在案例的思考中揣摩科学的本质
曾宝俊
相信很多科学老师都这样问过自己：科学是什么？科学本质究竟是什么？作为一个科学老师，如果这个问题都回答不了，好像有点说不过去。那么，科学是什么呢？
中国古代称“科学”为“格物致知”——即格物而致知。爱因斯坦指出：“科学”是“探求意义的经历”。用儿童的话来说，“科学”就是“探索大自然的秘密”。
如果，上网络搜索一下，对科学的定义会是一个惊人的数据，可是，又有谁真正说清晰科学的本质是什么呢？美国诺贝尔物理奖获得者费曼在他的《别闹了，费曼先生》的书中说道：“……对于学者，对于普通人来说，更多的是依靠自身的科学经验，而不是哲学，才能回答这个问题：科学是什么？”
的确，我们很难给“科学”下一个确凿的定义，我们可以对一些案例进行思考，慢慢地揣摩科学本质的内涵。
一、是客观，还是主观？
【案例1】冥王星的身份改变
我们自认为了解太阳系，但是太阳系的变化速度却超过大多数人的理解。
2006年，在天文学界发生了一件让世人震惊的事情，这就是冥王星被“开除”了，不再是太阳系九大行星之一了，它被划归“矮行星”。时至今日，这件事在学术界仍有争议，有的科学家说，应该将其开除，有的则反对，各执一词。
还算荣幸，冥王星的发现者克莱德?汤博没看到这一天。这个1930年发现太阳系第九颗行星的堪萨斯农家男孩于1997年1月离开人世，享年90岁。不过2006年1月，汤博又一次“离开”这个世界：“新地平线”号太空探测器把他的骨灰送入太空。但是，就在2015年“新地平线”号穿过小行星带与冥王星相会时，地球上的一群天文学家却宣布，它的目的地现在属于另一类天体：矮行星。
汤博93岁的妻子帕特里·夏说，若汤博生前就知道，他能理解这个决定。但是，就她自己而言，则有点失望。她对《亚利桑那明星日报》记者说：“我并没有觉得冥王星被降级，反而觉得自己降级了。本来我是某颗行星的发现者的妻子，现在却成了某颗矮行星发现者的妻子……”
不管人类对冥王星的定义如何改变——从当初发现它和现在否定它，冥王星始终都沿着自己的那条轨道默默地行进着，81年来，它才走过轨道的五分之一，它始终是客观存在的。那么，冥王星在太阳系中的位置，这是人类自己的定义，还是宇宙的定义？
【案例2】《解释——雪地上的足迹》教学片段
第一环节
教师投影打出一张将印有小鸟足迹的图片，然后问：你观察到了什么？生：鸟的足印。
生：两只鸟互相走近留下的足印。
生：某种动物的脚印。……
老师将学生所有的答案在黑板上列出。然后问：你能看见鸟吗？你怎么知道这是鸟留下的足印？实际上，你看到了什么？(因为无人能在此时观察到鸟的踪影，所以“鸟的足印”只是一种推理而非观察。)
生：幻灯片上有两行例外形状和大小的黑印记。
生：正是因为它们很像我们熟悉的鸟的足迹，我们才推断这些黑印记为鸟的足印。
这些印记也完全可能是任何一种不知名的动物或“恐龙”留下的，可能是两种例外的动物，也可能是两只例外年龄的同种动物（孩子与父亲或母亲），甚至连“大个动物留下较大的足印”一说也仅是推理而已.
教师继续追问学生：这两只动物为什么走向同一地点？”
生：两只动物可能因为发现了同一水源。
生：也可能动物甲攻击动物乙。
生：是幼年动物与成年动物（父或母）相互走近。
……
老师再次强调存在多种可能的推理或解释。
第二环节
教师将第二张幻灯片置于投影仪上，然后问：这一次，你又观察到什么？生：两行黑印记看起来渐渐靠近并混合在一起。（这属于观察。）
生：两只鸟打起来了。（这属于推理。）
……
（教师指出观察与推理的区别，同时鼓励学生提出其他同样合理的可能性。）第三环节
教师将第三张幻灯片置于投影仪上并问学生观察到什么。
这时学生能较松弛地区分观察与推理的差别，典型的回答是：只有较大的黑印记留在幻灯片上，较小的看不见了。
教师继续追问：你的推理是什么？
回答多种多样，如动物甲被动物乙吞食、动物甲飞走了只留下动物乙、动物甲被动物乙背着行走……（就仅有的证据而言，这些推理都是合理的，人们无法肯定到底发生了什么，除非找到当时在场的“证人”。）
观察与推理是科学的基础。科学观察是指通过人的感官（视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉）或科学仪器（人的感官的延伸）而获得的关于客观世界的信息。科学推理则是对观察到的现象的解释，是一种主观的推断。
科学推理不是人脑凭空的任意想象，而是对客观现象的合乎逻辑推理的解释，同一现象可能有多种解释。那么，这种解释是客观的，还是主观的？
【案例3】《蜗牛的观察》教学片段
在对蜗牛观察了一段时间后，学生们开始在一起交流自己的观察记录：生1：我发现蜗牛走过的路上有一些粘液一样的物质留下来。
生2：蜗牛有两对触角，前面一对短，后面一对长。
生3：我发现蜗牛它的后面一对触角上长有眼睛，而且它看得不是很远。
生4：蜗牛不喜欢吃苹果，喜欢呆在阴凉的地方，因为它怕热。生5：蜗牛的牙齿非常多，有一万多颗。吃起东西来一定很快。
生6：蜗牛壳上的螺旋有左旋的也有右旋的，但是我不知道左旋的蜗牛多，还是右旋的蜗牛多。
在这个案例中，应该说，学生交流的这些东西没有什么知识性的错误，但是就记录的内容来说，有一些不是通过观察而能够得到的。例如，学生3交流的是结论性的东西，“看得不是很远”只是一种臆测，不是简单的观察就能够得到的事实；学生4用“喜欢”这种人性化的词来描述蜗牛显然是一种由此及彼的心理推测，“因为它怕热”也不是科学的解释；先不说学生5的观察可能性条件（必须用显微镜）是否存在，单看那“一万多颗牙齿”就不是真实的观察结果，同时数据也不是很确凿，很显然是学生头脑中旧有知识储备的再现。学生6的前半句是观察得到的信息，后半句则是问题的提出，把它们一起放在观察记录里面也是不适合的。以上观察记录说明：在科学教育活动中，很少有人注意到观察记录的的主观和客观表述问题。
观察过程本身就具有研究的性质，观察是科学探究的核心方法之一，通常简单的问题通过认真仔细的观察就可以找到一些证据，如何引导学生如实描述和记录呢？让我们看一看哈佛大学兰本达教授是怎样引导学生用观察来进行研究的。
生：蜗牛先在外面爬，爬累了就缩进去休息，不累了再出来。
兰：你怎么知道它累？
生：它像人一样，人累了坐下来休息，它累了也得进壳去休息一会儿。
兰：它有什么表现让你想到它累？
生：它把触角先缩回去，头再回去，尾巴回去后，把口封住，再捅它也不出来。
兰：是不是有其他原因使它缩回去？
……
科学强调客观性，这就要求科学实验，包括观察活动，要具有一个严重的特质，那就是科学界公认的可重复性。对于一个观察结果，如果别人在同等条件观察的时候，得不到你所描述的那种信息，这时就会引发质疑。观察记录是对客观的描述，它例外于推理和假设。推理和假设是意识形态，在这个领域里，“仁者见仁，智者见智”并不奇怪，但是观察记录则不允许，如果是一个接力式的记录（比如一天中对天气情况各变量因素的观察和测量），没有一个统一的格式，每个人都按自己的意愿去写，最后根据这份观察记录是不可能得出什么结论的。
那么，观察记录是客观的，还是主观的呢？
二、是绝对，还是相对？
【案例】由“星云”到“星系”
在明朗无云的冬夜，举头可见猎户座的七颗主星闪耀天际，在代表猎户腰带的一排三颗星之下不远，有极为阴暗地一片薄云，点缀着几颗暗星，这就是出名的猎户座大星云。秋季的夜晚，在飞马座下方近仙女座处，有着更小的漩涡型薄云，要在观测条件极好的情况下，肉眼才勉强可见，这就是所谓的“仙女座大星云”。
两者虽然俱称“星云”，但其实际大小相去却何止万里？
猎户星云是一团有着数十个太阳质量的云气，直径大约十六光年，像这样的云气，在我们银河里数以万计。但仙女星云却是货真价实的一个强大漩涡型星系，直径十七万光年，包含四千亿颗恒星，是和我们银河不相上下的一个姊妹星系。
早年的西方观测者并不了解望远镜中这些薄片云气的本质，因此无分大小，统称为“星云”。但到了二十世纪初，越来越多的天文学家发现了愈来愈多的漩涡型星云，而且这些星云的观测性质与所谓“普通星云”明明例外。因此天文学家们才不得不正视这一个问题：“到底这些星云是我们银河的一份子？还是渺远而独立的银河星系？”当时的天文学家分成两派，各拥例外观点，还于1920年4月在美国华盛顿的国家科学院举行了一场世纪大辩论，各抒己见。然而就如大凡科学家争辩彼此观点一样，当时吵得虽然热烈，但没有结论。
不过，仅仅四年之后，美国天文学家哈勃就观测了“仙女星云”中一种分外的变星，推导出来“仙女星云”和地球的距离，远超过我们自己银河的直径，才使得这场辩论尘埃落定。许多“漩涡型星云”，也终能正名为“漩涡型星系”。经由这些星系的组成和分布，我们今天对宇宙的创生和演化，也才有了一个基础的概念。
由此推而思之，我们目前在课堂上所教授的许多类似于“星云”、“星系”的概念，这些科学家建构的概念是绝对的，还是相对的？
【案例4】哥白尼PK托勒密
师：当我们早晨面向南方的时候，太阳会出现在我们哪边的眼帘？生1：左边。
师：当傍晚的时候，太阳会从我们的哪边的眼帘消失？
生2：右边。
师：中午的时候呢？夜晚的时候呢？
生：中午太阳会出现在我们的前方，夜晚会出现在身后？
师：一年四季，太阳每天都是这样，早晨出现我们眼帘的左边，中午在鼻子前方，傍晚从右边眼帘消失。这里，我们就代表着什么？
生：地球。
师：真好！下面我们可以请同学们来表演一下太阳和地球之间的运动关系。
（两个同学分别代表太阳和地球，演示刚才所讨论的场景“太阳绕着地球转”。）很显然，学生演示的是“托勒密的宇宙体系——地心说”。在数千年之前，人类通过肉眼观测宇宙，通过太阳的东升西落，夜空的斗转星移，建构起自己对宇宙理解的各种模型，托勒密是其中一位集大成者，他的著作《至大论》，全书13卷，继承了由欧多克斯、希帕恰斯所代表的古希腊数理天文学的主要传统，并使之发扬光大，臻于空前绝后之境。托勒密在书中构造了完备的几何模型，以描述太阳、月亮、五大行星、全天恒星等天体的各种运动，并根据观测资料导出和确定模型中各种参数，最后再造成各种天文表，使人们能够在任何给定的时间点上，预先推算出各种天体的位置。
然而，在一千多年之后，波兰的一位科学家却提出了另一种天体运行的模式——太阳中心说。请看教学——
师：我们可以有很多理由说明太阳绕着地球转。现在我们都知道，事实上太阳是不动的，是吧？
生：是的。
师：既然太阳是静止的，那应该怎样演示才能表示太阳和地球之间真实的关系呢？（回头来到表演“太阳”的同学跟前，示意“太阳”保持静止。）生：太阳不动，地球运动。
师：地球应该怎么运动呢？（教师面向表演“地球”的同学，“太阳”和“地球”开始商量。）
生：地球和太阳都不动，地球自己转动就可以了，因为自己转动可以出现一开始说的现象。
师：那我们再次请两位同学演示一下，思考一下，应该怎样转动呢？生：地球自右向左转动。
（学生表演。）
师：我们可以用怎样的图示表示太阳运行的规律呢？
生3：我们画示意图就知道了。（到黑板上画）这表示太阳，这表示地球，很明明太阳绕着地球转。
师：太阳不动的图示如何画出来？（学生画）现在有两种方式都可以表示太阳在天空中的运行和地球的关系，你选择哪一种？
……
科学知识是不断发展、变化的。随着人类对自然界的认识的不断深化，科学知识的发展也同时经历了质和量的变化。当现存的科学理论体系无法解释一些科学新发现，或无法回答一些严重的科学问题时，人们可能会修改现存的科学理论或建立一个全新的理论体系以便更好地理解客观世界的本质。这种修改后的或全新的理论不仅能回答所有“旧”理论能回答的问题，更严重的是能解释“旧”理论无法解释的问题，这便是通常所指的“科学革命”。
面对着这样的革命，科学是本身是绝对的，还是相对的？
【案例5】要不要打开暗盒？
A方案：打开暗盒，验证结果。
教师设计一个简单的暗盒让学生检测，汇报之后打开暗盒验证自己的检测结果。教师告诉学生：这些暗盒的秘密都在里面，外面只有一些导线头，你认为想要知道暗盒里面的电路，可以怎样做呢？
学生在小组内交流他们的一些意见和想法，汇报之后，各组选择一个暗盒进行检测，并画出暗盒里电路连接图。教师强调：检测过程中不能打开暗盒。学生的验证活动结束后，教师让学生根据他们自己的研究和记录进行整理，画出暗箱中的电路图。
学生在汇报在中说出他们是怎样检验的、在检验的过程中遇到了哪些问题和困难、是怎样解决的、是根据什么现象来判断暗箱内的电路、为什么会出现这样的现象等。
最后，教师让学生打开暗箱验证自己的判断
学生有的兴奋地：我们做对了！
学生有的垂头丧气：唉，倒运，做错了！
学生有的惊呼：怎么会这样？（不相信暗盒里的电路。）
B方案：不打开暗盒！
老师发给每人一个黑盒。
老师：这个盒子黑黑的，很秘密。看，从盒里接出了一红一绿两根导线。这两根导线连在一起吗？这是一个谜……
学生一个盒面一个盒面地仔细看：唉，要是有一条缝隙，就可看到盒内了！老师故意问：有缝隙吗？
学生：没有啊！
老师:那怎么办？
学生：打开黑盒，一切就明白了！
众生附和：对啊！
老师：不能打开黑盒，也要知道里面是什么，考人之处，正是这里。
……
学生通过独立的探索终于有了斩获——黑盒里是一节电池！
……
课结束的时候，学生一致要求：打开黑盒！
老师：你们仍不相信有电池？
学生：不是，只是不亲眼所见，总觉得不坚固。
老师：黑盒之所以秘密，就是永远不能打开！这就是认识黑盒的方法！虽永远不能打开，但可以不断猜测，不断检验。
自然界隐藏着无数强大的“暗箱”，没有人知道里面隐藏着什么。面对一个陌生的“暗箱”，科学家用各种方法观察、探测、实验，收集来自“暗箱”的信息：重量、结构、质地、波段、光洁、磁力线以及偶尔从暗箱里跑出来的物质，并根据这些信息判断暗箱里有什么，从而揭示各种现象：太阳的东升西落、火山爆发、地震、物质的放射性，判断这些无法打开的暗箱的内部结构，向人们揭示一个又一个真理和奥秘。
打开暗盒就只有对和错——绝对的结果，而不打开暗盒就是相对的。探究，就是在无限接近真相，科学探究就是人类在无限接近大自然的真相！
【案例6】《立方体的研究》教学片段
教师将学生分成小组，每组3－4人，将立方体A置于学生课桌的中央，顶部数字为5，周围数字是1、3、4、6，并告知学生不允许转动、提起或打开立方体，提问：立方体的底面是什么数字或图案？要求学生在回答该问题时，必须基于观察结果和逻辑推理。
学生解放探究并记录。以下列出几例学生的观察记录：
生1：立方体有五个可见平面和一个不可见平面（与桌面接触）。
生2：数字是黑色的。
生3：可见平面的数字分别为1、3、4、5和6。
生4：相对平面上的数字之和为7。
生5：具偶数的平面是灰色的，具奇数的平面是白色的。
……
教师让每个小组向全班同学汇报各自的答案并陈述理由。
许多学生提出：立方体的底面是数字2，因为由其他可见面的数字组成的序列中独缺数字2。
教师利用这个机会让学生建立这样一个概念：在科学领域，某种答案或解释受支持的证据愈多，说服力愈强。例如：2是数字序列“1----6”中所缺少的一
个数字，而且根据观察到的“相对面的数字之和等于7”的规律，既然顶面数字为5，底面数字必为2。
正如科学家们对有些科学问题的答案无法直接验证一样，教师在学生汇报完各自的答案后立即将立方体收走，以致学生无法知道立方体的底面到底是什么，（教师也可将立方体的底面做成几种例外的情况：无数字，无底面，数字为2或任何其他非2的数字，以说明科学的解答是基于科学观察及推理的产物，可能与实际相符或不符，不能盲目地接受一种答案或理论。）切忌在科学的思想与绝对正确的思想之间划等号。
与观察、研究立方体的活动相类似，科学家在建构科学模型、科学定律或提出科学假设的过程中，不仅需要基于科学观察和实验，还要运用逻辑推理及创造性思维。由于种种因素的限制，任何科学理论或科学解释都不是绝对的，是具有暂时性的“相对真理”。
三、是知识、方法，还是思想？
【案例7】研究物体的下落
A教师：
师：究竟是重的物体下落快还是轻的物体下落快呢？请看实验。
（教师演示实验：取大小例外的两张纸，将小纸片揉成一团，从同一高处同时释放。实验现象表明小纸团先落地，这说明轻的物体比重的物体下落快。通过简单的小实验使学生认识到：通常看到的下落有快有慢，是由于空气阻力的影响。）
师：如果完全没有空气阻力的影响，或者空气阻力不太大，与重力相比较可以忽略时，实际的落体运动可以相似地当作解放落体运动。同学们猜想一下，那时，轻、重物体谁下落得快呢？
生1：应该是重的先落地。
师：是吗？
生2：应该是轻的物体先落地……（很显然，学生也不知道是哪个答案。）师：既然忽略了空气的阻力，当然应该是同时落地啦！早在400多年前，意大利科学家伽利略就提出了这样一个观点。2000多年前，古希腊学者亚里士多德提出……然而，伽利略认为……
B教师：
1．首先让学生通过观察物体下落，画出下落物体的运动轨迹，认识到在周围的确有许多物体从高处落下是快慢不一的。然后提出亚里士多德的观点：物体越重，下坠的倾向越大，下落得也就越快；物体越轻，下坠的倾向性越小，下落得也就越慢；物体下落的快慢和它的重量成正比。讨论这个观点的正确之处。
2．从日常经验上来说，亚里士多德的总结是有一定道理的。在学生确信之后，出示伽利略的观点：物体下落的快慢与物体的重量无关，任何两个物体从高处解放落下，总是同时着地。截然相反的观点激起学生的疑问——这两大科学家的pk究竟谁会赢？
3．学生们提出通过实验来验证两位巨人的观点。孩子们仅凭借肉眼、凭经验、凭感觉将例外的重物从某一高度落下，然后得出结论。事实上，课堂上的孩子们仅仅能够拥有和伽利略当初相同的条件：将一些重物从高度落下，用肉眼观察物体下落的快慢，那么短的距离，那么小的差距能得出那样的结论吗？况且，在空气条件下完成的实验，符合伽利略的推论吗？孩子们想不到，他们只是坚信——眼见为实。4．教师使用照相机的摄影功能，把学生的“将例外的重物从某一高度落下”实验过程拍摄下来。通过电脑慢放软件，将重物落地的一瞬间反馈给学生——在大多数的情况下，重物总是先落地！
5．引导学生了解科学的另一个武器——逻辑（思想实验），体会逻辑的强健。
伽利略在研究解放落体的过程中，不仅做理论上的思辨，而且做实验对假说进行验证，根据实验的结果对假说进行修正，根据新的假说再对实验进行改进，这是科学史上首次系统地应用科学方法。科学家所从事的工作，绝对不仅仅只是把新发现的现象拿来塞入既有的框架，看看它是否合乎“科学”。真正宏
伟的科学家的工作是不断的扩大这个框架，以使得科学能够应用在更多现象的浑圆解释上。
我们观察100个现象，可以提出10个理论，每一个理论解释10个现象，都很胜利，这是第一种做法。第二种做法，提出1个理论，解释这100个现象，每一个现象都不是那么胜利，但是它可以解释所有的现象。这两种做法，哪一种是正确的呢？科学研究所遵循的一个原则，大凡认为第二种方法是正确的。因为，第二种方法更简单，科学注重的不仅仅是知识，更是思想和信仰！
【案例8】费曼的父亲教科学
诺贝尔物理奖获得者美国科学家费曼在回忆他父亲对他的培养时，曾经说到这样一个故事：
有一次一个孩子问我：“看见那个鸟了吗？你知道它是什么鸟吗？”我回答：“我一点都不知道。”
他说：“那是一只褐色的、会发喉音的画眉，你父亲什么也没教你吗？”费曼说：“完全不是这样，父亲教了我很多。父亲说，看那只鸟，它的名字叫斯宾赛鸣鸟（我知道父亲其实并不知道这只鸟的正确名字）。父亲又说，在意大利它叫……，在中国它叫……，在日本它叫……，你可以知道用世界上例外的语言如何称呼这种鸟，但是，学完了这些，你实际上根源不了解这种鸟，你只知道世界上居住在例外地方的人对这种乌有例外的称呼。所以，让我们来仔细观察这只鸟，看看它在做什么？那是我们应该考虑的。”（我很小就知道，知道某个物体的名字和知道某个物体之间的差别）。
父亲说：“比如说，看吧，这只鸟不停地在啄它的羽毛，它是不是一边走，一边在啄它的羽毛？”
“是！”
“鸟为什么要啄它们的羽毛？”
“可能是它们飞行时把羽毛弄乱了，它们啄羽毛以便把它们的羽毛理顺。”父亲又说：“好吧，如果是这样，那么它们只需要在飞过以后啄一会儿，当它们
落地一段时间以后，就不应该再啄它们的羽毛了。你知道我问你这个问题的目的吗？”
父亲又说：“让我们仔细观察一下，它们是在刚刚落下时啄得最多吗？”实际上要看清这一点并不困难，比较那些刚刚落下的鸟和已经在地上走来走去的鸟，它们在啄羽毛上看不出差别。我说：我放弃我的想法，那些鸟啄它们的羽毛并不是为了整理羽毛。”
父亲说：“因为有虱子在咬它，虱子在吃羽毛上沾着的蛋白的屑屑。虱子的腿上常常有一些松软的物质，更小的生物会吃它，这些小生物不能完全消化这些物质，就会排泄一些和糖类似的物质，细菌就会在其中生长。”
最后父亲说：“你要知道，哪里有食物存在，就一定会存在找到它作食物的有生命的生物。”
费曼的父亲关注的不是表面的知识点——鸟的名字，甚至最严重的不是那最终的结论，而是要求他学会探究、设想、验证，不断地用实际观察的结果来检验自己原来的设想，来进行推论，不断地深究。我们知道，学生走出课堂之后，知识是简易淡忘的，而思想却可以融入他们的血脉！
江苏省江阴市华士实验小学