科学本质中“科学是创造性的工作”对科学教学的建议与启示

邴 杰 刘恩山*

（北京师范大学生命科学学院 北京 100875）

科学本质教育是当前国际科学教育发展的重要趋势，在科学课程中帮助学生理解科学的本质是一项重要内容［1］。我国《普通高中生物学课程标准（2017年版）》于2018年1 月正式颁布，在教学和评价建议中提出高中生物学课程要适当教授科学本质的内容，其中“科学是创造性的工作”成为其中内容之一［2］。因此，在生物学课堂上教师需要促进学生对科学本质中科学是创造性工作的理解，并在科学教育的课堂中培养学生的创造性，以达到课程的要求。 关于创造性的话题是教育中的永恒话题，然而其内涵及如何在学科教学中将其与生物学内容相结合，进而应用到课堂教学之中，国内学术界并没有深入的研究探讨。 为了能更好地理解“科学是创造性的工作”，有效地将其应用于一线教学，本文将从内涵、教学应用和教学建议3 个方面对其进行介绍和分析。

1 科学是创造性的工作

科学是创造性工作，是科学技术发展推进的原动力。 创造性关键在于创造性地发现问题和解决问题，并能提出创新性的理论和方法等。奥斯本（Osborne）等利用Delphi 技术研究科学领域中不同专家对科学的认识归纳，认为在科学教育的课程中，应包括科学本质中重要的一条是“理解科学的创造性”，认为“科学家在形成科学概念时需要创造性”［3］；霍尔顿（Holton）从反证的角度指出，科学并非纯粹理性和系统性的活动而需要科学家的创造性,否则计算机也能创造科学了［4］；因此，科学的产生与人的思维活动密切相关，需要人的主观能动性。 著名细胞生物学家克劳德在细胞学说建立100年后，破除传统的思维模式对形态学观察的桎梏，提出的定性定量分离细胞组分的方法，为研究细胞内部组分的结构和功能开辟了新的途径。

然而，科学的创造性中的主观能动性并非是空中楼阁的空想和假设，而是建立在观察和前期知识之上的理论与假设。 例如高中必修1 中的重要事例，关于酶本质的研究中，起始于对葡萄酒的酿制等生活问题，在探索糖类变为酒精的过程中，不同的科学家提出不同的理论。 初期阶段化学家认为此过程与生命活动无关，随着显微镜的发现，微生物学家观察到了酵母细胞，并提出酵母细胞是糖类转化为酒精的重要条件，认为该过程是有生命参与的； 但是德国化学家李比希仍坚持引起发酵的是酵母细胞中的特定物质，而这些特定物质需要在酵母细胞死亡裂解后才会发挥作用。 2种争论一直持续到德国化学家毕希纳将酵母裂解物与葡萄糖反应后变为酒，得出酵母细胞中引起发酵的物质，并提出了酯酶这一概念。由于技术问题和酵母细胞提取液的混合物问题，科学家在此结果基础上作出假设，认为酶是一种蛋白质，但是受制于技术等，并不能确定其成分。随着技术的发展，美国科学家萨姆纳从刀豆中提取出脲酶，并成功在丙酮中提纯出结晶，该结晶溶于水后催化尿素分解为氨和二氧化碳，并用不同方法证明了脲酶为蛋白质，此后大量的酶被提取出结晶，并被证明为蛋白质。

当前我国已成为世界科技创新中心之一，生命科学一方面揭示生命科学发展的规律，生命科学的发展经历了神秘的传说—模糊的猜测—可被触及和拆解的规律的过程，正如《创新中国——生命》中所言，“没有神话传说，没有宗教传说，生命有时候可以简化为一个化学作用，对科学家来说，如果创造出必要条件让特定的化学反应发生，生命就可以诞生。”另一方面为了解决当前人类面临的基本生存问题：食物、对抗疾病延缓衰老等，如何制造更多的食物满足未来需求？ 科学家不断利用生物学技术和新思路加以创造性解决。“科学创造”正在科学规律和现实挑战的问题解决中开出璀璨的花朵、结出丰硕的果实。

2 教学中培养学生的理解和应用能力

“科学是创造性的工作”作为科学本质的组成部分，是学生科学学习中的重要概念之一，而“创造性”也是科学中的永恒话题。 科学是渐进的、动态的变化发展过程，生命科学也是如此。在科学课堂教学上，教师在教学过程中对该概念的理解和掌握需要从认识科学研究的一般步骤开始，引导学生形成高质量问题的提问能力。 问题是创造性发展的源动力，是激发学生学习积极性和完成有意义学习的重要基础。 Krajcik 等认为高效的科学课堂中实现学生有意义的科学学习、 培养学生创造性，需要将课堂教学与提出的问题相整合［5］。

学生学习科学的过程其实质是对科学发现过程的再梳理，基于建构主义的学习理论认为，学生的学习过程其实质上与科学家的创造性发现过程具有相似性。 学习中的创造性是建立在观察和前期知识之上的理论与假设，受到客观条件的控制。明确创造性的思维方式，让学生认识到发散性思维与收敛性思维（理性思维）在问题解决中的作用，进而习得解决问题的路径和方式方法。

因此，在教学策略上引入以问题为导向的学生开放性实验设计，帮助学生理解“科学是创造性工作”，鼓励学生在提出问题、实验设计等实践环节表现出创造性。

在科学课堂上实现“创造性”的教学，需要教师指导学生时特别注意以下几点： ①基于生物学观点或概念提出探究性问题； ②利用发散性思维激发学生多种符合逻辑的猜想、假设和方案；③利用收敛性思维让学生审核创造性成果的条件性和合理性；④科学实践为学生检验想法提供严谨的证据和符合逻辑的解释。

这些环节是结合生物学教学主题将科学本质之创造性融为一体的教学过程。 教师首先要将教学活动聚焦生物学核心概念或观点，进而利用创造性要求中的发散性思维，调动学生的主观能动性； 利用收敛性思维让学生认识到科学创造中的客观条件制约性； 最后实现让学生能利用科学工作中的研究范式促进学生对科学的学习，培养学生在科学中的创造性和对创造性的理解，能提升学生对日常生活问题和解决问题的敏感性。 教师在真实课堂中可根据实际的教学内容和学生的认知水平，将科学本质——科学是创造性的工作渗透到相关的教学活动中，并采用明示的方法强调科学本质的要点。

除了将科学是创造性工作与学科知识融合的教学活动之外，在一线生物学教学中，“科学是创造性的工作”还可以从科学史的角度开展。 对在科学史中选取的具有标杆性的实验加以分析，并在有条件的基础上还原真实条件下的经典实验，实现对科学本质之科学是创造性工作的理解和应用。 教学设计可参考蒙克（Monk）和奥斯本（Osborne）所提倡的科学史教学历程［6］，这是用科学史与科学探究凸显学生科学本质理解的模式。 该模式通过对特定主题下科学家的研究事例与学科课程内容结合加以设计，将教学分为7 个环节：引入、沉浸、整合、计划、实验、检验、评价。

引入（engagement）环节由教师提供历史上关于某个特定现象，例如具有不同观点的科学家案例，结合生物学知识介绍相应背景材料，让学生阅读相关材料。在沉浸（immersion）环节，教师提出有针对性的问题，让学生沉浸于所给材料，思考历史上经典的争论。 在整合（consolidation）环节中，教师组织学生对问题展开讨论，学生充分利用理性思维归纳、比较不同观念及不同的实证资料，帮助学生归纳科学史中出现的不同理论，并对照学生观察到同一现象后会得出怎样的科学观念。 在计划（plan）环节，根据科学家提出的创造性假设与理论，学生提出自己的观点表明支持或不支持，并作出相应的实验设计，评判新、旧理论的优劣。 实验（experiment）环节是让学生根据前期的实验计划实施实验，收集数据并提出研究结果，教师通过过程技能评价学生的实验操作。 在检验（examination）环节中，教师让学生根据所获得的实证数据评判、 分析自己与其他同伴提出的不同的科学观念，启发学生对自己的结论和其他组学生的结论，以及所选材料中科学家的结论作出比较；让学生评价自己观点的创造性，并在归纳与比较中完成对实验设计的修正。 让学生充分理解科学是创造性工作的本质，以及如何在科学研究中对权威产生质疑，并充分体会其创造性所在。 最后，在阐明（clarification）环节，教师提出学科中涉及该研究或现象相应的科学概念，从而强化学生理解应该掌握的科学概念，并掌握当代的科学观念及新观念中创造性的产生机制。

3 结语

引导学生对科学本质之科学是创造性工作的理解和应用，需教师付出更多的努力，以上对其内涵的理解和教学应用的建议，旨在让教师理解科学在形成过程中科学家的主观能动性、 条件局限性，以及科学研究过程的严谨性。当前我国生命科学高速发展，其自然地理优势和丰富物种等为我国生命科学的发展提供了重要战略性资源，新技术发展后的全球科学共享性和同步性，冲击着科学家对事物的认知发展，无论是揭示生命的规律还是解决现实中的问题，科学家建立在观察、前期理论技术基础上所表现出的主观能动性创造着一个又一个奇迹的发生。 科学的发展离不开科学家的创造性，但是科学的创造性又离不开科学研究的严谨性，无论是科学的发展还是科学课堂上对学生创造性的培养，不能仅站位于对思维的无限扩展，要基于对客观存在的认真观察、分析。 不能因为对创造性的追求忽略了对生物学知识的理解。因此，对于科学是创造性的工作的理解要从实际出发，让学生理解生物学概念和观点的重要性和基础性。创造性也非空想和无边的发散，而是要建立在已有知识之上的再发展与再创造。 教师要在调动学生主观能动性的基础上，有针对性地培养学生科学研究的理性思维方式和科学探究方法，让学生在思维和实践的过程中理解科学本质中“科学是创造性的工作”，从而促进学生理解基于科学研究严谨性基础上的创造性，实现对学生生物学核心素养的全面提升。