传授科学思想和方法——谈教科书编著的三个原则，本文主要内容关键词为：教科书论文,原则论文,思想论文,科学论文,方法论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
有的大学生谈了许多书，知识很丰富，很系统，谈起理论来头头是道，但是，从事科学研究的能力却不强，面对要研究的实际课题常常束手无策；而科研能力强并且作出了成就的人，则往往声明，他的本领不是来自课堂和书本，是从科研实践中逐渐摸索出来的，还从有经验的导师和前辈那里获得有益的启示和指教，前辈们的一席教导使他有“胜读十年书”之感。
这一现象提出了一个促使我们思考的问题：在高等学校的教育中，在教科书的编著中，怎样更多地着眼于培养学生的能力——创造性地研究问题和解决问题的能力，怎样很好地把传授知识和提高能力结合起来，怎样使教科书不只是传授知识的理论体系，同时也应传授科学思想和科学方法及其历史发展。本文侧重联系自然科学的教学和研究来讨论这一问题，并提出教科书编著的三个指导性原则。
科学研究是一个艰苦的探索过程，是一个需要充分发挥创造力的过程，也常常是一个经受许多磨难和曲折的过程。大致说来，科研人员首先要善于发现和提出值得研究的科研课题，论证研究这一课题的必要性和可行性；然后要对课题制定研究计划，作必需的物质准备和理论、资料准备，选用或创设研究方法，安排研究步骤；对于要研究的实际问题建立起适宜于进行科研操作的模型，为此需要对实际情况作一些合理的简化和必要的假定，并从理论上提出基本假设和基本概念，确定变量和参数，设计实验，或者设计问卷，制作搜集事实和处理数据的方案，在相应的数学模型上进行推理和计算；对于计算和推理的结果进行分析和解释，作出判断和推论，并与实际进行比较，估计误差范围；修正原来的假设或提出新的假设以便进一步的探讨……等等。
但是，把科学研究的成果写成科学论文或著作发表时，一般不可能详细说明如何达到新结论的思路、方法和研究过程。论著所最关心的是，怎样严密论证其科研结论的可靠性、独到性和新颖性，使人们对其新结论无懈可击，从而使学术界承认这是一个新的科研成果。
以论著形式公开发表的科研成果，好比一座竣工的楼房，建造楼房时所搭建和使用的脚手架已被拆除，没有留下痕迹。年轻的读者只顾赞赏高楼之雄伟，却不了解建造楼房的艰难历程，不了解没有脚手架是不可能盖成楼房的。
脚手架对于楼房的重要性，以及怎样搭建有效的手脚架，也就是科学研究工作中的方法问题，是否应该通过学校中的教学渠道传授给学生呢？是否应该把科学方法方面的内容纳入教科书呢？我们认为这是理所当然的。
然而现在的实际情况是，向学生传授科学知识的教科书，往往也都编著成严密的理论体系，也像一座座竣工的高楼大厦，同样看不到脚手架痕迹。诚然，当前科学技术的发展一日千里，人类的知识宝库正在快速地丰富扩张，把知识构建成简明的逻辑体系，使学生能够比较快地、而又系统地掌握前人已经获得的知识，这是一种好的教学方法，是很必要的。但是，如果不能把基本的科学思想和方法也传授给青年人，则不能不令人感到这是教学工作的一种跛足现象，是不利于培养高层次的科学人才的。有些人认为，这种缺陷可以通过开设“科学思想史”和“科学方法论”等课程，以及学生阅读这类课外书籍来加以弥补。但这毕竟只能是一种“弥补”，仅靠“弥补”，还是难以把学习科学知识和学习科学方法有机地结合起来，不足以有效地提高学生的科学研究能力。以往的教学实践证明，在教学中，特别是在教科书中，以及教学参考书中，既传授知识也适当地传授方法，则会收到一箭双雕、事半功倍的良好效果。
许多卓越的科学家根据他们的亲身体验，在进行教学和著书的时候都是非常重视科学方法问题的。法国天文学家和数学家拉普拉斯(1749—1827)说，他撰写《宇宙体系论》这部书有两个方面的目标，一是使读者了解人类智慧在天文学上取得的成就；一是使读者了解“寻找自然规律所应遵循的科学方法”。他在书中叙述了牛顿对万有引力等重要原理的发现，同时着重指出：“认识一位天才的研究方法，对于科学的进步，甚至对于他本人的荣誉，并不比发现本身更少用处。科学研究的方法经常是极富兴趣的部分。”[1]
俄国生理学家巴甫洛夫(1849—1936)深有体会地告诉人们：“初期研究的障碍乃在于缺乏研究方法。”“方法是最主要和最基本的东西”，“有了良好的方法，即使是没有多大才干的人也能作出许多成就。如果方法不好，即使是有天才的人也将一事无成”，“方法掌握着研究的命运。”[2]
爱因斯坦(1879—1955)说：“当我记起我在教书时所碰到那些最有才能的学生，也就是那样一些不仅以单纯的伶俐敏捷，而且以独立的判断能力显露头角的人们的时候，我可以肯定地说：他们是积极地关心认识论的。他们乐于进行关于科学的目的和方法的讨论，而从他们为自己的看法作辩护时所显示出来的那种顽强性中，可以清楚看出这个课题对于他们是何等重要。”[3]
把科学思想和方法注入教科书中，确有一些很好的范例。著名化学家、元素周期率的发现者门捷列夫(1834—1907)，为了给学生讲授无机化学，于1868年开始撰写《化学原理》一书，他在序言中说：“这本书有两个目的。第一，是要用通俗的文字向群众和学生介绍化学的重要资料和结论，并且指出这些结论对于我们了解物质的性质和在我们周围发生的种种现象上的意义，以及化学在农业上、技术上和其他实用知识中的种种应用。”第二个目的是“同结论一道说明得出结论的方法，把尽可能多的资料编在一个完整的体系里，但是也不走极端，使它变成一本完全的科学汇编。……我把理论和实践，把科学的过去和将来放在一起互相对照……我努力发展读者对科学问题进行独立判断的能力，而这种能力就是使读者们既能正确利用科学的结论、又能促进科学向前发展的一种保证。”门捷列夫为达到这样两个目的而精心写成的《化学原理》，不但是一部引人入胜的极好的教科书，而且是把人们领进科学研究殿堂的入门书。这部书曾被公认是教材编写的典范，无论对于化学，还是整个科学的发展都产生过积极的影响。门捷列夫在世时这本书曾印刷了八次，他去世以后还印过好几次，并被译成多种外国文字出版。这部书也是门捷列夫自己所钟爱的作品，他在1905年写道：“书中有我的想象，我的教学经验和我忠实的科学思想。我的全副精力和我准备留给子孙的遗产，都在这本《化学原理》中。”[4]
我国化学家傅鹰教授曾在1956年撰著了一部《大学普通化学》教科书，是他数十年教学工作经验的结晶，是花费不少心血，经过多遍修改写成的。由于教学效果极好，在很长时间里，这本具有独到优点的教材成为我国化学界许多师生争相借阅、爱不释手的教学参考书。傅鹰先生用生动活泼的文字，由浅入深，由现象到本质，结合化学发展的历史，详细叙述了一些重要概念、定律和理论如何产生和演进的过程；他十分强调实验在科学发展中的重要作用，明确指出：实验是科学的最高法庭。他引用大量实验数据严格论证一些定律的精确程度和有效范围，使学生深刻理解科学概念的建立必须基于可靠的实验基础之上，同时也使学生能够掌握实验研究方法的要旨和精髓；他在书中指出现今理论有哪些不完善之处，提出当前尚未解决的各种问题，启发人们思考，鼓励青年勇往直前，继续探索科学真理。[5]
美国麻省理工学院教育研究中心所编《M·I·T·物理学导论》丛书，是一套很受欢迎的教学参考书。A.P.弗伦奇教授所著的《牛顿力学》是其中的一卷，于1971年出版，博得学界的赞扬和好评，1978年翻译介绍到中国，在我国物理学的教学工作中，起到了他山之石的积极作用。这本教材也是由浅入深地结合历史发展来讲解力学概念的，正如作者所说：“试图切实地把力学的学习置于物理现象的世界和必然是不完善的一些物理理论的来龙去脉中。”在全书中几乎处处都在与读者讨论基本的科学研究方法，作者强调了实验和直觉在建立物理理论中的相互作用；论述了怎样创造性地科学地建立和运用科学模型；指出了运用假设的重要性；等等。作者写道：在“每一阶段上人们都能意识到是在根据部分的或有限的资料从事工作，是在利用着一些没有严格地证明为正确的假设。而这正是物理学工作的精髓。”他通过具体事例来“说明一个物理理论如何通过观察与假设之间持久的相互影响慢慢地演化并逐渐精炼起来”。读者从这部书中确实可以学习到前辈科学家们进行科学研究时运用有关科学方法的丰富经验。[6]
方法论学者里迪(Paul D·Leedy)和巴比(Earl R·Babbie)指出，如果在教科书和学术著作中，向读者介绍科学发现的研究过程，在作出结论的同时，能将所用的方法和思路阐述清楚，则日后的研究工作者不仅有可能验证其结论，而且还有可能改进研究设计，甚至得出截然不同的新结论。[7][8]例如，在多种版本的心理生理学教科书中，往往将威尔德(J·Wilder)在20世纪30年代提出、并由本杰明(L·S·Benjamin)在70年代予以肯定的“初值律”奉为经典。结果从30年代到80年代，这个领域里一连几代的研究者几乎都毫不置疑地直接采用这一“定律”来分析他们在研究中获得的数据。直到80年代末，一些学者才感到这种倾向已接近迷信[9]；并进一步在90年代初从认识论、方法论和统计学的角度对初值律开展全方位的探讨，提出了新的概念，用经验数据加以论证[10]。
各种学科的优秀教科书在不断涌现，并不断地在经受教学实践的检验。许多教科书之所以博得读者的喜爱，取得良好的教学效果，看来是作者们在以下三个方面作了宝贵的努力。
第一，把对科学方法的讲解渗透到科学结论的讲解之中，即方法与结论相结合的原则。在介绍一些最重要的科学结论的同时，说明获得结论的方法，目的在于，使学生掌握这门科学知识的同时，也能了解和掌握这一门科学的基本研究方法。当然，在教科书中不可能也不必要用大量篇幅详细叙述某个结论的实际获得过程，但是需要根据科学家的实践经验和体会，画龙点睛地点出这一过程中的关键环节和关键方法。教科书也不可能和不必要写成一部科学方法汇编，但是对于这门科学的最为基本的思想概念和研究方法，却要舍得多用笔墨对其精髓和要义讲深讲透。
第二，把有关的历史演变过程融化到课程的逻辑体系中，即历史与逻辑相结合的原则。努力贯彻这一原则有两层重要的教育意义，一是有助于学生完整而且深刻地掌握这门科学已有的理论知识；二是有助于学生根据这门科学的过去和现在去展望和追求其未来。
一个概念，一条定律，只知道它的内容，未必能理解它的本质，常常是“知其然而不知其所以然”。只有既了解它在这门科学的发展过程中的历史地位和作用，又了解它在这门科学的知识体系中的逻辑地位和作用，才能“知其所以然”，获得对它的本质认识，而这两者又常常是可以统一起来理解的。回溯这门科学的历史发展，知其来龙去脉，才能对其达到的成就有比较全面透彻的理解，这是人们学习科学的共同经验，也是一条认识规律。教学工作符合这一认识规律，必然能有好的教学效果。
一门科学好比一棵根深叶茂、正在生长着的大树。作为教科书，不同于历史书，不可能也不必要记录大树生长的全部细节，一一描绘大树的每一旁枝蔓叶，但是要显现出大树的主根和主杆及其基本的生长规律，而这就是历史与逻辑相结合的产物。这样的活的开放性的理论体系不会给学生的脑海里只留下一堆死板的教条式知识，而是把前辈伟大人物止步的地方当作新的开步的起点，善于发现问题、思索问题、寻找和判断新的科学生长点，勇于开辟新的探索未知的道路。[11]
第三，把介绍理论的实际应用结合到理论知识的讲授中，即理论与实际相结合的原则。在讲解理论知识的同时，介绍这些理论的实际应用，或在其它学科中的应用，或在社会生活中的应用，或对于解决某些特殊问题的应用，或对于发展科学思想和研究方法方面的某种实际作用。通过这样一些应用实例，不但能帮助学生深化对理论本身的理解和掌握，并且能给予人们很多思想上的启迪，培养和提高人的创造能力，使人们举一反三，寻求这些理论的新的实际应用。[12][13]
科学研究以及对理论成果的实际应用都是创造性的工作，但是创造能力不是天生而就的，需要在教学过程中有意识地加以培养和训练。通过教科书中的丰富例题和习题，学习和借助前人的经验和方法去分析和解决问题，虽然是一种模仿性的训练，但模仿常常是创造的基础，模仿可能孕育出创造的种子。从模仿走向创造，也是人们的一种共同经验。因为在模仿遇到困难的时候，就是人们发挥创造能力进行新的创造的开始。起初可能只是对前人工作的改进和革新，进而则有可能作出根本性的创造。
以上三条原则：方法与结论相结合，历史与逻辑相结合，理论与实际相结合，是笔者在前十几年陆续对比一些新老教科书的编写方法和教学效果的基础上归纳概括出来的。我们相信以贯彻这三个原则作为努力方向来改进教学方法，特别是教科书的编写方法，会使教科书对于学生的科学研究起到一种指南作用，一种引导学生入门上路的作用。
这里需要补充说明一个事实：现在人们已在强调在撰写科学论文的时候也应该向读者比较详细地提供自己的研究方法。“科学研究的目的，是在已知知识基础上拓展人类关于物质世界、生物界和人类社会的知识。”[14]这种由科学家（个人或集体）新拓展的知识，只有以一种使别人能够独立地判断其真实性的方式，让人们知道和相信以后，才能获得公认。由于科学研究的对象日趋复杂，人们不仅需要对新结论的真实性加以检验，同时还要对研究方法的可靠性加以检验，这样才足以判断某种科学工作及其结果是不是“精确而无偏见地描述世界”。[15]可见，科学方法问题正在受到人们越来越多的重视，从而更加显示出把现代科学方法注入新编教科书的必要性。
近年来，用“问题解决”的模式来编写教科书已成为教育界讨论的热门课题。最新的研究表明，应该按照培养学生“学习如何学习”的原则来编排教材和培训教师，这样做，学生的学习成绩和解决实际问题的能力都会显著提高。[16]
注释：
[1]拉普拉斯：《宇宙体系论》序，上海译文出版社，1978年。
[2]《巴甫洛夫全集》第5卷，人民卫生出版社，1959年，第16—18页。
[3]《爱因斯坦文集》第1卷，商务印书馆，1976年，第83页。
[4]Д.И.Мснделеев，Осноьы Χимии；费尔斯曼著，阿尔特舒列尔注，《门德列也夫周期律在现代科学中的作用》，中国青年出版社，1959年。
[5]傅鹰：《大学普通化学》，人民教育出版社，1980年。
[6]A.P.弗伦奇：《牛顿力学》（中译本），人民教育出版社，1980年。
[7]P.D.Leedy,Practice of Research:Planning and Design(5th ed.),New York,Macmillan,1993.
[8]E.Babbie,The Practice of Social Research(6th ed),BelmontCalifornia:Wadsworth,1992.
[9]J.J.Furedy & H.Scher,The Law of Initial Values:Differentiated testing as an empirical generalization versus enshrinement as a methodological rule.Psychophysiology,p26,120—122,1989.
[10]P.Jin,Toward a Reconceptualization of the Law of Initial Value.Psychological bulletin,p111,176—184.1992.
[11]孙小礼主编：《方法论》，高等教育出版社，1993年。
[12]M.布朗：《微分方程及其应用》（中译本），人民教育出版社，1982年。
[13]G.F.塞蒙斯：《微分方程——附应用及历史注记》（中译本），人民教育出版社，1981年。
[14][15]On Being a Scientist:Responsible Conduct in Research,by Committee on Science,Engineering,and Public Policy;National Academy of Science;National Academy of Engineering;Institute of Medicine,National Academy press,Washington,D.C.USA,1995.本书中译本：《怎样当一名科学家——科学研究中的负责行为》，科学出版社，1996年，第1页。
[16]R.Low,R.Over,L.Doolan & S.Michell,Solution of Algebraic Word Problems Following Training in Identifying Necessary and Sufficient Information within Problems.The American Journal of Psychology,p107,423—439,1994.