科學(xué)本質(zhì)表征的顯性化及其意蘊
——以人教版“細胞學(xué)說的建立”為例

（閩江師范高等專科學(xué)校 福建福州 350001）

《普通高中生物學(xué)課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）在教學(xué)建議部分明確提出“注重生物科學(xué)史和科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)”的要求，并且列出7項適合在高中階段開展的科學(xué)本質(zhì)教育的內(nèi)容，表明提升對科學(xué)本質(zhì)理解是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要組成部分，是必須得到落實的課程目標。

1 關(guān)于科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵的討論

科學(xué)本質(zhì)多被定義為科學(xué)認識論，即科學(xué)是一種獲得知識的途徑、是與科學(xué)知識的發(fā)展相一致的價值和觀念。雖然，研究人員對科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵的表述及定義不盡相同，但廣泛認同科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵包括以下3個層面。

（1）科學(xué)知識：科學(xué)知識具有暫時性、公開性、相對性、重復(fù)性等特點；

（2）科學(xué)探究：科學(xué)活動通過觀察、實驗、推理等方式進行，具有預(yù)測性、創(chuàng)造性等特點；

（3）科學(xué)事業(yè)：科學(xué)活動與社會、技術(shù)、道德等因素相互影響、相互作用。

《課程標準》列出以下7項適合在高中階段開展的科學(xué)本質(zhì)教育內(nèi)容：“科學(xué)知識可能隨著研究的深入而改變”“科學(xué)工作依賴觀察和推論”“科學(xué)工作采用基于實證的工作范式”“科學(xué)是創(chuàng)造性工作”“科學(xué)工作要高度關(guān)注主觀因素的影響”“理論和定律賦予科學(xué)解釋的能力，但兩者不盡相同”以及“科學(xué)會受到社會和文化影響”等。上述七項科學(xué)本質(zhì)的教育內(nèi)容在國際上被普遍認同。落實《課程標準》的要求，開展科學(xué)本質(zhì)教學(xué)是發(fā)展學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的必然要求。

2 科學(xué)本質(zhì)教育存在的問題

近現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展對社會的發(fā)展起著決定性作用，人類對科學(xué)的認識也在不斷改變，較長時間以來邏輯實證主義在我國的科學(xué)教育中占據(jù)主導(dǎo)地位。科學(xué)教學(xué)比較多強調(diào)科學(xué)知識的實證性、穩(wěn)定性和真理性，相對忽視科學(xué)知識的暫定性、主觀性和建構(gòu)性；強調(diào)實驗在科學(xué)過程中的作用及實驗的規(guī)范性，對探究活動中思維因素的認識或簡化或神秘化，忽視實驗中創(chuàng)造性及主觀因素影響，導(dǎo)致學(xué)生容易產(chǎn)生“所有科學(xué)理論都能被實驗驗證”“科學(xué)概念、模型是研究對象——對應(yīng)的存在”等認識；比較強調(diào)科學(xué)知識的功用性，相對忽視科學(xué)的社會性和文化因素。針對高中生科學(xué)本質(zhì)理解水平的研究表明，我國高中對科學(xué)知識的暫時性的理解相對較好，但在觀察推理的區(qū)分、創(chuàng)造想象在科學(xué)理論創(chuàng)立中的作用、社會文化嵌入性、科學(xué)方法的多樣性等方面存在缺陷。

3 2019年版教材對科學(xué)本質(zhì)表征的顯性化和系統(tǒng)化

比較人教社的2019年版和2007年版普通高中生物學(xué)教材之《必修1·分子與細胞》的“細胞學(xué)說的建立”內(nèi)容（以下簡稱2019年版和2007年版），可以發(fā)現(xiàn)：2019年版教材在科學(xué)知識的暫時性、重復(fù)性；科學(xué)活動中觀察、實驗、推理的區(qū)別與聯(lián)系；科學(xué)事業(yè)與社會、技術(shù)的相互作用等方面的內(nèi)容表征更加明確，章節(jié)內(nèi)和章節(jié)間相關(guān)的內(nèi)容構(gòu)成系統(tǒng)，即顯性化和系統(tǒng)化增強，體現(xiàn)了教材修訂對課程標準改變的回應(yīng)以及對教學(xué)的要求。

3.1 明確區(qū)分“觀察”與“歸納”等科學(xué)方法

觀察和歸納是科學(xué)研究中的兩種基本方法。觀察是通過感官（或借助技術(shù)手段實現(xiàn)感官的延伸）發(fā)現(xiàn)事實收集證據(jù)。千百年來，人類從未停止對生物的觀察，從個體、系統(tǒng)、器官、組織的解剖到細胞亞顯微觀察，典型地體現(xiàn)了觀察在生物科學(xué)活動中的重要地位。推理是人類邏輯思維的重要形式。人們基于觀察獲得的事實、證據(jù)，運用類比、歸納、演繹等推理形式產(chǎn)生結(jié)論。區(qū)別觀察與推理是理解自然科學(xué)中概念提出、理論構(gòu)建的基礎(chǔ)，也是理解科學(xué)理論實證性、主觀性的基礎(chǔ)。長期以來，我國教科書和教學(xué)活動中對觀察和推理缺乏定義描述與區(qū)分，日常生活中也存在這兩個術(shù)語應(yīng)用泛化的現(xiàn)象，高中學(xué)生對兩者的區(qū)分與聯(lián)系存在一定的認識誤區(qū)，2019年版教材做了顯著的改進。

2019年版該章節(jié)的“思考·討論”第2小標題為“顯微觀察資料的積累——認識細胞”，2007年版相應(yīng)的標題是“顯微鏡下的重大發(fā)現(xiàn)”。后者的視角是后人對科學(xué)史實的總結(jié)和評價，體現(xiàn)的是觀察與推理結(jié)合產(chǎn)生的結(jié)果；前者更準確反映觀察導(dǎo)致證據(jù)的積累及與推論產(chǎn)生間的關(guān)系。2019年版的該小段最后一句“在長達170多年的歷史中，人們對細胞及其生物體的關(guān)系并沒有進行科學(xué)的歸納和概括”，與2007年版“他們并沒有用細胞來描述其發(fā)現(xiàn)，也沒有進一步考慮生物體結(jié)構(gòu)的一致性”比較，前者能直接讓學(xué)生意識到單純的觀察積累只是事實、數(shù)據(jù)，并不能直接導(dǎo)致科學(xué)理論的創(chuàng)立，理論的產(chǎn)生還需要基于觀察的推理。2019年版第3段小標題為“科學(xué)觀察和歸納概括的相結(jié)合——形成理論”，2007年版相應(yīng)的標題是“理論思維和科學(xué)實驗的相結(jié)合”標題。相較而言，前者更清晰地指出科學(xué)活動的類型以及兩者間的關(guān)系和區(qū)別，后者是科學(xué)過程綜合性的描述。2019年版該小段增加的“施萊登通過對花粉、胚珠柱頭組織的觀察……”內(nèi)容，對觀察和推理的具體內(nèi)容進行了陳述，有利于學(xué)生明確區(qū)分觀察與推理，并且本節(jié)新增的科學(xué)方法欄目中對歸納法給出明確的定義，在章節(jié)的問題中還引導(dǎo)學(xué)生思考不完全歸納法的可靠性問題，使學(xué)生對歸納法理解更加深入，也有利學(xué)生理解生物學(xué)的概念、規(guī)律都必須在一定范圍適用。

3.2 全面介紹科學(xué)理論的性質(zhì)和價值

科學(xué)理論是經(jīng)反復(fù)證實被較廣泛接受的、內(nèi)部自恰的解釋系統(tǒng)，能對自然界中看似無關(guān)的現(xiàn)象間的關(guān)系作出解釋。2007年版教材介紹“細胞學(xué)說”具體內(nèi)容之前，就直接給出“它是自然科學(xué)史上的一座豐碑”的整體評價，而2019年版教材在介紹學(xué)說內(nèi)容及創(chuàng)立過程之后，以較大篇幅論述理論的特點和意義，指出“細胞學(xué)說”不僅能引導(dǎo)人們認識到生物統(tǒng)一性，同時使解剖學(xué)、生理學(xué)、胚胎學(xué)獲得統(tǒng)一基礎(chǔ)，催化近代生物學(xué)的誕生并引領(lǐng)生物學(xué)的研究進入細胞水平。這樣的編寫有助于學(xué)生理解重大科學(xué)理論對復(fù)雜研究對象的解釋能力和統(tǒng)一能力。這一部分的內(nèi)容還描述了細胞學(xué)說提示生命的歷史性本質(zhì)，預(yù)示細胞學(xué)說建立對進化論的催生作用，充分體現(xiàn)科學(xué)理論對社會文化的影響，有利于加深學(xué)生對科學(xué)理論本質(zhì)的理解。

定律是可觀察現(xiàn)象之間關(guān)系的描述性陳述。定律常用數(shù)學(xué)表達式表示現(xiàn)象間的定量關(guān)系，如經(jīng)典力學(xué)的牛頓三定律。由于生命有機體的復(fù)雜性、不確定性，也由于生物學(xué)發(fā)展階段性的原因，高中生物學(xué)涉及的定律較少，“基因的分離定律”等可以看作典型的生物學(xué)定律。關(guān)于定律與理論，處于認識質(zhì)樸階段的學(xué)生常認為定律是較為高級階段，理論經(jīng)反復(fù)的證實會上升為定律。現(xiàn)代科學(xué)認識論認為理論和定律是不同類型的知識，兩者關(guān)系密切，理論為定律提供解釋，之間并無高低或轉(zhuǎn)化關(guān)系。2019年版的教材較為詳盡地闡述“細胞學(xué)說”的理論本質(zhì)，有利于學(xué)生隨著“細胞學(xué)說”“進化學(xué)說”“孟德爾遺傳定律”等學(xué)習(xí)進程，認識定律與理論間的差別。

3.3 教材突顯了“科學(xué)工作是創(chuàng)造性的工作”

科學(xué)既有實證性的特征，又是科學(xué)家創(chuàng)造性的體現(xiàn)。科學(xué)知識是人腦對客觀世界的加工，科學(xué)理論、模型能用于解釋自然，但不是現(xiàn)實世界簡單對應(yīng)的復(fù)制。科學(xué)理論、模型的構(gòu)建過程需要科學(xué)家豐富的創(chuàng)造力。我國傳統(tǒng)教材內(nèi)容較突出科學(xué)過程實證性和唯物主義特征，對科學(xué)家思維的創(chuàng)造性和科學(xué)家個人思維特質(zhì)介紹較少。高中學(xué)生對科學(xué)活動中創(chuàng)造性、主觀性和發(fā)展性理解不足，容易產(chǎn)生科學(xué)理論和模型等同于物質(zhì)世界的認識誤區(qū)。2019年版教材對施旺、施萊登的思維活動描寫更加具體，同時在“學(xué)科交叉”欄目增加了“道爾頓原子論”介紹。原子論是自然科學(xué)領(lǐng)域中學(xué)生最為熟悉的理論和模型，經(jīng)歷了“道爾頓原子學(xué)說—盧瑟福核式模型—玻爾電子層分布模型”等發(fā)展階段。原子理論的發(fā)展反映了從物質(zhì)無限可分到物質(zhì)具有基本組成單位等人類科學(xué)思維的重大變化，人類對生命的認識從“活力論”“自生說”到“細胞學(xué)說”，生物學(xué)思想發(fā)展史與原子理論發(fā)展史在時間和思維方式上都有許多契合之處。因此，該內(nèi)容的引入有助于學(xué)生領(lǐng)悟貌似簡單的細胞學(xué)說所蘊含的創(chuàng)造性，理解自然科學(xué)不同分支的共性和差異。

4 教學(xué)應(yīng)當回應(yīng)課程標準和教材的變化

4.1 科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的顯性化

顯性化是指教師在教學(xué)設(shè)計中明確列出科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)目標。教師在教學(xué)過程中圍繞《課程標準》規(guī)定的七項內(nèi)容，向?qū)W生直接展示科學(xué)本質(zhì)問題。以“細胞學(xué)說的建立”為例，為使學(xué)生對“觀察與推理”的區(qū)分，教師直接提出：“自從羅伯特·虎克發(fā)現(xiàn)木栓組織后、列文虎克等生物學(xué)家積累許多顯微觀察材料，這些科學(xué)家為什么沒有提出細胞學(xué)說？閱讀材料第3小段，哪些內(nèi)容是施萊登觀察到的結(jié)果，哪些內(nèi)容是施萊登歸納推理提出的結(jié)論？”為提升學(xué)生對科學(xué)活動中存在主觀因素的影響理解，教師可提出：“施萊登觀察到細胞核后，作出了細胞從老細胞的細胞核中長出，或者是從老細胞質(zhì)以結(jié)晶方式長出的兩種假設(shè)，為什么會作出不同的假設(shè)？為什么說細胞學(xué)說是一種被普遍接受的理論，出現(xiàn)何種新的證據(jù)情況下，現(xiàn)有細胞學(xué)說需要進一步修正？……”教師利用這些問題，以加強學(xué)生對科學(xué)知識暫時性的理解。這類問題將科學(xué)本質(zhì)作為認知性目標，使學(xué)生直接面對科學(xué)本質(zhì)，進而引發(fā)思考。

4.2 情景化與論證結(jié)合

在科學(xué)本質(zhì)的的教學(xué)中，教師應(yīng)該創(chuàng)設(shè)學(xué)生感興趣的科學(xué)史、社會性科學(xué)議題、科學(xué)實踐等情境，引導(dǎo)學(xué)生在具體的科學(xué)知識情境或科學(xué)探究過程中對科學(xué)本質(zhì)進行思考與認同，在學(xué)習(xí)中實現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)與科學(xué)知識相互強化，感悟抽象且復(fù)雜的科學(xué)本質(zhì)，進而建構(gòu)對科學(xué)本質(zhì)的認知。科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)有時也需要與論證教學(xué)相結(jié)合，在“基于證據(jù)提出主張，對主張進行放棄、辯護、修正”的過程中領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì)。“細胞學(xué)說的建立”的教學(xué)中，教師可以借鑒科學(xué)史過程，讓學(xué)生先用分辨率不高、放大倍數(shù)低的傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡制作、觀察各種動植物材料的臨時裝片；再用現(xiàn)代數(shù)碼顯微鏡觀察相同材料，體會“cell”這一名詞如何從早期只是顯微鏡下觀察到的眾多相同或類似的“小室”，逐步發(fā)展到被賦予“生命基本單位”這一內(nèi)涵的發(fā)展過程。在這樣的過程中，學(xué)生體會前輩面對復(fù)雜多樣的生物現(xiàn)象如何進行有效的歸納概括產(chǎn)生生物學(xué)概念，領(lǐng)悟生物科學(xué)研究方法與其他自然科學(xué)的異同，從而對科學(xué)本質(zhì)的理解不僅停留在表面。科學(xué)史與生產(chǎn)、生活中實際科學(xué)問題都是進行科學(xué)本質(zhì)教育的良好素材，針對不同的素材確定具體科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標，不必也不應(yīng)該面面俱到。本節(jié)課的教學(xué)中，教師還可以引入社會性科學(xué)議題或探究活動，引導(dǎo)學(xué)生在運用所學(xué)知識解決問題過程中體會、領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì)：與長白山天池類似的高海拔火山湖的水體中，為什么生物種類一般都較少，這些生物來自何方？假設(shè)進行人工合成細胞，其成功的標志有哪些，如何評價人工合成細胞的意義？

科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)有利于學(xué)生真正理解科學(xué)的知識和掌握科學(xué)方法，同時也可以幫助人們具備現(xiàn)代公民應(yīng)有的科學(xué)素養(yǎng)，面對社會性科學(xué)議題能夠理性論證并做出明智的決策。科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)并不是對邏輯實證主義的簡單否定，而是隨著科學(xué)事業(yè)的發(fā)展，全面認識科學(xué)知識、過程及科學(xué)事業(yè)內(nèi)涵及價值。科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)目標在顯性化與隱性化、情景化與去情景化合理結(jié)合的教學(xué)過程中得以實現(xiàn)。