姜智萌 魏冰
長期以來,科學(xué)方法是中小學(xué)理科課程和教學(xué)改革強(qiáng)調(diào)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。近年來,隨著科學(xué)實(shí)踐等教育理念的推行,科學(xué)方法多樣性受到了科學(xué)教育界的廣泛關(guān)注,為科學(xué)方法教育提供了新的思路。系統(tǒng)地探討了科學(xué)方法及其多樣性的內(nèi)涵,討論了關(guān)于科學(xué)方法多樣性的一個(gè)重要理論框架(布蘭登矩陣)。結(jié)合相關(guān)實(shí)證研究和我國中小學(xué)科學(xué)方法教育的現(xiàn)狀,提出了關(guān)于科學(xué)方法及其多樣性教育的三方面的建議。
科學(xué)方法;科學(xué)方法的多樣性;科學(xué)實(shí)踐;理科教學(xué)
長期以來,科學(xué)方法都是中小學(xué)理科教育關(guān)注的焦點(diǎn)之一。在理科課程改革中,無論是能力培養(yǎng),科學(xué)探究還是科學(xué)實(shí)踐的教育理念,使學(xué)生理解和使用科學(xué)方法都是一項(xiàng)重要目標(biāo)。但是,“科學(xué)方法”這一概念一直缺乏明確的定義,人們一般把通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)假設(shè)(也習(xí)慣地稱為“公平測(cè)試”或“控制變量”)為特征的系列科學(xué)過程看作科學(xué)方法。但是,越來越多的研究者認(rèn)為科學(xué)方法是多樣的,過于強(qiáng)調(diào)上述特征容易使人們對(duì)真實(shí)的科學(xué)探究或科學(xué)實(shí)踐產(chǎn)生誤解。顯然,如果缺乏對(duì)科學(xué)方法的正確認(rèn)識(shí),就談不上恰當(dāng)?shù)厥褂每茖W(xué)方法,科學(xué)探究或科學(xué)實(shí)踐的教育理念也就無從落實(shí)。為此,本文系統(tǒng)地梳理科學(xué)方法及其多樣性的內(nèi)涵,在此基礎(chǔ)上對(duì)中小學(xué)教學(xué)中落實(shí)科學(xué)方法教育提出一些建議。
在科學(xué)教育領(lǐng)域,“科學(xué)方法”這一術(shù)語可以追溯至17世紀(jì)英國哲學(xué)家弗朗西斯·培根(Francis Bacon) 的歸納主義哲學(xué)思想。這種哲學(xué)思想主導(dǎo)的科學(xué)方法在19世紀(jì)晚期進(jìn)入中等學(xué)校,通常指基于實(shí)驗(yàn)進(jìn)行歸納從而得出科學(xué)結(jié)論的過程。進(jìn)入20世紀(jì)以后,隨著杜威(J. Dewey)提出的“邏輯思維五步法”,科學(xué)方法有了新的含義。杜威認(rèn)為科學(xué)不應(yīng)該只是知識(shí)積累和技能訓(xùn)練,更重要的是“反省思維”,他的思維五步法指的是察覺問題、定義問題、設(shè)計(jì)可能的解決方案、推理方案、驗(yàn)證方案五個(gè)步驟。在后來的數(shù)十年里,受杜威思維五步法的啟發(fā),科學(xué)方法通常以步驟化的形式出現(xiàn)在許多理科課程改革文件及科學(xué)教科書的導(dǎo)言中,大體包括5到7個(gè)步驟,即定義問題、收集信息、形成假設(shè)、進(jìn)行觀察、測(cè)試假設(shè)、得出結(jié)論等。雖然這些步驟的出發(fā)點(diǎn)是為在教學(xué)中落實(shí)科學(xué)思維方法提供幫助,但在實(shí)際教學(xué)中卻常常被生搬硬套,曲解為在進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)有一種普適的、跨學(xué)科的、權(quán)威的“科學(xué)方法”。20世紀(jì)50年代以來,這種“科學(xué)方法”觀廣受批評(píng),認(rèn)為它缺乏情境性、太過程序化、忽視科學(xué)概念的學(xué)習(xí)等。80年代以來,對(duì)“科學(xué)方法”的討論逐漸轉(zhuǎn)向“科學(xué)探究”,這突出體現(xiàn)在1996年由美國國家研究院(NRC)發(fā)布的《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中。該文件強(qiáng)調(diào)探究是綜合性的,探究的過程涉及觀察現(xiàn)象、提出問題、作出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證假設(shè)、解釋數(shù)據(jù)、得出結(jié)論、討論交流等;同時(shí)強(qiáng)調(diào)要讓學(xué)生理解科學(xué)探究的本質(zhì)并形成科學(xué)探究的能力。盡管科學(xué)教育工作者一般都反對(duì)將科學(xué)方法程序化,強(qiáng)調(diào)避免將探究看作一套固定的步驟,提倡在實(shí)際教學(xué)中根據(jù)具體情況進(jìn)行靈活應(yīng)用。但是,程序化、教條化的“科學(xué)方法”一直根深蒂固地存在于科學(xué)教學(xué)實(shí)踐中。為此,近年來,科學(xué)教育界呼吁將唯一的、普適的科學(xué)方法的表述轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄻踊目茖W(xué)方法。
關(guān)于科學(xué)方法多樣性的討論主要基于真實(shí)的科學(xué)實(shí)踐。國際及國內(nèi)的科學(xué)教育研究者根據(jù)自己對(duì)科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)實(shí)踐過程的理解提出了各自的觀點(diǎn)。例如,韋格等人(D. Wivagg)創(chuàng)造了“科學(xué)家工具箱”的概念,旨在說明科學(xué)家在實(shí)際工作中可能使用多種方法,如建立模型、類比、規(guī)律識(shí)別、歸納、盲檢、采集原始數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)模擬等。這一概念基于科學(xué)的創(chuàng)造性特征和科學(xué)家的真實(shí)工作狀況,突破了傳統(tǒng)觀念中關(guān)于科學(xué)過程或科學(xué)方法的表述;同時(shí),它支持了尋找科學(xué)證據(jù)的多種途徑,包括直接的、間接的、實(shí)驗(yàn)的、觀察的、統(tǒng)計(jì)的、控制變量等。奧斯本(J. Osborne)認(rèn)為,在多數(shù)情況下,科學(xué)既不是從測(cè)量開始也不是從觀察和實(shí)驗(yàn)開始,科學(xué)是關(guān)于現(xiàn)實(shí)世界的一套觀念(ideas),是從充滿科學(xué)觀念的世界開始的。在奧斯本看來,科學(xué)觀念可以通過六種形式的推理形成,包括(1)數(shù)學(xué)演繹;(2)實(shí)驗(yàn)探索;(3)假設(shè)建模;(4)類比歸類;(5)規(guī)律識(shí)別與概率計(jì)算;(6)歷史記載與描述。在這6種形式中,“實(shí)驗(yàn)探索”只是其中之一,它并不比其他方法有效或優(yōu)越,更不能替代其他方法。特納(D. Turner)認(rèn)為科學(xué)歸根結(jié)底是在探尋世界的本質(zhì),而探尋的手段(方法)紛繁龐雜,想要概括出一種普適的科學(xué)方法是作繭自縛的。吳俊明認(rèn)為在科學(xué)研究的起始階段,科學(xué)家并不刻意遵循某種固定的科學(xué)方法或模式,而是運(yùn)用他們的直覺、想象和創(chuàng)造性,以一種開放的心態(tài)來觀察研究對(duì)象,提出種種猜想和假設(shè)、不斷設(shè)計(jì)研究或反省結(jié)果。鄧陽和王后雄則強(qiáng)調(diào)突出以“解釋-論證”為特征的科學(xué)探究,努力改變基于邏輯實(shí)證主義、固定探究程式、探究結(jié)果定向、觀察實(shí)驗(yàn)導(dǎo)向的科學(xué)探究模式。
除了科學(xué)教育研究者的呼吁外,一些科學(xué)教育改革方案也支持多樣化的科學(xué)方法。例如,由美國國家研究院在2012年頒布的《K-12年級(jí)科學(xué)教育框架》中,明確提出“科學(xué)實(shí)踐”的概念,這既是對(duì)科學(xué)探究?jī)?nèi)涵的深化,又是對(duì)科學(xué)方法模式化傾向的變革。為了落實(shí)科學(xué)實(shí)踐的理念,該框架提出八個(gè)科學(xué)實(shí)踐要素,分別是:(1) 提出問題和定義問題、(2)計(jì)劃和實(shí)施調(diào)查、(3)分析和解釋數(shù)據(jù)、 (4)發(fā)展和使用模型、(5)使用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維、(6)構(gòu)建解釋和設(shè)計(jì)解決方案、(7)基于證據(jù)的論證、(8)獲取、評(píng)估和交流信息。值得注意的是,在傳統(tǒng)的自然科學(xué)教育中備受關(guān)注的“實(shí)驗(yàn)”或“假設(shè)檢驗(yàn)”等并沒有作為科學(xué)實(shí)踐要素單獨(dú)提出。誠然,實(shí)驗(yàn)是是一些自然科學(xué)的重要特征,是表征科學(xué)方法的一種重要形式,但過于強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)方法容易使人把科學(xué)方法等同于實(shí)驗(yàn)方法,從而忽視那些非實(shí)驗(yàn)方法的重要性,比如自然觀察和歷史調(diào)查等描述性的方法。埃爾杜蘭(S. Erduran)認(rèn)為在理科教學(xué)中過于強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)而忽視科學(xué)方法的多樣性會(huì)帶來諸多弊端,包括:使學(xué)生認(rèn)為從非實(shí)驗(yàn)性方法中獲得的知識(shí)不如從實(shí)驗(yàn)性方法中獲得的知識(shí)可信或重要;影響學(xué)生對(duì)學(xué)科內(nèi)容和過程的正確理解;可能會(huì)導(dǎo)致學(xué)生拒絕一些沒有通過假設(shè)檢驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)而構(gòu)建的理論。
科學(xué)哲學(xué)家布蘭登(N.Brandon)立足于科學(xué)研究中實(shí)驗(yàn)和理論的關(guān)系,重點(diǎn)關(guān)注被哲學(xué)家忽視的實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)屬性,以此闡釋科學(xué)研究中科學(xué)方法的多樣性問題。布蘭登認(rèn)為要理解什么是實(shí)驗(yàn),可以從什么不是實(shí)驗(yàn)說起。因此,他從觀察與實(shí)驗(yàn)的區(qū)別以及描述性的研究與實(shí)驗(yàn)性的研究的區(qū)別這兩個(gè)角度理解實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)。實(shí)驗(yàn)和觀察之間的本質(zhì)區(qū)別在于是否故意地對(duì)變量進(jìn)行操縱:實(shí)驗(yàn)需要人為地操縱變量而觀察則不需要。實(shí)驗(yàn)性的研究與描述性的研究的區(qū)別對(duì)應(yīng)著假設(shè)檢驗(yàn)與參數(shù)測(cè)量的區(qū)別:實(shí)驗(yàn)性的研究中一般涉及對(duì)假設(shè)的檢驗(yàn),而描述性的研究則不存在假設(shè),通常是對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。因此,觀察/實(shí)驗(yàn)與描述性的/實(shí)驗(yàn)性的研究通過正交的方式兩兩組合形成了一個(gè)矩陣(圖1)。這個(gè)矩陣的優(yōu)勢(shì)在于它突破了將科學(xué)方法等同于通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)假設(shè)的步驟化過程的局限性,對(duì)科學(xué)方法提供了一個(gè)更系統(tǒng)、全面和包容的解釋。
如圖1所示,在科學(xué)研究中運(yùn)用的科學(xué)方法并不只有實(shí)驗(yàn)(操縱變量)或者假設(shè)檢驗(yàn),科學(xué)研究中至少會(huì)涉及四種類型的科學(xué)方法,包括:(1)操縱性的假設(shè)檢驗(yàn)(Manipulative hypothesis testing), (2)非操縱性的假設(shè)檢驗(yàn)(Non-manipulative hypothesis testing), (3)操縱性的參數(shù)測(cè)量(Manipulative parameter measurement), (4)非操縱性的參數(shù)測(cè)量(Non-manipulative parameter measurement)。需要注意的是,雖然矩陣只顯示了四種類型的科學(xué)方法,但是它并不意味著科學(xué)方法僅僅局限于這四個(gè)類別,也并不意味著同一類別內(nèi)的所有研究都以同樣的方式進(jìn)行。相反,矩陣意在說明同一類型的科學(xué)研究運(yùn)用的科學(xué)方法存在某些共同特點(diǎn)(例如,都涉及假設(shè)檢驗(yàn)或觀察)。即使某些研究屬于同一類型,它們也可以運(yùn)用多種不同的方式達(dá)到研究目的。
在這個(gè)框架中,科學(xué)方法看似是兩極化的,要么是實(shí)驗(yàn)性的(操縱變量的或檢驗(yàn)假設(shè)的),要么是非實(shí)驗(yàn)性的(不操縱變量的或不檢驗(yàn)假設(shè)的)。但布蘭登強(qiáng)調(diào),科學(xué)方法并不是非此即彼的,打破方法間的壁壘將它們看作兩個(gè)連續(xù)體更為合適,也即從不操縱變量到操縱變量,從不檢驗(yàn)假設(shè)(參數(shù)測(cè)量)到檢驗(yàn)假設(shè)。這種認(rèn)識(shí)為科學(xué)方法提供了動(dòng)態(tài)變化的空間,能更加靈活地反映科學(xué)研究的性質(zhì)。由此,科學(xué)方法間的差異由“實(shí)驗(yàn)性”強(qiáng)與弱的區(qū)別替代了“實(shí)驗(yàn)性”是與非的區(qū)別。如圖2所示,“實(shí)驗(yàn)空間”(space of experimentation)反映了實(shí)驗(yàn)性強(qiáng)弱程度的變化,越接近左上角的科學(xué)研究也即越能體現(xiàn)假設(shè)檢驗(yàn)與操縱變量的研究,它的實(shí)驗(yàn)性就越強(qiáng)?!皩?shí)驗(yàn)性空間”的概念旨在打破科學(xué)方法在人們頭腦中形成的固有觀念,幫助人們理解科學(xué)方法的多樣性。
我們認(rèn)為,布蘭登矩陣在揭示科學(xué)方法多樣性方面邁出了關(guān)鍵的一步,為中小學(xué)的科學(xué)方法教育提供了重要的理論依據(jù)。同時(shí),布蘭登矩陣也為我們了解科學(xué)方法多樣性在教育實(shí)踐中的落實(shí)狀況提供了一個(gè)分析工具。近幾年,在國際科學(xué)教育研究領(lǐng)域,布蘭登矩陣廣泛地應(yīng)用于大學(xué)入學(xué)考試題、理科教科書、師生關(guān)于科學(xué)方法的認(rèn)識(shí)等的實(shí)證研究中,為研究科學(xué)方法的教學(xué)、學(xué)習(xí)和評(píng)價(jià)提供了重要的幫助和啟發(fā)。
前文已述,科學(xué)方法教育是一直是中小學(xué)理科課程和教學(xué)所關(guān)注的一個(gè)重要內(nèi)容。但是,無論是在教師的教,學(xué)生的學(xué),抑或教學(xué)評(píng)價(jià)方面,科學(xué)方法教育的實(shí)際狀況都不盡人意。結(jié)合國際科學(xué)教育領(lǐng)域的相關(guān)研究成果以及我國中小學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀,我們認(rèn)為正確認(rèn)識(shí)和實(shí)施科學(xué)方法及其多樣性需要注意三個(gè)問題。
4.1關(guān)于科學(xué)方法多樣性的理解
理解科學(xué)方法的多樣性有助于學(xué)生形成正確的科學(xué)本質(zhì)觀,也有助于探究式學(xué)習(xí)的真正落實(shí)。但是在目前的理科課堂中,教師一般只重視假設(shè)檢驗(yàn)的科學(xué)方法而忽視其他科學(xué)方法,由此影響到學(xué)生對(duì)科學(xué)方法的正確認(rèn)識(shí)。例如,馬斯里(Y. EI Masri)等人發(fā)現(xiàn)學(xué)生缺乏對(duì)科學(xué)方法多樣性的理解,他們往往將科學(xué)方法等同于假設(shè)檢驗(yàn)等某一種方法,且認(rèn)為不操縱變量、不檢驗(yàn)假設(shè)的不是科學(xué)方法。此外,長期以來,科學(xué)方法教育主要以“隱性”方式進(jìn)行,即教師并不明確教授科學(xué)方法,主要以潛移默化的方式讓學(xué)生感受。但這種方式的效果并不明顯,學(xué)生也容易對(duì)科學(xué)方法產(chǎn)生誤解。近年來,科學(xué)教育工作者認(rèn)為科學(xué)方法的教學(xué)應(yīng)該從隱性的“滲透”轉(zhuǎn)變?yōu)轱@性的“明示”,即明確告知學(xué)生科學(xué)方法是多樣的,并不僅限于通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)假設(shè)。為此,埃爾杜蘭(S. Erduran)等人把布蘭登框架融入科學(xué)方法課程,研究顯示,經(jīng)過一段時(shí)間的教學(xué),學(xué)生對(duì)科學(xué)方法的本質(zhì)內(nèi)涵及多樣性的理解有了明顯的改善??茖W(xué)有法,但無定法。理解科學(xué)方法的多樣性要把握科學(xué)研究的基本原則,即科學(xué)研究是由問題主導(dǎo)的,要從實(shí)際問題出發(fā),在特定的情境中選擇合適的方法解決問題,不能為了迎合某種模式生搬硬套地選擇和使用科學(xué)方法。
4.2關(guān)于各種科學(xué)方法的均衡性
鑒于科學(xué)方法的多樣性,不同類型的科學(xué)方法在價(jià)值和意義上沒有高低之分。但是,無論是在教科書里,外部評(píng)價(jià)抑或理科教學(xué)中,不同種類的科學(xué)方法缺乏均衡的體現(xiàn)。例如,在教科書方面,魏冰等人發(fā)現(xiàn),布蘭登矩陣的四類科學(xué)方法在中國初中階段使用的理科教科書內(nèi)的動(dòng)手活動(dòng)(實(shí)驗(yàn))中分布并不均衡且差異很大,并都以非操縱性參數(shù)測(cè)量為主;在“實(shí)驗(yàn)性”方面(即假設(shè)檢驗(yàn)的程度),物理、化學(xué)、生物三個(gè)學(xué)科依次降低。這種不均衡也體現(xiàn)在外部選拔性考試的試卷里。庫里南(A. Cullinane)等人的研究顯示四種科學(xué)方法在英國三種不同類型的高考化學(xué)試卷的題目中所占的比例有很大差異。他們還發(fā)現(xiàn),在理科課堂中被當(dāng)作科學(xué)方法來介紹的“操縱性假設(shè)檢驗(yàn)”并沒有在試題中占主導(dǎo)地位;相反,這類題目的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于參數(shù)測(cè)量和非操縱性的題目。忽視科學(xué)方法的多樣性容易造成顧此失彼的局面,使學(xué)生對(duì)不同的科學(xué)方法形成等級(jí)觀念,認(rèn)為某些不常練習(xí)或不??嫉目茖W(xué)方法不重要。為此,我們認(rèn)為有必要在課堂教學(xué)、教科書、教學(xué)評(píng)價(jià)中增加那些在傳統(tǒng)的理科教學(xué)中不太常見的科學(xué)方法,比如建模、科學(xué)解釋、科學(xué)論證等。
4.3關(guān)于教—學(xué)—評(píng)之間的一致性
教學(xué)、學(xué)習(xí)與評(píng)價(jià)的一致性是當(dāng)代理科教育改革的一個(gè)重要目標(biāo)。但是,這種一致性并沒有很好的落實(shí),教—學(xué)—評(píng)脫節(jié)的現(xiàn)象司空見慣,即學(xué)的卻沒評(píng),評(píng)的非所教。就科學(xué)方法教育的議題而言,科學(xué)方法的多樣性在課程、教學(xué)和評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)的要求并不一致。例如,雖然理科課程標(biāo)準(zhǔn)會(huì)直接或間接地提及各種科學(xué)研究方法,但是,在實(shí)際教學(xué)中,實(shí)驗(yàn)及假設(shè)檢驗(yàn)等才是教師們強(qiáng)調(diào)的科學(xué)方法;在教科書中不操縱變量的、測(cè)量參數(shù)類的動(dòng)手活動(dòng)居多;在評(píng)價(jià)中操縱性參數(shù)測(cè)量類的題目卻又是賦分比重最高的。造成這種現(xiàn)象的原因很多,但課程標(biāo)準(zhǔn)制定者、教科書編寫者以及教學(xué)評(píng)核者對(duì)科學(xué)方法及其多樣性缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)應(yīng)是主要原因。不管原因?yàn)楹危茖W(xué)方法及其多樣性的教育都不應(yīng)該是紙上談兵,需要課程、教學(xué)和評(píng)價(jià)各環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)行動(dòng)。唯有如此,才能確??茖W(xué)方法教育真正落實(shí)到位,從而有效促進(jìn)科學(xué)探究的實(shí)施,貫徹科學(xué)實(shí)踐的理念以及達(dá)成科學(xué)本質(zhì)教育的目的。
探討科學(xué)方法的多樣性,是為了探尋科學(xué)及科學(xué)實(shí)踐的本質(zhì),為真實(shí)的科學(xué)探究正名。正確理解科學(xué)方法及其多樣性有助于科學(xué)教育實(shí)現(xiàn)由“我們應(yīng)該知道什么”(知識(shí))向“我們?nèi)绾尾拍苤馈保ㄟ^程)以及“我們?yōu)槭裁匆@樣做”(思考)的轉(zhuǎn)變。本文系統(tǒng)地梳理了科學(xué)方法這一概念的來龍去脈,厘清了科學(xué)探究、科學(xué)實(shí)踐與科學(xué)方法之間的關(guān)系,重點(diǎn)討論了科學(xué)方法的多樣性,為科學(xué)方法教育提供了一個(gè)新的思路。文章強(qiáng)調(diào),無論是實(shí)驗(yàn)方法還是非實(shí)驗(yàn)方法都是科學(xué)方法,沒有哪一種科學(xué)方法相對(duì)其他科學(xué)方法更為重要或優(yōu)越。各類科學(xué)方法在解決問題時(shí)并沒有等級(jí)之分,關(guān)鍵在于是否適合要解決的問題。特別是,作為科學(xué)方法多樣性的具體表征,布蘭登矩陣可用于設(shè)計(jì)關(guān)于科學(xué)方法的新型教學(xué)材料、教學(xué)方法和評(píng)價(jià)策略,從而有效地促進(jìn)科學(xué)方法教育的落實(shí)。
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