在案例的思考中揣摩科學的本質曾寶俊相信很多科學老師都這樣問過自己：科學是什么？科學本質究竟是什么？作為一個科學老師，如果這個問題都回答不了，好像有點說不過去。那么，科學是什么呢？中國古代稱〃科學〃為〃格物致知〃一一即格物而致知。愛因斯坦指出：〃科學〃是〃探求意義的經歷〃。用兒童的話來說，〃科學〃就是“探索大自然的秘密〃。如果，上網絡搜索一下，對科學的定義會是一個驚人的數據，可是，又有誰真正說清晰科學的本質是什么呢？美國諾貝爾物理獎獲得者費曼在他的《別鬧了，費曼先生》的書中說道：〃……對于學者，對于普通人來說，更多的是依靠自身的科學經驗，而不是哲學，才能回答這個問題：科學是什么？〃的確，我們很難給〃科學〃下一個確鑿的定義，我們可以對一些案例進行思考，慢慢地揣摩科學本質的內涵。一、是客觀，還是主觀？【案例1】冥王星的身份改變我們自認為了解太陽系，但是太陽系的變化速度卻超過大多數人的理解。2006年，在天文學界發生了一件讓世人震驚的事情，這就是冥王星被〃開除〃了，不再是太陽系九大行星之一了，它被劃歸〃矮行星〃。時至今日，這件事在學術界仍有爭議，有的科學家說，應該將其開除，有的則反對，各執一詞。還算榮幸，冥王星的發現者克萊德?湯博沒看到這一天。這個1930年發現太陽系第九顆行星的堪薩斯農家男孩于1997年1月離開人世，享年90歲。不過2006年1月，湯博又一次〃離開〃這個世界：〃新地平線〃號太空探測器把他的骨灰送入太空。但是，就在2015年〃新地平線〃號穿過小行星帶與冥王星相會時，地球上的一群天文學家卻宣布，它的目的地現在屬于另一類天體：矮行星。1/14湯博93歲的妻子帕特里?夏說，若湯博生前就知道，他能理解這個決定。但是，就她自己而言，則有點失望。她對《亞利桑那明星日報》記者說：〃我并沒有覺得冥王星被降級，反而覺得自己降級了。本來我是某顆行星的發現者的妻子，現在卻成了某顆矮行星發現者的妻子……〃不管人類對冥王星的定義如何改變一一從當初發現它和現在否定它，冥王星始終都沿著自己的那條軌道默默地行進著，81年來，它才走過軌道的五分之一，它始終是客觀存在的。那么，冥王星在太陽系中的位置，這是人類自己的定義，還是宇宙的定義？【案例2】《解釋一一雪地上的足跡》教學片段第一環節教師投影打出一張將印有小鳥足跡的圖片，然后問：你觀察到了什么？生：鳥的足印。生：兩只鳥互相走近留下的足印。生：某種動物的腳印。……老師將學生所有的答案在黑板上列出。然后問：你能看見鳥嗎？你怎么知道這是鳥留下的足印？實際上，你看到了什么？（因為無人能在此時觀察到鳥的蹤影，所以〃鳥的足印〃只是一種推理而非觀察。）生：幻燈片上有兩行例外形狀和大小的黑印記。生：正是因為它們很像我們熟悉的鳥的足跡，我們才推斷這些黑印記為鳥的足印。這些印記也完全可能是任何一種不知名的動物或〃恐龍〃留下的，可能是兩種例外的動物，也可能是兩只例外年齡的同種動物（孩子與父親或母親），甚至連〃大個動物留下較大的足印〃一說也僅是推理而已.教師繼續追問學生：這兩只動物為什么走向同一地點？〃生：兩只動物可能因為發現了同一水源。2/14生：也可能動物甲攻擊動物乙。生：是幼年動物與成年動物（父或母）相互走近。老師再次強調存在多種可能的推理或解釋。第二環節教師將第二張幻燈片置于投影儀上，然后問：這一次，你又觀察到什么？生：兩行黑印記看起來漸漸靠近并混合在一起。（這屬于觀察。）生：兩只鳥打起來了。（這屬于推理。）（教師指出觀察與推理的區別，同時鼓勵學生提出其他同樣合理的可能性。）第三環節教師將第三張幻燈片置于投影儀上并問學生觀察到什么。這時學生能較松弛地區分觀察與推理的差別，典型的回答是：只有較大的黑印記留在幻燈片上，較小的看不見了。教師繼續追問：你的推理是什么？回答多種多樣，如動物甲被動物乙吞食、動物甲飛走了只留下動物乙、動物甲被動物乙背著行走……（就僅有的證據而言，這些推理都是合理的，人們無法肯定到底發生了什么，除非找到當時在場的〃證人〃。）觀察與推理是科學的基礎。科學觀察是指通過人的感官（視覺、聽覺、味覺、嗅覺、觸覺）或科學儀器（人的感官的延伸）而獲得的關于客觀世界的信息。科學推理則是對觀察到的現象的解釋，是一種主觀的推斷。科學推理不是人腦憑空的任意想象，而是對客觀現象的合乎邏輯推理的解釋，同一現象可能有多種解釋。那么，這種解釋是客觀的，還是主觀的？【案例3】《蝸牛的觀察》教學片段3/14在對蝸牛觀察了一段時間后，學生們開始在一起交流自己的觀察記錄：生1:我發現蝸牛走過的路上有一些粘液一樣的物質留下來。生2：蝸牛有兩對觸角，前面一對短，后面一對長。生3：我發現蝸牛它的后面一對觸角上長有眼睛，而且它看得不是很遠。生4：蝸牛不喜歡吃蘋果，喜歡呆在陰涼的地方，因為它怕熱。生5：蝸牛的牙齒非常多，有一萬多顆。吃起東西來一定很快。生6：蝸牛殼上的螺旋有左旋的也有右旋的，但是我不知道左旋的蝸牛多，還是右旋的蝸牛多。在這個案例中，應該說，學生交流的這些東西沒有什么知識性的錯誤，但是就記錄的內容來說，有一些不是通過觀察而能夠得到的。例如，學生3交流的是結論性的東西，〃看得不是很遠〃只是一種臆測，不是簡單的觀察就能夠得到的事實；學生4用〃喜歡〃這種人性化的詞來描述蝸牛顯然是一種由此及彼的心理推測，〃因為它怕熱〃也不是科學的解釋；先不說學生5的觀察可能性條件（必須用顯微鏡）是否存在，單看那〃一萬多顆牙齒〃就不是真實的觀察結果，同時數據也不是很確鑿，很顯然是學生頭腦中舊有知識儲備的再現。學生6的前半句是觀察得到的信息，后半句則是問題的提出，把它們一起放在觀察記錄里面也是不適合的。以上觀察記錄說明：在科學教育活動中，很少有人注意到觀察記錄的的主觀和客觀表述問題。觀察過程本身就具有研究的性質，觀察是科學探究的核心方法之一，通常簡單的問題通過認真仔細的觀察就可以找到一些證據，如何引導學生如實描述和記錄呢？讓我們看一看哈佛大學蘭本達教授是怎樣引導學生用觀察來進行研究的。生：蝸牛先在外面爬，爬累了就縮進去休息，不累了再出來。蘭：你怎么知道它累？生：它像人一樣，人累了坐下來休息，它累了也得進殼去休息一會兒。蘭：它有什么表現讓你想到它累？4/14生：它把觸角先縮回去，頭再回去，尾巴回去后，把口封住，再捅它也不出來。蘭：是不是有其他原因使它縮回去？科學強調客觀性，這就要求科學實驗，包括觀察活動，要具有一個嚴重的特質，那就是科學界公認的可重復性。對于一個觀察結果，如果別人在同等條件觀察的時候，得不到你所描述的那種信息，這時就會引發質疑。觀察記錄是對客觀的描述，它例外于推理和假設。推理和假設是意識形態，在這個領域里，〃仁者見仁，智者見智〃并不奇怪，但是觀察記錄則不允許，如果是一個接力式的記錄（比如一天中對天氣情況各變量因素的觀察和測量），沒有一個統一的格式，每個人都按自己的意愿去寫，最后根據這份觀察記錄是不可能得出什么結論的。那么，觀察記錄是客觀的，還是主觀的呢？二、是絕對，還是相對？【案例】由〃星云〃到〃星系〃在明朗無云的冬夜，舉頭可見獵戶座的七顆主星閃耀天際，在代表獵戶腰帶的一排三顆星之下不遠，有極為陰暗地一片薄云，點綴著幾顆暗星，這就是出名的獵戶座大星云。秋季的夜晚，在飛馬座下方近仙女座處，有著更小的漩渦型薄云，要在觀測條件極好的情況下，肉眼才勉強可見，這就是所謂的〃仙女座大星云〃。兩者雖然俱稱〃星云〃，但其實際大小相去卻何止萬里？獵戶星云是一團有著數十個太陽質量的云氣，直徑大約十六光年，像這樣的云氣，在我們銀河里數以萬計。但仙女星云卻是貨真價實的一個強大漩渦型星系，直徑十七萬光年，包含四千億顆恒星，是和我們銀河不相上下的一個姊妹星系。5/14早年的西方觀測者并不了解望遠鏡中這些薄片云氣的本質，因此無分大小，統稱為〃星云〃。但到了二十世紀初，越來越多的天文學家發現了愈來愈多的漩渦型星云，而且這些星云的觀測性質與所謂〃普通星云〃明明例外。因此天文學家們才不得不正視這一個問題：〃到底這些星云是我們銀河的一份子？還是渺遠而獨立的銀河星系？〃當時的天文學家分成兩派，各擁例外觀點，還于1920年4月在美國華盛頓的國家科學院舉行了一場世紀大辯論，各抒己見。然而就如大凡科學家爭辯彼此觀點一樣，當時吵得雖然熱烈，但沒有結論。不過，僅僅四年之后，美國天文學家哈勃就觀測了〃仙女星云〃中一種分外的變星，推導出來〃仙女星云〃和地球的距離，遠超過我們自己銀河的直徑，才使得這場辯論塵埃落定。許多〃漩渦型星云〃，也終能正名為〃漩渦型星系〃。經由這些星系的組成和分布，我們今天對宇宙的創生和演化，也才有了一個基礎的概念。由此推而思之，我們目前在課堂上所教授的許多類似于〃星云〃、〃星系〃的概念，這些科學家建構的概念是絕對的，還是相對的？【案例4】哥白尼PK托勒密師：當我們早晨面向南方的時候，太陽會出現在我們哪邊的眼簾？生1：左邊。師：當傍晚的時候，太陽會從我們的哪邊的眼簾消失？生2：右邊。師：中午的時候呢？夜晚的時候呢？生：中午太陽會出現在我們的前方，夜晚會出現在身后？師：一年四季，太陽每天都是這樣，早晨出現我們眼簾的左邊，中午在鼻子前方，傍晚從右邊眼簾消失。這里，我們就代表著什么？生：地球。師：真好！下面我們可以請同學們來表演一下太陽和地球之間的運動關系。6/14（兩個同學分別代表太陽和地球，演示剛才所討論的場景〃太陽繞著地球轉〃。）很顯然，學生演示的是〃托勒密的宇宙體系一一地心說〃。在數千年之前，人類通過肉眼觀測宇宙，通過太陽的東升西落，夜空的斗轉星移，建構起自己對宇宙理解的各種模型，托勒密是其中一位集大成者，他的著作《至大論》，全書13卷，繼承了由歐多克斯、希帕恰斯所代表的古希臘數理天文學的主要傳統，并使之發揚光大，臻于空前絕后之境。托勒密在書中構造了完備的幾何模型，以描述太陽、月亮、五大行星、全天恒星等天體的各種運動，并根據觀測資料導出和確定模型中各種參數，最后再造成各種天文表，使人們能夠在任何給定的時間點上，預先推算出各種天體的位置。然而，在一千多年之后，波蘭的一位科學家卻提出了另一種天體運行的模式一一太陽中心說。請看教學一一師：我們可以有很多理由說明太陽繞著地球轉。現在我們都知道，事實上太陽是不動的，是吧？生：是的。師：既然太陽是靜止的，那應該怎樣演示才能表示太陽和地球之間真實的關系呢？（回頭來到表演〃太陽〃的同學跟前，示意〃太陽〃保持靜止。）生：太陽不動，地球運動。師：地球應該怎么運動呢？（教師面向表演〃地球〃的同學，〃太陽〃和〃地球〃開始商量。）生：地球和太陽都不動，地球自己轉動就可以了，因為自己轉動可以出現一開始說的現象。師：那我們再次請兩位同學演示一下，思考一下，應該怎樣轉動呢？生：地球自右向左轉動。（學生表演。）師：我們可以用怎樣的圖示表示太陽運行的規律呢？7/14生3：我們畫示意圖就知道了。（到黑板上畫）這表示太陽，這表示地球，很明明太陽繞著地球轉。師：太陽不動的圖示如何畫出來？（學生畫）現在有兩種方式都可以表示太陽在天空中的運行和地球的關系，你選擇哪一種？科學知識是不斷發展、變化的。隨著人類對自然界的認識的不斷深化，科學知識的發展也同時經歷了質和量的變化。當現存的科學理論體系無法解釋一些科學新發現，或無法回答一些嚴重的科學問題時，人們可能會修改現存的科學理論或建立一個全新的理論體系以便更好地理解客觀世界的本質。這種修改后的或全新的理論不僅能回答所有〃舊〃理論能回答的問題，更嚴重的是能解釋〃舊〃理論無法解釋的問題，這便是通常所指的〃科學革命〃。面對著這樣的革命，科學是本身是絕對的，還是相對的？【案例5】要不要打開暗盒？A方案：打開暗盒，驗證結果。教師設計一個簡單的暗盒讓學生檢測，匯報之后打開暗盒驗證自己的檢測結果。教師告訴學生：這些暗盒的秘密都在里面，外面只有一些導線頭，你認為想要知道暗盒里面的電路，可以怎樣做呢？學生在小組內交流他們的一些意見和想法，匯報之后，各組選擇一個暗盒進行檢測，并畫出暗盒里電路連接圖。教師強調：檢測過程中不能打開暗盒。學生的驗證活動結束后，教師讓學生根據他們自己的研究和記錄進行整理，畫出暗箱中的電路圖。學生在匯報在中說出他們是怎樣檢驗的、在檢驗的過程中遇到了哪些問題和困難、是怎樣解決的、是根據什么現象來判斷暗箱內的電路、為什么會出現這樣的現象等。最后，教師讓學生打開暗箱驗證自己的判斷學生有的興奮地：我們做對了！8/14學生有的垂頭喪氣：唉，倒運，做錯了!學生有的驚呼：怎么會這樣？（不相信暗盒里的電路。）B方案：不打開暗盒！老師發給每人一個黑盒。老師：這個盒子黑黑的，很秘密。看，從盒里接出了一紅一綠兩根導線。這兩根導線連在一起嗎？這是一個謎……學生一個盒面一個盒面地仔細看：唉，要是有一條縫隙，就可看到盒內了！老師故意問：有縫隙嗎？學生：沒有啊！老師:那怎么辦？學生：打開黑盒，一切就明白了！眾生附和：對啊！老師：不能打開黑盒，也要知道里面是什么，考人之處，正是這里。學生通過獨立的探索終于有了斬獲一一黑盒里是一節電池!課結束的時候，學生一致要求：打開黑盒！老師：你們仍不相信有電池？學生：不是，只是不親眼所見，總覺得不堅固。老師：黑盒之所以秘密，就是永遠不能打開！這就是認識黑盒的方法！雖永遠不能打開，但可以不斷猜測，不斷檢驗。9/14自然界隱藏著無數強大的〃暗箱〃，沒有人知道里面隱藏著什么。面對一個陌生的〃暗箱〃，科學家用各種方法觀察、探測、實驗，收集來自〃暗箱〃的信息：重量、結構、質地、波段、光潔、磁力線以及偶爾從暗箱里跑出來的物質，并根據這些信息判斷暗箱里有什么，從而揭示各種現象：太陽的東升西落、火山爆發、地震、物質的放射性，判斷這些無法打開的暗箱的內部結構，向人們揭示一個又一個真理和奧秘。打開暗盒就只有對和錯一一絕對的結果，而不打開暗盒就是相對的。探究，就是在無限接近真相，科學探究就是人類在無限接近大自然的真相！【案例6】《立方體的研究》教學片段教師將學生分成小組，每組3-4人，將立方體A置于學生課桌的中央，頂部數字為5,周圍數字是1、3、4、6,并告知學生不允許轉動、提起或打開立方體，提問：立方體的底面是什么數字或圖案？要求學生在回答該問題時，必須基于觀察結果和邏輯推理。學生解放探究并記錄。以下列出幾例學生的觀察記錄：生1：立方體有五個可見平面和一個不可見平面（與桌面接觸）。生2：數字是黑色的。生3：可見平面的數字分別為1、3、4、5和6。生4：相對平面上的數字之和為7。生5：具偶數的平面是灰色的，具奇數的平面是白色的。教師讓每個小組向全班同學匯報各自的答案并陳述理由。許多學生提出：立方體的底面是數字2,因為由其他可見面的數字組成的序列中獨缺數字2。教師利用這個機會讓學生建立這樣一個概念：在科學領域，某種答案或解釋受支持的證據愈多，說服力愈強。例如：2是數字序列『1----6〃中所缺少的一10/14個數字，而且根據觀察到的〃相對面的數字之和等于7〃的規律，既然頂面數字為5,底面數字必為2。正如科學家們對有些科學問題的答案無法直接驗證一樣，教師在學生匯報完各自的答案后立即將立方體收走，以致學生無法知道立方體的底面到底是什么，（教師也可將立方體的底面做成幾種例外的情況：無數字，無底面，數字為2或任何其他非2的數字，以說明科學的解答是基于科學觀察及推理的產物，可能與實際相符或不符，不能盲目地接受一種答案或理論。）切忌在科學的思想與絕對正確的思想之間劃等號。與觀察、研究立方體的活動相類似，科學家在建構科學模型、科學定律或提出科學假設的過程中，不僅需要基于科學觀察和實驗，還要運用邏輯推理及創造性思維。由于種種因素的限制，任何科學理論或科學解釋都不是絕對的，是具有暫時性的〃相對真理〃。三、是知識、方法，還是思想？【案例7】研究物體的下落A教師：師：究竟是重的物體下落快還是輕的物體下落快呢？請看實驗。（教師演示實驗：取大小例外的兩張紙，將小紙片揉成一團，從同一高處同時釋放。實驗現象表明小紙團先落地，這說明輕的物體比重的物體下落快。通過簡單的小實驗使學生認識到：通常看到的下落有快有慢，是由于空氣阻力的影響。）師：如果完全沒有空氣阻力的影響，或者空氣阻力不太大，與重力相比較可以忽略時，實際的落體運動可以相似地當作解放落體運動。同學們猜想一下，那時，輕、重物體誰下落得快呢？生1：應該是重的先落地。師：是嗎？11/14生2：應該是輕的物體先落地……（很顯然，學生也不知道是哪個答案。）師：既然忽略了空氣的阻力，當然應該是同時落地啦！早在400多年前，意大利科學家伽利略就提出了這樣一個觀點。2000多年前，古希臘學者亞里士多德提出……然而，伽利略認為……B教師：.首先讓學生通過觀察物體下落，畫出下落物體的運動軌跡，認識到在周圍的確有許多物體從高處落下是快慢不一的。然后提出亞里士多德的觀點：物體越重，下墜的傾向越大，下落得也就越快；物體越輕，下墜的傾向性越小，下落得也就越慢；物體下落的快慢和它的重量成正比。討論這個觀點的正確之處。.從日常經驗上來說，亞里士多德的總結是有一定道理的。在學生確信之后，出示伽利略的觀點：物體下落的快慢與物體的重量無關，任何兩個物體從高處解放落下，總是同時著地。截然相反的觀點激起學生的疑問一一這兩大科學家的pk究竟誰會贏？.學生們提出通過實驗來驗證兩位巨人的觀點。孩子們僅憑借肉眼、憑經驗、憑感覺將例外的重物從某一高度落下，然后得出結論。事實上，課堂上的孩子們僅僅能夠擁有和伽利略當初相同的條件：將一些重物從高度落下，用肉眼觀察物體下落的快慢，那么短的距離，那么小的差距能得出那樣的結論嗎？況且，在空氣條件下完成的實驗，符合伽利略的推論嗎？孩子們想不到，他們只是堅信一一眼見為實。4.教師使用照相機的攝影功能，把學生的〃將例外的重物從某一高度落下〃實驗過程拍攝下來。通過電腦慢放軟件，將重物落地的一瞬間反饋給學生一一在大多數的情況下，重物總是先落地！.引導學生了解科學的另一個武器一一邏輯（思想實驗），體會邏輯的強健。伽利略在研究解放落體的過程中，不僅做理論上的思辨，而且做實驗對假說進行驗證，根據實驗的結果對假說進行修正，根據新的假說再對實驗進行改進，這是科學史上首次系統地應用科學方法。科學家所從事的工作，絕對不僅僅只是把新發現的現象拿來塞入既有的框架，看看它是否合乎〃科學〃。真正宏12/14偉的科學家的工作是不斷的擴大這個框架，以使得科學能夠應用在更多現象的渾圓解釋上。我們觀察100個現象，可以提出10個理論，每一個理論解釋10個現象，都很勝利，這是第一種做法。第二種做法，提出1個理論，解釋這100個現象，每一個現象都不是那么勝利，但是它可以解釋所有的現象。這兩種做法，哪一種是正確的呢？科學研究所遵循的一個原則，大凡認為第二種方法是正確的。因為，第二種方法更簡單，科學注重的不僅僅是知識，更是思想和信仰！【案例8】費曼的父親教科學諾貝爾物理獎獲得者美國科學家費曼在回憶他父親對他的培養時，曾經說到這樣一個故事：有一次一個孩子問我：