratcliffe、Millar和Duschl五位專家采用德爾菲調查法（Delphi），調查23位科學教育家、科學家、科學歷史學家、科學哲學學家和科學社會學等不同領域的具有國際知名度的專家學者，結果表明有9項科學本質主題在這些專家中達成共識，并將這9項科學本質主題與McComas、Olson兩位學者在1998年得出的14項高度重迭的科學本質觀點進行對照，表明兩項研究的結果具有相似之處，進一步說明在科學教育界對應教授何種科學本質觀逐步達成共識。

2.3 不同哲學流派的科學本質觀在科學教育文件中的“融合”

面對不同哲學流派持有的不同科學本質觀，科學教育界義是如何對待的呢？仔細研讀上述研究機構、專家學者提出的科學本質觀就會發(fā)現(xiàn)，他們并沒有全盤接受某一流派的觀點，而是采取了一種“融合”的方法，這些科學教育文件或研究成果中既有邏輯經驗主義等傳統(tǒng)傾向的科學本質觀點，義不乏歷史主義傾向的科學本質觀點。

McComas提出的適用于K-12的核心科學本質觀中強調了科學的主觀性：“科學具有主觀性，即觀察是理論蘊含的”，“科學具有創(chuàng)造性”，這恰是否證主義和歷史主義所強調的；但同時也指出“科學成果需要并依賴于經驗證據(jù)”，這義意味著科學具有客觀性，是具有傳統(tǒng)傾向的科學本質觀點。

上述對科學本質內涵和范疇的闡述，大多將科學的暫定性本質作為一條重要的科學本質觀列出認為科學知識是可錯的、發(fā)展的，不能等同為真理，但也不否認科學知識具有持久性。如McComas和Olson分析五個國家八份科學課程標準文件中有關科學本質的陳述后歸納出“科學知識兼具持久性和暫時性的特征”是這些文件中14項高度重迭的觀點之.。

此外，“可檢驗的”是傾向實證主義的科學本質觀；“可證偽的”則是傾向否證主義的科學本質觀；而強調科學發(fā)展兼具量的積累和質的飛躍、關注科學與社會、文化、歷史的關系義是傾向歷史主義的科學本質觀。

這種“融合”的出現(xiàn)，一方面正體現(xiàn)了科學本身的復雜性和多元性，另一方面也是科學教育對學生所處的年齡階段的考慮?？茖W教育中不應過度極端地強調某一流派，有學者認為當今科學本質的概念被有些極端提倡實證主義或歷史主義的學者過度簡單化了，倡導科學教育里應教授“平衡的科學哲學觀”。

3 結語

本文從科學哲學和科學教育的角度對科學本質進行了理論層面的探討。近來，科學本質教育正受到越來越廣泛的關注，科學本質相關內容的研究非常豐富，研究視角逐步由理論轉向實踐，尚有許多問題值得我們進一步去探索。