科学过程的多元理解及其对中学化学教学的启示,本文主要内容关键词为:启示论文,过程论文,中学化学论文,科学论文,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。
一、对科学过程的多元理解 “科学是一个过程”通常是针对“科学是真理”、“科学是知识体系”等命题而言的。在不同的语境中,“科学过程”常有不同的所指。概括在文献和实践中人们对“科学过程”的使用,主要的理解有以下4种。 1.整体的科学发展过程——哲学的过程 这主要是科学哲学和科学社会学关注的领域,着重考察作为整体的科学事业和科学知识体系的产生和演化。如知识生产过程中的经验论与理性论,知识演化过程中的归纳主义的科学进步观、证伪主义的科学进步观、科学革命与范式转换观等等。 2.真实的科学研究过程——历史的过程 这主要是科学史关注的领域,其中包含了不同的编史传统,如强调去情境化的内史传统和强调情境化的外史传统,前者又包括了实证主义的编年史传统和注重科学思想演变的思想史传统,后者主要指社会建构论的编史传统。 3.个体的科学思维过程——心理的过程 这主要是学习心理学关注的领域,强调知识内在的逻辑及其中蕴含的思维方法,例如在关注一个结论的意义的同时,还关注得出这一结论的推理过程及其应用过程中所涉及的多种思维方法及元认知能力。 4.综合的科学探究过程——实践的过程 这主要是科学教育关注的领域,有时指科学家的探究活动,有时指对科学研究的读物和报告所进行的“探究的探究”,但主要指围绕科学问题展开的探究性教学活动,尤其强调科学探究中的科学过程技能(science process skills)。 二、对科学过程教育价值的多元理解 从对科学过程的多元理解出发,对科学过程教育价值及实现路径也表现出不同的主张,例如从对科学家研究过程的模拟出发,人们或强调通过实作来学习操作技能和科学方法,或强调研究过程中的各种思维技能,或强调其中所折射出的科学本质。当前人们通常把“科学过程”与“科学方法”、“科学探究”、“科学本质”等概念联系在一起,从而使得在教学实践中对科学过程教育价值的理解出现了多元化的倾向。 1.关注去情境的“纯”科学过程 试图提炼出一个普遍的科学过程模型和教学模式,如杜威根据其对科学研究的理解提出的“思维五步法(暗示、问题、假设、推理、验证)”、许多教科书所强调的一般科学方法和研究流程(例如观察→归纳→理论或问题→假设→数据→假说→验证等)、美国科学促进协会(AAAS)提出的13种科学过程技能(观察、空间或时间关系的使用、数字的使用、测量、分类、传达、预测、推论、下操作性定义、控制变量、数据解释、提出假说、实验)等。 2.关注情境化的科学过程 例如,从科学家选择研究问题中的社会文化因素(科学家个人的兴趣和背景、研究机构的资助可能、社会层面的政策和文化、技术上的可行性、伦理上的可接受性等)、科学知识的“社会协商”过程(同行评议、可重复性和确证、交流和争论等)和科学对社会的作用(对政治、经济、文化、工程技术、生活方式等方面的影响)等来关注科学过程中的文化因素,这在教育目标上往往体现为对科学本质的强调。 3.学生的科学过程——一种综合化的理解 学生不通过系统的学习和对已有文化的认真继承能否相对独立地发展出具有广泛迁移价值的过程技能并进而理解科学的本质,直到今天仍是一个广泛争论的话题。过程能否独立于知识而存在?美国科学教育标准曾指出:“探究标准中的认知能力超越了科学过程技能这个词所指的如观察、推论和实验等含义。这里的探究能力要求学生能将这些过程与科学知识结合起来,利用科学的推理及批判性思维来提高他们对科学的理解”[1]。而在具体的学科教学领域,人们也在深刻反思这一问题,例如国际数学教育界通过对20世纪80年代以来以问题解决为主要口号的数学教育改革运动进行总结和反思,得出的一个主要结论是:与对于过程的片面强调相对立,数学教学应当“过程与结果并重”[2]。 如果说“研究的科学”与“课堂的科学”存在区别,那么“学生的科学过程”与“科学家的科学过程”也有着重要的区别。根据对“科学家的研究过程”中什么成分最具教育价值的判断及在此基础上对过程性目标的强调,可以提炼出3种极端的观点,见图1。 试图让学生学习超越知识的科学过程技能和科学本质,隐约带有历史上“形式训练说”的痕迹。如同裴斯特洛齐用没有规律的图案训练学生的观察力一样,通过知识贫乏的实作性问题解决过程让学生学习过程技能和科学本质同样建立在没有根据的官能心理学基础之上。人们常常在提到杜威的手工、缝纫等实作活动和思维五步法的同时,忽略了杜威对主体的反省性思维的强调。忽略了学生思维的积极参与,试图训练科学方法和科学本质只能把科学过程异化为一种脱离知识而存在的僵化过程,这实际上是一种新的灌输。 在当前的科学教育界,人们试图用科学探究整合这些极端的理解。值得注意的是,科学探究首先植根于学校环境,是学生的科学过程,也是学生的科学学习过程,因此,在学科领域内科学探究与知识密不可分。“完全”和“开放”型的探究能为学生提供更好的机会发展认知和推理能力,但前提是学生需要具备必要的背景知识,而“部分”和“指导”型的探究可以帮助学生很好地用于建立某一特定的科学概念,换言之,探究性程度服从于学习任务的目标和性质。 “学生的科学过程”主要是一种再创造,并且是在教师的直接指导下完成的,也即主要是一种文化继承的行为。因此,对学生而言,更重要的不是重复科学家的研究过程,也不是把科学家研究过程中的方法和本质因素提炼出来专门学习,而是把科学家的研究结果“过程化”,即从自己的已有观念和一定的情境出发,通过合理的思维过程把握知识的内在逻辑,对科学方法和科学本质的领悟融合在学科思维的发展过程之中。 这一思维过程并非单纯被动地接受知识的内在意义的过程,而是与反省性思维或批判性思维相联系的,其中突出的是学生主体的意义建构过程。加德纳曾将学习者分成直觉学习者(intuitive learner)、传统学生(traditional learner)和学科专家(disciplinary expert)3类[3],直觉学习者和学科专家对世界的理解虽然有着本质的不同,但都能将自己的技能和知识运用自如,然而传统的学生常常无法将他们所学的知识应用于新的情境中。从解释学的视角来看,前两者达到了理解的“直观”,而传统的学生则常常停留在“肯定它、接受它”,而缺少了“建设性地重新产生它”的过程,这一过程也就是反省性思维或批判性思维的过程。 三、对中学化学教学的启示 从化学学科思维的特点来看,从事实到规律再到理论是基本的逻辑结构,由此,结合中学化学教学实际,将中学化学知识分为事实性知识、规律性知识、理论性知识、规范性知识和实验性知识5类来分别讨论。 1.事实性知识 事实性知识似乎只是有待记忆的事实,然而由于化学事实在很大程度上与直观的生活事实有着较大的差距,化学事实实际上常常负载着“理论”。例如,从古代开始人们已熟知硫在空气中燃烧的现象,然而淡蓝色火焰、有刺激性气味等现象只是“观察事实”,不同时期的观察者在将“观察事实”转化成“化学事实”的时候会受到其化学观念的影响。在学生知道了空气的组成和燃烧的一般原理之后,学生是否能自如地把“刺激性气味”理解成一种气体,是否能自如地理解看不见的氧气参与了反应,即由生活的直观达到科学的直观,仍然是存疑的。 对事实性知识而言,科学过程的意义在于关注学生由“观察事实”到“化学事实”的转化过程,其中当然涉及观察技能,但更重要的还是对观察事实的内部加工过程,这不仅涉及借助于已有观念的逻辑思维过程,还涉及自动化地对现象的直观。然而在知识教学实践中我们常常忽略了“观察事实”与“科学事实”的区别,这其实把科学事实在某种程度上变成了一种脱离学生直观和生活世界的“书本上的事实”。例如,学生在实验情境中看到溶液中的气泡会认为有气体生成,然而在烧开水或者看到河里的气泡时常常认为是“水泡”,而不能将其与气体联系起来。在某种意义上来说,学生所学习的化学事实性知识能否迁移到生活世界中不仅取决于学生对化学事实性知识的理解,还取决于学生的直观能力,而这需要在教学实践中对这一过程的充分关注。与此同时,领悟“观察负载着理论”这一科学本质的目标不是通过记住这一结论,而是通过对这一转化过程的体悟来实现的。 2.规律性知识 化学规律性知识既可能是化学事实的归纳结果,也可能是化学理论的演绎结果。然而,化学事实的复杂性和化学理论的发展现状决定了彻底意义上的完全归纳推理和演绎推理等严格的逻辑思维形式常常是不够的。这在教学实践中造成2种极端的做法:一是取消推理的过程直接呈现规律;二是对事实进行逻辑化改造,有意地忽略种种意外情况以保证规律逻辑上的严密性。其实绝大部分化学定律的推理既不是纯归纳过程,也不是纯演绎过程,往往还包括了个人想象力和创造性参与的直觉思维等。学生不能仅仅停留在把规律性知识作为知识的“组织原则”并用之解决问题这一层次上,他们需要在学习过程中通过合理的思维过程把握化学规律的意义。 首先,需要把规律置于合理的逻辑体系中,从其经验基础和理论解释采用逻辑思维方法认识规律在理论上的合理性;其次,还需要把规律置于学生的经验背景中,采用类比、隐喻、想象等非逻辑思维的方法体会规律在直觉上的合理性。学生的经验背景中常常会重演科学史上人们对问题的研究历程,但学生往往又提前知道了其发展的路径。例如,大部分学生在学习元素周期律之前其实已经大致知道这一结论,这使得从1—18号元素的原子结构和从部分元素化合物事实推理元素周期律的“科学探究”显得极不自然。然而,如果我们从更深层关注学生的经验背景,学生的内心其实对用金属和非金属组织元素化合物知识已经感觉到杂乱无章,这种对更高层次的规律的期盼与19世纪上半叶许多化学家的心态是类似的。如果把这一过程改造成对探究的探究,即对元素周期律发现和确立过程的探究可能更符合学生的思维过程。因此,合理的推理过程应该同时建构在知识的逻辑和学生的经验背景基础之上。 3.理论性知识 “如果说问题是科学思维的起点,那么理论便是科学思维的最终结果”[4]。理论是由概念、原理及其推论组成的一个逻辑系统,从其结构来看,理论是一个由“桥梁原理”联系“内部原理”和“经验陈述”的结构系统。内部原理指理论所设定的特定实体与过程,它所使用的是特定的理论概念;桥梁原理是表明理论所设想的过程与经验现象相联系的理论陈述[5]。例如,氧化还原理论中涉及了“氧化”、“还原”和“电子转移”等概念,这属于内部原理,而“氧化还原反应的本质是电子转移”则把这些理论范畴与具体的化学反应联系了起来,属于桥梁原理。在化学理论的教学中常常忽视了理论实体与经验现象之间联系的桥梁原理,而把注意力集中于对理论的内部原理的阐述上,从而造成理论变成脱离经验而存在的符号体系,而难以为学生内化。理论实体与经验现象之间以及理论与个体经验背景之间的跨越需要借助于溯因思维、形象思维等多种思维形式。然而,这些思维过程在知识教学的实践中常常会被忽略,例如学生通常都会不加思考地接受“是造成温室效应的主要原因”这一观点,然而鲜有学生对其推理过程做出合理的评价,例如由“空气中含量在增加”,“地球平均气温在升高”2个经验现象能得出这一因果关系吗?学生独立地作出理论建构无疑是极为困难的,但对科学家探究过程的再探究中所包含的批判性思维则不仅有助于学生深刻地理解理论本身,也有助于理解科学理论的本质。 4.规范性知识 即使是在化学语言、化学计量等人为规定的规范性知识范畴,也应该努力让学生理解这些规定的合理性,而不是仅仅把它们当成一些有待记忆的规则。例如,如何从学生计量物质多少的日常观念(多重,多大)和化学研究的需要而让学生理解引入化学家的“物质的量”的合理性?“物质的量浓度”为什么规定分母是溶液的体积而非溶剂的体积?汽油的标号是如何定量化的?学生理解这些规定背后的“合情合理”不仅有助于学生更熟练地使用符号,也有助于对符号进行有效解码建构其实质意义。 5.实验性知识 化学实验中所蕴含的操作技能当然是科学训练的一部分,有利于学生迁移到生活世界或科学世界中,也有利于培养学生严谨的科学品质等。然而,仅仅强调操作实际上是大大窄化了对科学过程的理解。中学化学中常见的实验有3类:(1)观察性实验,如钠与水的反应等性质实验,主要目的是收集事实;(2)操作性实验,如一定物质的量浓度的溶液的配制等,主要目的是培养技能;(3)控制性实验,如研究浓度对化学平衡的影响,主要目的是研究规律。而这些实验在教学实践中常常呈现为“照方抓药式”的实验,如果没有思维的积极参与,学生并不能真正领会实验在科学研究中的重要性。 由此来看,首先,需要重视观察性实验中对从观察事实到科学事实的转化过程。如钠与水反应的实验中,由学生预测金属能否和水反应这一与日常生活联系密切的问题开始,在对各种现象的描述基础上让学生概括这些现象得出结论,并进行合理地解释,反思这种解释是否是唯一的,哪种解释更合理等等。由此得到的结论并非是直接验证而得,而是学生在事实基础上经历了对事实的概括、解释和比较之后而得。其次,需要重视操作性实验的步骤的合理性。如一定物质的量浓度的溶液的配制过程中,教师可以引导学生根据常识设计容量瓶这一仪器,一旦理解了容量瓶的设计,配制过程也就变得合情合理,而非人为规定的繁琐操作。实验仪器的设计及操作规范是人们多年经验积累所得,让学生理解这些规范比让学生被动地遵守这些规范更具意义。再次,重视控制性实验中的实验思想。控制性实验是严格意义上的以建立因果关系或相关关系为目标的实验,在这类实验中就务必让学生理解控制实验设计中的变量控制思想,理解对实验结果的分析等等。最后,重视展现知识产生过程中实验的作用。如在有机合成的教学中,由古代人们咀嚼杨树叶止疼(观察),到提取杨树汁液(实验),到分析杨树汁液的组成与结构(实验),到人工合成(实验),再到进一步改良(实验)的过程,能生动地说明实验和化学在认识自然和改造自然中的作用。 对科学过程的多元化理解有助于我们理解科学教育的多维价值。知识与过程并非对立或分立的,从外部来看,过程是对知识的多维度展开,从内部来看,过程是对知识的建设性重构。在学科教学领域,关注“学生的科学过程”就应该关注知识的内在逻辑和学生的经验背景,把学科思维过程作为化学过程的核心,重视学生在知识学习过程中的反省性思维或批判性思维,把多维目标整合在知识教学的过程之中。标签:科学论文; 科学思维论文; 化学论文; 教学理论论文; 思维品质论文; 本质主义论文; 教学过程论文; 数学论文;