科學(xué)本質(zhì)觀與科學(xué)教育(李雁冰).ppt

科學(xué)本質(zhì)觀與科學(xué)教育 李雁冰華東師范大學(xué)大學(xué)課程與教學(xué)研究所ybli 引言 什么是我們所講的科學(xué)教育 廣義狹義 一 從國內(nèi)外科學(xué)教育的發(fā)展歷程看科學(xué)本質(zhì)問題 我國的分科教育 錢學(xué)森之問 國外的情況 以美國為例 科學(xué)作業(yè)測試的兩個(gè)案例 案例1 如圖所示 平靜的水面上有一座石橋 橋孔看上去是圓形的 當(dāng)水面上升時(shí) 看到橋孔的形狀是 ABCD 案例2 左圖中 物體S在平面鏡前 所成像為S 若鏡后AB處放一塊不透明的塑料 則像S 將會 A 不變B 變暗C 只剩一半D 消失 Ass B 答案 案例1 經(jīng)抽樣有40728名八年級學(xué)生參加了測試 選 C D選項(xiàng)和未選的分別為15 9 46 3 10 7 27 0 1 案例2 經(jīng)抽樣有75854名八年級學(xué)生參加了測試 選A B C D選項(xiàng)和未選的分別為43 7 18 6 4 8 32 7 和0 2 二 二十世紀(jì)有關(guān)科學(xué)本質(zhì)研究的進(jìn)展 科學(xué)哲學(xué)方面的演進(jìn)科學(xué)教育方面對科學(xué)本質(zhì)的理解 面向全體美國人的科學(xué) 一書中論述的科學(xué)本質(zhì)觀1 科學(xué)的世界觀 自然界是可以被認(rèn)知的 科學(xué)理念是會變化的 科學(xué)知識的持久性 科學(xué)不能為所有問題提供完整答案 2 科學(xué)探究活動 科學(xué)需要證據(jù) 科學(xué)是邏輯和想象的融合 科學(xué)解釋和預(yù)見 科學(xué)家要努力鑒別 避免偏見 科學(xué)不仰仗權(quán)威 3 科學(xué)事業(yè) 科學(xué)是一種復(fù)雜的社會活動 科學(xué)由學(xué)科內(nèi)容組成 由不同機(jī)構(gòu)研究 科學(xué)研究中有著普遍接受的道德規(guī)范 科學(xué)家在參與公共事務(wù)時(shí) 既是科學(xué)家也是公民 美國國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn) 中的科學(xué)本質(zhì)觀 科學(xué)家通過觀察 實(shí)驗(yàn) 理論模型和數(shù)學(xué)模型來構(gòu)造和檢驗(yàn)對自然的解釋 在活躍的研究領(lǐng)域 在缺乏大量實(shí)驗(yàn)性或觀察性證據(jù)及了解的領(lǐng)域 科學(xué)家們對所研究的證據(jù)和理論做出不同的解釋是一種正常現(xiàn)象 對科學(xué)成果 實(shí)驗(yàn) 觀察 理論模型和科學(xué)家所提出的解釋進(jìn)行評價(jià) 是科學(xué)探究的一部分 提出問題 對批評做出回答和公開交流是科學(xué)過程的一個(gè)組成部分 李德曼 N G Lederman 教授對科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵的界定 科學(xué)知識是暫定性的 會改變 但是在一定時(shí)間內(nèi)會處于穩(wěn)定的地位 科學(xué)知識是以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)性的 基于對自然世界的觀察 科學(xué)知識在一定程度上具有創(chuàng)造性 科學(xué)知識的產(chǎn)生具有主觀性 科學(xué)知識與社會和文化有關(guān) 科學(xué)理論的建構(gòu)是從觀察到推理的過程 科學(xué)理論和定律的功能 以及他們之間的關(guān)系 McComas Clough及Almazroa 1998 依據(jù)McComas與Olson 1998 針對八個(gè)國際科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于科學(xué)本質(zhì)部分所分析 統(tǒng)整出的三十項(xiàng)交錯(cuò) 重迭性的觀點(diǎn) 再予以整合而成十四項(xiàng)具高度重迭性的科學(xué)本質(zhì)觀點(diǎn) 以提供給K 12年級的學(xué)生 期能對其在科學(xué)的認(rèn)識與科學(xué)學(xué)習(xí)上有所幫助 1 科學(xué)知識盡管具有經(jīng)久性 但仍然具有暫時(shí)性的特征 2 科學(xué)知識的形成非常地 但不是全然地 依賴觀察 實(shí)驗(yàn)證據(jù) 合理的論證以及懷疑的態(tài)度 3 從事科學(xué)研究時(shí) 并不存在放諸四海皆準(zhǔn)而必須步步遵循的科學(xué)方法 4 科學(xué)企圖解釋自然現(xiàn)象 5 定理和理論在科學(xué)活動中扮演不同的角色 因此 即使不斷有新增加的證據(jù)支持 理論仍然是不會變成定理的 6 各文化層面的人都對科學(xué)有所貢獻(xiàn) 7 新的知識必須被清楚且公開地陳述 8 科學(xué)家必須作正確的紀(jì)錄 以及接受同行的評論和重新實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn) 9 觀察的進(jìn)行是由觀察者心中的理論所指引的 10 科學(xué)家常在研究過程中融入想象力與創(chuàng)造力 以發(fā)展出解釋自然現(xiàn)象如何運(yùn)作的新理論 11 科學(xué)史顯示出科學(xué)的發(fā)展兼具演化性與革命性的特征 12 科學(xué)是社會與文化的一部分 13 科學(xué)與技術(shù)彼此互相影響 14 科學(xué)知識受其社會與歷史環(huán)境的影響 達(dá)成共識的科學(xué)本質(zhì)觀點(diǎn) 1 科學(xué)知識以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的本質(zhì)科學(xué)至少是部分地建立在對自然世界的觀察之上 科學(xué)主張的有效性 遲早 被相關(guān)的現(xiàn)象觀察所確定 然而 科學(xué)家對于大多數(shù)自然現(xiàn)象沒有直接的通道 對自然的觀察總是通過我們的感覺器官和復(fù)雜的儀器過濾 在詳盡闡述的理論框架下進(jìn)行解釋 幾乎總是以支持科學(xué)儀器的功能的一些假設(shè)為中介 2 科學(xué)中的觀察 推論和理論本質(zhì)學(xué)生應(yīng)該能夠區(qū)別觀察和推理 觀察是關(guān)于直接通向感官或感官的擴(kuò)展的自然現(xiàn)象描述性的陳述 對于這點(diǎn) 觀察者相對比較容易達(dá)成一致 例如 拋出的物體傾向于落到地面 相比之下 推論是關(guān)于非直接通向感官的現(xiàn)象的陳述 例如 物體因?yàn)橐A向于落到地面 理解觀察和推論之間的根本區(qū)別是弄懂隱藏在科學(xué)世界的許多推論和理論及術(shù)語的前提 3 科學(xué)理論和規(guī)律的功用及其之間的關(guān)系科學(xué)理論是被建立的比較滿意的 高度證明的 內(nèi)部一致的解釋系統(tǒng) 理論是用于解釋大量似乎不相關(guān)的多種情況下的觀察 例如 分子運(yùn)動論是用于解釋與物質(zhì)物理狀態(tài) 化學(xué)反應(yīng)速率相關(guān)的現(xiàn)象和與熱及其傳遞相關(guān)的其它現(xiàn)象 更重要的是 理論在提出研究問題和指導(dǎo)未來的研究中起著重要的作用 科學(xué)理論不能被直接驗(yàn)證 只有間接的證據(jù)能被用于支持理論和確立它的有效性 科學(xué)家從理論推出具體的可驗(yàn)證的預(yù)測 并用確實(shí)的證據(jù)檢驗(yàn)他們 在預(yù)測和經(jīng)驗(yàn)證據(jù)之間的一致性用于增加被檢驗(yàn)理論的可信水平 與觀察和推理之間差別緊密相關(guān)的是科學(xué)理論和科學(xué)規(guī)律之間的差別 一般來說 規(guī)律是對觀察現(xiàn)象間的關(guān)系的描述性陳述 波義耳定律 在常溫下氣體的壓強(qiáng)與它的體積有關(guān) 是一個(gè)恰當(dāng)?shù)睦?相反 理論是對觀察現(xiàn)象或這些現(xiàn)象中的規(guī)律提出的假設(shè) 例如 用分子運(yùn)動論解釋波義耳定律 理論和規(guī)律是不同種類的知識 一種不會成為另一種 理論與規(guī)律一樣都是合理的科學(xué)產(chǎn)物 4 科學(xué)知識的創(chuàng)造性和想象性本質(zhì)科學(xué)是以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的 科學(xué)知識的發(fā)展包括對自然的觀察 然而 科學(xué)知識的產(chǎn)生也包括人類的想象和創(chuàng)造 相對于人類的一般信念而言 科學(xué)不是一種死板的 完全靠推理的 完全有規(guī)則的活動 科學(xué)包括解釋和理論的發(fā)明 需要科學(xué)家大量的創(chuàng)造性 例如從原子光譜到具有軌道和能級的玻爾原子模型的跳躍就體現(xiàn)了創(chuàng)造性和想象性 科學(xué)的創(chuàng)造性和想象性以及它的推理本質(zhì)使得人們對于原子和物種等認(rèn)識成為功能性理論模型 而不是真實(shí)的實(shí)在的復(fù)制 5 科學(xué)知識的負(fù)載理論本質(zhì)科學(xué)知識是負(fù)載理論的 科學(xué)家的學(xué)術(shù)信奉 信念 己有知識 訓(xùn)練 經(jīng)驗(yàn)和期望實(shí)際上影響著他們的工作 所有這些背景因素形成了影響科學(xué)家研究問題 怎樣進(jìn)行研究 他們觀察什么或不觀察什么 怎樣解釋他們的觀察的思維方式 這種個(gè)人特征 有時(shí)也有群體特征 或思維方式解釋了理論在科學(xué)知識生產(chǎn)中的作用 與一般的信念相反 科學(xué)從未開始于中性的觀察 觀察和研究總是被一定的理論觀點(diǎn)所激發(fā)和引導(dǎo) 并獲得關(guān)于問題的意義 這些問題產(chǎn)生于一定的理論觀點(diǎn) 6 科學(xué)知識的暫定性本質(zhì)科學(xué)知識雖然是可靠的 經(jīng)得起檢驗(yàn)的 但決不是絕對的和一成不變的 這種知識 包括事實(shí) 理論和規(guī)律 是易于變化的 隨著思維和技術(shù)的發(fā)展 新的證據(jù)會影響到科學(xué)主張 按照新的理論對己存在的證據(jù)進(jìn)行重新解釋會影響到科學(xué)主張 科學(xué)主張也將隨文化和社會方面的變化 或己確立的研究項(xiàng)目方向的變化而變化 科學(xué)中的暫定性不是僅僅因?yàn)榭茖W(xué)知識是推理的 創(chuàng)造性的和植根于文化和社會的 有邏輯論據(jù)對信任暫定性觀點(diǎn)提供支持 與一般的信念相反 科學(xué)假設(shè) 理論和規(guī)律決不是不考慮支持性經(jīng)驗(yàn)證據(jù)的數(shù)量而被絕對證明的 要證明一個(gè)規(guī)律 該規(guī)律應(yīng)該說明所描述現(xiàn)象的每一個(gè)例子 從邏輯的角度來說 一個(gè)未來的我們沒有任何了解的例子可能以規(guī)律陳述相反的方式表現(xiàn)其行為 因此 規(guī)律決不是獲得一種絕對的被證明的地位 這同樣適應(yīng)于理論 7 科學(xué)知識植根于社會和文化背景之中作為人類事業(yè)的科學(xué)是在一個(gè)大的文化背景中實(shí)踐的 科學(xué)的實(shí)踐者是相應(yīng)文化的產(chǎn)物 科學(xué)影響著文化的方方面面 同時(shí)也受著科學(xué)所植根的文化的方方面面的影響 這些因素包括社會結(jié)構(gòu) 權(quán)力結(jié)構(gòu) 政治 社會經(jīng)濟(jì)因素 哲學(xué)和宗教等 三 科學(xué)本質(zhì)的教學(xué) 顯性 隱性 在收集氧氣的課室教學(xué)活動中 當(dāng)學(xué)生將雙氧水加入紅蘿蔔後 陳老師先維持常規(guī) 學(xué)生暫停並坐下 然後開始討論操作的結(jié)果 師 你現(xiàn)在摸一摸放紅蘿蔔那個(gè)錐形瓶 溫溫燙燙的對不對 停 學(xué)生試摸 有沒有 停頓 生 沒有啊師 沒有嗎 走下來摸 有啦 有一點(diǎn)溫啦 沒有那麼溫啦 你們那個(gè)已經(jīng)冷掉了 好 我們也可以發(fā)現(xiàn)喔 這是額外的發(fā)現(xiàn) 它會同時(shí)放出熱量 這是化學(xué)反應(yīng)常見的一種現(xiàn)象生 冰冰的師 冰冰的 你要不要摸摸看那個(gè) 指著別組 你那個(gè)可能已經(jīng)冷掉了懂不懂 有一些組他們剛剛做的時(shí)候有摸摸看 熱的 來 給他們摸摸看 學(xué)生去摸 有沒有 在介紹氧氣的製造法時(shí) 陳老師先介紹二氧化錳 板書 的特性後 然後開始在講桌前示範(fàn)雙氧水加二氧化錳的實(shí)驗(yàn) 此時(shí) 學(xué)生圍上前去看實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)結(jié)果再一一回座 陳老師維持常規(guī) 請學(xué)生安靜並坐下 然後開始講述實(shí)驗(yàn)的結(jié)果 師 所以 不是只有豬肝與水果可以當(dāng)催化劑 化學(xué)藥品也可以當(dāng)催化劑 翻開課本第20頁 開始說明並示範(fàn)實(shí)驗(yàn)過程與注意事項(xiàng) 其間 師 你不注意聽我說 等一下做錯(cuò) 我器材只有一份喔 師 你哪一組表現(xiàn)不好 不注意聽 老師都記在腦子裡 扣分 繼續(xù)說明 示範(fàn)實(shí)驗(yàn) 將雙氧水加二氧化錳以收集氧氣 生 沒有氣體啊師 我只有放一些啦 氣體不太夠 收集到氣體後用點(diǎn)燃的線香放入 師 這我不知道會不會燒起來喔 因?yàn)槭占降难鯕鉀]有很多 線香插入 將錐形瓶舉高給學(xué)生看 生 沒有啊 示範(fàn)失敗 線香沒有明顯反應(yīng) 此時(shí)學(xué)生紛紛站起來看老師手上的錐形瓶 師 沒有 沒有 等一下等一下 老師把它弄多一點(diǎn)喔 坐下來 坐下 再一次示範(fàn) 這一次用的二氧化錳比較多 線香放入後變亮 不過沒有燒起來 於槓桿原理的單元 師生在操作自製的槓桿活動 師生討論改善實(shí)驗(yàn)誤差的方法 有位學(xué)生提出要有幫手 卻引引來另一位學(xué)生的質(zhì)疑 17 生C 可是多人會礙手礙腳阿 人多手雜阿 合理回答 學(xué)生質(zhì)疑教師 18 師 喔 多人會礙手礙腳 那你可以選擇不會礙手礙腳的人來做實(shí)驗(yàn)阿 笑 重述 教師質(zhì)疑學(xué)生 19 生A 還要有運(yùn)氣 闡述 創(chuàng)新回答表達(dá)理解 20 生C 對阿 一些是好狗運(yùn) 笑 簡單回答表達(dá)理解 21 師 對耶 運(yùn)氣其實(shí)也很重要 像哈雷慧星有沒有 你要去觀察它 溯源解釋 連結(jié)科學(xué)本質(zhì)限制性 22 生D 67年才來一次 簡單回答 表達(dá)理解 23 生A 是嗎 是76年吧 提出問題 學(xué)生相互質(zhì)疑 24 生 大部分 對對 簡單回答 表達(dá)理解 25 師 阿 如果你剛好它走後那一年你才出生 下一次還沒來就掛了 就沒有機(jī)會去觀察了阿 所以從事科學(xué)活動還是要運(yùn)氣的 不錯(cuò) 溯源解釋連結(jié)科學(xué)本質(zhì)限制性 26 生C 老師 那我問你 那好狗運(yùn)呢 主動提問 27 師 好狗運(yùn)喔 很多科學(xué)家在想出來一個(gè)解答的時(shí)候都是恰巧好狗運(yùn)喔 像那個(gè)阿基米得 有聽過阿基米得的故事的人舉手 溯源解釋 延續(xù)提問 連結(jié)科學(xué)本質(zhì)創(chuàng)造性 28 生 約五個(gè)人 有 安靜29 師 有一天國王阿 我講一個(gè)故事給你聽阿 講阿基米得的故事 全班安靜聆聽 溯源解釋 融入科學(xué)史故事 連結(jié)科學(xué)本質(zhì)創(chuàng)造性 30 生E 還有人去放風(fēng)箏 大難不死阿 創(chuàng)意回答 表達(dá)理解 31 師 對呀 像那個(gè)富蘭克林去放風(fēng)箏 有沒有運(yùn)氣很好沒有被雷打到 溯源解釋 融入科學(xué)史故事 連結(jié)科學(xué)本質(zhì)創(chuàng)造性 32 生E 對阿 好險(xiǎn) 不