第24章 科学知识的性质和科学探究：通过专业发展建立教学能力外文翻译资料

 2023-01-07 15:45:19

第24章 科学知识的性质和科学探究：通过专业发展建立教学能力

Norman G. Lederman and Judith S. Lederman

学生和教师的科学知识本质观自20世纪初以来一直是人们关注的问题(Norman Lederman 2007)。同样，学生的能力，以及最近的他们对科学探究的理解，一直是科学教育界关注的问题(National Research Council 1996)。然而，关于专业发展在促进学生和教师观念的预期变化方面的作用的研究很少(即如何帮助教师将他们所知道的转化为有效的课堂实践)。 现有的与科学本质和科学研究有关的文献综述没有记录持续专业发展在性质和影响方面的变化。 本章的重点是两种大规模的专业发展方法(即地方教师增强授予和系统变革倡议)和我们小组在芝加哥一直参与的一项大学级别的组织方案。 特别重要的是这些不同做法的相对作用以及影响专业发展性质的经验教训。关于科学本质和科学探究的文献中充斥着许多争论。 不幸的是，作者们没有始终如一地考虑受众(即学生)期望的教学结果。 特别重要的是在考虑定期教学结果的发展适当性，与学生和教师对科学探究和性质的学习有关的实证研究，以及学生和教师的理解与科学素养目标的相关性。 因此，使用这些标准，重要的是清楚地阐明我们对科学本质的建构和科学探究的观点/观点，以及教师和学生对科学本质的理解和科学调查重要性的理由。

科学知识的本质是什么？

在这一点上，我们使用的“科学知识的本质”和“科学的本质”这两个短语可能会有一些混淆。 最初（在20世纪60年代），“科学知识的本质”一词被用来描述与科学知识的特征有关的教学结果(Lederman 1992)，这些特征直接来源于科学家发展科学知识的方式(即科学调查)。 然而，在20世纪80年代，“科学知识”从结构的原始标签上被删除，“科学的本质”被用来描述同样的意思。 不幸的是，这种语言的变化可能导致了科学本质和科学调查的混淆(Lederman 2007)。 下面提供了这两种结构之间的明确描述。

当一个人试图回答“什么是科学”这个问题时，似乎很清楚有一个有效的答案将科学描述为知识体、过程或方法和科学知识的本质。“知识体”是指在我们各种科学教科书中具有代表性的各种概念、规律、理论和思想。“过程或方法”指的是科学家为发展或建构知识体系所做的事情。最后，“科学的本质”是指科学知识的特征，它直接来源于发展知识的过程或方法。显然，人们可以详细说明用于回答原始问题的类别，但很少有人会真正不同意这里提供的三种答案。

在科学教育界的所有支持下，可以假定所有相关的个人都对NOS有足够的理解。即使在众所周知的改革文件中提供了关于NOS含义的明确陈述(例如 NRC 1996) ，但参考期刊上的页面与国家科学教育标准(National Research Council 1996)和其他改革文件中达成的共识背道而驰。有些人会争辩说，这种情况就是对NOS的含义没有达成一致意见这种想法的直接支持(Alters，1997)。 最近，希普金斯等人(2005)对新西兰课程中缺乏关于NOS的共识表示关切。 然而，迈克尔·史密斯的反驳意见(Scharmann and Smith 2001; Smith et al. 1997)表明存在的共识多于分歧。其他人(Lederman 1998) 很快注意到，持续存在在哲学家、历史学家和科学教育家之间的关于NOS的定义或意义的分歧与K-12教学无关。在针对K-12学生的关于NOS的一般性水平上，哲学家、历史学家和科学教育者之间几乎没有分歧。与一般性水平相对应的科学知识的特点包括：科学知识是暂定的（可能会改变)，基于经验的(基于或从对自然世界的观察中得出的)，主观的(涉及个人背景和偏见或理论负载)，必然涉及人类的推理、想象力和创造力(涉及解释的发明），并且是社会和文化的嵌入。 另外两个重要方面是观察和推论之间的区别，以及科学理论和定律的功能和关系。

以下是对科学的这些特点以及学生应该知道的科学知识的简要考虑。虽然已经有一系列NOS的“重要”特征存在，但这里的主要目的是提供一个参考框架，来帮助从科学调查和由此产生的知识体中区分NOS。

首先，学生应该理解观察和推理的关键区别。观察是关于自然现象的描述性陈述，它们“直接”地被感官所获得（或感官的扩展），并且几个观察者可以相对容易地达成共识。推论是对自然世界中所观察到的事物的解释，但都是人类解释的结果，而不是由感官直接观察到的。

  1. 科学主义定律和理论之间存在着区别。 凭借理论成为定律取决于支持证据的有效性，个人往往对理论和定律之间的关系持有简单化和等级化的观点。从这一观点出发，科学主义定律的地位高于科学主义理论。然而，这两个概念都是不恰当的，不考虑其他因素，理论和定律是不同类型的知识，它们不会相互发展或转化。定律是对可观察现象之间关系的陈述或描述。波义耳定律是一个例子，它将气体在恒温下的压力与其体积联系起来。相反，理论是对可观察现象的推断解释。 因此，动力学分子理论是博伊尔定律所描述现象的推断解释。然而，必须指出的是，理论与定律一样都是科学的产物。它们只是两种不同类型的科学知识，并且不会互相转化。
  2. 尽管科学知识至少部分是基于或来源于对自然世界的观察(即经验)，但它涉及人类的想象力和创造力。科学与共同的信念相反，不是一种完全理性和有序的活动。科学涉及到解释的形成，这需要科学家大量的创造力。
  3. 科学知识是主观的。科学家的理论保证、信念、原有的知识、培训、经验和期望实际上影响了他们的工作。所有这些背景因素形成了一种倾向，会对科学家调查的问题以及他们如何进行调查、他们观察到的（和没有观察到的）以及他们如何理解或解释他们的观察产生影响。 正是这种个人因素决定了主体性在科学知识发展中的作用。虽然客观性可能是科学的目标，但主观性必然会渗透到科学知识的发展中，因为人类产生科学。
  4. 作为人类事业的科学是在更大的文化背景下进行的，其实践者（科学家）是这种文化的产物。科学遵循、影响和被影响它所在文化的各个方面。
  5. 从以往的讨论中可以看出，科学知识从来不是绝对的或确定的。这些知识包括“事实”、理论和定律都是暂定的，并可能发生变化。科学家认为变化是新的证据，可以通过技术的进步，对现有的理论或定律产生影响，或者作为旧的证据从不同的角度重新解释。

什么是科学探究？

虽然与科学过程密切相关，但科学探究(SI)除了过程技能的发展之外还延伸了如观察、推断、分类、预测、测量、提问、解释和分析数据。科学探究包括传统的科学过程，但也指向将这些过程与科学知识、科学推理和批判性思维相结合从而发展科学知识。从《国家科学教育标准》(National Research Council 1996)的角度来看，学生将能够提出科学问题，然后设计并进行调查，得出必要的数据，从而就所述问题得出结论。《科学素养基准》y (American Association for the Advancement of Science 1993)没有那么雄心勃勃，因为它们不主张所有学生都能设计和进行调查。相反，他们期望所有学生至少能够理解调查的理由，并能够批判性地分析从收集到的数据中提出的主张。简而言之，科学探究是指科学家为了回答他们感兴趣的问题而采用的系统方法。在这方面，上大学前的学生和大多数的公众相信了学校教育、媒体和大多数科学报告的格式造成的对科学调查的曲解。这种曲解的观点被称为“科学方法”(即所有科学家在试图回答科学问题时遵循的一组固定的步骤和序列)。一个更离谱的描述将“方法”描述为一种算法，作为成功的秘诀期望学生记住、背诵和遵循。然而，改革的愿景并没有提供所有科学调查遵循的单一固定的步骤或顺序。现代SI的观点是主张问题指导方法，这种方法在科学学科内和跨领域之间的差别很大(如描述性、相关性和实验性)。

人们认为单一的科学方法存在很大程度上取决于经典实验设计的现状。实验设计往往符合所谓的“科学方法”，而科学教科书中提出的科学调查的例子往往是实验性的。当然，问题不在于与“科学方法”相一致的调查不存在，而是实验研究不能代表整个科学调查。因此，我们的K-12学生形成了一种非常狭隘和扭曲的科学探究观。

科学探究在科学教育改革中一直是模棱两可的。特别是探究有三种不同的感知方式，它可以看作是一套由学生学习的技能，并结合在科学调查的表现中。它也可以被看作是学生要实现的一种认知结果。特别是目前的改革愿景非常明确地（至少是书面文字）在SI的表现(即学生将能够做什么)和学生对SI 的了解(即学生应该知道的)中进行区分。不幸的是，改革中所注意到的措辞上的细微差别(即“知道”和“做”) 除了最细心的读者外，经常被每个人错过。在改革文件中，“探究”的第三次使用严格地与教学法相关，这就把水进一步混成了泥了。尤其目前普遍的看法是学生最好通过探究式教学方法学习科学。人们认为学生最好是通过做实验来学习科学概念。从这个意义上说，科学探究被视为一种教学方法，用于向学生传达科学知识（或允许学生构建自己的知识），而不是预期学生达到的教育结果。关于这里报告的项目，主要重点是关于SI的知识，因为正是SI的这一观点在课堂和评估方法中最常被忽视。具体来说，以下是与报告项目相关的对调查的理解：

1. 科学调查都是从一个问题开始的，但不一定检验一个假设。

2. 在所有科学调查中没有一套单一的步骤和顺序(即没有单一的科学方法)。

3. 调查过程以所提的问题为指导。

4. 所有执行相同过程的科学家可能不会得到相同的结果。

5. 调查过程会影响结果。

6. 研究结论必须与收集的数据一致。

7. 科学数据与科学证据不一样。

8. 解释是从收集到的数据和已知的数据的组合中得出的。

与NOS一样，这些关于SI的理解被认为不是明确的或全面的。相反，这些理解被认为在发展上适合中学生，并在实证研究中表明中学生是可以理解的。

为什么要教授科学本质和科学探究？

科学扫盲的目标自1970年代以来一直是科学教育的一个长期目标(American Association for the Advancement of Science 1993; National Research Council 1996; Douglas Roberts 2007)。一般来说，具有科学素养的个体对科学概念有功能性的理解，并能将这些知识应用于关于个人和社会问题的决策。对 NOS的理解和对SI的理解是科学素养的两个方面。除了科学素养的目标外，理解这两种结构也是被认为有助于理解主题，并增加一个人对科学的重视。在这一点上，几乎没有证据表明，理解SI和NOS像预想的那样真正为学习者提供好处。然而，对这两种结构的强调仍然一如既往，甚至可能更加强烈。不幸的是，培养教师对NOS和SI的理解并不容易。它需要一个长期和持续的专业发展方案。此外，仅仅因为教师对SI和NOS有足够的理解，他们也不一定能够在学生中成功地发展这些相同的理解。本章描述了芝加哥的三个大型专业发展项目，这些项目成功地发展了教师对SI和NOS的理解，并使教师能够在学生中促进同样的理解：（1）ICAN项目（探究、背景和科学性质)； (2）高中转型项目(HST)；（3）一个项目模型。

项目ICAN（调查、背景和科学性质）

ICAN是一个由国家科学基金会资助的为期5年的教师进修项目。该项目最终涉及芝加哥的238名教师和23,500名学生。虽然ICAN的重点是中学教师（6- 12），但该项目包括12名小学教师。每年约有50名教师被招募参加ICAN，参与项目涉及一整年。在每个学年，ICAN项目由四个阶段组成：暑期指导、学年活动、暑期学院和科学研究实习。

暑期指导

ICAN项目以为期3天的指导开始。该指导的主要重点是向ICAN教师介绍NOS 和SI的各个方面，让他们参与NOS和SI活动(National Academy of Science 1998)，观看相关视频，阅读NOS和SI特定的文章。根据这些活动反思问题、述职和讨论，以提高教师对NOS和SI方面的熟悉程度。

NOS活动的一个例子是试管活动(National Academy of Science 1998)。教师被展示了一个神秘的管子及其表现。然后，他们被要求推断管的内部结构，并设计和构建与原始管相同的物理模型。讨论的重点是NOS的要素，例如尽管观察是相同的但为什么推论是不同的，人类的主观性如何导致产生不同的模型，以及科学模型非准确性的性质。随后是来自自然科学的真实例子，如原子和地球中心的模型。

学年活动

指导之后，从6月至第二年9月一共举办了10次一月一次的全天研讨会。这些研讨会的重点是在科学主题方面进一步开展NOS和SI教学，以及课程修订和评估。NOS和SI活动不仅旨在提高教师对NOS和SI的理解，而且还旨在提高他们如何去教授 NOS和SI的知识。 强调了哈利克石油工业实验室和诺曼·莱德曼在2000年所描述的一种有效反思的方法。

为了帮助教师理解教学NOS和SI的有效反思方法，ICAN项目的工作人员提出了示范课程。例如，在诺曼·莱德曼和朱迪丝·莱德曼2004年描述的有丝分裂实验室活动中，教师为同一活动提供了两种不同的教学方法。首先，教师简要回顾有丝分裂的不同阶段，以及如何从图片中对阶段进行分类，然后要求教师在高倍镜下在给定的视野范围内计数有丝分裂

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