怎样进行科学研究 教师对科学的理解，以及他们对科学的态度，直接影响到科学教育的实施,影响到学生科学探究学习的质量。因而，在进行科学教育教师培训时，应该帮助教师回顾和整理对科学的认识。什么是“科学”呢？通常科学指近代科学，一般把伽利略（Galileo，1564－ 1642）的研究工作和他对实证方法的确立，看作是现代科学诞生的标志。科学原来指的是自然科学，上世纪九十年代联合国教科文组织重新明确了科学的范围。按照联合国教科文组织给出的定义，科学包括自然科学和社会科学。在幼儿园和小学的科学教育里，我们探究的是自然科学领域的问题。科学和技术是两个不同的概念。虽然，它们之间有联系，我们在习惯上也经常把它们联在一起，但它们研究的内容、方法和对社会的作用有很多不同。简要地讲，科学在认识世界中发现新的知识，而技术在改造世界中发展新的手段。对学生进行科学和技术方面的教育都是很必要的。对小学科学教育课来说，主要是让学生获得科学方面有关的一些基础，但是，也会在实际动手中涉及一些技术的使用。我们鼓励在实验中考虑发展适合于学生的技能，把科学和技术结合在探究过程中。这样作对这个年龄段儿童的发展是很有好处的，如建构一些结构模型和搭建电动车等，不仅有利于发展儿童的多种感官能力，而且也有助于发展学生综合解决问题的能力。据学者们研究，对科学的定义至少有50多种。所以，我们不必去深究“科学”的确切定义，而是去理解有关“科学”的主要含义。我们论及“科学”，至少包含科学知识、科学方法、科学精神，科学态度，还可以包括科学研究、科学素质等。一、科学知识人类自古以来，就在大自然中进化、生存和发展。人类对自身生命的奥妙，以及对绚丽多彩而又复杂多变的自然界，不断地在进行探索，不断地用不同的方式进行解释，包括用诗歌、绘画、舞蹈等艺术形式，用哲学、宗教和各种假说等。但是，科学的解释与它们不同。科学的语言是基于实证的，有推理和经过归纳的，科学上力求用定量而简明朴素的语言来描述事实，表达概念和规律。例如，在我们周围存在着许多自然界的现象，这之中包含了一些必然的因果关系，如“我们松开手，石头就会落到地上”。古代的人们试图去描述这个过程，石头和其它物体是怎样落向地面的。两千多年前，古希腊的著名学者亚里士多德（Aristotle，公元前384－322）首先把对这类现象的描述归纳成为规律，他认为，体积相等的两个物体，较重的下落的较快。他又认为，在物体下落的过程中，下落的速度是恒定的。直到伽利略以前，在近两千年的时间里，没有人对亚里士多德的主张提出疑问。伽利略对亚里士多德的主张发生了怀疑。为此，伽利略设计了试验。传说他在二十多岁时，爬上位于意大利比萨城的比萨斜塔，做实验来证实亚里士多德关于物体下落的快慢精确地与它们的重量成正比的论断是错误的。他经过推理，对物体下落是否速度恒定也产生怀疑，为证实他对亚里斯多德主张的疑问，他用一块近十一米长的木板。木板中间刻画出一个宽为两个多厘米的沟槽，并用非常光滑的牛皮纸覆盖它，让一个光滑的铜球沿着斜面滚下，用一个带有阀门的蓄水器计时。在做了球从不同高度滚下斜面的百次左右试验后，他发现距离和时间之间的关系非常近似于z = Kt2,而不是如亚里斯多德所总结的 z = Kt ，式中K是常数，z是距离，t是时间。当时还没有可以精确计量时间的仪器，为了计量时间，伽利略在一个水桶的底部装上一个很细的管子，在做实验时，在物体沿着斜面下滑的过程中，水同时经过这根细的管子流入一个杯子，精确地称出杯子里水的重量，就可以知道不同运动时间之间的比例。伽利略用了定量的方法来进行测量，用实证的试验方法证实了他的假定，归纳出了规律，证明物体落下是加速度不变的加速运动，而不是速度不变的匀速运动。这种因怀疑而提出问题，用具有精确定量的方法来做试验，并从事实中归纳出定律和数学模型的过程，集中体现了近代科学研究的主要特点。所以，人们一般认为近代科学从伽利略开始。伽利略解决了物体是怎样落向地面的问题。为什么物体会落向地面，而不是远离地面呢？这个现象人们都很熟悉，但是很长时期里没有人问为什么。直到17世纪，英国科学家牛顿（Newton，1642－1727）进一步研究了石头为什么会落向地球，为什么是加速运动。他力图归纳出不仅适用于地球与地球上物体之间的作用规律，也适用于宇宙大千世界的规律。在观察了许多在自然界发生的过程以后，他从直觉的假想出发，利用数学模型归纳出适用于世上万物间作用的万有引力模型。许多不同的试验为牛顿的假想提供了实证，他的假想就成为了公认的万有引力定律。直到20世纪初，爱因斯坦（Einstein，1879－1955）认为牛顿的定律在描述宇宙的某些现象时有局限性，他又在牛顿的基础上发展了相对论。这种对客观世界的研究进程会继续不断地深入进行下去，科学就是这样不断地肯定、否定、否定之否定，依靠实证来不断逼近自然界客观存在的真理。总之，科学知识就是指人类经过科学研究而积累的，系统的对客观世界和人类自身的认识。这个认识在不断修正，不断深入，以逐步逼近客观存在。科学知识的表现形式有科学事实、科学概念、科学原理、科学理论和科学模型等。科学知识并不是客观不变的真理，更不是绝对的真理。通俗地说，科学知识的得来是有道理的，经过实证证明的，但是，它又是有局限性的，它在科学家不断地探究之中发展和深化。无限的客观世界是如此复杂，而且在不断地变化之中，我们人类主观的认识能力与之相比是十分有限的，人类对客观真理的探究总是不断地在曲折中前进。二、科学研究的原则实际上，在上一节中我们已经用实例介绍了科学研究的主要特点，现在我们可把科学研究的原则归纳如下。科学研究应该符合以下的原则：科学研究的第一原则：引出有价值的、能用实证方法来进行研究的问题。从直觉的怀疑，到概括和界定出一个有价值的问题，对科学研究来说是很重要的。引出的问题应是为填补现存知识的缺陷；或是为了寻求新的知识；致力于鉴别某些现象的一种或多种起因；对一些假说进行规范的试验等。引出问题及为求解它而制定研究计划时，必须首先要对已有的有关理论、方法和实证工作有详尽的了解。科学研究的第二原则：把研究与有关的理论相联系。科学常常把建立理论作为长期的目标。这种理论不仅能解释具体的实例，也能对某类现象提供普遍化的解释。不论是以明显或是以隐含的形式出现，每一种科学探究都会与某种已存在的理论或概念的框架相联系，并用它们来指导整个研究活动。科学通过建立、修正和完善已有的理论，有时也会通过更替已有的理论，以获得新的解说，逐步积累科学知识。科学研究的第三原则：使用能够直接对问题进行调查研究的方法在不同的研究中，应采用不同的与之相适应的研究方法，这是很重要的，也是一个普遍的规律。特定的研究构思和方法常常仅对某一类研究和问题适用，很难适用于一系列探究中的所有问题和课题。因此，在研究某个系列问题时，经常要采用完全不同的研究方法来研究该系列问题中的不同部分。科学研究的第四原则：提供一个连贯的、明晰的推理过程。科学的核心是理性的推论：根据已获得的信息和对现象的观察，提出解释、结论，或预测。科学研究需要一个逻辑的推理过程：从实证到理论，然后再回到实证。这个过程是连贯的、可分享的、对怀疑者具有说服力的。科学研究的第五原则：可重复性和可推广性。科学研究强调对每个发现与结果进行检验、证实和校核。由于所有的研究都是基于有限的观察结果和实验之上，因而，科学上需要把特定情况下获得的发现，应用于的对象和情况。当某些发现能在一定范围的时间和地点被重复时，科学的知识才可以认为是被确立了。科学研究的第六原则：公开研究情况，以便鼓励专业界的审查和批评。科学研究只有在广泛地传播，并得到专业同行的评审后 ，才能肯定它对对知识的积累做出了贡献。这种不断进行的、合作性的、公开的批评是科学界兴旺的标志。目前，对教育是否是科学这个问题，大家的看法并不一致。但是，如果你认为你是在做教育的科学研究，就必须遵照科学研究的原则。现在出版的相当部分的教育论文，甚至是“优秀教育科学论文”都不列出参考文献。它们就不能看作是合格的科学论文，因为任何科学研究工作都是延绵不断的人类探究活动中的一段，是前人工作的继承和发展，而你的研究结果也必须要公开接受其他人的检验。不论人们是从事什么具体领域的科学研究，包括教育领域的科学研究，都应遵循上述科学研究的原则，这些原则也会在我们探究式科学教育中体现。三、科学研究和试验发展广义的讲，科学研究包括科学研究和试验发展，即我们通常讲的R&D。什么是R&D呢？根据我国科学技术部发布的文件，科学研究与试验发展活动：指在科学技术领域，为增加知识总量、以及运用这些知识去创造新的应用而进行的系统的、创造性的活动。它包括基础研究、应用研究、试验发展三类活动。基础研究：指为了获得新知识，而进行的实验性或理论性研究。这些新知识包括关于现象和可观察事实的基本原理，它揭示客观事物的本质、运动规律，获得新规律、新学说，它不以任何专门或特定的应用或使用为目的。应用研究：也是为获得新知识而进行的创造性研究，主要针对某一特定的目的或目标。应用研究是为了确定基础研究成果可能具有的用途，或是为达到预定的目标，探索应采取的新方法（原理性的）或新途径。试验发展：指利用基础研究、应用研究和实际经验所获得的已有的知识，为生产新的产品、材料和装置，建立新的工艺、系统和服务，以及对已产生和建立的上述各个项目作实质性的改进而进行的系统性工作。科学研究主要包括基础研究和应用研究，技术发展在应用研究和试验发展中有的体现。而且，随着科学和技术的发展，上述三方面的活动联系越来越紧密，有时也很难区分。在知识社会里,科学和技术的研究范畴有了扩大，不仅包含着对知识的发现和将知识应用于改造世界的技术转化，而且还包括对知识的管理和传递。知识向实用的转化不仅为满足工业上生产新产品的需要，而且应满足医疗上的需要和教育上的需要。例如像现在有关人是怎样学习的，有关儿童智力和情绪发展规律的研究结果，发展很快，可以说是日新月异，而且来自不同的学科。这些研究的成果要用在日常的教育活动中，就必须经过归纳、整理和转化。知识转化需要作为一种专业，同样需要科学研究和人才培养。今天，没有智能工具的引导我们不可能管理大量的信息，智慧和直觉经常会在浩瀚知识的海洋里遗失，因而信息的综合、运用已和生成数据本身同样重要。四、科学精神和科学态度什么是科学精神呢？在学术界对这个问题的讨论和争论也不少。由王大珩和于光远先生主编的“论科学精神”一书是当代中国论述科学精神相当高水平的一本著作。书的封面上还写有“新世纪初，我国学者首次深入系统的论科学精神”《1.3》。书中介绍,据樊洪业先生考证：在中文文献中最早提出“科学精神”一词的是留美学生任鸿隽先生，时间是1916年。竺可桢先生曾把科学精神归结为“求是”精神，即“只问是非，不计利害”。周光召先生在该书的序言中写道：“科学精神中最重要的，一个是实事求是，一个是追求真理，这是最根本的内容。”所以，将科学精神的核心确定为“求真”，即实事求是和追求真理是合适的。蔡德诚先生对科学精神的内涵进行了长期的研究。他提出科学精神的内涵应该包括六个方面：客观的依据、理性的怀疑、多元的思考、平权的争论、实践的检验和宽容的激励。他认为客观的依据是科学活动的立基之本。科学探索是需要想象力的，但是这个想象力必须立足于客观依据，富于想象力决不是凭空的幻想和乱想。第二条是理性的怀疑。人有好奇的天性，奇则察，细察则生疑。疑逐生思。冥思而深究。疑是重要的，但要基于实在的矛盾，要基于事理的逻辑。第三是多元的思考，因为客观世界是复杂的、多元的、多维的。人们需要经过充分地多元多维多方位的思考，才能产生出理性的怀疑。第四条是平权的争论。平权的争论本身也是一个保障。只有保障了争论的平等性和自由度，才能产生出理性的怀疑和多元的思考。第五条是实践的检验，在充分地自由探索和争论以后，谁是谁非，最后人人都要服从于实践检验的结果，而且要心悦诚服的服从。第六条是宽容的激励。人的探知能力是有限的，要允许失误和失败，不要以一时一事论英雄。蔡德诚先生对科学精神的内涵的论述不仅适用于自然科学，也适用于社会科学，而且联系我国实际，比较有针对性。在西方国家很少见到用科学精神这个词，相近的有“批判性思维。在美国先进科学协会颁布的《2061计划》中,提出通过科学教育儿童应该具有的科学态度是：1.好奇心：善于提出问题，并且积极地去寻求答案。2.尊重实证：思路开阔，积极主动地去考虑不同的、有冲突的实证。3.批判地思考：权衡、观察和对观察到的事实进行评价。4.灵活性：积极主动地接受经证实的结论和重新考虑自己的认识。5.对变化世界敏感：有尊重生命和环境的觉悟。对照一下，和蔡德诚先生提出的科学精神的六个方面大致一致，可以在科学教育中作为培养学生科学精神具体标准的参考。第五节 科学素质在中国科协发布的全民科学素质大纲（2049计划）中，对中国公民的科学素质作了如下的描述：科学素质是国民素质的组成部分，是指公民了解必要的科学知识，具备科学精神和科学的世界观，以及用科学态度和科学方法判断和处理各种事物的能力。这是对中国公民素质的要求。学生在早期确立起的对科学的态度以及价值观念，对其成年时所具有的科学素质会有决定性的影响。在经合组织进行的国际学生成绩测试项目中，对所测试学生（15岁）的科学素质定义为：科学素质是指能具有运用科学知识，识别问题，并能吸取基于实证的结论的能力，以便对自然界，以及对由于人类的活动使之产生变化的自然界，进行理解和进行决策。在美国国家科学教育标准中认为，有科学素养就意味着一个人能识别国家和地方的决定所赖以为基础的科学问题，并且能提出有科学技术根据的见解来。以上三方面有关科学素质定义都是强调了培养合格的公民，以及公民能够行使公民权利，不是针对从事科学工作的社会特定人群而设立的，比较合理。在教育部颁发的科学（3－6年级）课程标准中，对科学素质所作的定义是：科学素质包括必要的科学知识和技能、科学的思维方式、对科学的理解、科学的态度与价值观，以及运用科学知识、方法解决问题的意识和能力等方面。我们认为这样的定义中关于“运用科学知识、方法解决问题的意识和能力”方面的要求以外，也是一致的。不是每个国民都应该具有科学工作者的水平，具有运用科学知识来解决问题的能力。在科学技术飞速发展的今天，对每个提出应具有科学素质的要求，反应了知识社会的特点。公民的科学素质应该包括掌握必要的科学知识，习惯于探究的生活态度和思维方式，以及具有科学精神的价值取向。具有科学素质的社会公民可以在知识社会之中求得进一步的发展；对有关信息进行判别和选择；参与决策和讨论。