有理的科学知识被无理地“验证”

——从理科教学中实验结果与理论的不相符谈起^①

罗星凯

（广西师范大学科学教育研究所）

原载：人民教育，2007年第7期

翻开一本教育学或学科教学论著作，在教学原则的章节中，科学性原则往往被置于首要的位置^②。教师，尤其是新教师，教学中最怕犯的就是科学性错误，因为他们的“上司”和“上帝”们最在乎、最计较这个。因此，“千万不要犯科学性错误”，往往是教学新手被指导老师叮嘱最多、印象最深的教导。不少人一节课下来，只要听到没有犯科学性错误，就会有一块石头落地之感。然而，在多年的理科教师教育和教师专业支持工作实践中，笔者观察到，人们如此恐惧的科学性错误，往往指的是科学知识性错误，而另一类同样可怕的科学性错误却被普遍地忽视，甚至没有多少人意识到它的存在。

教师如何面对实验结果的“不配合”

文科背景的读者请不要因为下面的示意图而跳过这段文字，你们没有那么些已有东西的束缚，也许更能理解笔者下面所述的问题和观点。

“平衡”，是一个如今被广泛使用的概念。而“二力平衡”，则指的是在两个力的作用下物体保持平衡状态。那么，什么情况下物体处于两个力的作用下而又能保持平衡的状态呢？经验和常识告诉我们，这两个力应该沿着一条直线（像拔河的绳子）朝相反的方向使，而且用的力要一样大。这就是所谓的“二力平衡条件”，在我们国家的理科课程里它是一个初中水平的科学知识点，教科书上常见的表述是：“作用在一个物体上的两个力，如果大小相等、方向相反，并且在一条直线上，这两个力就彼此平衡”。

如果你不是一位科学或物理教师，看了上述的文字，你也许会觉得“二力平衡条件”应该不是一个难教的知识内容。然而，恰恰是这样的一个道理明摆着的知识点，却没少让教它的理科老师们伤脑筋。

首先，理科教学讲究用实验事实说话。具体到“二力平衡条件”的教学，往往要用如图所示的实验装置来获得结论。而不通过实验就直接将结论告诉学生、要求学生记住的做法，虽然在实际中并不少见，但人们都认为那是一种落后的教学方式。然而要想使自己的教学不那么落后，可不是件容易的事。有经验的老师往往有这样的体会：这类实验的演示不易把握，一不留神，就可能弄巧成拙，费力不讨好。

在如图所示的实验中，老师所期待的实验现象是：如果在左右两边的砝码盘中放上完全一样的砝码，小车就保持静止，反之小车就会动起来。然而，实际上由于摩擦力的作用，两盘中所放的砝码即使有点不同，小车也不一定会动。因为完全有可能由于两边砝码质量相差太小，使左右两边的绳子给小车的拉力差异不够大，不足以克服摩擦力的影响。这样一来，即使在原本平衡的系统中加入了不平衡的因素（如在左边或右边盘中添加一个很小的砝码），小车仍然保持静止。对此，老师该如何向学生解释呢？

实验得出这样的结果，对教师来说，已经是一个很棘手的问题了。对此，教师们在教学中又是如何处理的呢？也许对许多老师来说，将结果归为实验的意外结果，归为摩擦力所致的误差，是自然、合理的处理。是实验，总会有误差嘛。于是，就这调整一下，那摆弄两下，一旦得到预期结果，马上“见好就收”，以免再“节外生枝”。

这样的处理方式，导致的结果如何呢？只能是雪上加霜！因为，它十分明显地向学生传递着这样的信息：老师所要教的结论是不容质疑的，做实验只不过是走一种形式、走一个过场，从实验获得的事实，与结论相符的就可取，不相符的就是实验出了问题，就不可取。读者仔细想想，这听起来是不是有点滑稽可笑？作为理科老师，对此一般也应该会感到不自在，可为什么这样的处理在实际的理科教学中却普遍地存在呢？其中的原因当然不很简单，但如果了解一下对儿童假设检验过程的有关研究，看看没有经过正规科学教育的儿童如何对待所面临的实验结果与自己原有的信念，也许会增进我们对这个问题的理解。

在有关儿童假设检验的研究中，人们发现，在把得到的实验结果作为支持或者拒绝假设（理论）的证据时，儿童的思维表现出某些方面的缺陷。即使在儿童进行有效的实验时，他们也常常得出与实验结果不一致、而与他们原有信念相一致的结论。^③④ Chinn和Brewer经实验研究后提出，与专家相比，学习科学的学生在处理不支持已有知识理论的数据（反例）时采用了不同的策略。只有其中的一种策略导致了已有知识理论的改变。一般采取的策略是：忽略反例；反驳反例；将反例排除在理论之外；以无效的方式持有这些反例；重新解释反例，对原有理论作外围的改变；接受反例，改变原有理论。^⑤陈楠以杠杆平衡原理探究活动为载体做研究，也得到了差不多的结论^⑥。

这些研究所反映的问题是，儿童常常不能区分什么是基于观测得出的结论，什么是基于他们原来的信念或理论得出的结论。他们经常忽视不一致的证据，或者以某种选择性、歪曲的方式注意这些证据，他们有时调整证据以适合于他们自己的那一套理论。此外，儿童一般能够基于最近的结果得出恰当的结论，但往往忽视比较早的结果。当矛盾的证据增加并且变得不再能够忽视时，他们最后将承认这些矛盾的证据，但这只有在他们能够形成一个替代的理论以解释这些证据的时候，他们才真正接受这些证据。而且，即使他们正确预测到某个因素的结果，并看到这一预测得到证实，他们仍然不愿放弃他们原有的信念，直到他们能够形成一个可对出其意料的观察结果加以解释的新理论。^⑦

这样，如果我们认真地对照一下，就不难看出，教师在面对实验事实与理论之间矛盾时的行为和没有经过正规科学教育的儿童在本质上是相同的。这当然不是说明教师的事实性知识和智力水平倒退到了相对较低的程度，而是说明，不论对于成人还是儿童、无论对于专业人员还是非专业人员，个人的信念、原有的观念能起多么大的作用。而且可以说，专业知识有时甚至正是问题复杂的一个因素。本文所举的“二力平衡”教学的例子，对于外行来说也许不会认为有多难，而到了理科教师手上则成了复杂棘手的事，处理的方式给人的感觉就想小孩子一样反复无常、幼稚可笑。他们由于自身对科学知识结论的熟知和坚信，加上理科教师常被冠以科学真理传播者的角色，可能会比外人更难意识到这样的教学有什么错误，甚至根本没有觉得有什么不妥。

进而，如果我们能跳出只是计较教师所讲的知识结论是对还是错的视野，而要在意当学生日后将知识结论忘掉之后所剩下的东西，我们就更会感到问题的严重性。因为这样一来，我们传递给学生的是否是科学的思维方式，是否是在强势的结论和当前面对的事实之间应该保持的科学态度，那就是至关重要的了。前述的对待实验结果的方式，如果一再地出现在理科教学之中，那么它给学生的弦外之音就是：一旦有了“结论”，对新收集到的事实证据就可以区别对待，符合“结论”的就敞开放行，不符合的就要“发回重审”，直到符合为止。想到今天课堂上的莘莘学子，明日都要在不同层次上参与不同类型的决策，笔者不禁为这样的理科教育不寒而栗，难道这还不算是犯了科学性错误？它比起犯科学知识性的错误，又能好到哪里去呢？

科学实验不是理论真伪的镜子

说到这里，也许有人会认为，之所以会出现这样棘手的局面，都是实验误差惹的祸，如果能将误差降低到理想的程度，问题将不复存在。实际上，情况远非如此简单。这里所牵出的是一个如何认识科学理论与实验本质的重大问题，正是在这个问题上存在着认识偏差，不仅催生了前述的一系列问题，而且成为长期制约科学实验在理科教育中作用发挥的重要原因之一。试想，如果我们将科学理论简单地理解为已经被证实的终极真理，将科学实验简单地理解为科学理论的试金石，过分天真地以为实验是最公正、最可靠的法官，我们岂不成了理论的盲从者、实验结果的奴隶？正是这种对科学理论与实验本质的机械的、绝对的认识，使我们不知不觉地陷入对理论和实验结果的盲从，因而在受到实验事实“捉弄”时就会表现出一种惊慌失措的状态。实际上，如果我们认识到一个科学理论特别是经典的科学理论，虽然经受过大量实验检验、得到了众多事实直接或间接的支持，也只不过是人类认识发展的一个高峰，对其绝对化的想法和做法，本身是与科学的理性质疑精神相违背的；科学实验只是一种重要的、特殊的人类探索活动，它所能提供的被我们称为实验事实的东西不过是特定条件和过程的产物，本身并不能像镜子一样被拿来直接照出理论的真伪^⑧。我们就不会为没有得到预期的实验结果而文过饰非，使科学教育失去本来最需要保住的科学精神、科学态度的底线，也不会出于对实验误差的恐惧而对教学中的科学实验提出过高的设备要求，反而会在即使得到预期的实验结果时，不是“见好就收”，满足于肤浅的证实，而是抱一种理性的怀疑态度^⑨，不放弃对进一步实验探索的追求。自然，得到的若不是预期的实验结果，态度还是一样，不需要“见风使舵”。

过程正确与结果正确至少同样重要

长期以来，实验教学在科学教育中的地位是非常特殊的。说它特殊，是因为人们认为科学教育要重视实验教学就像学游泳要勤下水一样是再明白不过的道理，它的作用与地位“怎么强调也不过分”。然而，这种特殊“优越”的地位实际上只不过是有名无实的虚高。我国自文革后恢复正常的教学秩序以来，科学教育界对加强实验教学特别是中小学实验教学的呼声一直很高。但是在不少的中学物理甚至化学和生物课堂上，用嘴巴“讲实验”、用粉笔在黑板上“画实验”代替师生亲手做实验的现象至今仍非个别。究其原因当然不很简单，但如果我们不能与时俱进地深化对科学实验本质、作用及其教育功能的认识，实验在理科教育中就仍然只能是一个“鸡肋”！在2001年正式启动的基础教育新课程中，科学探究被提到了理科课程核心的位置。科学实验作为一种探究活动，在被用于教学的过程中如果能突出或至少保持住其探究的本质特性，就是最能有效地落实科学探究教育目标的课程资源。然而，在一些人那里，探究成了多做实验、多动手、多活动的代名词。操作起来更是省事，将原来一个个实验项目名称前面的“验证”、“测定（量）”去掉，通通换成“探究”，就算完成了向新课程的转变。而实际上，科学探究真正要强调的是“动脑”。学生做了实验，手动起来了，但不等于脑也自动地跟着动了起来。即使探究的环节都有了，探究的程序也都走过了，科学家的样子也做得像模像样了，学生的学习仍有可能是机械的而不是有意义的，那样的探究又有什么真正的价值^⑩？

进一步说，全面落实知识与技能、过程与方法、情感态度和价值观的三维课程目标，是新课程对教师最大的挑战。实施中最大的难点是如何将它们整合成一体的目标，自然、均衡地落实于具体的教学活动之中，顾此失彼往往是最常见的问题。本文开头所述的对实验现象的处理，就是一个典型的例子。由于只关注教给学生的知识结论是否正确，而忽略了知识得出的过程是否符合科学，结果使得在一个原本学生可能很容易接受的知识点的教学中，传递给学生的思维方式和态度，都是违背基本科学精神的，犯了不能忽视的另一类科学性错误！

注释：

① 广西软科学项目“科学学习心理研究及其在科学教育中的应用”研究成果，编号：No.05111015(2005)。

② 一般教育学和教学论著作上完整的表述是“科学性和思想性相结合的原则”。

③ J.H.弗拉维尔等著. 认知发展（第四版）〔M〕.上海：华东师范大学出版社，2002.206.

④ 罗星凯.试论科学观察和科学教育中观察能力的培养〔J〕.教育研究，1990,(1)：41-44.

⑤ Clark A. Chinn, William F. Brewer. Models of Data: A Theory of How People Evaluate Data. Cognition and Instruction. 19(3), 323-393(1993).

⑥ 陈楠.从杠杆原理探究中看学生如何对待证据的初步研究[M]，广西师范大学2006届硕士论文.

⑦ J.H.弗拉维尔等著.认知发展（第四版）〔M〕.上海：华东师范大学出版社，2002.206.

⑧ W. I. B. 贝弗里奇著，陈捷译. 科学研究的艺术. 科学出版社. 1979年版第24～27页.

⑨ 有学者认为"科学精神"、"科学理性"，至少包含"客观的依据，理性的怀疑，多元的思考，平权的争论，实践的检验，宽容的激励"六大实质要素。而"理性的怀疑"则是核心要素。详见：蔡德诚. 要深化理解科学精神. 科学时报. 2002年11月6日第4版.

⑩ 参见罗星凯等执笔. 探究性学习：含义、特征和基本要素〔J〕.教育研究，2001,(12)；罗星凯. 实施科学探究性学习要正视的几个问题〔J〕.全球教育展望，2004(3).