四、我们的科学教学怎样落实到过程与方法

对科学本身来说，它的过程很重要。那对于我们的科学教育来说，特别是科学启蒙教育来说，我们需要培养科学精神、科学态度、科学思维方式，这就显示出过程方法是很重要的!但我们的过程与方法主要有什么呢?

(一)实践—认识途径

我想对于“实践—认识”这个途径来说，首先是获取经验材料，如观察、实验、科学调查，它们都是获取经验材料的方法 (当然这个调查有的时候获取的是别人的经验材料而不是自己的实践材料。但是有些科学调查，如植被的调查、野外动植物的调查，那是属于直接获得经验，获取直接的经验)。在获取经验材料之后，我们就需要整理经验材料，就要判断、比较、分类，形成事实性的概念，形成表象。表象的问题我们没有时间，今天不能展开讲。从心理学上提出“双重编码理论”以后，这一块在国际上都是很关注的问题。第三是建立科学理论的方法，比如说抽象、推理、构建、假说，并且检验。

如果从过程来说，实践—认识途径的过程是什么?首先就是要获取经验材料，然后是整理经验材料，接着再建立科学理论，这每一步都有它适宜的方法。但是我们在教学中，有时把这个事情说得过于简单了。

我举个例子来说。我发现很多小学和初中的科学课教材都说到一个事例：牛顿怎么样发现地球的万有引力?说他看到苹果从树上掉下来，所以从这个观察入手，他就发现万有引力定律了。发现得了吗?发现不了!看到苹果从树上掉下来是一个什么事?在这里是属于哪个过程?哪个环节?这是观察!他观察到这么一种现象，观察到这么一种现象马上就会出来这么一种理论吗?绝对出不了!“苹果从树上掉下来”在牛顿的万有引力定律的发现中应该起着什么作用?牛顿成功的最关键的地方在哪里?最关键的是抽象!他抽象出一个“力”的概念来!“力”是人们一直在用的，但是把“力”这个概念抽象出来的是牛顿(是第一人)。

在牛顿之前，人们认为月亮之上的运动是天上的运动，月亮之下的运动是地上的运动。亚里士多德认为天上的运动和地上的运动是不一样的，亚里士多德的理论是没有实证的。他有观察，但是他很多东西都是猜想(尽管他有的猜想是不错的)。牛顿他抽象出第一个概念之后，就运用力的概念去构建力学理论体系，里边就有力学的三个定律。解决了“力学三定律”之后，他就要思考：天上的运动是不是和地下的运动一样?这就涉及到天上的运动和地上的运动的力是不是同样的力?他看到苹果掉下来，对他的启发只能够是让他想到这个力可能是地球的引力。因为苹果原来在空中，从空中落到地上，更高一点是不是也会落下来呢?如果它在空中不落下来，那肯定有它不落下来的道理，但这里都要遵循力学的原理，其实给他的启发就是这一点!他绝对不可能只是看到苹果落下来就会得出万有引力定律!我们如果要给学生一个关于科学过程和方法的正确认识，我们就要让学生知道：你要通过实践认识事物、获得科学认识，你首先就要通过实践获取经验材料，然后是整理经验材料，再进一步才能建立科学概念和科学理论，而在不同的阶段，会有不同的方法，这就是所谓过程与方法。

(二)假设一检验途径

如果是通过假设—检验这个途径来做，我们的标准已经写了，小学的课程标准说了七个环节。我现在按照我的认识把我对小学课程标准里的这个问题稍微说说看。

第一是提出问题。科学的问题有两类：一类是概念的问题，另一类是经验问题。对科学的发展来说概念问题是更重要的，如在物理学当中有一个热力学第二定律，说自然界的事物如果就这么放在那儿，它结果会怎么变化呢?它是会熵增加的。所谓熵增加就是混乱度增加，有序度就会减少。比如说一座房子放在那儿，都不去维修它，它后来就会塌掉的!说明它会混乱了，混乱度会增加，混乱度增加了说明熵增加。但是对生物来说，生物的个体发育和系统发育中熵是会减少的。就一个人来说：小孩子长成大人，他是不是有序度越来越高了?从生物进化来说(达尔文的进化论)，最早出现的是很低等的生物，后来逐步出现越来越高等的生物，它也是一个熵减少的过程，怎么会按照热力学定律，熵会增加而到了达尔文的进化论熵减少了?这两个不是都被认为是自然界很重要的规律吗?他们发生了矛盾了，这就是概念问题!我们国家原来对这个问题怎么解决呢?我们说热力学第二定律所推导出来的结果叫“热寂论”，这个“热寂论”是反动的，它代表了资产阶级垂死没落的心态，事物就是由低级向高级发展的，所以达尔文的进化论是马克思主义的一个坚实的基础!所以我们的生物教材涉及到达尔文的进化论为什么是对的时候，我们不是从科学的角度来说它为什么对的，我们是这样解释的：恩格斯说进化论是19世纪自然科学的三大发现之一，恩格斯说进化论为辩证唯物主义奠定了基础，所以达尔文进化论是对的。这样的推理过程是不是科学的?那绝对不是自然科学的，那是政治的。

在自然科学中，对这个问题的处理后来出现了“非平衡态热力学”。但是现在还没有完全解决这个问题，现在还在发展当中。至于诺贝尔奖，按照我们中国人这样的处理方法，我们搞了50多年了，我们就是拿不到诺贝尔奖。用我们那样的思维方式培养小孩子，他就不可能深入地研究问题。概念问题在基础教育中一般不引入，在科学课程中能讨论的只是一些经验问题。在基础阶段，我们能给学生讨论的问题大部分都属于经验问题。当然概念问题是不是可以通过一些有效的方法介绍给学生，可以研究。但是概念问题它不属于观察到的，要求比较高。实践中的问题要求比较低，学生容易观察到。我记得我小的时候就知道棉衣穿在身上是很暖和的，我第一次看到卖冰棍的木箱里放着棉被，我当时觉得太奇怪了：把冰棍放在棉被里头，那个冰棍不是一下子就化掉了吗?当时的这个问题印象十分深刻，实在想不通怎么会是这样的!像这样的经验，小孩子可能就会去想、去发现。
    第二个环节是做猜想和假设。我觉得在做猜想和假设的时候，有这么一个问题。我们小学的科学课程是把猜想和假设放在一起的，就叫猜想和假设。可能有好处，但是也容易造成混乱。科学假设是要有依据的，但是猜想却是可以随便猜的。现在有些课堂上出现了孩子们随便怎么猜老师都说好，都说“你的思维很活跃”的情况。有的人说这种情况是鼓励学生胡说八道。有时我听课的时候真地也有这样的感受。“头脑风暴”是一种创造技法，完了之后必须要有一个筛选的过程。如果不筛选就给予肯定，那就是鼓励学生胡说八道了!因为假说是必须要有依据的，你或者要有知识的依据，或者要有事实的依据。学生也可能根据这个假设得出的是一个错误的结果，但是它有依据。比如说我小时候“关于冰棍”的事情，我就想冰棍放在那样的箱子肯定是会化掉的，所以我就猜测它会化得很快。为什么会化得更快呢?我有我的依据：因为棉衣是保暖的，现在冰棍放在里边，一暖和它不就化得更快了吗?虽然这个推理结果是错的，但是我是有这么一个依据的，有这么一个推理的过程，这就是假设。如果是胡乱猜测没有依据的，那不是假设。所以我觉得还是要搞清楚的，要不然的话，学生学完了科学，以为胡说八道都是科学，那肯定不对!所以假说一定要有一个知识的或者是事实的依据。

有些人可能要说，照这样讲，直觉、灵感、想像不就都没了吗?那还有什么创造性呀?我觉得不是这样。为什么呢?因为直觉它不是凭空而来的，不要以为有的幻想小说或是一些科普小说上会把“直觉”说得好像是“眉头一皱，计上心来”，其实现在按照心理学的理解的话，格式塔心理学认为直觉是对整体情境的把握，认知心理学认为直觉是一种再认识过程，是在过去经验的基础上、从长时记忆库里把具有问题解决意义的信息提取出来（即遇到问题从长时记忆库当中提取具有问题解决意义的储存信息）的一种过程。同时，心理学也认为灵感是以抽象思维和形象思维为基础的，它不是一种突然而来的意识，它是在一定的情境当中或是在一定的感情当中所发生的一些事情。现在有些人之所以把直觉和灵感说得很神秘，是因为这不是一种有意识的思维。确实直觉和灵感不是一种有意识的思维，它们是一种无意识或者说是一种潜意识的思维过程。按照脑科学的理解，学者认为这样的一种思维是在网状结构当中形成的，它是一种潜意识。但是网状结构的潜意识活动肯定不是凭空产生的。比如有些科普小说说爱因斯坦提出广义相对论好像是凭空而来的，其实他所使用的弯曲时空的概念是黎曼几何的概念，只不过他把人家的东西移植到这里。想像是一种抽象思维和形象思维的结合，它往往是运用形象思维的一些类比。也正因为这样直觉、灵感和想像都需要一定的积累，而且它们都需要依据，都需要证实。在科学过程中，证伪也是很重要的。
    第三是制定探究计划，针对假设寻找证据。在科学教学中，现在有一个很重要的问题，就是大家很轻视那种验证性的实验，以为只有探索性的实验才是有价值的，验证性的实验是没有价值的。其实不是这样的!对验证性的实验，你要做出这个实验，你还要用这个实验去证实或者去证伪，这里就有一个要找到证据和论点之间的关系，要怎么论证的问题。它其实也是一种非常重要的科学探索能力。
    接下来是实施计划，我们课标里把它写成两个部分，第一部分是观察、实验、制作(第四环节)；第二部分是搜集整理信息(第五环节)。
    第六是思考与结论，在这个环节中应该很重视学生的思维过程，这里的思维过程首先会涉及到判断。怎么样根据事实作出判断?判断有许多类型，例如是简单判断还是复合判断；复合判断中，是联言判断、选言判断还是假言判断、负判断。我想我们的小学生通过我们的科学学习，他要学会作判断。因为判断是最基本的，你看到一个事实，你要作出判断，对人的一辈子来说，判断也是一种最基本的思维能力，而无论哪一种途径都需要作判断。然后要作推理，比如说作归纳推理、作演绎推理、作类比推理。但是要注意，演绎得出来的结论是必然性的，而归纳和类比得出来的都不一定是必然的。然后这个环节还有反思和评价。
    第七是表达与交流，小学的表达与交流的形式非常丰富。
    最后想谈谈数学方法。科学探索无论哪一个途径都要用到数学方法的，而且无论哪个途径的任何一个环节都肯定要用到数学方法，数学方法是贯穿全部的。小学和初中里的数学方法，主要有这么一些：第一是计量，如质量的计量、温度的计量、长度的计量，等等。第二是定义概念，小学好像没有，在初中里面是压强、密度等。第三是量与量之间的关系，如距离、速度、时间的关系，再如气温随着时间而变化的关系，这些关系有时就得把它做成有两个维度的一种表示方式。第四是数学表达，会涉及到数、式、图、表。这里有个问题值得讨论：数学课里学到的东西，是不是马上就可以在科学课里边运用?我们小学里头有没有谁做过这个研究?当时我们作浙江省的《自然科学》课程的时候，我们遇到了一个问题：比如代数式的恒等变换，学生是在初一学的，我们在自然科学里，学生什么时候能够用?我们为这个事情做过研究。

后来发现，它要到初二下学期才能用，初二上学期只有少数学生能用。后来我们就把需要代数式恒等变换的科学内容放到初二下学期以后去做。开始想不明白：为什么学生初一学了，却不能用?对学生来说，他有一个知识迁移的问题，在数学里学的东西要把它迁移到科学里头，有困难。现在小学科学课也会涉及到好多关于数量的问题，上一次我在英国听小学科学课，他们在低年级也用到“数量”，他们让小孩子去抓小虫子，然后问：你抓了几种?给它编上号1、2、3……，再用直方图把你抓到的东西标出来。它的表达很简单，就是用红方块代表1号虫子，如果你抓到3只1号虫子，那就用3个红方块，把3个红方块叠起来就是1号虫子的柱状图；那2号虫子就用绿方块表示，抓到1只就用1个绿方块表示。这里并没有把它抽象出来，还是用一个形象的方法来表示。现在小学科学教材出现曲线，这需要数学抽象，所以这还是一个需要研究的问题。