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科学教育中关注科学解释的三个视角：科学发展、科学学习、国际理念

范文

杨季冬　王后雄

摘要：科学解释是一种重要的科学实践活动，提升学生科学解释能力是科学教育的一个重要目标，在我国科学教育中应当给予关注。这不仅因为在科学发展中，科学解释有着重要地位，而且学生通过科学解释能够促进知识理解、提升探究质量、培养高阶思维、发展核心素养。通过分析国际的测评框架和许多国家及地区的科学课程标准，也发现科学解释受到各方关注。

关键词：科学教育; 科学解释; 核心素养; 国际理念

文章编号： 1005-6629（2019）5-0003-06 ? ? ? ? ? ?中图分类号： G633.8 ? ? ? ? ? ?文献标识码： B

科学解释在科学活动中有着重要的作用，它可以是科学探究的目的，可以是科学理论的应用，也可以是科学知识形成的一个环节。对科学解释研究的主阵地是科学哲学，不同的哲学家持不同的科学哲学观便会对科学解释有着不同的理解，他们重点是从逻辑结构及语用学角度进行研究，因此他们对科学解释的本体讨论是深入的、复杂的。而作为科学教育者，则一般站在较为宽松的哲学立场上定义科学解释[1]，进而重点关注在课堂场域之中教学主体的科学解释行为、能力等。科学解释的基本内涵是解释者通过理论或方法来阐述自然现象背后的原因或发生过程。

不论是科学研究，还是科学教育中，科学解释都扮演了重要角色，然而我国科学解释的相关文献并不多见。可见，在我国科学教育的研究领域对此议题的关注度较低。因此，需要先行对科学教育中关注科学解释的必要性进行探讨。

科学解释能够推动科学事业发展，促进公众理解科学，是一类重要的科学实践活动。因此，学生学习科学要利用科学解释、进行科学解释，从而实现发展。而了解相关国际理念，有助于我们搞好科学解释的教学。由此，本文将从科学发展、科学学习、国际理念三个视角对该问题进行阐述，其具体联系如图1所示。

1 ?科学发展视角

科学的发展离不开科学本体研究，也离不开科学哲学的探索，而科学解释在这两方面都有着重要地位。

1.1 ?科学进步与科学解释密切相关

科学最重要的目的之一就是试图解释周围所发生的一切[2]。有时科学家出于实际目的从而寻求解释，例如我们想知道是什么原因导致全球变暖，从而采取一些有用的措施。而有时则是出于好奇，想了解我们的世界。在提供解释上，虽然宗教、文学、哲学等也在为之努力，但无疑科学取得了巨大的成功。

可以说对科学解释的追求推动了科学发展，而科学的发展则会为我们提供强有力的科学解释。在科学史中，重要的成果都体现了上述两方面。燃烧是自然界中发生的一个重要现象，正是人类希望解释燃烧现象，从而产生化学史上的第一个理论——燃素说，该理论不仅解释了燃烧现象，而且还成功地解释了许多其他化学现象，因此，它作为统一理论一直延续到18世纪末。随着新发现的化学现象层出不穷，燃素说的解释日渐乏力，面临全面的危机。然后拉瓦锡（A.L. Lavoisier）根据已有的实验现象，给出了正确解释，建立了氧化学说。也正是氧化学说能够科学地解释大量的化学事实，因此拉瓦锡将其扩展成为一个普遍性理论，并使用至今。再比如科学家对化学键的研究也与“解释”密不可分。众所周知，原子依靠化学键形成了分子，路易斯（G.N. Lewis）是较早对化学键进行了解释，并提出了路易斯理论，即著名的八隅体规则的。路易斯理论虽然能够解释一些事实，但其缺陷也十分明显，比如不能解释分子的立体结构，不能解释不符合“八隅体规则”的稳定分子，也无法解释电荷排斥的两个电子能够形成电子对。此后，德国化学家海特勒（W. Heitler）和伦敦（F.London）应用量子力学求解氢分子的薛定谔方程揭示了共价键的本质，提出了化学键的价键理论。鲍林（L.Pauling）则在此后提出杂化轨道理论，解释了多原子分子的几何构型，推动了价键理论的发展。由于价键理论不能有效地解释如He ?+2的形成、氧分子顺磁性，因此20世纪30年代马利肯（R.S.Mulliken）和洪特（F.Hund）又提出一种新的理论——分子轨道理论。分子轨道理论和价键理论成为解释分子结构的两大不同分支。由此可见，许多科学理论的发展离不开科学解释。

1.2 ?科学哲学对科学解释密切关注

科学解释是科学哲学中的核心问题之一，几乎所有的科学哲学大家都对科学解释进行过研究，梳理他们的观点能反映出科学解释之于科学活动的重要性。

从古希腊时期的米利都学派开始，人们就试图用自然因素而不是神话故事来解释世界。之后各流派也都是对实在、本质进行探讨，认为这些是解释现象世界的原因。亚里士多德继承了这一观念，并对科学解释进行了一些学理分析。亚里士多德科学方法论的要害在于演绎与归纳，而科学解释在其中则是一个必要环节，即通过归纳获得解释性原理，再通过解释性原理演绎被解释的经验现象，如图2所示。亚里士多德更多的是强调理性、邏辑，而非经验。在伽利略与牛顿等人的工作下，科学解释与实验科学相结合，用经验事实与数学来获取普遍定律，这对科学解释理论来说是一个重要突破。

实证主义的孔德认为，人的思想发展分为神学阶段、形而上学阶段和科学阶段。在神学阶段人们通过神的力量来解释万物，在形而上学阶段人们以抽象观念来解释万物，在科学阶段人们只是借助观察、推理来解释现象世界，因此其科学解释有着实证意味。另一位实证主义的代表人物穆勒在提出其“归纳五法”中，也发展了科学解释理论。其独特贡献在于区分了对单个事件的解释和对定律的解释，认为它们本质上都是因果解释，这一区分得普遍认同。

之后坎贝尔、石里克、波普尔都对该问题进行过讨论，但是一个重要节点出现在了1948年。亨普尔与奥本海默发表了《解释的逻辑研究》，提出了第一个科学解释模型，即演绎-定律模型（DeductiveNomological Model， D-N模型），提出“演绎即论证”的科学解释观，形成了逻辑实证主义对科学解释的解释。其后，科学解释成为了科学哲学中的一个核心问题，不断有人在亨普尔的研究基础上进行拓展、改良、批判，从而形成一片繁荣的研究景象。

科学哲学的历史主义建立在批判逻辑实证主义的基础之上，其代表人物图尔敏认为科学哲学不应与科学史、科学实践相脱节，认识到科学解释在科学实践中的基础作用，将解释看作科学理论的本质特征。库恩继承图尔敏的观念，并将科学解释与范式结合起来，认为科学解释是在范式指导下的活动，范式决定了需要解释的现象，也决定了解释的准则。

随后，语用学科学解释继承并发展了科学解释的历史主义，其中代表人物是范弗拉森和阿钦斯坦。范弗拉森通过强调语境的作用，一定程度上克服逻辑实证主义的一些问题，同时也掀起了科学哲学上对科学解释讨论的另一个高潮。

2 ?科学学习视角

促进学生的发展是一个永恒的话题，在学生科学学习中融入科学解释有以下几个主要作用。

2.1 ?促进学生知识理解

发展学生对科学概念有意义理解对实现培养学生科学素养至关重要。有意义的理解科学概念并不是对它们死记硬背，而是在不同的信息片段间建立联系，而运用现有的科学知识来解释现象便是如此。建构科学解释需要将依据与事实相联系，而这些依据往往便是“理论”“假设”“模型”等，因此学生在学习科学解释的过程中能对这些词语的科学意义产生理解，同时也会比较它们的含义与日常生活中有何不同[3]。学生在构建解释的过程中也会对当前科学中的主要理论和模型进行深入了解，如分子动理论、玻尔理论等，学生将体会到这些理论如何解释数据、如何解释观测的现象。在这个学习过程中，从对常見现象的解释出发，学生学习某种科学理论，进而再用科学理论解释其他的现象则可以加深对理论的理解，这符合“实践-认识-再实践-再认识”的哲学认识论。还有研究认为科学概念的深入理解与转化需要语言的支持[4]，而不论是口头解释还是书面解释这都是语言参与，因此这也说明科学解释有助于学生对科学概念的准确理解。

2.2 ?提升科学探究质量

科学探究能使学生体会科学家进行研究的过程，帮助学生体会科学知识产生的过程。桑多瓦尔（Sandoval）和瑞瑟（Reiser）在其研究中把科学解释作为科学认识论的一个重要的方面。他们提倡在探究活动中学生应为解释现象而努力，并强调学生所采用的解释形式。这有利于让学生在探究活动中注意解释的认知特征，也为学生的探究提供了认知目标。在科学探究中构建令人信服的科学解释需要有明确的因果关系和数据的支撑。在探究活动中，学生注意发展符合标准的科学解释，他们将更多地了解科学本质和科学的心理习惯[5]。在该过程中学生也将体会到科学知识是如何建立的，这使他们今后能更好地成为科学知识的消费者，并能更好地判断社会上的伪科学。此外，还有研究表明，解释驱动探究是以建构解释的实践活动为核心，驱动学生探究活动的展开，它能够促进学生科学概念理解水平的提高[6]。

2.3 ?培养学生高阶思维

高阶思维可以看作一系列复杂、非线性、不规则思维的集合体[7]，比如批判性思维、创造性思维等，都属于高阶思维。高阶思维不是知识本身，不具备可传递性，因此要培养学生的高阶思维必须要让学生参与相关的能动活动。在此，以批判性思维和创造性思维为例来说明构建科学解释如何能培养学生的高阶思维。学生通过科学学习或者实验操作，针对现象构建科学解释，在这个过程中会有不同理解，从而产生学生独特的观点，能够通过推理产生自洽的认知，这本身就是一种创造行为。而对于一个现象产生诸多解释，即存在竞争解释时，学生通过相互评估、判断、反驳，对不同主张进行辨别，从而发展批判思维。在构建科学解释的实践活动中，学生既能发挥主体性，也能发挥主体间性，从而使学生一系列的高阶思维能够得到培养。

2.4 ?发展学生核心素养

发展学生的核心素养意味着课程的“知识本位”要转向“素养本位”，关键问题是如何将知识转化为素养。科学解释本身就被认为是科学素养之一（如PISA测试），换句话说一个具备科学素养的公民应该能够科学地解释现象，因此培养学生科学解释的能力就是在发展学生的科学素养。在我国科学素养被具体化为物理核心素养、化学核心素养、生物核心素养，那么发展学生科学解释能力的同时是否有助于这些学科核心素养的形成呢？以化学学科为例，化学核心素养分为了五个维度[8]，其中“证据推理与模型认知”这一核心素养要求学生“建立认知模型，并能运用模型解释化学现象”，而在建立认知模型的过程中也会涉及到基于证据的推理;“科学探究与创新意识”中提到，“认识科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动”，这与前文所述有一致之处，即科学解释是科学探究的一个重要目的;“宏观辨识与微观探析”则涉及通过物质的组成和结构解释宏观现象等等。由此可以看出科学解释可以作为发展学生核心素养的一个抓手，将“素养为本”的理念落到实处。

3 ?国际理念视角

在国际科学教育浪潮中，一些国际测评框架、许多国家及地区的课程文件进行了更新，但它们都对科学解释给予关注。

3.1 ?国际科学测评关注科学解释

由经济合作与发展组织（OECD）组织的PISA测试在历次科学素养测量中都将“科学地解释现象”作为评估能力之一。在其2015年的评价和分析框架中明确提到科学在文化上的成功在于其提供一些解释性的理论，从而改变了我们对自然界的看法，一个具有科学素养的人应当具备科学解释的能力，指出“科学地解释现象”是指认识、提供、评价各种自然与技术现象的解释。科学的解释现象的能力要求学生在特定情况下回忆适当内容知识，并用它来解释感兴趣的现象。这些知识也可以用来在缺乏相关知识或数据的情况下产生初步的解释性假设。一个具备科学素养的人能够利用标准的科学模型简单地解释日常现象（如抗生素为什么不杀死病毒），并利用这些预测现象。这种能力包括描述现象并预测可能发生的变化过程。此外，它还包括识别适当的描述、解释和预测[9]。

而另一项大规模的国际测评TIMSS同样也对科学解释给予了关注。《2019科学框架》是TIMSS针对2019年科学测评发布的最新框架，其中主要部分是四年级与八年级学生的测评内容。TIMSS将认知维度分为了解、应用、推理，而“解释”则被归入应用之中，被描述为使用科学概念或原理为观察或自然现象提供解释。比如在八年级生命科学中提到“解释主要器官和主要器官系统在维持生命中的作用”，化学中提到“解释温度、搅拌和表面积（溶质与溶剂接触面积）如何影响溶质溶解的速率”，地球科学中提到“解释节约用水的重要性，并描述确保人类有充足淡水的方法”等[10]。而以下题目则是TIMSS对学生科学解释能力的测试实例：

例1 ?（八年级）像鹰这样的猛禽无法在没有植物的环境中生存。请解释原因。

例2 ?（四年级）一块磁铁固定在一个塑料小车顶部。Sarah想用另一个磁铁来推动小车（见图3、图4）。

她用哪种方式拿磁铁能推动小车？

解释你所选择的答案。

3.2 ?各国及地区科学课程关注科学解释

美国于2011年颁布的重要科学教育文件《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念与核心观念》，将1996年颁发的《国家科学教育标准》着重倡导的“探究”转向“实践”[11]，并将构建科学解释视为8项科学实践能力之一。该框架指出，“科学是为了增进人类对世界的理解，而科学理论的发展提供了解释，旨在闡述特定的自然现象，预测未来的事件，对发生的事情做出推论。……理论不仅仅是猜测，其重要价值在于能为多个事件提供解释”[12]。科学解释是将科学理论与具体观察或现象联系起来的描述，框架将该实践能力分述成了八条具体目标，以及相关的学习进阶。在此基础上，美国于2013年颁布《下一代科学标准》，将这些目标与具体学科内容实现了融合。

英国于2014年发布了《英国国家课程框架文件》，在其科学课程中多次表达科学解释的重要性。在科学学习目的部分指出，“通过建立一个重要的基础知识和概念的主体，应该鼓励学生认识到理性解释的力量，……他们应该被鼓励去理解科学如何被用来解释正在发生的事情，预测事物的行为，并分析原因”。从该表述中可看出他们要求学生既要领悟科学的理性解释的作用，也要具备科学解释的能力。而在具体各阶段描述中也多次提到解释，比如在阶段3（Key Stage 3，类似我国初中阶段）“分析与评价”中要求学生能够“给出合理解释，包括解释与预测、猜想相关的数据”，在阶段4（Key Stage 4，类似我国高中阶段）“发展科学思维”中要求学生能够“解释日常生活和技术中的科学应用”[13]。

澳大利亚高中各科学课程中都提到了科学的解释作用。在其物理课程原理中指出“物理是一门基础科学，它正努力解释宇宙中所有的自然现象。它的力量在于使用相对较少的假设、模型、定律和理论来解释各种各样的现象。……学生要研究统一的物理概念如何解释不同的现象……”在物理对应的课程目标中则提出要让学生理解多样的现象能够被解释。在化学课程的培养目标中则指出：（1）要让学生明白在他们所处的不断变化的世界中化学在解释现象时的有用性;（2）了解解释化学系统、结构、性质的理论与模型[14]。而类似的情况也出现在其生物与地理的课程目标中。

新加坡学生在PISA和TIMSS测试中都表现优异。其《化学大纲大学预科H1》中指出，“教学大纲的目的是发展学生在宏观现象、微观互动和符号表征之间的化学能力，以此联系和解释自然界”，在学习目标中明确提出“要发展学生思维方式来解释现象……联系宏观、微观、符号表征来解释和预测化学系统、结构、性质”。在学生评价方面，大纲分为“知识理解”与“操作、应用与评价信息”。在“知识理解”中，大纲规定的知识内容会以六个行为动词来表述，“解释”是其中之一（其余五个为定义、陈述、命名、描述、概述）。在“操作、应用和信息评价”中，则要求学生“对现象、模式、关系给出合理解释”[15]。而在其余级别（如H2）、其余学科（如物理、生物）的大纲中也都有此情况，可见新加坡对学生科学解释能力十分重视。

我国香港地区2015年更新了高中科学教育课程文件，包括物理、生物、化学、综合科学、组合科学。以《组合科学课程与评估指引（中四至中六）》为例，其评估目标分为物理、化学、生物三个部分来表述，物理部分所需评价学生的能力之一为“应用物理知识、概念和原理来解释现象和观察结果，并解决问题”，化学部分所需评价学生的能力之一为“应用化学知识，解释观察所得和解答为接触的难题”，生物学部分所需评价学生的能力之一为“应用生物学知识、概念及原理，解释现象和观察结果，以及解答问题”。可见，香港地区将科学解释作为学习完科学课程后学生需要形成的一种必备能力。除此以外，还强调学生在科学探究学习中科学解释的重要作用[16]。

综上所述，从科学发展、科学学习、国际理念三个视角出发，发现关注科学解释既有利于科学事业发展，也有利于学生科学学习，还有利于我国科学教育在改革浪潮中稳步前进。由此可见，我国科学教育应对科学解释给予关注。然而从现实来看，在我国目前的科学教育领域对科学解释的研究并不多见，因此，将科学解释融入科学课堂既需要相关教师具有相关意识，也需要研究人员做好相关的本土化研究，从而发挥科学解释在科学教育中的巨大作用。

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[15]Ministry of Education. CHEMISTRY SYLLABUS PreUniversity Higher 1 [EB/OL]. https： //www. moe. gov. sg/docs/defaultsource/document/education/syllabuses/sciences/files/2017preuniversityh1chemistrysyllabus. pdf.

[16]香港特別行政区政府教育局. 组合科学课程及评估索引（中四至中六）[EB/OL]. http： //www. edb. gov. hk/attachment/tc/curriculumdevelopment/kla/scienceedu/CS_C&A_Guide_c_20151113_clean_r. pdf.

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