文献的科学问题

“科学探究”教学的哲学思考应向东(温州大学物理与电子信息学院，浙江温州325027)摘要：驾驭“科学探究”教学的复杂性，避免探究教学在实施过程中的泛化和异化，需要教师站在比科学探究本身更高的层次上，以一种反思与超越的视角来研究和认识。从科学哲学的视角，以辩证的观点来看，探究始于“问题”，但不是“简单问题”；“假说”是探究中的“复杂性”要素，不是必需的；实验是“假说”真理性的根本判据，但不是绝对和充分的。关键词：科学探究教学；科学哲学；问题；假说；验证中图分类号：G7 文献标识码：A作者简介：应向东（1961— ），浙江瑞安人，温州大学物理与电子信息学院副教授，教育学硕士，主要从事科学、物理学教育研究。在新一轮基础教育课程改革中，我国理科教育对“科学探究”教学表现出极大的关注和热情。无论在课改试验区还是非试验区，无论是理论研究或是教学实践都进行着努力探索，并取得一定成效。然而笔者以为，当前人们在“科学探究”教学的研究与实践过程中存在一种偏向，即更多的是从课程与教学论视角将它作为一种教学模式或学习方式来研究，而很少将它作为一种认识过程，从科学认识论与方法论即科学哲学的视角进行探讨。应该说，科学探究教学作为一种教学模式，它的实施需要从课程与教学论角度对其特质作分析与研究，包括科学探究教学的教学目标、教学过程、教学原则、教学策略以及师生角色等等，以区别于知识接受教学。这将有利于转变广大教师的教育教学观念，提高教师实施探究教学的自觉意识和教学能力。然而，我们不能忽视的是，科学探究教学作为“通过经历与科学工作者进行科学探究时的相似过程，学习物理知识与技能，体验科学探究的乐趣，学习科学家的科学探究方法，领悟科学的思想和精神”〔1〕的一种学习方式，必定表现出科学探究自身所固有的复杂性。在科学探究教学中如何把握和处理这种复杂性，显然不是通过教学模式或学习方式的研究所能解决的，它需要我们站在比科学探究本身更高的层次上，即科学哲学的高度，以一种反思与超越的视角来研究和认识，才能驾驭。因为只有从哲学的高度来提升教师对科学探究的认识，才能为教师驾驭探究教学奠定一个更加全面的科学认识论基础。这既是实施探究教学的基本前提，也是避免探究教学泛化和异化的有效措施。本文试图从科学认识论与方法论的视角对科学探究教学所构成的基本要素（问题、假说、验证）进行分析和反思，期望对探究教学研究的深化起到抛砖引玉的作用。一、探究始于“问题”，但不是“简单问题”探究始于“问题”，这已经成为科学探究教学实施中的一个基本信念。没有明确的问题，探究将变得盲目而没有方向。因此，探究教学强调培养学生提出问题和发现问题的意识和能力。然而是否所有的问题都能引起科学探究？这就需要我们作进一步思考。当代科学认识论研究表明，就性质而言，科学探究中有两类问题，一类是“科学问题”，另一类是“简单问题”。“简单问题”并非指容易解决的问题，而是指源于好奇与无知，或某种疑虑与求知欲而提出的问题（也称无知问题），它往往来自直接观察或生活常识，表现为对观察对象“是什么”的描述再加上一个问号而形成。例如，“发烧病人的额头上为什么要盖一条湿毛巾？”“覆杯实验中的水为什么不会倒出来？”“刹车时人为什么容易向前倾倒？”。由于“简单问题”仅表达了对现象的好奇、无知或疑惑，大多缺乏确定性和深刻性，犹如水上浮萍，漂移不定，因此，它对科学探究没有实质性意义，也难以成为科学探究的真正起点。那么怎样的问题才能真正成为科学探究的起点呢？科学发现论认为“科学发现的起点是对科学发现具有奠基意义的第一步”“一个问题要与科学发现发生必然联系，就必须与发现本身所提供的知识发生某种必然的联系”“就必须对现有知识提出质疑”。〔2〕(67)这就是说若要使问题真正成为科学探究的起点，就需要将问题指向已有的知识，将两者联系起来，使问题从现象的描述触及现象的本质；将完全无知的问题转化为具有某种抽象性、渗透一定知识理论的、有所知又有所不知的问题——“科学问题”。例如，在上述“覆杯实验”例子中，就要将“水为什么不会倒出来”的简单问题指向力、压强、平衡等相关的知识背景，并将它们联系起来，从而将问题转化为诸如“水不倒出来与受力什么关系”“什么因素决定了水的平衡”“什么力平衡了水的重力”等等。显然这些问题不仅表述了对现象的疑惑，而且还渗透着理论，触及问题的本质，成为有所知又有所不知的问题，这就为探究“覆杯实验”的设计提供了导向。所以，作为科学探究真正起点的问题不是以常识眼光提出的无知问题，而是能为探究设计提供导向的有所知的问题，它产生于好奇、无知或疑惑为基础的进一步思索和追问；其实质是“有所知而求知”。一个训练有素的科学家是能够迅速将“简单问题”转化为“科学问题”的能手，其转化的基础就是将问题指向现有理论（包括假说），对现有理论有所触动、冲击和质疑。科学认识论关于科学探究中问题性质的研究对探究教学的启示如下。第一，并非所有的问题都能成为科学探究的起点。如果学生提出并围绕探究的问题是没有触及事物本质的简单问题，不是产生于对知识背景分析的问题，那么就可能出现问题指向不明、探究主题不定、研究难以深入、人浮于事的局面。因此，教师在探究教学中的一个重要职责就是要善于洞察学生所提问题的性质，要善于引导学生将简单问题转化为科学问题。第二，知识背景对科学问题的重要性。科学探究是对问题对象“有所知而求知”。因此，一个问题如果不能与其知识背景（或经验）相联系，或没有可联系的背景知识，那么这必定是不适宜探究的无知问题。然而，在当前探究教学研究中，存在着一种认识上的误区，认为提出的问题只要生动、新奇，能激发学生的探究兴趣就可以，似乎知识在探究教学中不重要了。事实上缺少知识作定向的探究，也往往是难以给学生的努力带来成就感和胜任感的无效探究，只能激发探究的“有趣”而不能激发探究的“志趣”。第三，虽然“简单问题”不是科学探究中具有奠基意义的第一步，对科学发现也没有实质性意义，但不是无用的，它是学习者好奇心和求知欲的表现，教学中保护这种好奇心和求知欲是教育学生树立求知信心，敢于提出问题，进行科学精神教育的一项重要内容；何况事物的认识总是从浅入深，从简单到复杂。二、“假说”是探究的“复杂性”要素，不是必需的关于“假说”，牛顿曾有句名言，他“不杜撰假说”（Hypotheses non fingo），他说：“任何不是从现象中推论出来的说法都应称之为假说，而这样一种假说，无论是形而上学的或者是物理学的……在实验哲学中都没有它们的地位。在实验哲学中，命题都从现象推出，然后通过归纳使之成为一般。”〔3〕可见，经验—归纳法是牛顿所推崇的科学方法论。然而，关于“假说”，爱因斯坦也有句名言，“概念是思维的自由创造”，显然，这里的“概念”就是“假说”。由此，如何理解两种不同的观点，如何认识“假说”在科学探究（包括科学探究教学）中的地位与价值，需要我们作认真思考。从科学认识论角度看，科学探究就其过程的复杂性和对象的抽象性而言可以有不同的层次。以牛顿力学为基础的经典科学是经验层次的科学，而经验科学的目的在于合理地描述和解释经验世界，其基本特征是可经验性，如力、质量、运动、惯性、牛顿定律。也就是说经验科学中的概念、规律等理性认识离现象世界并不遥远，思维跨度不算太大。因此，对任何一个研究者，当他把握了研究对象足够的事实材料时，自然不会拒绝思考这些事实所显现的端倪，并以“经验事实—归纳概括—科学理论”的归纳方法朝着反映客观必然的联系逐步上升，逼近真理；而有意撇开它们进行纯粹的思辨、遐想和假说。就这个意义讲，经验科学原则上无需“杜撰假说”。然而随着科学的发展，认识的深入，理论与经验的距离亦愈来愈远，尤其是19世纪下半叶，自然科学从积累经验材料为主的分析阶段进入以理性研究为主的综合阶段，原子学说、分子学说开始建立，经验不可及的各种微粒说也在光学、电学、磁学等领域中逐步流行。此时，猜测、假说等研究方法在科学探究中也显现出它的优势和价值。假说主义的理论与观点也逐渐受到科学家与科学哲学家的关注和重视。正如假设主义的先驱赫歇尔所指出的，归纳法与假设法都是科学发现的方法，但归纳法只能归纳出一些经验定律，而不能深入发现经验不可及的更深、更广的领域。〔4〕爱因斯坦也指出“现在，大家都知道，科学不能仅仅在经验的基础上成长起来，在建立科学时我们免不了要自由地创造概念，而这些概念的适用性可以后验地用经验方法来检验”。〔2〕(230)可见科学探究的认识论与方法论观点是与其对象的抽象性和过程复杂性相关联的。从这个角度讲，以经验科学为主要学习内容的基础教育中，科学探究的教学结构是否必须包含“假说”，需要根据探究课题的经验可及性（对学生而言）、内容复杂性、学生的知识背景以及科学认识论规范而定，否则为探究而教条地搬用“问题—假说—验证”的程式，不仅不能获得满意的教学效果，甚至会弄巧成拙，同样不能给学生树立正确的科学形象。正如前文所述，在经验不可及的抽象性高、复杂程度大以及人们不甚熟悉的科学领域，“假说”在探究中显现出巨大的价值和作用，就这个意义讲，“假说”是探究的“核心”不为过分。然而，在科学探究中，假说却是一个复杂而又难以驾驭的术语，这就更加需要我们从科学哲学的高度来提升对它的认识。笔者以为从以下四方面，将有利于我们理解和把握探究教学中假说的特征。第一，假说无论其来源还是形式是多样的。当前，在探究教学中人们对“假说”的理解，大多局限于“在个别经验基础上的对自然界中客观存在的未知事实和规律的假定性陈述和预先猜测”。其实这是一种较为狭隘和笼统的理解。从科学方法论角度讲，假说从不同的角度，可以有不同的分类：〔5〕(243-253)根据对象的不同，可分为事实假说和理想假说；根据概括水平不同，可分为常识性（或观察的）假说、科学假说和形而上学假说；根据来源不同，可分为经验概括性假说、演绎推论性假说、自由创造性假说和直觉性假说。显然，假说的类型，制约着科学探究的教学形式和过程。一个教师若要真正成为科学探究的促进者或引导者，就必须对各类假说的来源、形式和特征有所了解。例如，“经验概括性假说”就形式而言，就是一个在个别经验基础上的全称形式的概括性陈述，它是将有限元素中的共同特征推广到关于该集合的所有元素而形成，这种推广的依据是基于自然统一性的信念。因此，从这个意义上讲，所有的不完全归纳概括都是假说，具有或然性；休谟对经验—归纳法的质疑也就在于此。但要注意的是，在经验科学中，这里的“假说”对“概括”而非对“归纳”，不可混淆。再如，“演绎推论性假说”是指根据某些高阶前提而作出的推论性假说，然而需要指出的是，这里的“高阶前提”与假说之间并无逻辑上的联系，前者往往是科学中一些公认的具有全称形式和高度概括性的原理或哲学观念，如“规律具有对称性”“量具有守恒性”“无因便无果”“特殊蕴含普遍，普遍统辖特殊”等等。研究表明，这些观念虽然极其抽象，也不是可用实验检验的那种事物，但它们在科学发现中充当了一种对科学思想不同部分的系统化指导，具有基本的调节性、启发性的价值。〔5〕(21)如牛顿关于万有引力的思想就始于自然界的和谐统一信念而作出的假说。因此，这里的“演绎推论”与形式逻辑中的“演绎推理”具有完全不同的含义。第二，科学信念对假说的产生的重要性。启发假说的因素是多样的，但科学信念乃至某些哲学观念（如上文所述）对假说的产生极其重要。虽然在科学探究中，大多数探究者并不明显意识到信念对假说产生的意义和价值，但两者的联系在认识论上的意义是明显的，它们之间的关系犹如英国科学思想家波兰尼（Polanyi,M）关于“附属意识”（subsidiary awareness）与“焦点意识”（focal awareness）之间的关系，即信念作为附属的、缄默的潜意识往往是头脑中的“直觉”或突然“闪光”的源泉。对此爱因斯坦曾深有体会地说过：“如果把哲学理解为在最普遍和最广泛的形式中对知识的追求，那么，显然，哲学就可以被认为是全部科学认识之母。”〔6〕因此，在科学探究教学中教师应该尽可能引导学生从更高的层次反思他们的探究经历与体验，努力形成上位的乃至是哲学层次的科学信念，这不仅有利于培养学生提出假说的意识和能力，而且有利于学生形成正确的科学世界观和价值观。第三，由于假说的个体性、尝试性以及非理性因素的参与，不同的人对同一问题就会提出不同的假说，在这些不同的假说中有些可能是通约的，属于同一“范式”的不同表述。例如，中学生在“力的合成方法”的探究中，就可能提出“平行四边形法则”和“三角形法则”两种不同的假说，然两者是通约的，不会形成矛盾。但有些课题的探究则不然。例如，关于“速度”的探究，学生就可以提出“v=”与“v=”两种不同的假说；再如，在“匀变速直线运动”的探究中，学生可以将其界定为“速度对时间的均匀变化”，也可以界定为“速度对空间的均匀变化”。显然，以上二例中的两种不同假说是不可通约的，但都可取，因为，它们都能够描述“运动的快慢”或“速度的均匀变化”特征，只是分属于不同的“范式”；并且从科学方法论角度讲，这是属于“自由创造性假说”，或者说是一种思维自由创造出来的公设或命题，这类假说“在其来源或由来方面不需要任何‘证明’，而只是在它的使用方面需要加以证明。……它们的功能并不是描述出什么是事实或断言事实如此这般，而是提供出以某种比以前的整理方式更优越的方式来整理或重建已知的事实的秩序的手段”，〔5〕(248)如“日心说”就比“地心说”能更好地解释天体的运行。因此，教师要慎重对待这类假说的判定，是从科学的社会角色，还是从科学的价值评价，抑或是从科学的简单性角度。显然，从科学的道德规范角度，使用教师或书本权威的判定是最不可取的，它既违背科学精神，又挫伤学生的探究积极性。第四，假说既是一种自由尝试，也是一种严谨的创造，因此，它的产生是试探与定向、继承与批判、理性与非理性、严谨性与灵活性辩证统一的创新过程。然而，在当前科学探究教学的实践中，却存在两种极端模式。其一是“顺杆爬”式，在这种模式中，由于教师过多的引导，以致许多假说的提出是如此之便捷而又合理，这恰恰掩盖了假说所具有的尝试性和灵活性，剥夺了学生自由探究、体验科学、尝试假说的机会，限制了学生创造潜能发挥。其二是“任意浪漫”式，在这种模式中，“从表面上看，是为了让孩子们自主建构，但实际上不少人是盲目行事，甚至把科学学习的困难全部丢给学生。尤其在孩子们‘自主探究’遇到困难的时候，如果教师还是任其‘自主’发展，势必会给孩子们这样的概念：科学探究原来就是这样的任意和浪漫”。〔7〕显然，这种只放不收的科学探究，违背了科学假说所需要的严谨性，同样不利于学生科学素养的养成，也丧失了教育的标准。以上两种极端模式的根源在于教师对科学探究理解上的偏差与肤浅。因此，提高探究教学质量的根本在于提高教师对科学探究的理解水平，包括从哲学层面对科学探究的反思。三、实验是“假说”真理性的根本判据，但不是绝对和充分的假说是探究者对科学问题解答结果的预期或推测，具有或然性。假说要转化成定律，过渡为理论，就必须对它进行验证。从“实践是检验真理的唯一标准”这个基本的唯物主义认识论观点来讲，实验是假说真理性的根本判据。然而，从方法论角度讲，实验判据又不是绝对和充分的。首先，现代科学哲学研究认为，实验作为人们获取经验的一种方式，它是主观与客观相互作用的结果。因此，实验的结论不仅具有客观性，而且具有主观性。例如，“小孔成像”实验和“障碍物的阴影”实验是几何光学中“光的直线传播”假说的重要证据，然而，在这些实验中，“孔”和“障碍物”的尺寸大小是由实验设计者主观选定的。如果实验者能考虑到足够小的“孔”和“障碍物”，那么“光的直线传播”将不可能在这样的实验中得到证实。可见，实验对假说的证实或证伪具有情境性、主观性和相对性，不是绝对可靠的。其次，由于“观察渗透理论”面对同一实验，不同个体，因为知识背景或个人倾向的不同，则观察的方式、精度的要求和对结论的评价也将不同。例如，对待同一个存在一定误差的实验，持假说证实倾向者，就可能将之作为“误差允许范围内”的一个证实例证；而持假说证伪倾向者，就有可能将之作为证伪的例证（如开普勒对行星运行的8′误差）。再如，对于实验中偶然出现的明显超出规定条件下预期值的“粗大误差”等反常现象，持证实与证伪者的态度也会大不一样，前者就可能视之为读错数、记错数，或环境条件突然变化引起的误差而将之剔除或“悬置”起来，而后者将不会听之任之。可见，实验中一个中立的观察和评价是不存在的，它同样具有主观性和不确定性，正所谓“一个科学家首先是人，他不可能撇开自己的信念。在任何问题前面都持完全中立和不偏不倚的态度，那是荒谬之谈”。〔8〕第三，假说合理性的判定还与“范式”有关。由于不同“范式”的不可通约性，一个假说在某个范式中看来是不合理的，但在另一种范式中却可以是合理的，如前文提到的“速度”与“匀变速直线运动”的两种不同定义，就是分属不同的“范式”，且都具有合理性。因而对它们的取舍与判定就不仅仅取决于实证，还要根据它们的实用性、简单性和社会公认性的评价。总之，在科学探究教学中，如何在同一问题的多种假说中作出选择，虽说离不开实验事实这个根本性判据，但却不是绝对和充分的，这就需要教师以更加宽广的视角引导学生对不同假说的合理性作更全面的论证与分析，并作出科学的判定。参考文献：〔1〕中华人民共和国教育部全日制义务教育物理课程标准〔S〕北京：北京师范大学出版社，〔2〕杨耀坤科学发现论〔M〕成都：四川科学技术出版社，〔3〕H 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