袁娅琼推荐+《科学实践》 2025-09-21
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科学实践

原创 Sibel Erduran 课程与教学思考者
2025年09月18日 06:30 北京

资料来源Chapter 4 Scientific Practices, In Sibel ErduranZoubeida R. DagherReconceptualizing the Nature of Science for Science Education: Scientific Knowledge, Practices and Other Family Categories ©Springer Netherlands 2014

图片来源:本书封面图。


本章的目的是探讨科学实践及其对科学教学与学习的意义。过去几十年里,对“科学即实践”这一概念的兴趣日益增加。诸如美国的《下一代科学标准(Next Generation Science Standards)》等课程改革文件越来越倡导科学实践的教学与学习。那么,什么是科学实践?为什么科学实践在科学教育中如此重要?可以开发哪些启发方法来促进科学课程中科学实践的教学与学习?这些问题将引导本章的讨论。本章集中于国际科学课程中常见的三种科学实践的例子:分类、观察和实验。讨论提出了一个启发方法,以捕捉科学中的认知、认识论和话语实践之间的关系。此外,还讨论了该启发方法对科学教育政策和教学的影响。


4.1 引言


学校科学一直受到两种相互竞争的课程重点之间的“基本张力”所支配:一种侧重于科学成果,即具体理论、定律和模型的命题性知识;另一种则聚焦于科学过程。与第一种重点相关的问题在于,以不相关的方式教授科学成果,而没有让学生理解不同形式的科学知识之间的关系、科学知识的增长方式、以及推动科学知识增长的标准、规范和启发方法(有关学校科学中科学知识性质的进一步讨论,见第6章)。与第二种重点相关的问题在于,单独教授科学过程技能,忽视了它们之间的关联以及它们在一套更大的科学实践中如何协同作用以产生有意义的科学知识。这种在两种重点之间摇摆的结果是:(a) 强化了科学成果和科学过程之间的人为分离;(b) 过于简化了科学知识和科学实践的本质。正如Schwab1962)数十年前指出的,学生需要理解科学的实质结构和句法结构实质结构是指“关于学科内容本质的一套概念承诺,作为探究的指导”,而句法结构则指“该学科程序的模式、方法,以及其如何使用概念以达到目标”Schwab,第203页)。在课程和教学中传达这两种结构是科学教育中理想的目标。


20世纪70年代以来,“科学即知识”的主导地位受到了挑战,越来越多的关注转向“科学即实践”(如Pickering, 1992Rouse, 2002)。这一近期争论的核心观点是,科学不能仅被视为一套知识体系,而应作为一种特定的认识论、社会与文化实践。David BloorStephen ShapinKarin Knorr CetinaBruno LatourSteve Woolgar等学者的研究为科学实践的哲学和社会学方面带来了丰富的学术成果。与以科学知识为主的传统重点相反,科学实践的阐述旨在突出那些构成并支持科学知识生成、评价和修正的社会和文化过程(如同行评审和研究群体的规范)。这种研究路线对科学教育的意义在于,强调在更整体的背景下教授科学的必要性,这不仅使学生从其视角理解科学的成果,还理解科学探索的过程。


在探索自然界的问题时,科学家收集、组织和分类数据,以构建知识。在科学领域,知识的创建传统上遵循系统性探索、观察、描述、实验和分析的路径,这些过程均在具有公认方法的专业研究群体的交流框架内进行(Kwasnik1999)。然而,这一过程并非完全理性。科学探究过程中往往涉及直觉、价值观和洞见Bronowsky1978)。此外,还有特定的政治、文化(如 Olson1998)和经济(如Irzik2010)因素影响着科学探究。这些可能在科学探究及最终科学知识的形成中发挥作用的政治、文化、经济和社会背景因素,通常在学校科学的学习成果中被忽视。


在科学探究过程中,科学课程对分类、观察和实验给予了相当重视。然而,这些活动在认识论框架方面往往较为有限。换句话说,虽然在科学课上对这些活动的探讨深浅不一,但很少深入质疑和讨论它们如何促进科学知识的形成和发展。这些内容的呈现往往是零散的,缺乏对其在一套整合了科学的认识论、认知和社会-制度维度的实践中如何运作的关注。在科学课上,它们通常以程序化的方式呈现,学生被指导进行大多为封闭式和程式化的探究活动(Chinn & Malhotra2002)。这些探究不仅往往简单,而且通常与科学知识的认识论发展无关。同样,共同构成科学知识及其发展的社会、文化和制度因素也常常被忽视。


本章聚焦于三项活动(即分类、观察和实验),以阐明如何将其概念化为“科学实践”的实例,从而推动科学知识的生成。通过将这些活动描述并定位为“科学实践”,构建了一个论证,强调科学事业中的认识、认知和社会-制度方面的融合。讨论引出了一个启发式方法,为科学实践的教学和学习提供概念和教学的一致性,以解决传统科学过程教学的局限性。本章最后将所提的启发式方法与美国《K-12科学教育框架(Framework for K-12 Science Education)》(NRC, 2012)中的“科学实践”概念联系起来,以说明其在政策背景中的相关性以及作为教学工具的潜在用途。


4.2 区分科学实践、过程和活动


在这一点上,三个相关概念——过程(processes)、活动(activities)和实践(practices——需要加以区分。这些概念有时被用来表示相似的思想,但它们所处的理论假设是根本不同的。尽管“过程”、“活动”和“实践”常常互换使用,指代诸如实验和观察等科学的方面,但它们的具体属性受其关于科学以及科学学习的更广泛理论假设的指导。“科学过程”一词通常指的是科学研究是如何进行的。早期试图将这一重要理念传递给学生时,将这些过程简化为较小的部分:科学过程技能。“科学过程技能”的概念深受实证主义对科学的描述(例如,Dillashaw & Okey, 1980)的影响,并且在其有限的关注点下,往往强调特定的技能,如变量操作和图表解读。另一方面,“科学实践”旨在将这些科学的方面置于更广泛的认识论和话语实践中,例如“从数据模式中理解意义”和“理论与证据的协调”(例如,Sandoval & Millwood, 2005)。


在他们的原始论文中,IrzikNola2011)以以下方式提到“科学活动”:

观察和实验显然是科学活动,因此属于“活动”这一类别。正如我们之前所指出的,当从一个非常概括的层面描述时,观察将是所有科学共有的一项活动。然而,应该注意的是,观察实践显然会根据进行观察的科学学科而有所不同。例如,在使用望远镜观察行星和恒星时,需要特定的观察技能;这些技能包括能够将天体定位于望远镜的十字丝上,同时注意时钟时间,以避免与所谓的观察者“个人方程”相关的偏差。这些与比如在肯尼亚北部和埃塞俄比亚的化石勘探者的识别技能有很大的不同,后者在识别地面上的化石与其他岩石的区别方面变得非常熟练。(第597页)


作者进一步将科学实践与“物质实践”区分开来,后者的例子包括“校准科学仪器以及规划、设置和进行实验”(Irzik & Nola, 2011,第597页)。科学家还可能采用“数学实践”,这些实践可以包括“将动力学方程应用于某个具体运动案例,如摆动的摆钟”(Irzik & Nola, 2011,第597页)。鉴于作者在科学哲学领域的学科背景,他们对过程的引用不同于前述科学教育研究者的描述。IrzikNola的方法强调了科学“实践”之间的学科差异以及相似性

有一组活动是某些科学的特征,而不是其他科学的特征,从而形成了一个家族相似性集合。这些活动包括观察实践、物质实践、数学实践等。从广义上看,所有科学都将有观察实践(更广义地说,是数据收集实践),但从更细致的角度来看,例如天文学中的观察实践与行为学或考古学中的观察实践是不同的。同样,物理学将广泛涉及物质实践和数学实践,而植物学有分类实践,但几乎没有数学实践。其他各个学科也一样;每个学科将依赖于某些特征的子集,而不是其他特征。(Irzik & Nola, 2011,第597页)


在他们后续的《科学史、哲学、社会学与科学教学手册》(由Michael Matthews编辑)中的家族相似性方法中,IrzikNola2014)将“活动”一词替换为“探究过程”。他们对“科学探究过程”的构想与科学教育中常常表现出的“科学过程技能(processes of scientific inquiry”理论立场有显著不同。


在这本书中,使用“实践”一词是因为:(a)它在科学教育研究文献中经常出现,主要是指认识论实践epistemic practices(例如,Jimenez-Aleixandre & Reigosa, 2006;Krajcik & Merritt, 2012;Sandoval & Millwood, 2005);(b)它在当代科学教育课程政策中具有时效性,例如在美国的《下一代科学标准》中占有重要地位。“实践”的理论表述包含了不同科学分支之间可能存在的认识论差异,这些差异在促进科学学习中可能具有重要意义(例如,Erduran, 2007)。将科学活动理解为实践不仅仅是术语的替换或偏好,而是涉及对科学活动如何成为认识论实体的实质性重新构想,进而有助于科学知识的生成和评估


一个例子将说明我们如何看待“科学实践”与活动和过程的不同。在学校科学中,分类通常被视为一种排序活动或组织观察的工具,很少关注其解释性/预测性力量,或它如何融入更广泛的理论框架。例如,学生可能被要求对物体进行分类,这些物体没有更广泛的理论意义,比如将纽扣和铅笔分类。这种分类的理解可以被视为一种活动。这与科学家如何使用分类大相径庭,科学家不仅用分类来组织现有的关系,还用它来预测新的关系,同时在更广泛的理论框架内操作。化学中的另一个例子是门捷列夫(Mendeleev)基于周期性对元素的分类,这一分类预测了镓的存在,从而突出了分类在预测中的作用在科学教育中将分类视为实践,使得与分类的互动从一个孤立的活动提升到一个嵌入在学科更广泛的认识论、认知和社会-制度实践中的层次

科学实践不仅涉及认识论的要素,还包括在实施活动过程中所做选择的社会-制度和文化组成部分。例如,科学家进行实验,通过控制试验得出特定结果,这些试验在研究团队内根据特定评估标准进行协商和讨论,并通过同行评审进行更广泛的交流。科学实践还包括构成实践工具选择的概念性和理论性元素。它们强调实践本身与执行这些实践的个人和群体之间的论述性关系。将分类和实验等活动或过程置于更广泛的实践框架中,转变了它们的性质,使其从单纯的、离散的、孤立的活动或过程,变成了扎根的实践。科学实践涉及为特定目的收集数据,例如现象建模。它们还涉及通过论证等论述性过程协调证据和模型。因此,这些实践相互依赖,共同促进科学知识的生成。总之,科学实践的定义特征是它们嵌入于更广泛的理论框架中,并在认识论、认知和社会-制度机制中相互联系


4.3 科学实践的例子:分类、观察和实验


科学实践背后有许多活动,包括观察、分类和实验,这些活动在讨论和阐述中旨在突出一些关键特征。首先,观察是一个核心的科学活动。一些科学家直接观察自然和物理世界中的现象,例如植物学家通过直接观察研究植物物种,或天文学家使用望远镜和数学模型等特殊工具研究遥远的星系。二十世纪的许多科学家、哲学家和认知科学家都曾思考观察的本质及其对科学的影响。在科学哲学中,观察一直是关于真理本质的讨论的核心,事实上,通过阐述一些基本问题,产生了许多争论,例如:观察在了解物理世界中的作用是什么?人类感知与现实世界之间的关系是什么?随着二十世纪认知心理学的发展,心智、意识和人类行为从多种角度被深入审视,这对哲学家们对科学的论述与认知心理学的解释之间的关系产生了重要影响。


例如,认知科学家Nancy Nersessian的研究集中于使用历史原始资料,探讨基于模型的推理(model-based reasoning在科学中的作用(例如,Nersessian2003)。一些认知科学家将感知和语言视为意识觉知的基本部分,而另一些则认为它们不能从整个意识中提取并独立分析,例如通过语言分析。而还有一些人认为感知是将感觉数据转化为语言代码的天生过程。伯特兰·罗素(Bertrand Russell)主张,语言有基本元素,就像自然界有基本元素一样(Russell1996/1912)。语言是感知与理解之间的纽带。罗素还认为,感官体验与物理世界之间存在一种天生的联系。


认知科学家,如Philip Johnson-Laird,认为感知、思想和信念都可以作为心理表征或符号来处理。Johnson-Laird将“世界的现象学体验”描述为:

…是自然选择的胜利。我们似乎直接感知世界,而不是它的表征。然而,这种现象学体验是虚幻的:我们所感知的既取决于世界中存在的事物,也取决于我们头脑中的内容——即进化在我们的神经系统中“连接”了什么,以及我们通过经验所获得的知识。(Johnson-Laird,1993,p. 471)


观察强调了科学家用来生成模型、理论和法则的数据Irzik Nola2011)区分了观察数据和实验数据。尽管他们在这篇论文中没有详细阐述这些概念,Gurol Irzik 非正式地提供了以下区分:

每一个观察数据和实验数据都可以用这样一种形式的陈述来表达:某个对象具有某种属性。因此,表达观察和实验数据的陈述是单一陈述,这与科学法则(如 PV = 常数)用普遍陈述表达的方式不同。在此背景下,观察和实验数据(假设不包含错误)通常作为支持或反对理论或假设的证据,被用于科学解释,并常被称为初始条件,因而构成科学知识体系的一部分。在《科学发现的逻辑(Logic of Scientific Discovery)》中,Popper 对此有相当深入的讨论,详见第三章。(Irzik,电子邮件与 Erduran 通信,2013124日)


Irzik 进一步解释道,观察报告涉及通过观察获得的数据,例如在不同时间和不同位置通过望远镜观测行星获得的数据。另一方面,实验数据则通过实验获得,例如 Boyle 通过测量得出的数据,这些数据帮助他发现了以他名字命名的法则(表达为 PV = 常数)。广义上说,这两种形式的数据都可以视为观察。科学教育文献反映了科学哲学中的一些争论(例如Hodson, 1998Matthews, 1994Norris, 1985),阐明了一些关键主题,例如观察的理论负载性,以及观察与解释的二分性。将这些争论纳入科学教育的一种策略可以包括对观察的类型和属性以及它们与理论、解释和仪器的关联进行解构。当观察嵌入科学理论并与建模等其他认知实践相互关联时,观察就成为一种科学实践。这种意义上的观察使其不同于人类依赖感官体验来理解世界的普通而广泛的活动。


第二个科学实践的例子是分类。分类在许多科学学科中得以应用,例如生物学中的物种分类和化学中的元素周期排列。分类是“对经验的有意义的聚类”(Kwasnik, 1999, 24页),可以在探究的初始阶段作为一种启发式工具用于发现、分析和理论化(Davies, 1989),从而促进知识生成的过程。分类通过特定的结构,如层级和集合来运作。对层级分类的理解可追溯到亚里士多德(Ackrill, 1963),他主张自然界是一个统一的整体,可以进一步细分为“自然”类,每个类别又可再分为子类别。亚里士多德认为,只有通过详尽的观察才能揭示每个实体的真实属性,只有哲学才能引导确定任何给定类别中所属成员的必要和充分属性。


根据Kwasnik1999,第25-26页)的观点,层次结构具有严格的结构要求,这些要求在表4.1的第一列中进行了总结。Kwasnik以医学科学为例阐释了一个层次结构范例:眼部疾病在第一层被划分为结膜病与角膜病。结膜病又细分为结膜肿瘤与结膜炎。结膜炎进一步细分为过敏性、细菌性、新生儿眼炎、沙眼、病毒性、角膜结膜炎及赖特氏病等类别。分类中的层级概念可通过TutorVista.Com网站的生物学示例说明——该网站为中学生提供教学资源与教程(图4.1)。采用类似Kwasnik提出的分层组织结构的分类工具,通过约瑟夫·诺瓦克的工作为科学教育者所熟知。诺瓦克于1972年以概念图形式开发这些工具,旨在理解儿童科学知识的演变(Novak & Canas, 2008)。此后,概念图工具在科学课程规划中的应用日益普及,其功能包括:构建学科知识体系、搭建学生学习支架、识别教学前后的学生科学概念、捕捉学生思维中概念理解的转变,以及作为理解和比较专家知识与朴素知识图式的工具。


4.1 层级结构的要求(摘自 Kwasnik, 1999, 25-26 页)及生物学示例

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Kwasnik1999)的框架中,层级的要求包括“包容性”、“继承性”和“传递性”等概念。这些要求本质上是评估类别是否可以属于层级中的标准。例如,在学校的生物学教学中,通常会引入层级概念,但并未明确提及这些标准(即继承性、包容性),这些标准往往是隐含的。作为一种教学方法,可以将这些标准转化为问题,帮助学生思考分类系统的特点,例如:我的想法是否符合上层概念中的想法?(包容性)它是否属于上层集合中的想法?(传递性)


4.1 动物组织的分类(转载自TutorVista.com

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Kwasnik1999)讨论了其他分类类别,如树形图和范式。然而,概念图和“树状结构”并不是唯一的分类或表示知识的方式。化学中的一个很好的分类系统例子是元素周期表(Hjorland, Scerri, & Dupre, 2011)。当元素周期表首次提出时,已经有关于单个元素的知识体系,如原子量(Scerri, 2007)。观察到元素可以根据原子量按照一定的顺序排列,这样就能显示出属性的周期性变化。这个早期的元素周期表证明是一个非常有用的工具,推动了新元素的发现以及对已知元素的新理解。随着原子理论的出现,元素周期表不仅仅是一个描述性的分类系统,它还具有了预测尚未发现元素的能力。尽管元素周期表通过原子理论获得了新的解释力,但最初的元素周期表在结构上并不需要进行根本性的变化。


Scerri2007)讨论了门捷列夫成功预测镓的故事,这个元素在他那个时代尚未被发现。他引用了J. R. Smith的研究(未发表的博士论文,伦敦大学,1975年,第357-359页),并通过此研究展示了门捷列夫预测的镓的性质与实际观察到的性质之间的对比。在表4.2中,选择了其中一些性质,以展示实际观察结果的惊人相似性。镓的例子说明了分类活动不仅是对现象的描述性记录,还具备了预测性和解释性力量,能够解释如酸性等化学概念。分类方案的预测能力是分类中的一个方面,在科学教育中往往没有得到足够的体现,分类通常被视为仅仅是一个描述性的组织工具。镓的例子还可以作为展示门捷列夫如何成功预测这一元素,以及锗和钪等元素的基础。


4.2镓(gallium)的预测性质与实际观察性质

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来源:Scerri (2007, pp. 133-134)


前面来自生物学和化学的例子不仅说明了分类在科学中的广泛应用,还指出了作为一种实践的分类的特定认识论特征。提到用于决定一个概念是否属于某一层级的标准,或是积累的学科知识在指导元素在元素周期表中位置的作用,表明科学中的分类不仅仅是对思想、物体和关系的整理和描述。分类是一种具有认识论目的的科学实践。学校科学中忽视分类的认识论维度(例如,认识论标准在建立分类系统中的作用;分类的解释性和预测性功能)会使其沦为一种简单的排序活动。这是因为缺乏对更广泛理论背景或目的的参考,如在动物组织和镓的例子中所示。在动物组织的例子中,广泛的理论背景是细胞理论,而镓的例子则与周期性概念相关。


本节讨论的第三种科学实践是实验。关于实验的历史、哲学和社会学有大量的研究,提供了对实验在科学中运作方式的深入理解(例如,Latour & Woolgar, 1979Mayo, 1996Shapin & Schaffer, 1985)。Kuhn1977)声称,现代物理科学的兴起源于两个同时发展的因素。


第一个因素是他所称的经典科学(或数学科学)中发生的根本性概念和世界观的变化,例如天文学、静力学和光学。第二个因素是出现了一种新的培根式的实验科学,涉及光、热、磁性和电力等现象的研究。Kuhn认为,直到19世纪下半叶,实验与数学传统才开始系统地互动并融合。一个例子是19世纪上半叶,培根式的热学科学转变为实验数学热力学。与此同时,科学与技术之间的互动也显著增加。


Radder2009)概述了实验的两个主要特征:干预和可重复性。为了进行实验,实验者必须在物质世界中积极干预;而且,在这个过程中,他们会产生各种新的物体、物质、现象和过程。Radder解释说,实验不仅涉及实验系统的物质实现,还涉及对该系统环境的积极干预。因此,实验哲学的一个核心问题是实验干预和生产的性质,以及它们的哲学含义。有时,科学家设计并讨论所谓的“思想实验”(Brown, 1991)。然而,在这些“实验”中,干预和生产的关键方面是缺失的。


可重复性概念是实验辩论的核心。可重复性表明,原始实验者成功执行实验的成果可能依赖于某些地方性的特定因素(Radder, 2009)。一个仅限于局部环境的实验,如果无法在其他实验环境中进行,将对科学没有生产性。然而,由于实验的执行是一个复杂的过程,任何重复实验都不可能与原始实验完全相同,许多重复实验在多个方面可能会有所不同。因此,需要被重复的内容必须加以明确。此外,还有一个问题是,应该由谁来重复实验。


另一个在实验讨论中重要的话题是倾向于理所当然地看待实验知识的产生,而专注于理论知识(Radder, 2009)。然而,科学与技术的发展紧密相关。实验在本质上依赖于技术工具,而实验研究常常对技术创新作出贡献。此外,实验过程与技术过程在概念上有显著相似性,最重要的是它们都隐含了操控和控制自然的可能性与必要性(Radder, 2009)。这些问题使得科学与技术的关系成为科学实验研究中的核心话题。


根据Radder2009)的观点,实验与理论之间的关系是科学实验中的一个重要方面。他列出了几种关系。首先,可以研究实验产生理论的过程(Franklin, 1986)。其次,可以考察现有理论或理论知识在实验实践中的作用。在一个极端的观点下,可以认为实验是无理论的。更为温和的观点是,理论无关的实验是可能的,并且确实在科学实践中发生。这种观点承认,进行这种“探索性”实验确实需要一些关于自然和仪器的想法,但并不需要对现象有一个充分发展的理论。


Gooding, Pinch Schaffer1993)聚焦于实验实践中使用的仪器和设备。其他学者(例如Radder2003)也表明,科学仪器的研究是科学实验哲学的一个丰富的见解来源。例如,可以研究视觉图像在实验设计中的作用。根据Radder2009)的观点,仪器的表征方式存在差异,例如,某些仪器通过测量其数值来表示某种属性(例如,记录血压的设备),一些仪器创造了自然界中不存在的现象(例如激光),还有一些仪器在实验室中精确模拟自然过程(例如Atwood机,模拟自由落体物体的过程和特性)。


前述关于实验的讨论提出了几个在科学教学和学习中需要进一步阐述的主题。实验可以被定位为科学实践,而不是传统的活动,学生被要求按照规定的程序进行操作,这种方式被称为“菜谱式”方法。科学中的实验并不是关于预定的程序集合。科学家们经常发明新的程序和方法来进行调查,以解决研究问题。确定相关和适当的实验程序是科学家讨论中与数据、模型、理论和定律同等重要的部分(见第五章)。将实验定位为一种重要的科学认识性实践,而非仅仅是程序化的活动,可以提升其在学校科学教育中现有的机械和程序化地位,转变为依赖于认识性标准和标准的科学实践。例如,“可重复性”的案例、实验与理论之间的联系、干预以及仪器设备等问题,都是科学教学和学习中相关的重要议题。以“可重复性”为例,揭示了这是一个对科学家,尤其是在生物医学领域日益重要的问题。随着多媒体工具的出现,现在已经有一些期刊开始将视频技术作为科学文章的组成部分。例如,《视觉化实验杂志》就是一个同行评审的期刊,它在其网站上这样描述其使命: