科学老师如何培养学生的探究能力

第四节　科学教育的内容

科学是一种探索的方法，也是一种开放、积极的研究过程。因而，科学教育不应只让学生记忆、背诵教科书上的内容、术语、公式，应该让学生亲自去做、去搜集、去找寻并解决问题。因此，科学教育应该是以问题的探索为中心。科学教育包括科学知识、科学方法、科学精神、科学态度、科学价值等五个方面。

一、科学知识

从认识的角度看，知识是人脑对客观规律的反映，是人类认识自然界，认识社会和人的精神产物，是人类在经验基础上的系统概括。

从本位论的角度看，知识又是大自然进化到一定阶段生命物质与非生命物质相互作用所产生的特殊资源。

从人类的角度看，知识又是“人类向大自然索取馈赠”的有力工具。人类通过实践和认识活动，把大自然的信息分别储存于生命物质载体（脑细胞）和非生命物质载体（竹、木简、纸等）上，这样便产生了知识或科学性知识。知识本质上是自然的、客观的。

科学知识不同于其他知识，它是对外部世界各种现象和过程的本质的或规律性的反映。普通的经验知识和常识对客观事物的反映，一般来说，还只是一些直观的判断，其中包含现象，也有一些知识能反映客观事物的个别方面和外部关系，却不能提供事物的本质的规律性的认识。

上述在生活中是随处可见的。摩擦取火，昼夜交替，能量转换等等，这些都是人类在很早以前就已经知道的经验知识。但这些知识只能告诉人们一些事物的外部关系，如摩擦的动作和发热现象的关系，日出日没同昼夜现象的关系。它们不能告诉人们为什么摩擦能取火、生热，为什么有昼夜交替，为什么能量可以转换等等。要回答这些问题，需要通过这些现象，进一步深入到事物内部，揭露其本质，而这只有依赖化学、物理学和天文学才有可能。当化学揭露了燃烧规律，天文学揭露了地球自转和绕日公转的运动规律，物理学揭露了能量守恒和转化的规律之后，人们对上述现象的认识，才能上升为科学知识。因而，经验知识是带有零散的、片面的性质，而科学则是系统化、理论化了的知识。

科学知识是科学工作者在科学实践中所获得的关于客观世界的各种事物的本质及规律性的认识，它是用一系列概念和命题表达的，经过实践检验或逻辑证明的系统认识。因此，科学知识是反映客观世界及其运动的概念和命题的体系。

这个体系的有效性是由两个网络维系的：一个是意义网络；另一个是逻辑网络。科学知识具有两个根本特性：客观真理性和逻辑系统性。

1．客观真理性

真理是客观的，这是唯物主义的真理观。唯物主义者认为，存在是第一性，思维是第二性的，真理是客观事物及其规律在人的意识里的正确反映。真理，作为一种认识，其形式是主观的。它自然离不开认识主体，但是，真理之所以为真理，是因为它是一种和客观事物及其规律相符合的认识，它包含着不依赖于认识主体，不依赖于人或人类的客观内容。我们说真理是客观的，是因为它具有和客观事物及其规律相一致的内容。离开了这个客观内容，就无真理可言。举一个伽利略的故事：他在1632年出版了《关于两种世界体系对话》，反对托勒尼的地心体系，支持和发展了地动说，积极宣传哥白尼的“日心说”。第二年，罗马宗教法庭将他定为“狂热信奉异端邪说的可疑分子”，宣判将他终身监禁。在对他的判决书中说：“对于地动谬论作出如下决定：太阳是世界的中心而位置不变；地球不是世界的中心，它围绕太阳转动并且自身在不断转动的说法是荒谬的。从信仰上看应属于邪教，因为这种说法明明和圣经上的记载相反。”但是，哥白尼的“日心说”揭示了地球围绕太阳转动的客观规律，这是任何权势都不可能把它推翻的。地球围绕太阳转，已经成为小学生的常识，这个判决显得如此愚蠢可笑。1980年10月，罗马教皇也不得不公开为伽利略平反，承认300多年前对伽利略的审判是不公正的，宣布撤销给伽利略定的罪名。这一事实雄辩地说明：真理的客观性并不因权势而改变，不以人的好恶而转移。不管什么人，只要他尊重客观事实，对客观事物及其规律作出正确的反映，他就有真理。

2．逻辑系统性

“任何科学都是应用逻辑。”（列宁《哲学笔记》，第216页）科学研究的成果是概念。科学家以概念，以及概念和概念的联系所表达的思想来把握客观世界。而概念的产生，概念和概念的联系都要应用逻辑，都是逻辑学的应用。因此，概念及其系统总是同逻辑系统共生的、同一的。离开了科学概念固然没有逻辑，同样，离开了逻辑也没有科学概念。

由于科学知识具有上述特征，决定了科学知识在促进人的科学化的过程中，具有多种功能。

第一，提高学生对客观世界的认识。这是由科学知识的客观真理性决定的。学生通过掌握科学知识来认识客观世界，解决人类主体与客观世界之间的矛盾。对于青少年来说，科学知识教育，使他们的认识水平逐步接近当代人类对客观世界的认识水平的捷径，它为学生离校后在较高的起点上继续认识和改造客观世界打下坚实的基础。

第二，有助于学生形成科学世界观。马克思《资本论》中有一段饶有风趣的话：“蜘蛛的活动与织工的活动相似，蜜蜂建筑蜂房的本领使人间的许多建筑师感到惭愧。但是，最蹩脚的建筑师从一开始就比最灵巧的蜜蜂高明的地方，是他在用蜂蜡建筑蜂房以前，已经在自己的头脑中把它建成了。”（《马克思恩格斯全集》第23卷．第202页）它说明了一个道理：动物的活动是无意识的、本能的：人的活动是有意识的、自觉的。人能够认识世界，并以这种认识为指导，通过实践，有计划、有目的地去改造世界。不仅如此，人在认识客观世界的活动中，认识自己的认识活动，即认识主体和客观世界的关系，并且能够自觉地调节两者的关系，形成自己的科学世界观。人们只有掌握了科学的世界观，才能在人类已有的科学知识储存的基础上，继续开辟新的认识领域。青少年一代只有掌握了科学知识，才能为形成科学的世界观奠定坚实的基础。

第三，能促进学生智力发展。瑞士心理学家让·皮亚杰，他根据对儿童进行的实验，把儿童的思维分成几个阶段，每一阶段的主要思维方式都有其突出的特点。皮亚杰认为，教育的最高目标是具有逻辑推理能力和掌握复杂抽象概念的能力。在传统的教学中，教师向学生传授事实类型的知识，学生按照教师呈现知识的方式加以被动吸收。皮亚杰认为，这种传统的做法是不够的。他认为，教学不应该仅仅是知识的传授，更重要的是要刺激儿童心智的发展，儿童不应再是消极接受知识灌输的“容器”，而是要学会如何思维，具有客观真理性的知识中闪烁着人类智慧的光芒，比如牛顿从物理学方面来说，他创立了完整的古典力学理论体系，开创了一个“牛顿时代”。牛顿力学定律正确地反映了宏观物体低速运动的客观规律。三大运动定律迄今在科学技术上，诸如设计机器、汽车、轮船、飞机及高层建筑等方面有着广泛的应用，蕴含着丰富的智力价值。经过缜密的智力活动，获取的科学知识，必定具备相当的逻辑思维能力。科学知识的逻辑结构能提供训练青少年的思维能力，形成概念，作出合乎逻辑的判断、推理，呈现着一定的智力操作顺序，用来认识并处理自己的工作对象。学生在自觉地获取知识时，必然要对知识的逻辑结构进行操作，形成并建立自己的智力结构。

第四，能使学生具有预见性。科学知识揭示了事物发展的客观规律性、事物的内在联系和必然趋势，学生掌握了科学知识，就可以预见未来，看清事物发展方向、进程和前途。

门捷列夫元素周期律就是说明科学知识的预测功能的最好事例。在门氏发现元素周期规律以前．人们已经积累了不少关于化学元素的知识，但是，这些元素之间有什么联系呢？是否还会有新的元素有待人们去发现呢？当时人们是搞不清楚的。门捷列夫他抓住了问题的关键，他说：“一想到物质的时候，除了关于物质的原子的一切概念之外，对我来说，决不能避开两个问题：什么物质和多少物质，而这和化学元素的质量的概念也正相符合……因此使我不由得产生一种想法，以为在质量和化学元素中间必然有联系，因而物质的质量（虽然不是绝对的而是相对的）最后总要表现在原子里，那么就应该找到元素的性质和它们的原子量中间的关系。”他经过反复研究，终于发现了元素的性质和它的原子量之间的对比关系，制定出了元素周期表。由于当时还有许多元素未被发现，在周期表中不免空着许多格子，然而，门氏坚信自己确实发现了元素之间的内在联系，认为有些元素虽然尚未发现，但是一定存在着，并且预言了这些元素的性质和原子量。十多年后，他的这些预言果然一个个地应验了，而且十分准确。当他在彼得堡得知巴黎的列科克发现“镓”以后，写信告诉列科克说：“镓”就是我预言的埃卡铝，其原子量为接近68，比重在5．9上下。列科克回信说：我是用一块1/15克重的新物质测定比重的，结果得出新元素的比重为4．7。门氏回答说：不对！应该是5．9，您那物质也许不够纯。列科克复查了一下，结果证明，“镓”的比重确实是5．9。这个例子说明，人们一旦掌握了科学知识，可以作出何等准确的预测。

由于科学知识教育能提高学生对客观世界的认识，促进学生科学世界观的形成和智力的发展，具有预见性。因而，科学知识的教育是现代科学教育中的一个最基本的要素。

3．科学知识的新认识

科学知识体系内部存在一种特殊结构——球状结构，就如地球的内部结构从外向里，由地壳、地幔和地核组成。

知识结构从外向里：知识外壳——事实性知识（如变异现象、电磁波现象）是说明“是什么”；知识幔层——定律性知识（如遗传规律、自由落体定律）是说明“什么样”；知识内核——原理性知识（进化论、相对论）是说明“为什么”。

人们对某一知识领域的系统认识，通常都要遵守从事实性——定律性——原理性的发展过程，人们的探索性思维通常从科学知识的外壳部分，通过幔层向内核逼近的。因此，我们在教学中让学生理解掌握科学知识的时候，要有一个主体概念，也要从事实到定律到原理．养成他们探索思维的方法和习惯。

二、科学方法

进行科学活动，必须运用一定的方法。“方法”这个词，希腊文含义是沿着正确的道路运动。科学方法是人们在认识和改造客观世界的实践活动中，总结出来的正确的思维方式和行为方式。科学方法从本质上说就是认识世界、改造世界的方法，是人们认识和改造自然的有效工具。

科学方法有四个基本要素：研究对象、物质手段、思维的形式和方法、理论工具。

1．研究对象

它是一定研究过程所要认识的客体。客体不依赖于主体而独立存在，它的特点、本质、结构、规律在主体认识之前和之外，对于主体来说是自在之物，是必然王国。客观性使得它成为主体的研究对象。研究对象对于科学方法影响较大，它的特点规定制约了研究活动所采用的方式和方法。

2．物质手段

物质手段是指人们在科学活动、科学研究过程中使用的各种工具和仪器，具有机械、物理、化学等各种性能和作用。它们是人创造出来的工具，凝结着人类对客观世界认识的成果，是一种智力的产物，或者说是物化的智力。人们在实践中获得了某种认识，这种认识在一定条件下物化为工具；这种物化的工具又制约着、影响着人们研究的方式和方法，并推动人们获得新的研究成果。新的研究成果又物化为新的工具。这种波浪式的循环推动着科学研究的进步和发展。

物质工具的发展、变化，不断改变着人们获得经验材料以及对经验材料思维加工的方式，不断推动着科学方法的发展变化。当人们没有多少物质工具凭借的时候，自然只能进行本身器官直观、直觉的观察感觉和调查。最初的一些实验工具只是作为实验过程的一些外在因素，是一些器皿和计量工具。最初的光学望远镜和显微镜，人们使用它们的时候，用眼睛可以直接观察到研究客体。但是，以后人们在研究过程中所使用的射电望远镜、电子显微镜、高能加速器和探测器等物质工具就同物理的、化学的、电磁的变化紧密结合在一起。随着现代工业和高科技的发展，实验工具也从先前的手工工具、简单的机械工具发展为现代化仪器和设备，发展为庞大而复杂的操作系统。科学发展史表明，人们在科学活动、科学研究过程中所使用的物质手段制约着改变着人们的研究方式和方法。

3．思维加工的形式和方法

它是思维过程中所使用的概念、判断、推理这些基本的思维形式以及归纳和演绎、分析和综合、抽象和具体、类比和假设这些基本的逻辑方法。人脑对经验材料、各种半成品进行加工。从思维和理论上把握客观对象的基本形式和方法，是组成更为复杂的思维形式和方法的要素和成分。基本思维形式和方法在思维过程中不同的结合，以及每一种基本思维形式和方法，在这种结合中所占有不同地位．就形成了具有不同特点的科学方法。思维加工的形式和方法也会随着发展和演变，它们或者在原有形式中概括了新内容，或者在原有形式基础上形成新形式，显示新的认识作用。

4．理论工具

理论工具是人们在科学活动和科研研究过程中所使用的理论知识的总和。理论知识越是丰富、深厚，就越有可能在较高的起点上提出问题，向更为隐深的未知领域探索。理论知识也决定着经验材料的思维加工的水平和形式。同样的经验材料，在不同的理论知识背景和框架中就会得到不同的抽象、概括和加工，形成着不同的新知识和新理论。认识来源于实践，理性认识依赖于感性认识．就人类知识的总体说，是认识过程最简单的抽象模型。实际的认识和研究过程，都有先前的某种理论和知识的指导作用，没有任何理论和知识的指导，就不可能有真正的科学活动和研究过程。对于一个特定的科学研究过程来说，已有的理论和知识交流，发挥着认识工具的作用；通过感性器官获得的新经验和新材料则是原料，处于被加工的地位。新知识则是两者的结合。

科学方法可分为三个层次。科学方法的最高层次是哲学方法。哲学是关于世界观的学问，是理论化、系统化的方法论。当人们用它去说明世界的时候，就是世界观，当人们用它去指导认识和改造世界的活动的时候，就成为方法论。马克思主义哲学辩证唯物主义，是无产阶级的世界观和方法论。哲学的功能不在于直接回答某一具体的科学问题，而在于指示思维方向给人们引导解决问题的正确道路。爱因斯坦非常重视哲学，运用哲学方法进行研究。他认为物理学上的困难迫使物理学家们更加热心地研究哲学问题。他甚至把哲学比喻为全部科学之母。心理学家皮亚杰在论述他的结构主义思想的时候，也从马克思著作中找到了结构思想，认为辩证法的螺旋形式对于提出完整的结构是非常重要的。至于我国科学工作者从马克思主义哲学中汲取思想和得到启发、推动科学工作，科学活动和科学研究及理论创造．更有许多生动的事例。我国数学家杨乐、张广厚自觉地用唯物辩证法指导科学研究，认为对立统一是事物的根本规律，亏值和奇异方向这两个概念之间也应该是一种对立统一的关系。他们按照这种方向去研究，不仅对这两个概念分别考察，而且还联系起来考察，终于揭示了这两个概念之间对立统一的关系的数学表达式，取得了具有国际先进水平的科研成果。

马克思主义哲学作为认识论为科学研究阐明了实践和认识，感性认识和理性认识、相对真理和绝对真理的辩证关系。只有正确处理这些辩证关系，科学研究才能正确进行。

逻辑辩证主要是运用概念的辩证法反映客观世界的辩证法。它有两个特点：一是不脱离思维内容单独考察思维形式，而是把思维形式与其内容联系起来。统一起来考察和研究；二是它不是把概念看作僵死的、不动的东西，而是看作灵活的、流动的、可变的东西。

哲学研究包括自然界、人类社会和思维在内的整个世界，概括和阐述人类认识的最一般的规律，为一切认识活动提供最根本的指导方法。

5．科学研究的一般方法

包括观察法、调查法、实验法、数学方法、系统论方法、信息论方法、控制论方法、特殊研究方法等。

（1）观察法

观察法是有目的、有计划、有系统地获取处于自然条件下，即在与生存、活动的环境不相分离的条件下的对象所具有的状态资料的方法。观察法是人类认识事物使用的最早，也是最古老的一种方法。它又分为直接观察法、间接观察法、参与性观察法、非参与性观察法、客观对象观察法和自我观察法。

直接观察法是观察人员不凭借任何“工具”，而是用自己自然器官进行观察，身临其境，感受真切，得到的是具体、生动的形象，形成对自然事物的有机整体式的认识，可能触动观察者的灵感。但是，直接观察受到人体自然器官的限制，被观察的现象不能被完整地保存下来。间接观察法是借助于仪器进行观察，克服了直接观察法的不足之处。

参与性观察法、非参与性观察法是探索社会现象中采用的一个特殊分类标准。自然科学研究中，研究对象是自然现象，不存在与观察者发生作用。参与性观察法是指观察者通过参加观察对象的活动而达到观察目的的方法。例如，要观察学生科学周的活动，和学生在一起参加爱鸟日活动。参加者和学生一起挂鸟笼、贴宣传画、交谈。在活动中不隐瞒自己的身份。非参与性观察法是不介入观察对象正常活动为原则的观察法。此观察法的目的是为了观察到确实是在自然条件下发生的现象，提高观察结论的可靠性。

客体对象的观察法指以主体以外的事物、活动和他人为对象的观察法。直接观察法、间接观察法、参与性观察法、非参与性观察法都是属于客观对象观察法。

自我观察法是用于研究人的自我认识，人的内在心理活动或过程。

（2）调查法

调查法是有目的、有计划、有系统地搜集研究对象的有关现实状况或历史状况的材料方法。一般用于研究社会现象中，包括经验调查和科学调查。

经验调查侧重于弄清事实真相，知其然，还知其所以然，科学调查追求的目标不但要弄清事实的真相，还要弄清事实与环境、一事实与它事实的相互关系。比如检验理论假设和原因分析，找出带规律性的东西。

从调查的方式方法来看，经验调查主要使用的调查方法是经验性的方法：个别访问、座谈会、书面了解。而科学调查具有社会化、科学化和现代化的特点。社会化主要表现是各级各类调查、统计机构组成了一个调查网络。专业调研统计队伍庞大，如我国搞的人口普查。

调查的科学化和现代化，主要体现在三个方面：①调查过程的程序化，即将整个调查过程分为若干步骤，每一步骤均有具体的要求和规定；②调查方法的系统化，即将各类各层次的调查研究方法构成一个从方法论到具体调查分析方法和技巧的有层次、有结构的方法体系：③调查研究工具的现代化，如运用问卷、各种观测仪器、量表、录音机、录像机、情报记录器搜集调查资料和运用电子计算机对调查资料进行整理分析等。

（3）实验法

实验法是实验者根据实验目的，运用一定的人为手段，主动干预或控制实验对象的发生、发展过程，并通过把有干预性情况下所获得的事实与没有干预情况下同类对象变化的事实进行比较，确认事物间的因果关系的方法在自然环境下进行实验，称为自然实验法：在实验室进行实验称为实验室实验法。

实验法首先是在物理学研究中创造、形成的，而后又在其他自然科学的研究中得到广泛的应用。20世纪初，对教育的实验研究开始发展，我国近十年来在教育改革研究中实验研究也有蓬勃发展。

教育实验的特点，归纳有如下几点：

①教育实验研究的对象是教育的社会现象，与自然现象相比，其内在因果联系复杂，包含着许多变量和复杂的相互关系，条件不易简化；

②教育实验中被实验的对象是人，不是自然物，人是自然实体和社会实体的统一，他要比纯自然物复杂得多；

③教育实验的周期一般说比较长，比如中学学制的实验一个周期就是六年时间；

④教育实验是自然状态下的实验，条件控制困难，教育活动中的环境因素包含着众多难以控制的变量。

根据以上特点，教育实验研究要重视实验的效度和信度，完善其研究方法以及加强对综合性的实验研究。

（4）数学方法

数学是关于量及其关系的科学，是从量的角度来研究、反映客观世界及其规律的工具。科学数学化成了现代科学发展的一个重要特点。近现代科学的发展，就是同数学方法的应用和发展紧密相连的。

数学本身不是目的，而是一种工具和手段，这在应用数学中表现得非常具体和清楚，应用数学的目的就是为了给某一具体科学提供适当而有效的数学方法。

数学作为科学研究的工具有三个作用：

①数学是科学抽象的工具。数学研究的空间形式和数量关系是以极度抽象的形式出现的，它们完全脱离了现实世界的物质内容和具体形式。比如，伽利略从量的角度着手，他不纠缠于落体运动的加速度的原因，而是在于揭示落体是按照怎样数量关系而降落的，决定寻找用公式来表达量的知识。他发现了落体定律，得到惯性定律。

②数学是计算的工具。计算在人类日常生活、各项活动中都占有极其重要的地位和作用。计算使各门科学从实验中获得大量数据，形成各种精确的“物理量”，形成具有确切数量界限的基本概念，而可靠的数据、精确的具有数量界限的基本概念，是进行数量分析和科学推导的前提和条件。一门科学从定性的描述到定量的分析，是这门科学达到比较成熟阶段的重要标志，而这种定量的分析离不开数学计算。比如，生物遗传学中的基本理论就是因为从两个具有不同性状的个体杂交实验中获得了大量实验数据，并且进行数理统计分析后提出来的。

③数学是从量的角度描述客观规律的工具。数学抽象表面上看起来远离了物质世界，远离了各种物质运动的具体的质的形式和特点。但是这种抽象只要不是任意的、主观的，就更深刻地反映和揭示着客观规律。

数学上的点，虽然是一种抽象，但是它可以代表力学系统中的一个质量，代表电学系统中的一个点电荷，代表微观世界中的一个点粒子。数学上的线，同样可以代表行星运动的轨道、抛物体运动经过的路径，可以代表磁极之间的磁力线，可以代表基本粒子的径迹。法国数学家托姆，他提出了一种突变理论来描述自然界中的稳定的和可重复的形式，成为描述发育生物学和经济学模型的数学工具。

用数学来描述、刻画客观规律，具有符号形式化、数量精确化、概括公式化的特点和优点。这些特点和优点使我们从特殊规律中概括出一般规律，或者从一般规律中演绎出特殊和个别规律，都变成了一种数学公式和方程的演算过程。这样大大简化了、加速了思维过程的速度，并且正是这种符号形式化、数量精确化、概括公式化的特点使得我们能够把这种推导过程输入电子计算机内，由电子计算机来为我们进行各种繁杂的推导和演算。

6．中小学生应掌握的方法

美国科学促进会邀请了科学家谈谈他们在实际工作中是怎样做的。在调查中归纳了六项做法，认为这是中小学生应当学会的方法。

（1）观察

人在没有进行观察之前是不会产生真正的好奇心的，而观察的能力是能够学到的。由于感官能受到大量的刺激，经过意识加以选择，因此许多现象并没有引起人们的注意。但是，有一些偶然的现象会引起我们的注意，并进行思考；有一些现象则放过去了。观察本身并不像随之而产生的问题那么有价值。（“这真奇怪！我不明白怎么会如此？”）应该指导并训练学生如何进行有目的地观察，犹如侦察人员搜集各种线索，以期待发现作案工具、查明犯罪动机和行凶的罪犯一样。“让我们搜集线索．越多越好．这样我们就能弄清楚到底是怎么一回事。先不要猜测，只说你看到、听到、嗅到了什么等等。要的是事实。”这样，学生就可学会如何搜集证据。

（2）分类

科学家为了把对自然的调查加以条理化．创造了种种分类的方法。有些分类是划分为植物、动物；脊椎动物、非脊椎动物：固体、液体、气体；周期系统，沉积岩、变质岩、火成岩；金属、非金属。其他一些分类方法（例如有条纹的、单色的；粗糙的、光滑的）也并没有错，只不过是科学家觉得这种分类方法没有什么用处，因而不用。在学生开始懂得分类是怎么一回事之后，必须允许他们创造自己所喜欢的分类方法。这时不要急于让学生知道科学家是如何分类的。

为分类而分类是没有意义的。许多教师总是不必要地担心自己不懂得一般动植物的科学分类。在特定的情况下。如果按照植物是背阴处还是在向阳处生长来分类，或者以这些植物按本地习惯能食用或不能食用来分类，都可能是有用的。只有在深入到科学地进行研究之后，才真正需要科学家的分类法。

（3）数、计量、解释数据

资料可以用数学语言来描述和分析，这样做既省事又能说明问题。所以科学家常常从事计算、测量、制图、列出方程式等一类的事。使用绳子、尺子、天平、温度计、量杯等进行计量会有助于我们在考察中得到有用的资料。由于为计量而计量没有什么价值，因此计量技术最好是在需要时再教，而不要花上几周的时间单独教。往往这种情况，估算和粗测比精确的量度更有意义，所以应该教这样一些技术。学生必须学会什么时候最好用估算的办法什么时候必须精确测量。

数据本身没有什么意义，重要的是数据所给予人们的启示。我们能从数据中得出什么普遍性的结论；它们在更大的范围内有什么含义：一张人口增长图或气候变冷曲线图，可以使我们想到它所表明的情况，想到它对食物供应问题的含义或对世界能源情况的含义。数据的收集和解释有助于我们寻求很多问题的答案。

（4）思想交流、作出预言和推断

思想交流是学校里最易受到忽视的一门技能，不过交流的艺术只有通过实践才能学到。学生一般都不善于表达，特别是在学校里用的语言同在家里用的语言不一样时，更是如此。如果学生不能用口头或书面语言表达自己思想，他们只好借助于手势或无言以对。教师最重要的任务之一，是让每一个学生都有机会进行思考，然后让他们把思想以口头、书面、图形、图表以及公式等方式表达出来。教师如果总是自己讲，总是坚持要学生使用正规的教科书语言，这必然会妨碍他们掌握交流技能。

（5）规定工作定义，提出假设

定义可以使表达简练。如果使用者事先规定某个词或某个术语明确的涵义，那么就可以反复使用，以代替啰嗦的说明。设想一下，如果我们的前辈没有给引起“加速度”的东西下定义为“力”，以及加速度是“速度”的变化率，速度是位置的变化率，那么情况就变得复杂多了。

以上列举的科学方法是按照从低到高的等级来叙述的。每一种方法都代表着比前一种方法有更高水平的技能，并把前者也包括在内。因此，提出假设相对而言是高级技能，不宜让年幼的学生去动这方面的脑筋。假说就是猜测原因的假设，就是对其原因提出看法。可以验证的假设是能够对它进行检验的，目的是弄清它能否得到证实。

例如，化肥对一切生长植物都有好处（这很容易证明是不对的，但绝不能证明为肯定无疑）。

化肥对种冠果豆有好处（可验证）。

化肥对冠果豆的生长有好处，因为它含有硝酸盐（对原因的假设难以验证）。

教师即使不是有意识地培养学生的这一技能，他也应当留意找机会让学生无意识地尝试提出假设。如果学生说“小鸟是不吃毛毛虫的”，那么老师可以问“安娜，你为什么会这样想呢？”安娜可能回答说“相信小鸟害怕毛刺”。安娜和教师于是可以想个办法弄清楚小鸟是否真的不吃毛毛虫。在纳菲尔德化学公司组织的一次著名活动中，教师问学生，铜在火焰上加热后出现的黑色物质是从哪里来的。有的认为是从火焰中来的，有的认为是从空气中来的，还有人认为是铜本身产生的。这引起了一次有收获的探讨。

（6）找出并控制可变因素进行实验

进行实验标志着科学家的技术发展到了很高的水平。不要忘记，在17世纪伽利略发明之一方法之前，科学几乎没有什么进展。实验者从他感兴趣的观察中做出某一种假设，然后着手设计验证这一假设的方法。科学家说：“我如何把它弄清楚呢？”教师说：“你怎么能证明你的猜测是正确的呢？让我们试试看。”

找出并控制实验中可变因素的能力是随经验的增长而增长的。应当随着学生的成熟而逐渐增加其复杂的程度。学生并不是一开始就能理解著名的罩瓶演示实验的全部含义，要到比较晚的阶段才能理解。在这一实验里。用来作控制用的瓶子里有一个吸收二氧化碳的氢氧化钠烧瓶，因此罩子里的植物就不会产生光合作用。等到学生可以理解这种实验中的科学道理时，他们大多已从别处看到光合作用吸收了二氧化碳，这时他们再假装不知道是没有意义的，也是不科学的。然而，这样的实验可以“表明科学家是怎样进行工作的”，这比“表明二氧化碳……”更有益。年龄较大的学生如果研究溶解的盐对不同的洗涤剂产生泡沫的影响，他们应能认识到有若干可变因素是可以控制的，诸如盐的用量、洗涤剂的品种和用量。以及温度等。这就需要教师的指点，帮助他们决定这些可变因素中哪一个因素实际上可予以改变。教师要注意使学生明白，为什么他们每次只改变其中的一项。

科学方法的特点及其重要性，决定了学生在学习过程中能否真正掌握科学：

①科学方法是获得科学知识的手段和重要工具。学生掌握了科学方法能更透彻地理解科学知识。

②科学方法作为思维方式和行为方式，蕴含着极大的智力价值，学生一旦将科学方法内化为自己的思维方式和行为方式就能获得智力发展。

③科学方法教育有助于培养学生的创造性才华。

科学方法体系的形成，必然要求在科学教育中，重视对青少年学生进行科学方法教育，使科学方法和教育的内容与之相适应。当然对于中小学生来说，科学方法教育主要是结合科学知识教育来进行的。

与科学知识相比，科学方法具有更大的稳定性和更普遍的适用性。从这个意义上讲，学生掌握科学方法比掌握科学知识更加重要。

三、科学精神

伟大的生物学家——达尔文参加了“贝格尔号”军舰的为期5年的环球旅行。环球旅行中，登高山、涉溪水、入丛林、过草地，从中进行详尽搜集。世界各地千姿百态的奇花异草、千差万别的飞禽走兽，使他大开眼界。他在南美洲西岸经过反复考察发现：许多动物、植物的形态，从古到今是逐渐变化的。所以他认为它们是随着气候、环境的变化而不断变化的。达尔文在南美洲南端，发现了大量早已绝种的贝壳。他想，为什么有的生物灭绝，有的生物生存下来？他得出结论：灭绝的原因是环境不适应它们的生存。

他一回到英国后，就抓紧一分一秒的时间整理这些资料、标本、化石。他又亲自修建了温室，开辟了试验园地，进行了大量科学观察与试验，并经常向有实践的农学家、园艺家和劳动人民学习培育新的动植物品种，经过20多年的艰苦努力，终于揭示了生物进化的客观规律。1859年11月《物种起源》一书出版了。以后，达尔文又以极大的毅力陆续写成了许多重要的著作。可见在科学发展史上，无数科学家以严谨的态度、辛勤的劳动、无私无畏的精神为人类的科学事业而耕耘、献身，他们的高贵品质为青少年学生树立了光辉的典型、不朽的榜样。在他们影响下，在科学研究交流的过程中，科学界逐渐地、自然而然地形成了一些约束科学家行为的价值规范或准则，这就是科学精神。

概括起来科学精神可包括：

1．怀疑

善于提出问题，在一般人看来没有问题的地方提出问题。有些人能够对异常现象迅速提出问题，任何异常现象都是鼓励更多的对此感兴趣的学生去研究这种现象的机会。

怀疑同公开一样，是科学所具有的特性。尽管提出一种新理论会受到人们认真的注意，但是要一下能得到科学上的广泛承认的却寥寥无几。为此，他要向别人表明新理论可以得到证明，理论的逻辑推理与其他原理不仅不相矛盾，并且相互吻合一致。新理论的说服力超过了竞争对手的理论，而且新理论有助于形成新知识。由于绝大多数的科学家对新理论都持怀疑态度，所以在人们接受新理论之前，常常需要花费几年甚至几十年的时间进行批评、验证工作。科学教育应该帮助学生认识到系统怀疑的社会价值，并培养学生在公开观点和怀疑之间形成健康的平衡。

2．求实

一切从实际出发，科学不能有半点虚假，科学教育的理性思维过程，一是离不开事物的实际，离不开现实生活的实际。因此，科学教育是培养学生具有实事求是的优良品质的重要途径。

3．进取

永无休止的进取精神，这是现代科学技术的本性。前美国总统科技顾问基沃斯博士说，现代科技人才必须具有三个条件，其中重要一条，就是要有强烈的进取和探索精神。

4．创新

就是凭借自己的智能去发现、掌握他所尚未知晓的知识，并能运用。科学知识概念会发展，结论会深入，任何时候知识总有局限性，永远不会有尽头。科学教育在继承基础知识同时，要特别重视培养学生的创新精神。

5．严谨

对待科学要求严谨。严谨是现代科学技术的生命，科学发展的精密要求是极其严格的．不能有丝毫差错。

6．公正

就是客观公平，没有偏向性。

7．合作

现代科学技术的发展，目前的科技活动，工业的创新，都趋于大型化，不再是偶发性个人天才的表演，而是大规模有组织的群体活动，是企业化行为，因此合作尤为重要。

8．奉献

无私无畏的做出贡献。

实践证明，科学精神是个人的、社会的重要精神财富，它对于促进人的良好个性品质的形成和社会的进步起着十分重要的作用。

中国科协把科学精神归纳为八个字：“求实、创新、协作、献身。”这八个字也是中国科协青少年辅导员协会提出的一个指导思想，要在青少年当中努力培养科学精神，全面提高科学素质。

（1）求实

科学必须以客观事实为基础，去探索事物客观规律，所以求实就成为科学精神的基础，对青少年来说，最基本的求实就是说真话。科学家钱学森说得更形象，他说：“在美国，一个科学家如果违背了求实这一点，就没有人请他参加学术活动，也没有刊物发表他的文章，他在科技界就没有立足之地，只能去卖冰棍。”我们的青少年科技活动或者教学活动要培养学生的观察、实验、动手能力，就因为来源于实践，以客观事实及其规律来检验我们的思想，这是个前提。因此。我们要把“求实”放在第一位。它是科学精神的基础。

（2）创新

事物是不断发展的。人们对于客观世界的认识也是永无止境的。而且人们对客观世界及其规律的认识也是不断深化的，所以科学必须创新，创新是科学的生命．科学的生命就在于创新。

（3）协作

科学从一开始就是一个共同的事业。随着近代科学诞生，“科学共同体”也随之诞生。“科学共同体”实际上就是科学家的集体。他们有共同的信念，有共同的研究对象，有共同的概念把他们结合在一起。所以协作实际上是科学共同体所产生的一个规范。不管这个共同体是大是小，比如爱因斯坦的相对论，彼尔的量子学派，一个学派的内部要形成一个共同体；一个学派内部要协作，学派之间也要相互协作。协作已经成为科学家的共同规范。

（4）献身

科学家从事科学研究的目的是为了发现真理，而不是占有真理，是为了把自己的发现贡献给社会、贡献给人类，所以科学精神的最高表现是献身科学、献身社会。

科学精神教育有助于学生更好地掌握科学知识和科学方法，使学生成为社会主义所需要的合格的建设人才。

四、科学态度

科学态度是科学教育的重要学习目标。简单地说．科学态度就是面对实际问题，能够遵循事物本身的脉络，实事求是。科学态度是理性而不是意气，客观而公平、精益求精、存诚务实，从发现问题到设计实验，验证假设，不可凭主观看法，不以自我为中心草率作结论，凡是皆以全面事实为根据，依靠合乎逻辑的理性思维，不虚假，不作伪，不臆断，不迎合他人，而是以理性分析，将零碎、孤立的讯息结合成一个整体，从而达到追求新知识或解决问题的终极目的。

孔子说：“知之为知之，不知为不知，是知也。”这就是科学态度。科学家钱三强说：“科学态度和科学作风是一个人优良品德的重要组成部分。对于一个人成就事业的重要性，丝毫不亚于他们的知识和能力，甚至可以说更重要。”

我们从当代女科学家弗兰克林的事迹中就可看出她甘为人梯的高尚科学态度。弗兰克林是一位很有才华的英国女物理学家。她生于1920年，1942年毕业于英国剑桥大学物理系。1951年在英国皇家学院进行DNA分子衍射技术的研究，成功地提取到了DNA样品，并通过X射线衍射技术后援DNA分子照片，由此推测出DNA分子是螺旋状。她还定量地测定了DNA分子中核糖和磷酸的位置的不可变性。实际上，弗兰克林已经比较肯定地认为DNA分子是双螺旋结构r。但遗憾的是，作为一个物理学家，她还未意识到DNA分子中碱基互补配对和双链走向的生物学意义，因而没有对此做出应有的判断或假说。与此同时，1951年美国青年生物学家华生和英国青年物理学家克里克在前人研究的基础上，也着手研究DNA分子的结构模型，但由于计算机的错误，最初他们把DNA分子假设为三条链构成，后来受到弗兰克林研究的启示，才提出DNA分子双螺旋结构模型和碱基互补配对原则。1953年3月17日，弗兰克林把她的研究成果打印成文，仅在一天后的3月18日，华生和克里克也宣布了他们的研究成果，并于4月25日在英国《自然》杂志上公之于世。这时的弗兰克林并没有去争夺谁的领先权，而是在该期《自然》上刊登了她的一篇热情洋溢的支持文章。华生看到这篇文章后受到启发，进一步提出了DNA分子的复制原理，获得诺贝尔奖的巨大荣誉。虽然弗兰克林没有获得她应得的荣誉，但是，她为发现DNA的科学事业，为后来者华生和克里克奠定了坚实的基础。这种无私奉献的科学态度，成为鼓舞科学事业前进的巨大力量。

美国威斯康辛州理科委员会列举的科学态度：

（1）根据新的证明，迅速而愉快地改变了自己的意见；

（2）排斥个人的、宗教的或社会的偏见，追求真理；

（3）具有因果关系的概念；

（4）具有根据事实判断事情的习惯；

（5）具有区别事实与理论的识别力。

日本桥本重治把科学态度概括为：

（1）以因果关系的概念观察事物的态度；

（2）根据事实判断事物的态度；

（3）没有获得充分证据不下判断的态度；

（4）根据新证据（新理论）修正自己意见的态度；

（5）不偏见、不固执、抱着怀疑的态度；

（6）对于计算、观察、报告等作业，尽量做得细密、精确的态度。

中国台湾省小学暂行课本自然科学对态度的要求是：

（1）有尊重事实，服从真理的精神；

（2）要谨慎不要马虎，大小有别，不要忽略细微差别，力求养成精确的习惯；

（3）对于生活现象，能够细心观察研究探求；

（4）对于任何问题能虚心好问，寻求答案；

（5）对于实验研究工作，能不怕繁杂，贯彻到底；

（6）对于研究活动的进行，重视方法与步骤；

（7）对于需要共同研究活动，能尊重别人的意见，合作无间；

（8）有信赖证据，不盲目，不迷信；

（9）有接近自然的习惯与爱护自然的态度；

（10）在日常生活中，有良好的卫生习惯；

（11）对于日常生活的任何事情，有设法改进的愿望；

（12）发展科学，改善民生。

五、科学价值

“价值”这个概念是人们思考、选择、评价和实行的各种信念目的、行为、态度等等。

科学价值即对科学有一个共同的基本信念和做法。

首先，世界是可以被认知的。宇宙间的万事万物都是以恒定的模式发生和发展，只要通过认真的、科学的系统研究都可以被认知，并且在宇宙这个系统的任何地方，基本规律都一样适用。例如，用来解释地球表面物体运动的规律和自由落体规律，在月球和其他行星上也适用。同时，科学设想是变化的原因，科学是一个产生知识的过程，知识的变化是不可避免的。不论哪一种理论对一种现象解释得多么完美，但总是不断地进行理论验证、修改，也有可能会抛弃。科学家们认为，思考这个世界及其怎样运转时，要拿出日益精确的近似真理。另外还要有科学知识的持久性，当一个强有力的学说力求保存下来，要变得更加精确而为更多人所接受时，修正概念，而不是彻底地否定概念是科学的准则。例如，爱因斯坦创立相对论时，就没摒弃牛顿的物体运动定律，而是指出从全面的角度来看，牛顿定律只能在一个更广泛的概念中有限度地、近似地使用。

最后一点，科学不能为一切问题提供终极答案。世界上许多事物不能用科学方法验证。例如，信念就其本性是不能证明否定或肯定的。在一些场合，科学方法还可能受到一些不相关的、具有某种信念的人的反对，例如，相信奇迹、算命、迷信等。

价值观是一个复杂的问题。它不仅随着时代的变化而随时更新，在同一时代、同一社会内部，由于不同社会集团、社会组合的不同行为，要求和愿望，就产生不同价值观。另外，由于经济发达、包括交通发达，以及科学技术和信息在世界范围的迅速交流，价值准则体系必定出现多样化。更有甚者，西方的暴力、吸毒、色情也凭借科学技术手段，使“越轨的文化”迅速蔓延，知识文化水平越低就越容易被污染。这样，给学校、家庭和国家所提出的健康的正确的价值观造成不小的障碍。

在改革、开放的我国，价值观也呈现复杂情况。对国家、对人民负责的价值观依然存在，而且既有广泛的群众基础，还有深远的历史传统。但是，无节制的追求权力和利益，甚至买办价值也有抬头，如把西方的“病毒”也当宝贝，“月亮也是外国的圆”。这不能不给教育提出艰苦而复杂的任务。科学教育是唤醒人们的理智，科学教育的价值观有助于扶正祛邪。科学还自然以本来面目，驱逐宗教迷信强加于自然身上的一切伪作。科学为广大群众所接受，是凭借自然的客观性，也是凭借群众的智慧和觉醒。因此，科学的价值性具有彻底民主的本性：它既不靠硬说教，也不靠权力强制。科学的价值观吸收传统文化中民主科学的精华，排斥反民主、反科学的糟粕；对传统文化采取分析地、批判地继承的科学态度。

几年来，在一些国家里，可以看到在恢复最悠久的文化价值的基础上重建社会的努力。这种愿望甚至给予宗教或神秘主义的思潮以新的推动。一部分居民试图恢复互助的伦理道德。这种愿望还在一些国家的人民中激起了一种愿望：通过对传统的重新解释，从中找出创造性的内容，来建立自己特有的现代社会。这种努力意味着更新社会的准则和惯例，这就要运用那些能使社会接受进步而又不自我背叛的文化和生产传统、美学和道德价值。而这种努力，显而易见，是同科学教育在人们头脑中播种理性思维的种子是分不开的。

传统的价值教育方法一般是通过：

（1）树立榜样。主要是通过各种好的榜样——雷锋、焦裕禄、蒋筑英直接对学生教育。

（2）说服和开导。通过这套或那套价值体系提出各种辩论和理由，并通过揭示其他各种价值体系的谬误和缺点来实现的。

（3）激励。提出激励人心的或情感性的要求来达到各种特定的价值，这通常伴随着与这种价值相联系的各种行为模式。

（4）运用各种规则和规章。各种规则和规章被用来控制和塑造行为，直至它们被不假思索地被认定是“对的”，正如运用各种奖赏和惩罚来强化某种行为一样。

以上几种方法都含有某种说服的观念，某些“对的”价值是预先定好。然而有一种教学法，或者另一种将那些价值兜售、推销、强加给他人的做法。这些做法似乎都是对学生进行灌输的，所有这些方法都缺乏让学生自由探究、审慎思考和推理的观念；不注意帮助学生如何发展某一种评价过程，而是劝说某个学生采纳某些“对的价值”。

现实生活告诉我们，年轻人和成人似乎并不是依靠任何一贯的价值体系来生活的。他们是带有激情的、变幻无常的、有时是抱有怨恨的情绪行动的。许多学生发现，在他们的自由时间内没有什么值得喜欢的事情可做。即使在学校，许多学生也是漫无目的和随心所欲的，他们的行为仅仅（但却不总是一贯地）受各种外部压力的推动，并不靠我们相信是对的和合理的价值，而是靠别人做的或说的来指导我们的生活，这说明对价值真正的含义并没有理解。

但是在实际生活和工作中还存在着说与做之间的巨大差异。有许多领导人、实业家们所做的事与他们所说的作为他们的价值观的那些话是不一致的。一些以“特殊”为光荣，受贿赂而不知耻的现象，不仅表明价值教育的不足，而且更是科学教育的不足。因而，个人的各种信念、态度、活动或情感符合标准的“价值”应是经过理智的选择，是得到理性的肯定的，是与实际行为紧密结合在一起的，是在人们的生活中得到重复运用的。