科学方法多样性:科学方法教育的新思路

摘要长期以来，科学方法是中小学理科课程和教学改革强调的一项重要内容。近年来，随着科学实践等教育理念的推行，科学方法多样性受到了科学教育界的广泛关注，为科学方法教育提供了新的思路。系统地探讨了科学方法及其多样性的内涵，讨论了关于科学方法多样性的一个重要理论框架（布兰登矩阵）。结合相关实证研究和我国中小学科学方法教育的现状，提出了关于科学方法及其多样性教育的三方面的建议。

关键词科学方法；科学方法的多样性；科学实践；理科教学

长期以来，科学方法都是中小学理科教育关注的焦点之一。在理科课程改革中，无论是能力培养，科学探究还是科学实践的教育理念，使学生理解和使用科学方法都是一项重要目标。但是，“科学方法”这一概念一直缺乏明确的定义，人们一般把通过实验检验假设（也习惯地称为“公平测试”或“控制变量”）为特征的系列科学过程看作科学方法。但是，越来越多的研究者认为科学方法是多样的，过于强调上述特征容易使人们对真实的科学探究或科学实践产生误解。显然，如果缺乏对科学方法的正确认识，就谈不上恰当地使用科学方法，科学探究或科学实践的教育理念也就无从落实。为此，本文系统地梳理科学方法及其多样性的内涵，在此基础上对中小学教学中落实科学方法教育提出一些建议。

1科学方法的内涵

在科学教育领域，“科学方法”这一术语可以追溯至17世纪英国哲学家弗朗西斯·培根（Francis Bacon） 的归纳主义哲学思想。这种哲学思想主导的科学方法在19世纪晚期进入中等学校，通常指基于实验进行归纳从而得出科学结论的过程^[1]。进入20世纪以后，随着杜威（J. Dewey）提出的“逻辑思维五步法”，科学方法有了新的含义。杜威认为科学不应该只是知识积累和技能训练，更重要的是“反省思维”，他的思维五步法指的是察觉问题、定义问题、设计可能的解决方案、推理方案、验证方案五个步骤^[2]。在后来的数十年里，受杜威思维五步法的启发，科学方法通常以步骤化的形式出现在许多理科课程改革文件及科学教科书的导言中，大体包括5到7个步骤，即定义问题、收集信息、形成假设、进行观察、测试假设、得出结论等。虽然这些步骤的出发点是为在教学中落实科学思维方法提供帮助，但在实际教学中却常常被生搬硬套，曲解为在进行科学研究时有一种普适的、跨学科的、权威的“科学方法”。20世纪50年代以来，这种“科学方法”观广受批评，认为它缺乏情境性、太过程序化、忽视科学概念的学习等^[3]。80年代以来，对“科学方法”的讨论逐渐转向“科学探究”，这突出体现在1996年由美国国家研究院（NRC）发布的《国家科学教育标准》中。该文件强调探究是综合性的，探究的过程涉及观察现象、提出问题、作出假设、设计实验、验证假设、解释数据、得出结论、讨论交流等；同时强调要让学生理解科学探究的本质并形成科学探究的能力^[4]。尽管科学教育工作者一般都反对将科学方法程序化，强调避免将探究看作一套固定的步骤，提倡在实际教学中根据具体情况进行灵活应用。但是，程序化、教条化的“科学方法”一直根深蒂固地存在于科学教学实践中。为此，近年来，科学教育界呼吁将唯一的、普适的科学方法的表述转变为多样化的科学方法。

2科学方法的多样性

关于科学方法多样性的讨论主要基于真实的科学实践。国际及国内的科学教育研究者根据自己对科学家进行科学实践过程的理解提出了各自的观点。例如，韦格等人（D. Wivagg）创造了“科学家工具箱”的概念^[5]，旨在说明科学家在实际工作中可能使用多种方法，如建立模型、类比、规律识别、归纳、盲检、采集原始数据、计算机模拟等。这一概念基于科学的创造性特征和科学家的真实工作状况，突破了传统观念中关于科学过程或科学方法的表述；同时，它支持了寻找科学证据的多种途径，包括直接的、间接的、实验的、观察的、统计的、控制变量等。奥斯本（J. Osborne）认为，在多数情况下，科学既不是从测量开始也不是从观察和实验开始，科学是关于现实世界的一套观念（ideas），是从充满科学观念的世界开始的^[6]。在奥斯本看来，科学观念可以通过六种形式的推理形成，包括（1）数学演绎；（2）实验探索；（3）假设建模；（4）类比归类；（5）规律识别与概率计算；（6）历史记载与描述。在这6种形式中，“实验探索”只是其中之一，它并不比其他方法有效或优越，更不能替代其他方法。特纳（D. Turner）认为科学归根结底是在探寻世界的本质，而探寻的手段（方法）纷繁庞杂，想要概括出一种普适的科学方法是作茧自缚的^[7]。吴俊明^[8]认为在科学研究的起始阶段，科学家并不刻意遵循某种固定的科学方法或模式，而是运用他们的直觉、想象和创造性，以一种开放的心态来观察研究对象，提出种种猜想和假设、不断设计研究或反省结果。邓阳和王后雄^[9]则强调突出以“解释－论证”为特征的科学探究，努力改变基于逻辑实证主义、固定探究程式、探究结果定向、观察实验导向的科学探究模式。

除了科学教育研究者的呼吁外，一些科学教育改革方案也支持多样化的科学方法。例如，由美国国家研究院在2012年颁布的《K-12年级科学教育框架》中，明确提出“科学实践”的概念，这既是对科学探究内涵的深化，又是对科学方法模式化倾向的变革^[10]。为了落实科学实践的理念，该框架提出八个科学实践要素，分别是：（1） 提出问题和定义问题、（2）计划和实施调查、（3）分析和解释数据、 （4）发展和使用模型、（5）使用数学和计算思维、（6）构建解释和设计解决方案、（7）基于证据的论证、（8）获取、评估和交流信息。值得注意的是，在传统的自然科学教育中备受关注的“实验”或“假设检验”等并没有作为科学实践要素单独提出。诚然，实验是是一些自然科学的重要特征，是表征科学方法的一种重要形式，但过于强调实验方法容易使人把科学方法等同于实验方法，从而忽视那些非实验方法的重要性，比如自然观察和历史调查等描述性的方法。埃尔杜兰（S. Erduran）^[11]认为在理科教学中过于强调实验而忽视科学方法的多样性会带来诸多弊端，包括：使学生认为从非实验性方法中获得的知识不如从实验性方法中获得的知识可信或重要；影响学生对学科内容和过程的正确理解；可能会导致学生拒绝一些没有通过假设检验或实验而构建的理论。

3布兰登矩阵（Brandon’s matrix）

科学哲学家布兰登（N.Brandon）立足于科学研究中实验和理论的关系，重点关注被哲学家忽视的实验的本质属性，以此阐释科学研究中科学方法的多样性问题^[12]。布兰登认为要理解什么是实验，可以从什么不是实验说起。因此，他从观察与实验的区别以及描述性的研究与实验性的研究的区别这两个角度理解实验的本质。实验和观察之间的本质区别在于是否故意地对变量进行操纵：实验需要人为地操纵变量而观察则不需要。实验性的研究与描述性的研究的区别对应着假设检验与参数测量的区别：实验性的研究中一般涉及对假设的检验，而描述性的研究则不存在假设，通常是对某些参数进行测量。因此，观察/实验与描述性的/实验性的研究通过正交的方式两两组合形成了一个矩阵（图1）。这个矩阵的优势在于它突破了将科学方法等同于通过实验检验假设的步骤化过程的局限性，对科学方法提供了一个更系统、全面和包容的解释。

如图1所示，在科学研究中运用的科学方法并不只有实验（操纵变量）或者假设检验，科学研究中至少会涉及四种类型的科学方法，包括：（1）操纵性的假设检验（Manipulative hypothesis testing）， （2）非操纵性的假设检验（Non-manipulative hypothesis testing）， （3）操纵性的参数测量（Manipulative parameter measurement）， （4）非操纵性的参数测量（Non-manipulative parameter measurement）。需要注意的是，虽然矩阵只显示了四种类型的科学方法，但是它并不意味着科学方法仅仅局限于这四个类别，也并不意味着同一类别内的所有研究都以同样的方式进行。相反，矩阵意在说明同一类型的科学研究运用的科学方法存在某些共同特点（例如，都涉及假设检验或观察）。即使某些研究属于同一类型，它们也可以运用多种不同的方式达到研究目的。

在这个框架中，科学方法看似是两极化的，要么是实验性的（操纵变量的或检验假设的），要么是非实验性的（不操纵变量的或不检验假设的）。但布兰登强调，科学方法并不是非此即彼的，打破方法间的壁垒将它们看作两个连续体更为合适，也即从不操纵变量到操纵变量，从不检验假设（参数测量）到检验假设^[13]。这种认识为科学方法提供了动态变化的空间，能更加灵活地反映科学研究的性质。由此，科学方法间的差异由“实验性”强与弱的区别替代了“实验性”是与非的区别。如图2所示，“实验空间”（space of experimentation）反映了实验性强弱程度的变化，越接近左上角的科学研究也即越能体现假设检验与操纵变量的研究，它的实验性就越强。“实验性空间”的概念旨在打破科学方法在人们头脑中形成的固有观念，帮助人们理解科学方法的多样性。

我们认为，布兰登矩阵在揭示科学方法多样性方面迈出了关键的一步，为中小学的科学方法教育提供了重要的理论依据。同时，布兰登矩阵也为我们了解科学方法多样性在教育实践中的落实状况提供了一个分析工具。近几年，在国际科学教育研究领域，布兰登矩阵广泛地应用于大学入学考试题、理科教科书、师生关于科学方法的认识等的实证研究中，为研究科学方法的教学、学习和评价提供了重要的帮助和启发。

4问题与对策

前文已述，科学方法教育是一直是中小学理科课程和教学所关注的一个重要内容。但是，无论是在教师的教，学生的学，抑或教学评价方面，科学方法教育的实际状况都不尽人意。结合国际科学教育领域的相关研究成果以及我国中小学教学现状，我们认为正确认识和实施科学方法及其多样性需要注意三个问题。

4.1关于科学方法多样性的理解

理解科学方法的多样性有助于学生形成正确的科学本质观，也有助于探究式学习的真正落实。但是在目前的理科课堂中，教师一般只重视假设检验的科学方法而忽视其他科学方法，由此影响到学生对科学方法的正确认识。例如，马斯里（Y. EI Masri）等人^[14]发现学生缺乏对科学方法多样性的理解，他们往往将科学方法等同于假设检验等某一种方法，且认为不操纵变量、不检验假设的不是科学方法。此外，长期以来，科学方法教育主要以“隐性”方式进行，即教师并不明确教授科学方法，主要以潜移默化的方式让学生感受^[15]。但这种方式的效果并不明显，学生也容易对科学方法产生误解。近年来，科学教育工作者认为科学方法的教学应该从隐性的“渗透”转变为显性的“明示”，即明确告知学生科学方法是多样的，并不仅限于通过实验检验假设^[16]。为此，埃尔杜兰（S. Erduran）等人^[17] 把布兰登框架融入科学方法课程，研究显示，经过一段时间的教学，学生对科学方法的本质内涵及多样性的理解有了明显的改善。科学有法，但无定法。理解科学方法的多样性要把握科学研究的基本原则，即科学研究是由问题主导的，要从实际问题出发，在特定的情境中选择合适的方法解决问题，不能为了迎合某种模式生搬硬套地选择和使用科学方法^[18]。

4.2关于各种科学方法的均衡性

鉴于科学方法的多样性，不同类型的科学方法在价值和意义上没有高低之分。但是，无论是在教科书里，外部评价抑或理科教学中，不同种类的科学方法缺乏均衡的体现。例如，在教科书方面，魏冰等人^[19]发现，布兰登矩阵的四类科学方法在中国初中阶段使用的理科教科书内的动手活动（实验）中分布并不均衡且差异很大，并都以非操纵性参数测量为主；在“实验性”方面（即假设检验的程度），物理、化学、生物三个学科依次降低。这种不均衡也体现在外部选拔性考试的试卷里。库里南（A. Cullinane）等人^[20]的研究显示四种科学方法在英国三种不同类型的高考化学试卷的题目中所占的比例有很大差异。他们还发现，在理科课堂中被当作科学方法来介绍的“操纵性假设检验”并没有在试题中占主导地位；相反，这类题目的比例远远小于参数测量和非操纵性的题目。忽视科学方法的多样性容易造成顾此失彼的局面，使学生对不同的科学方法形成等级观念，认为某些不常练习或不常考的科学方法不重要。为此，我们认为有必要在课堂教学、教科书、教学评价中增加那些在传统的理科教学中不太常见的科学方法，比如建模、科学解释、科学论证等。