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第一章 科学的性质

1.科学世界观
2.科学探索
3.科学事业

  在历史进程中,人类发展了有关物质、生物、心理和社会的许多相互关联并且被验证的思想。这些思想代代相传,使人们对人类自身和环境的认识日益全面和可靠。发展这些概念要使用一些特殊方法,如观察、思考、实践和求证。这些方法体现了科学性质的基本方面,也反映出科学与其他认知模式的不同。

  科学、数学和技术的结合形成了科学的推动力,并获得了极大的成功。尽管各项人类事业都有其各自的特点和发展历史,但是,它们相互依赖、相互强化。因此,本书的前三章将对科学、数学和技术进行概括的描述,着重论述它们在科学王国中所起的作用,并且揭示它们之间的相似与关联。

  本章针对哪些科学方法是科学素养所必需的这一问题提出建议,并集中讨论三个主题:科学世界观、科学的探索方法和科学事业的本质。第二章和第三章探讨数学与技术在通常意义上与科学的差别。第四章至第九章说明当代科学描述世界的见解;第十章“历史展望”综述了科学发展的重大事件;第十一章“通用概念”将汇集贯穿于各种对世界的认识中的概念。

    《面向全体美国人的科学》   

  学习科学是一种智力活动和社会追求,即应用人类的智慧,解决当今世界存在的问题。在任何课程设置中,如果将科学素养作为目标之一,就应该把学习科学放在首要位置。请思考以下问题:

  当人们知道了科学家们怎样从事自己的工作、寻求科学的结论,并且知道这些结论的局限性时,人们才有可能对科学的主张作出深思熟虑的反应,而不是简单地排斥它们或者不加批评地接受它们。

  随着学习的深入,以及重要的科学概念的积累,人们就会具有良好的科学意识,能在有生之年不断地跟随科学探索的步伐前进。

  许多人常常歪曲了科学的形象和科学的运作方式。他们将科学教育狭隘地局限于科学定律、概念和理论,致使青年人对科学产生神秘感和枯燥感。因此,应该把学习科学作为一种认知方法,在课程中加以说明。

  在获取有关世界运行方式的科学知识时,人们无须深入了解科学本身的运行规律。但是,单有哲学知识和社会学知识也不能形成对世界的科学理解。教育家面临的挑战是:要兼顾科学的方方面面,使它们彼此互补。

  对于低年级学生来说,应该将重点放在使他们获取有关自然现象和社会现象的经验上,并建立起对科学的热爱。随着学生的成长和解释复杂问题和抽象现象能力的提高,各种抽象概念就会显露出来。这种循序渐进的过程,当然也适用于科学世界观的形成、科学探索和科学事业。

  然而,这并不意味着在低年级时应该忽略抽象思维。学生们在科学活动中积累了大量的经验,随着他们调查活动的深入以及他们对发现所作解释的日益复杂,学生们就会积累一系列具体的经验。与此同时,当学生知道了科学家是怎样得出结论的以后,他们从书本上或课堂上学到的解释自然现象的科学结论就会越来越丰富了。确实,学生们在步入学校后,应该鼓励他们不断地询问:“我们怎么知道这是真的?”

  历史为理解“科学工作是怎样进行的?”提供了另一条通道。这也是我们为什么要在《面向全体美国人的科学》和《科学素养的基准》中加入“历史观点”这一章的主要原因。尽管,这一章强调的是科学上的巨大进步,但同样重要的是应该让学生们认识到,大部分科学技术的进步都来自于数百年知识的逐步积累。

  这种认识和许多人对科学进步持有的错误认识相反。区别于科学革命,我们把在大多数时间里有很多人参加并产生大量进步的科学叫做正规科学。但是,科学的“突破”和“革命”比一步一步地推进更引人注目。学生们不要将注意力只放在这种罕见的事件上,以免使他们对科学形成扭曲的观念。循序渐进地发展和偶然的突变都是科学历程的组成部分。

    基于同样的理由,也不应该将历史仅仅聚焦在伟大的科学家身上,他们人数很少,由于天分、机遇和运气的关系而闻名于世。学生们应该懂得,各种各样的人,当然也包括学生们自己,已经并且正在继续做着科学的工作。

  为了帮助学生更好地理解这一切,就要有合适的学习教材。在教学中,有必要用翔实的传记、参考书和影片来研究历史上的实例。同样,科学与历史的教科书也应该加以修订,要加入科学史的内容。应该从讲授古埃及、古希腊、中国以及阿拉伯的文化、科学、数学和技术开始,逐渐将这些教学内容延续到现代,讲授内容还应包括世界各地的人们为科学所作贡献的记载。

  1.科学世界观

  科学家们所做的是科学工作,他们不会花费时间去讨论科学的世界观。但是,他们赖以工作的基础却是一些信念,而一般人常常不能掌握这些信念。其中一个信念是:当人们一起工作一段时间后,就能够解释这个世界的运行方式;另一个信念是:宇宙是一个统一的体系,研究其中某一部分得到的知识常常可以应用到其他的部分;还有一个信念是:知识既具有稳定性,也具有变化性。

  由于这些信念是难以领悟的,仅将这些信念的涵义传授给学生,那就如同说教一样,收效甚微。上面所说的第一个信念只是表明:科学家们相信这个世界是能被认知的,但它将永远无法被完全认知。否则,一旦完成工作,那么科学也就会终止。的确,科学家们在找到这个世界是怎样运行的一系列问题的答案的同时,还不免会发掘出新的问题。所以,只要人类的追求存在,这种探索就会继续下去。此外,人类获取令人信服的关于自然界的知识的能力是有限的。科学探索常常不能回答科学家们所研究的问题。在肯定科学将获得问题的答案的同时总是要附加一些否定的状语,如“在许多情况下”和“在很长时间里”。

  从宇宙的某部分获得的知识可以用在宇宙的另一部分,这种信念通常被人们认同,但是,实际上它只不过有时是正确的。例如:对于一个特定的生物体,人们有时会发现它在自然环境中的行为与其在实验室里的行为不同。因此,在坚持宇宙统一的信念的同时,还需要指出在某一情况下的科学发现可以扩展到什么程度。

  要求学生们领会科学知识是要不断修正的概念可能有些困难。这似乎不仅与大众认可的观点(即科学是确定的和真实的)相反,而且还违背了人们(特别是青年人)对大多数文化特性是确定的意愿。此外,绘出科学变化的画卷也是不易的。当新的问题出现时,就会提出新的理论,发明新的装置,开发新的技术。相应的,就要进行新的实验,收集新的样品,从事新的观察,进行新的分析。有些新的发现会对现有的理论构成挑战,从而对这些理论进行修正,或者,在极少的情况下,会发明一种全新的理论,而新的理论又会促成新的实验和新的观察……如此继续下去。 

  但是,这种变动常常出现在研究的边缘。事实上,重要的是不要过分地渲染“科学总在变化”这一主题。因为,科学知识的主体是非常稳定的,在缓慢的修正之中发展着,并且渐渐地扩展其边缘。科学家们本身接受了这样的观念:科学知识永远敞开进步的大门,而且,人们绝对不可以宣称知识已经至善至美。

幼儿园至二年级

  从学生们入学的第一天,就应该让他们积极地学会科学地认知世界。这就意味着要鼓励他们对自然界中的现象提出疑问、寻找答案、收集物体、计数和测量物体、进行定性观察、组织收藏和观察、讨论发现等等。最重要的是要让他们融入科学并热爱科学。渐渐地产生科学世界观的意识。

  在形成科学世界观之前,这些早期主动参与的科学经历,可以产生自然界统一信念的一个方面:同一性。学生们有时应该在教室内反复进行观察和研究,然后,若有可能,在家中或校园里重复这些工作。例如,可以让学生们比较在不同的地方煮鸡蛋,其结果有什么不同;或者,在推拉物体时,会产生什么样的效果;或者,一粒种子开始生长时会是什么样子……这类活动有助于激发学生们的好奇心,使他们对周围的环境和自然界的运行方式产生兴趣。

到二年级结束,学生们应该知道:
  ■ 当采用以前用过的方法进行一项科学调查时,我们预计得到相似的结果。
  ■ 在不同的地方进行同样的科学调查,一般应采用相同的方法。

三年级至五年级

  当孩子们继续对这个世界展开调查时,通过着重解释不一致性,使一致性的前提得到强化。当学生们观察到物体不同的行为方式,或重复实验所获得不同的结果,他们就会对一次次实验取得的不同结果产生怀疑,进而尝试找出原因。这些差异有时是由于实验方法不同所致,有时就是事物本身的不同所致。重要的是,不同的发现会激发人们调查新问题的兴趣。    强调让学生参与科学研究,需要他们经常地亲自实践。但是,这并不是说学生通过直接参与实践,就必定能“发现”一切。可以用有关人类的发现和发明的故事解释人们认知世界的各种信念,让学生学习那些从事科学研究的人们共享的观点。

到五年级结束,学生们应该知道:
  ■ 相似的科学调查其结果很少是完全相同的。有时是因为所调查的事物有出乎意料的区别,有时是因为对采用的凋查方法和进行调查的环境有认识不到的区别,有时仅仅是由于观察不准所致。总之,人们往往不知道是哪一个原因。

六年级至八年级

  大部分少年学生对自然界的兴趣远比对自然科学理论的兴趣来得更直接。倘若想让他们今后能对科学具有较成熟的想法,形成一种世界观,就应该让他们继续不断地从事科学工作,并鼓励他们对所进行的科学工作提出自己的看法。

  然而,让少年学生开始涉及诸如科学知识的延续性问题,特别是科学的可变性问题,并非为时过早。应该让学生既知道科学知识的量变,又知道质变。科学的质变有时是因为出现了新的信息,有时则因为发明了更好的理论(例如:在第十章“历史展望”中讨论的基因理论和地质年代)。

到八年级结束,学生们应该知道:
  ■ 当类似的调查取得不同的结果时,科学面临的挑战是要判断这种差异是无足轻重的,还是意义非凡的。这需要做进一步的研究才能确定。即使结果相似,科学家们仍要重复进行许多次实验后,才能确定结果正确与否。
  ■ 当新的信息挑战现行的理论时,当新的理论使人们对先前的观察有新的认识时,科学知识都将被修正。
  ■ 有些陈旧的科学知识,至今仍有应用价值。
  ■ 有些事物不能用科学的方法来有效地考察。因为,人们不能对这些事物的性质进行客观的测试,例如道德问题。有时,人们可以用科学来证明某种行为可能产生的后果,以形成道义上的决定。但是,却不能用科学来确定某些行为是否合乎道德。

九年级至十二年级

  在高年级阶段,通过学习科学史实和思考当代科学的发展历程,可以使学生对科学世界观的某些方面有所认识。专题研究可以使学生有机会来考察如科学理论和科学实践的局限性等问题;考察不同的科学形成的不同的知识特性;并考察已有科学的确定性和对这种确定性的突破之间的紧张关系。

到十二年级结束,学生们应该知道:
  ■ 科学家们假设宇宙是一个巨大的单一体系。在这个体系中,基本规律处处适用。这些规律有的很简单,有的极其复杂,但是,科学家们工作时总是坚持这样的信念:只要认真地、系统地研究,就可以发现这些规律。
  ■ 关于世界运行的科学观念时常发生重大变化。然而,在大多数情况下,科学知识内容的变化是对先前知识的细微修正。变化与延续是科学的永恒特性。
  ■ 不论一个理论与观察多么吻合,另一个新的理论可能也同样吻合,甚至更加吻合,或者适用范围更加广泛。在科学界,验证理论,修正理论,偶尔还会扬弃理论,新与旧的代谢永无终止。这种持续不断的进程,使人们对世界事物运行规律达到日益深入的理解,但是不能达到绝对真理。这种科学进程的价值在于: 它使科学家们提供值得信赖的解释和进行准确预测的能力不断提高了。


   2.科学探索

  科学探索本身比当今流行的概念更为复杂。这是一个更加难以捉摸和费心费力的过程,而不是一个质朴的概念:“做大量细致的观察,然后进行整理。”它比教科书中作为“科学的方法”所介绍的教条性的步骤要灵活得多。它不仅仅是“做做实验”,也不仅限于实验室。在科学探索中包含的想象和创造性比许多人能认识到的要多得多,但是严格的逻辑性和实验证据迟早会取而代之。有时,研究人员单独工作会产生伟大的发现,但是,从总体上看,科学的稳步发展要依赖科学的整体事业。

  如果学生本人参与了适宜的、循序渐进的科学研究,那么,当他们离开学校时,形成的印象可能就合情合理,而且比较准确。但是,这就要对典型的学校实验室工作进行改革。一般的高中科学“实验”不太真实。因为,研究的课题由教师来决定,而不是由研究者自己决定;使用什么仪器、搜集什么数据,以及如何组织这些数据,也是由教师或实验手册来决定的;当研究没有结果时,也没有时间重复实验或修改实验;而且,也不把实验结果提交其他研究人员评议。说到底,在开始研究之前学生就已经知道了正确的答案。

  当然,我们能够设计好学生实验室来帮助学生们了解科学探究的性质。但是,作为第一步,简单而有效的办法是减少实验的数量,让学生有时间对问题进行更深入的探究。应该除去许多呆板的、照方抓药式的实验。然而,在进行这种改变时要记住,设想好的学生实验还有别的重要目的:比如,这些实验可以为学生们提供机会,去熟悉一些能够用他们正在学习的科学概念进行解释的现象。

  另一个更加大胆的步骤是要引入一些学生调查研究的课题,使他们与真正的科学探索更加接近。这种调查应该难度更大些,更复杂些。高中毕业前,学生们至少应该以个人或小组的形式,设计并进行一项重要的调查研究。他们应该提出课题、设计方法、估计调查所需要的时间和费用、校准仪器、进行实验操作、写出报告。最后,还要对别人的批评意见作出回应。

  这种调查研究,不论是个人搞,还是小组做,可能都要花费几周甚至几个月的时间。调查可以在课堂内或课堂外进行,当由于技术原因而不能连续进行时,可以分阶段实施。但是,这种调查研究投入的全部时间可能不会多于那些不大能使学生理解科学探索性质的每周一次的实验时间的总和。

幼儿园至二年级

  学生们应该在课内外积极地参与探索那些使他们感兴趣的现象。这种探索应该充满情趣和刺激,并打开探索更多的问题的大门。学生们探索的一个重要组成部分是要告诉别人,他们看到了什么、他们想的是什么、哪些事情令他们好奇。学生们应该有充分的时间讲述他们观察到的东西,并同其他同学的观察进行比较。应该鼓励学生们认真细致地表达他们的观点,因为,这在科学领域是必不可少的。但是,对于这一阶段的学生来说,不要期望他们能够科学地、准确地解释观察的结果。理论可以等待。

到二年级结束,学生们应该知道:
  ■ 人们恰是通过对周围事物的仔细观察来了解它们的,如果他们能够动手做些工作,或者记录下发生的事情,就会学到更多的东西。
  ■ 在观察事物时,借助于温度计、放大镜、尺子或天平等工具,比不用它们获得的信息要多。
  ■ 尽量准确地描述事物,这一点在科学方面很重要。因为,它能使人们互相比较观察结果。
  ■ 当人们对同一个事物作出不同的描述时,通常较好的做法是再进行新的观察,而不要争论谁是谁非。

三年级至五年级

  孩子们不断探索周围事物的办法,是随着他们个人或小组进行简单调查时取得的经验而不断改进的。应该鼓励他们观察,越仔细越好,提高测量物体的精确度(在对自然进行调查中需要测量时),并在记录本或日记本上把数据清楚地记录下来,把所得的结果用图表和简单的曲线图表达出来,也可以写成短文。应该给他们提供时间进行充分的试验,以增加试验结果的可信性。随后,他们应该向全班展示他们进行调查的情况,这种做法可以强调清晰表达对科学的重要性。在课堂上对调查过程和发现过程的讨论就是科学争执和辩论的开端。

  在这个年龄段,学生的调查工作主要是去发现他们所收集和观察的物体的相同点和不同点。应让学生逐渐体会到在尝试鉴定和解释事物的相似性与差异性时,他们所做的正是通常所说的“科学工作”。当学生们发现在不同时间、不同地点反复调查所获得的结果却不同时,或者当不同的小组做的相同实验所获得的结果不同时,就会感到很困惑。科学家也会遇到这种情况,有时是由于采用的方法或使用的材料的问题,有时是因为研究对象的实质发生了变化所致。

  调查研究显示,这一个年龄段的学生能学到什么内容,受学生的智力发展水平的一些限制。其中一个限制是:精心控制的实验方案仍然超出了大部分中年级学生的能力。另一些限制是:这些学生往往把理论和验证理论的事实混淆起来,并且,他们在逻辑推理方面也存在困难。然而,这些调查研究对于当前学校里这个年龄段的学生不能学的内容论述较多,而关于学生在有效的指导下可以学习的内容却涉及较少。

  在任何情况下,总有些孩子愿意解释各种事情发生的原因。应该鼓励他们“用所见的来检验所想的”。当解释变得越来越重要时,教师必须坚持要求学生们关注别人的解释,而且要允许提出新观点。此时适宜引入这样的概念,即在科学领域对相同的一组观察提出不同的解释是合理的。尽管对许多年幼的孩子来说,理解这个概念显然是有困难的。

到五年级结束,学生们应该知道:
  ■ 科学调查可以采用许多不同的形式,包括观察物体的形态、所发生的变化,搜集样本进行分析和做实验。调查研究的内容可以是物理的、生物的和社会的问题等等。
  ■ 科学调查的结果很少完全相同,如果差异很大,最重要的是要找出其中的原因。学生们应严格按部就班地操作和保持完善的工作记录,为的是从中找出造成差异的原因。
  ■ 科学家们对世界上发生的事所做的解释,一部分来自于他们的观察,一部分来自于他们的思考。有时,科学家们对同一组的观察得出不同的解释,这通常会使他们去做更多的观察,以进一步解释这种差异。
  ■ 科学家们只关心基于确凿的证据、并具有逻辑说服力的关于事物的机理或行为的论点。

六年级至八年级

  在这个年龄段,学生在进行科学调查时应该更加系统、更加精密,一些调查可能延续数周,甚至更长时间。这就意味着他们将懂得怎么才算好的实验。控制变量的概念很简明,但是,在实践中要做到这一点却很困难。然而,通过参与较多的实验研究(当然,不排除其他方式的调查),以及清晰地讨论所得结论与实验设计的关系,学生们在这方面的能力将会有所提高。

  学生的调查研究工作应是全部科学课程的一个重要组成部分,但仅仅是一部分。在课程中要给系统地学习科学概念留有一席之地,因为,学生不可能仅仅通过自己所做的实验研究,就能发现所有需要学习的概念的含义,或者观察到所有需要观察的现象。虽然学生进行科学调查的主要目的是要帮助他们了解科学工作是怎样的,但选定一些读物来辅助他们的实验也很重要。在这个阶段,适合向学生们讲述从事科学发现的科学家的故事(真实的或虚构的),这些故事不要只限于介绍那些世界闻名的科学家,还要介绍那些不同背景、不同年龄、不同文化、不同地方和不同时期的科学家的故事。

到八年级结束,学生们应该知道:
  ■ 科学家们所研究的现象和采用的工作方法极不相同。尽管不存任所有科学家都遵循的一系列固定的步骤,但是,科学调查研究工作通常包括以下内容:搜集相关事例,运用逻辑推理和想象提出假设,对所收集到的事例进行解释和判断。
  ■ 在一次实验中,如果发生变化的变量不止一个,实验的结果就不能简单地归因于某一个变量。避免外部的变量对研究结果产生影响(甚至确定所有的变量)常常是不可能的,但是,通过合作,研究人员常常能够形成新的研究方案,来处理这种情况。
  ■ 人们对观察结果的期望常常会影响实际观察到的结果。对于在某特定环境下必将发生什么的强烈信念,会妨碍人们去察觉其他的结果。科学家们知道这点会危及科学的客观性,所以,他们在设计实验和观测数据时采取一些步骤来避免这种干扰。一个较为稳妥的做法就是让不同的调查人员对同样的问题做独立的研究。

九年级至十二年级

  在高中阶段,学生们处理抽象问题和假设问题的能力会得到改进。此时,学生们有些意识到科学所具备的试验性和科学研究是无穷尽的。但是,学生们不应据此得出结论,认为科学的易变性允许人们认为世界上的任何信念可以同其他的信念一样好。各种理论相互竞争,以求得认同,但是,只有那些证据充分和逻辑说服力强的理论才具有真正的竞争力。

  在这个年龄段,还可引导学生们认识科学预测的性质和重要性。在有关这个问题的教学内容中,应强调统计、概率和建立模型,在对生物、气象和社会体制等复杂现象进行科学预测中的应用。注意应该把对科学的预测同大众对占星术的看法和对体育比赛结果的竞猜区分开。

到十二年级结束,学生们应该知道:
  ■ 进行科学探索有种种理由,包括探索新的现象,检验前期的结果,试验理论预言的可信度,以及对不同的理论进行比较。
  ■ 任科学探索中,可以广泛地应用假设来确定需要重视的资料和需要寻找的新资料,并引导人们对资料(包括新的和已有的数据)作出解释。
  ■ 有时,科学家们为了获得某些证据可以对实验条件加以控制。当这样做由于实际上的或伦理上的原因而不可能时,他们就努力去观察尽可能扩大的自然过程的范围,以便对不同的模式加以甄别。
  ■ 在科学的各个领域,对研究哪些内容和怎样研究有不同的传统。但是大家对证据、逻辑和好理论的意义却具有共同的信念。而且,大家一致认为:科学所有领域的进步都依赖于智慧、勤奋的工作、想象力、甚至机遇。
  ■ 由于在任何一个研究小组里工作的科学家们往往对事物有相似的看法,所以,即使组成若干个科学研究组,也不能消除对他们的研究方法和研究结果的客观性的疑虑。出于这方面的考虑,人们期望科学研究小组在制定调查计划和分析数据时尽量摒除偏见。互相核对研究结果和对结果的解释能够起些作用,但仍然无法保证根除偏见。
  ■ 在短期内,与科学的主流思想不一定吻合的新观念常常会遭到激烈的批评。在较长的时期内,判断新的理论是从以下几方面进行的:它与其他的理论相适应的情况;它所解释的现象的范围;它对观察结果所作的解释的可信度;以及它预测新发现的有效程度。
  ■ 任科学领域,新的观念常常受到孕育这些观念的环境的限制,它们常常受到科学上条条框框的排斥;新的观念有时是从意想不到的发现中产生的;新的观念通常是经过许多研究人员作出贡献后慢慢地成熟起来的。

  3.科学事业

  科学活动是当今世界的主要特性之一,它可分为现代科学活动和早期科学活动。有为数众多的人们以从事科学事业为生,他们在科学活动中了解世界的运行方式。重要的是要学生们理解科学事业的构成,因为当他们成长为一个民主社会中的成年人时,他们将会对公众如何支持基础科学和应用科学产生影响。还需要让学生们知道科学事业的另外四个方面,即:它的社会结构、它的分科和确认的机构、它的伦理道德以及科学家在公共事务中的作用。在低年级时,无须对这些问题进行清晰的讨论,但是,随着学习不断进步,应越来越多地涉及这些问题。到学生毕业时,他们应能自如地用通用的语言谈论科学事业的性质,并且能够理解新闻中讨论的科学问题。

幼儿园至二年级

  在幼儿园,学生们应该以小组(而不是以个人的形式)开始学习科学。让他们对周围的事物进行提问,然后予以解答,并与同学共享自己的发现。老师和年龄大的学生可以帮助小组成员学会怎样和其他成员一起来决定做什么、收集和组织信息和进行演示。

  从这时开始,老师可以通过表扬个别学生和学生小组的工作,培养他们的科学价值观。例如,即使学生的探究并未取得预期的效果,也要对他们的好奇心和创造性予以奖励。

  基于“科学产生于独立的思考”的观点,要向学生们肯定,尽管他们是小组的一分子,但是,他们仍可以自由地发表与其他同学不同的结论,当他们怀有不同的结论时,应该提出并解释其缘由。这是很重要的。由于年轻人希望讨别人喜欢,所以,要使学生接受“即使与朋友产生分歧,也不会影响友谊”的道理(虽然在短期内也有影响友谊的可能),并不很容易。因而,必须明智地处理这个问题。

  学生探究时,常常要将一些活的小动物带入教室进行观察。虽然绝大部分孩子会善待这些小宠物(金鱼、兔子等),但并非人人都如此,有些孩子可能会表现得很残忍。在科学研究方面,使用动物是一个很复杂的问题,但是,在学生们有能力深入讨论这个问题之前,他们应有机会以科学的态度与这些活的宠物进行交流以提高其爱护动物的意识。所有教师都应该熟悉国家科学教师协会关于在教室里使用动物进行试验所应承担的责任的指导原则,这一协会手册已公开发行。

  对于低年级学生来说,科学技术史是一门过于高深的课目。但是他们完全可以从自己所积累的经验中学到东西。每个人都能发现一些关于自然的东西,就像每个人都能学会数字、字母以及如何阅读一样。

到二年级结束,学生们应该知道:
  ■ 每个人都能从事科学,发明一些东西和提出一些想法。
  ■ 以小组形式一起进行科学研究常常很有帮助,同学们可以彼此分享发现成果。然而,所有的小组成员对于这些发现意味着什么,都应该得出自己个人的结论。
  ■ 学生们可以通过对植物和动物密切的观察学到很多知识。但是,一定要小心,要知道被观察生物的需要,以及如何在课堂里养护好它们。

三年级至五年级

  当学生研究小组对从事科学活动变得越来越熟练时,就越应该强调如何交流各自的发现。当学生们学会详细地描述他们的研究过程,以便使别人可以重复研究时,当学生们更多地利用表格和图线汇总和解释数据时,当他们把研究结果提交别人评议时,他们应该知道他们正在使用科学的方法从事研究。

  此时可以引入职业信息,使学生们知道科学可以作为一种职业。在这种职业中,有着极其广泛的不同种类和不同层次的工作。通过看电影和阅读图书(包括科学探险故事和传记)、访问科学家、参观科技馆和大学,以及参观企业和实验室等活动,为学生提供多种机会,使学生们变得见多识广。

  教师应该着重让学生发现科学界的多样性。不同的人(就种族、性别、年龄和国籍而言)在不同的地方(从旷野到实验室和办公室)从事着不同的科学工作。学生们还可以了解到:一些科学家和工程师使用巨大的仪器(例如:粒子加速器或望远镜)从事科研工作,而另一些科学家则仅用笔记本和铅笔。重要的是,学生开始意识到:从事科学工作的并不仅局限于科学家,许多不同职业都是科学事业的一部分。

到五年级结束,学生们应该知道:
  ■ 科学是一项开创性的工作,世界各地的人都能参与,正如人们几个世纪以来一直做的那样。
  ■ 清晰的交流是从事科学工作的基本条件。交流使科学家们可以把自己的工作告诉别人,可以阐述自己的观点并交由别人评议,始终关注周围世界的科学发现。
  ■ 科学研究包括不同种类的工作,有许多各年龄段的、不同背景的男人和女人都在从事科学工作。

六年级至八年级

  教师应该继续抓住机会向学生介绍这样的信息:各行各业都离不开科学。毕竟,青少年时期的孩子们需要把科学和与科学相关的职业视为人生的一种真正的选择。这并不意味着加重负担,也不意味着要求学生过早地选择职业。但是,这样做却可以开拓学生的视野,了解各种机会,并帮助全体学生把握这些机会。如果这种意识得到适当的开发,那么在他们成年以后,不论从事何种职业,他们所获得的知识都是有价值的。

  到了这个阶段,学生们的科学调查工作比在小学阶段更加专业化。一方面,在允许他们进行某项调查工作之前,必须估计一下他们所从事的工作可能会冒的风险。另一方面,学生应该像科学家那样使用计算机做数据的收集、存贮和恢复工作,用计算机辅助做数据分析,做报表和图表,并且写出总结报告。如有可能,应给学生们提供通过计算机与在异地学生进行同样课题的交流机会。

到八年级结束,学生们应该知道:
  ■ 不同文化背景的、不同时代的、不同类型的人,对科学、数学和技术进步一直在作着重要的贡献。
  ■ 直至最近,妇女和少数民族由于受到教育和就业机会的限制,他们基本上不能参与很多科学机构的正规工作。只有极少数克服了这种障碍的人有机会参与,但他们的工作仍可能被科学机构漠视。
  ■ 无论谁从事科学、数学或发明创造,无论他们在何时、何地做这些事,他们的工作所产生的知识和技术最终都将造福世界上的每一个人。
  ■ 科学家们在学院、大学、商业界、企业界、医院和许多政府机构从事研究工作。他们的工作场所包括:办公室、教室、实验室、农场、工厂以及从天空到海底的自然区域。
  ■ 当研究涉及到人类自己时,科学道德要求:对可能成为实验对象的人,要充分告诉他们这项研究可能会带来的风险和利益,并且他们有权拒绝参与。科学道德还要求:科学家们不能在事先未告知并得到允许的情况下,故意地使自己的助手、学生、邻居和公众的健康或财产受到危害。由于动物自身不能作出选择,所以,用它们进行科学研究时应该特别小心。
  ■ 任科学方面,计算机已成为无价之宝,因为计算机可以加快并拓宽人们在收集、存贮、汇编和分析资料方面的能力,还可以用来准备研究报告,与全世界的研究人员共享资料和观点看法。
  ■ 保持记录的准确性、公开性和可复制性,是研究人员维持自己在其他科学家和社会中信誉的最重要的条件。

九年级至十二年级

  在这一阶段,科学和历史互相印证变得更加淋漓尽致。当学生们学习科学和数学时,他们应知道所学的这些概念的历史和文化渊源。当他们学习不同时期、不同文化、不同事件的历史时,学生们会发现科学、数学和发明常常扮演着核心角色。

  对历史 、政治和科学的学习可以共同帮助学生理解科学是一种社会事业。对于真实案例的研讨会将使学生们接触到科学中的道德问题,并了解科学家们在科学决策中的作用。现实中关于科学道德的争论有很多,从对社会具有潜在危险的研究受到公民的抵制,到在医学实验中对囚犯或动物的使用,再到对科学欺骗的指控等等。报纸和杂志、科学期刊中的“新闻与评论”、“读者来信”栏目以及国会证词等都提供了很容易取得的文字资料。研讨会的形式应该是针对这些资料的讨论和辩论,而不应该采用那种为达到预定的结沦,而事先准备好材料进行讨论的形式。

  不管课程如何设置,都应该给学生提供机会,让他们了解现存的科学定律的广大范围。然而,要求学生们死记硬背人类学、天体物理学、生物化学、古生物学以及其他学科的定义则毫无意义。不同的学生个人或学生小组可以深入地学习不同学科的一些定律,绝大部分科学团体也愿意帮助他们,然后可以让学生们把自己的成绩拿出来与其他学生共享。学习的重点应该是学科的本质(即这门学科的典型内容)、学科的社会性(即涉及的范围和参与的人)。时间允许的话,让学生们参加面谈、实地旅行、阅读资料、分析数据,如有可能,还可以进行一些小规模的试验或实地研究。这些活动有助于实现科学素养的目标,而且,还能帮助学生们意识到,在科学领域有许多不同的事业可做。

到十二年级结束,学生们应该知道:
  ■ 早期的埃及、希腊、中国、印度和阿拉伯文化是许多科学和数学观念和技术的发源地。
  ■ 现代科学是基于500年前汇集到欧洲的思维传统。来自各种文化背景的人们,现在仍在对这种思维传统作出贡献。
  ■ 科学进步与发明在很大程度上依赖于社会其他部分的状况,与此同时,历史又依赖于科学与技术的发展。
  ■ 虽然科学的学科根据研究的对象、使用的技术和得出的结果不同而不同,但是,它们拥有相同的目的和哲学观念,所以,它们都是科学事业的组成部分。尽管每门学科都提供了一个用于组织和研究知识的概念框架,但是,科学家们在研究问题时,要采用多个学科的信息和技术。学科之间并没有固定的界限。时常会有新的学科生成于现有学科的交界处,某些分支学科也会从现有的学科中分离出来,变成新的学科。
  ■ 现行的科学道德认为:对人类的研究只能在得到实验对象允许的前提下进行,即使这种约束限制了某种可能很重要的研究项目或是影响了研究成果的取得。面对“是否参与一项有可能对社会造成危害的研究”这个问题时,大部分科学家认为:决定是否参与这类研究,是个人道德问题,而不是职业道德问题。
  ■ 科学家们可以向公众提供他们所关心问题的信息、见解和分析方法。科学家在涉及其专业的领域里,可以帮助人们弄懂事件产生的可能原因并预测产生的后果。然而超出他们所学的专业领域,科学家们就不享有特殊的信誉了。当科学家本人或与其相关的机构或社区的利益面临危险时,科学家这个群体对于其明显的利益的偏爱不见得比其他群体少。
  ■ 坚定地捍卫科学的传统,包括使科学家接受同辈人的评论并公之于众,可以使绝大多数科学家具有良好的职业道德。故意欺诈很少见,这种做法迟早都会被科学事业本身所揭穿。违背这些科学道德传统的现象一经发现,就会受到科学团体的强烈谴责,背叛者就很难再得到其他科学家的尊敬。
  ■ 基金对科学研究方向的影响,是通过决定哪些研究可得到资助来施加的。研究基金来自于各级联邦政府机构、企业界和私人基金会。


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