科学的本质与生物学素养
科学教育(包括生物学教育)是以两个方面的认识为基石的:一方面是对儿童的特点和他们的学习规律的认识(将在第五章讨论).另一方面是对科学的性质.特点和科学思维方法的认识。
科学教育工作者.不论是课程设计人员还是一线的教师.对这两个问题的不同认识.将会直接导致有不同的教育产品。因此.本章内容涉及科学的性质和特点.为什么要在科学教育中体现这些特点.如何体现这些特点.还讨论了对科学教育最基本的认识及能够让学生更有效地学习科学的途径。
自然科学是人类活动的一个重要方面。经过不断努力.人类获得了很多关于自然界运动规律的认识.这些科学知识不断地被验证和完善.并且世代相传。在探索自然界的过程中.科学家们使用了一些特殊的方法来观察.思考和求证。并以此形成了科学的特征。这些特征反映出了科学性质的基本方面.以及自然科学与艺术.文学等领域的不同之处。
关于自然科学
一.科学的本质和特征
(一)定量化
定量化是科学的基本特征之一。科学依赖于定量化的工作、依赖于精确的测量。在自然科学的许多领域中，科学家给予可定量化研究的问题最高的优先权。科学家常常要考虑:这些现象能否被测量它的变化速率是怎样的。
例如：金鱼在常温下的呼吸速率是多少？在低温下的呼吸速率是多少？要研究这些问题，测量是基本的工作内容。
科学工作定量化的特点将科学与数学结合在一起。我们对研究的对象进行测量之后，会得到一些数据，对数据的分析和处理需要运用数学的方法。运用数学的方法，可以将事物之间的联系以简明、准确、显而易见的形式表示出来。
当一种自然规律以数学公式表示时，要比用文字的方法更准确，更容易让学生理解。定量化、精确的测量，以及充分使用数学的方法，是自然科学的特征之一。
(二)观察与实验
科学家在对自然界的研究中，要进行实验和严格细致的观察，这使得观察和实验成为自然科学的基石，也是自然科学区别于其他学科的又一个重要特征。
通过实验来研究事物，特别是通过精确的对照实验来探究问题，是自然科学的突出特征。因此，科学家在研究不同的问题时，必须设计精确的对照实验。在自然科学领域，实验是向自然界准确的提出问题，寻找答案的方法。
科学家强调，实验是一种特殊的经历。在一个(科学)实验中研究人员有一个要解决的真正的问题，并力图通过实验去找出事物之间的关系，寻求问题的答案。实验是人们从事的具有创造性的活动。
(三)人们在研究自然界的过程中对预期的要求
预期是出自人们对自然界的认识，认为自然界的运动是有规律的。一旦人们了解了其中的规律，便能够做出的预期。
预期要经得住实验的检验。科学理论只有当它们被实验反复证实之后，科学家们才会接受。
例如：我们相信绿色植物在有光的条件下才能进行光合作用，产生植物所需的营养物质。我们可以据此做出合理的预期:当我们改变光照强度时，植物产生营养物质的过程会受到影响。我们可以用多次实验来检验这一预期能否实现。
在科学研究中，预期常常是根据假设做出的；当预期被实验验证之后，就增加了假设成立的可能性。
(四)在自我更正的过程中积累
自然科学的另一个特点是它的积累和进步。
积累-----自我更正------实现科学的积累和进步。
在科学研究的过程中，科学家对有些问题会进行激烈的争论，但随着科学的进步，会最终达成共识。1895年，达尔文的自然选择的观点发表后，有长达几十年的争论，直至20世纪才被广泛接受。
许多学术观点或理论发表之后，随着时间的推移，会积累更多的证据，新的证据使得原有的理论被修改，被推翻或被接受，成为科学知识的一部分。早期成果中的错误会很快被暴露，被修改或纠正。这一过程实现了科学的积累和进步。
自然科学的这一特点，与学术交流机制的特点及科学家们诚实、严谨的科学态度是分不开的。
(五)科学过程
自然科学包括动态和静态两个部分。静态部分是相对稳定的研究结果及由此而构成的知识体系；动态部分是科学家们在探索自然奥秘方面做出的不懈的努力，以及科学家们在思考和解决问题中所运用的思维方式和工作方法，人们称之为科学过程。正是因为科学的动态部分的存在，才使科学知识呈爆炸式的增长。学生在学习科学课程中，要使他们对科学的这两部分内容都有所了解。
科学过程的工作步骤
①确认和表述问题；
②根据问题提出假设；
③为检验假设而寻找证据；
④根据证据来评价假设的真实性，如有必要，对假设进行修改；
⑤得出结论，并将结论应用于解决相似的问题之中。
二 .自然科学的四个维度
科学是一个知识体系，
科学是一系列的思维方式，
科学是一套探究的方法，
科学要与技术和社会相互作用。
(一) 科学是一系列的思维方式
科学家的思维方式和思维习惯是构成科学的主要维度之一
科学家对自然界，对他们研究的领域有强烈的好奇心和求知欲。这种求知欲是他们深入思考和从事艰苦、被许多人看来是单调乏味的工作的动力。他们所具有的态度，信念和价值观，激励着他们不断提出问题，解决问题。
科学家在解决问题和解释生物现象时运用推理的方法
科学工作中许多是创造性的工作，这些创造性的工作首先要有新的想法，观点或新的解释，这些都是大脑中的工作，是人的思维活动。深入的思考和推理是科学工作的重要部分，它推动着科学的不断进步。
(二)科学是一套研究的方法
科学家获取知识的过程，人们叫做科学过程(技能)。它是一套研究解决自然界问题的方法，是构成科学的另一个重要的维度。
自然科学的研究方法有多种.在不同的研究领域.科学家们经常使用的研究方法不同。
如生态学研究中常常运用观察和预期的方法;微生物学则更多地依靠实验室的实验。
在生物学研究中.经常使用的过程(技能)方法有:观察.解释.假设.预期.测量.变量控制.进行实验.数据处理与分析及得出结论。
科学研究中三个十分重要的环节
假设 假设是科学探究过程中的有用工具.可以帮助研究者准确地表述自己的想法.或事物的关系.以便于进一步地检验这些想法。假设是一简短的陈述.用以说明一个模式或预期一种现象。假设是一些试探性的想法.是根据要研究的问题而提出的。假设必须经过观察和实验来检验。
观察 观察是科学的基石。多数观察是基于视觉.但观察也包括听觉.触觉.嗅觉和味觉等多种感觉。科学家通过观察来获取信息和数据.并通过对观察结果的分析找出规律。事实是观察的结果.事实可用于检验假设并进一步形成理论。科学知识体的形成也是大量观察工作的结果。观察在科学探究中起着核心的作用.但观察技能与观察者的知识.思维和动机密切相关。观察是探究中最基本的技能.但也是一种复杂的活动。
实验 同观察一样.实验在科学事业中和现代科学进展中起着核心作用。通过实验.一些想法可以得到证实和支持.错误的信念可以被推翻。实验为我们提供了深入探索大自然奥秘的探针。对照实验可以使科学家检验猜想.查明事物的因果关系。实验活动可小到用火柴点燃一粒花生.大到使用十分昂贵的设备来完成实验。
(三)科学是一个知识体
科学是一个庞大的知识体.正在迅速地.爆炸式地增长。
科学的知识体由事实.概念.原理.定律.假说.理论及模型等不同形式的知识构成.
科学知识可分成地球与空间科学;物质科学和生命科学等。在一个科学领域中.又可划分为不同的学科.如生物学.医学等。
科学知识是科学探究的结果.是科学静态的维度。科学知识体的猛增.是因为科学还有动态的维度.即科学探究的过程。离开了科学动态的维度.科学就不会再发展。因此.科学知识和科学探究是科学不可分割的两个方面。
(四)科学—技术—社会的相互作用
科学-技术-社会的相互作用.构成了科学的另外一个重要维度。科学和技术各有不同的特点和追求。但科学和技术又常常是密不可分。科学的进步.新的科学知识的产生会推动技术的发展。人们运用新知识可以制造出新的产品。技术的进步反过来也能推动科学的发展。
科学对社会产生了重要的影响。科技在改变着我们的生活。社会也在影响着科学。此外.科研机构和人员的管理机制也会对科学工作产生影响。科学的成长和发展是扎根于社会之中的。
科学与技术和社会的相互作用是科学的特点之一.是构成科学的另一个重要的维度。这一维度应成为科学教育中的一部分。
科学素养与生物科学素养教育
科学素养的构成:物质科学素养.生命科学素养.地球与空间科学素养等.生物科学素养是是公民科学素养构成中重要的组成部分。
我国基础教育的任务是培养未来的公民。在当今科技产品比比皆是.科学问题在我们的生活中无处不在的时代.未来的公民中有一部分人将会成为科学知识或科技产品的创造者或生产者.而几乎所有的人都将是科技产品的消费者.他们在个人生活和社会生活中.要去面对各种各样与科学相关的问题.并做出决策。这些都要求生活在当今和未来社会中的公民具有一定的科学素养。
公众科学素养调查
公众科学素养由三部分组成:一是对科学知识的基本了解程度;二是对科学方法的基本了解程度;三是对于科学技术对社会和个人所产生的影响的基本了解程度。
美国.日本.加拿大.原欧共体成员国等发达国家对进行集科学性.社会性和基础性为一体的公众科学素养的调查工作十分重视.经常和定期地对本国公众科学素养状况进行调查.分析和评估.并积累了大量的连续数据.为国家科技进步.社会经济发展有关决策打下了坚实基础。
我国自20世纪90年代初开始借鉴国外公众科学素养调查的指标体系和调查经验.逐步开展了有关调查工作。
一.科学素养
科学素养是指一个人对自然科学领域中核心的基础内容的掌握情况。
自然科学的核心基础包括:
①学生理解基本科学现象.规律.以及科学原理是如何用于技术领域之中的;
②学生以在学校的学习为基础.形成终身学习的基本能力和习惯;
③学生能够理解或解释发生在身边的科学现象;
④学生能够形成正确的态度.情感.价值观和科学的世界观.并以此来指导自己的行为;
⑤学生应掌握一系列的相关技能.包括操作技能.科学探究一般技能.比较.判断.分析和推理等思维技能.以及创造性和批判性的思维方式。
(一)科学素养概念的提出
随着20世纪60年代的理科课程改革的浪潮.在70年代初期.一些教育发达国家(如美国.澳大利亚)提出了科学素养的理念.并把培养学生的科学素养作为课程的基本任务。80年代以后.这一课程理念已经被科学教育家和大多数理科教师所认同.成为当今理科课程发展的一个共同趋势。
科学素养:科学素养是指了解进行个人决策.参与公民和文化事务.从事经济生产所需要的科学概念和科学过程。
科学素养最基本的含义是指学生能够合理地将所学到的科学知识运用到社会及个人生活中。科学素养包括了两个不同的方面:一方面是对科学知识.态度情感价值观及科学技能的掌握情况;另一方面是在已有基础上提高自己科学素养的能力。
(二)具有科学素养的人
①具有良好的科学态度和科学情感.包括探索自然的好奇心和求知欲.科学的价值观念.对科学学习的正确态度;
②掌握了科学的基本概念和原理;
③具有基本的科学探究能力.及对事物的观察能力.思考问题的能力.创造性地解决问题的能力.具有批判性思维的能力及在团队中的合作能力等。
一个人科学素养的具体地表现:
阅读科技文章.倾听并参与科学问题讨论.能将所学知识用于解决现实生活中的问题.熟悉常见的自然现象及其规律.了解科学原理在实用技术中的应用等。
二 .生物科学素养
"科学素养"是20世纪90年代以后许多国家的教育家在课程改革中的共同声音。它也成为我国新一轮理科课程改革的基本目标。在理科课程分科设课的国家.地区或学校提高学生"科学素养"的目的是由各分科课程——生物学.物理学.化学来共同完成的。中学生物学课程要担负着培养学生科学素养的一个方面的重要任务:培养所有学生的生物学素养。
(一)生物学素养概念的提出
1987年.Ewing等人在《美国生物学教师》发表研究报告时.使用了生物学素养这一概念。
1989年.June在《美国生物教师》发表了题为"生物学素养"的文章:讨论了美国公民缺乏科学素养.及生物学课程等问题。
1992年.Gibbs等人研究了公众科学素养与高中.高校生物学教科书的关系.指出.这些教科书作者本人科学素养不够.会直接影响到教科书的质量.并影响了学生。此后又陆续有人发表了关于生物学素养的文章.都使用了生物学素养(biology literacy)这一概念.从不同侧面讨论生物学素养.但没有把它作为生物学课程的目的来论述。
1993年.美国BSCS出版了名为"发展生物学素养"的生物学课程指南.对生物学素养作了详尽的论述.并把它作为生物学课程的基本目的。
BSCS是"生物科学课程研究所"的缩写. BSCS最初是由美国生物科学协会的教育委员会于1958年提出的国家级项目.目的是改革20世纪50年代的静态课程.在各个方面促进生物教育.使学生通过中学生物课程的学习.在离开高中进入社会时具有生物科学领域所需的基本技能。
BSCS认为.一个具有生物学素养的学生需要对科学的本质和特点有起码的理解。学生对科学知识特点的认识和理解.对科学的价值.以及科学探究的过程和方法的理解和掌握.是生物学素养的基本要点。
BSCS描述的一个有生物学素养的人表现特点:
应能理解生物学的基本原理和重要的生物学概念;了解人类对生物圈的影响;领悟科学探究的过程.知道历史上生物学概念的发展。
对科学探究.生物的多样性与文化的多样性等问题具有正确的态度.对生物学和技术对社会的影响.生物学对个人的重要作用有正确的态度和价值观。能够对自然界的现象提出不同的问题.具备创造性的思维;知道如何正确地利用科学技术;能够在与生物学相关的问题上做出个人或社会决策;能够应用知识来解决现实社会中的实际问题。
(一)生物科学素养的内涵
生物科学素养是指参加社会生活.经济活动.生产实践和个人决策所需的生物科学概念和科学探究能力.包括理解科学.技术与社会的相互关系.理解科学的本质以及形成科学的态度和价值观。它反映了一个人对生物科学领域中核心的基础内容的掌握和应用水平.以及在已有基础上不断提高自身科学素养的能力。
生物科学的核心基础包括:
* 学生理解基本科学现象.规律.以及科学原理是如何用于技术领域之中的;
* 学生以在学校的学习为基础.形成终身学习基础知识.基本学习能力和习惯;
* 学生能够理解或解释发生在身边的生物科学现象;
* 学生能够形成正确的情感.态度.价值观和科学的世界观.并以此来指导自己的行为;
* 学生应掌握一系列的相关技能.包括操作技能.科学探究一般技能.比较.判断.分析和推理等思维技能.以及创造性和批判性的思维方式。
(二)生物课程标准中的生物科学素养
1。科学态度和科学的世界观
2。科学探究方法与技能
3。科学.技术与社会(STS)
4。生物学知识和操作技能
1。科学态度和科学的世界观
(1)科学态度是人基于对科学知识的正确理解和对科学发展的认识而形成科学的信念和科学习惯。
好奇心:
诚实:
合作:
创造力:
(2)科学的世界观
科学家对科学的基本信念和态度
世界是能够被认知的
科学知识是不断变化的
科学知识的主体具有连续性和稳定性。
科学不能为一切问题提供全部答案
(3)爱国主义教育
积极培养热爱大自然.珍爱生命.爱家乡.爱祖国的情感.正确理解人与自然和谐发展的意义.从而增强振兴祖国和改变祖国面貌的使命感与责任感。
2。科学探究方法与技能
(1)科学探究是学生学习科学的有效方式之一。
学校的科学探究活动通常是指学生们用以获取知识.领悟科学的思想观念.领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动。
学生们应该掌握科学探究的一般技能.包括:提出问题.做出假设.制定计划.收集证据.得出结论.表达和交流的科学探究能力。
科学探究更重要的是在于它的过程而不完全是结果。要让学生学会科学探究的一般方法.亲身体会科学家是如何困惑于问题.如何假设问题的"答案".考虑从哪些途径去解决问题.并以此渐渐地养成探究的态度.方法和思维。
(2)科学思维的方法
科学思维的方法包括形式逻辑思维.辩证逻辑思维.批判性思维和发散性思维等思维方式和思维习惯。
科学的思维习惯不是科学家所特有的.是每个人可以掌握.应该掌握的技能.一个人一旦掌握了这些技能.无论他从事何种职业都可以终生享用。
3。科学.技术与社会(STS)
对学生进行STS的教育.目的在于突出科学.技术.社会之间的关系.即教育.教学内容的出发点不仅限于科学知识本身.也强调三者之间的关系。
学生要了解什么是科学.什么是技术.以及科学和技术的联系。解决技术问题需要科学知识.而一项新的技术的产生又使科学家有可能用新的方法来扩展他们的研究。在人们的实践中.科学提供知识.技术提供应用这些知识的方法.而价值观念则指导人们如何去对待这些知识和方法。
科学.技术与社会是紧密相连的。社会可以影响科学和技术的发展.科学和技术又会影响社会。通常技术对社会的影响比科学对社会的影响更为直接。
4。生物学知识和操作技能
生物学知识包括基本的生物学.概念.原理和规律。
操作技能包括正确使用显微镜等生物学实验中的常用工具和仪器.基本的实验操作技能。让学生掌握一定的生物学知识和操作技能也是生物课程所规定的基本任务之一。学生在义务教育初中阶段应获得有关生物体的结构层次.生命活动.生物与环境.生物进化以及生物技术等生物学基本事实.基本原理和规律.对生物学的整体画面有一个大致的了解。生物学课程应该给学生提供机会让他们了解现代生物学的进展.了解现代生物技术对人类社会和人们生活的影响。让学生具有在现实生活中运用知识的能力.也是知识领域中的另一个重要目标。
(三)生物科学素养的不同水平
学生在刚刚进入中学生物学课堂时.他们每个人的起点不尽相同。按照澳大利亚生物教育家David Morgan博士的观点.学生开始这门课的时候.他们一般不是零起点;而当学生结束这门课程的学习时.他们大多数人也不会达到课程目标的100%。但他们所有的人都应在自己原有的起点上前进了许多。
生物学素养的高低是一个连续变化的过程。每个学生都处于这种连续变化的不同位置上.不同的位置.反映了他们对生物学理解的程度。
生物学素养的4个水平
1。肤浅的生物学素养
学生在日常生活中能够认出哪些是生物学的术语和概念.并能够将这些术语与自然界中的现象相对应。但他们仍然有错误概念.对生物学概念的理解也很不准确(天真)。学生从小学进入中学.刚刚开始生物学课程的学习时.他们的生物学素养常常在这一水平。
2。功能化的生物学素养
学生能够使用正确的生物学词汇.对术语的定义表述也很准确。但大都是基于记忆。一些学生在结束生物学课程的学习后只能达到这一水平。他们能表述一些概念.但是很少能表现出对于概念的理解。
3。结构化的生物学素养
学生应能够理解生物学的概念体系.理解科学探究过程的知识和技能.能够用他们自己的话来解释概念。能将所学的知识与他们个人生活实际相联系.对于生物学的学习充满兴趣;他们从学习或实践的经历中构建了概念的意义和对概念的理解。
4。多维的生物学素养
学生理解生物学素养在诸多自然学科中的地位.知道生物学的发展史和生物学的本质.特点.理解生物学与社会之间的相互作用。
学生能够意识到自己在知识或技能方面的不足.自己主动去获取更多的知识或技能;能够将学科知识应用于解决问题或寻找答案的行动之中。