科学本质（Nature of Science，简称NOS）是指科学作为一种知识体系和实践活动的基本特征、原则和方法。它涵盖了科学知识的生成、验证、发展以及科学与社会、文化之间的关系。由于学界认为理解科学本质对于科学教育和公众对科学的认知具有重要意义，如：“理解科学本质有助于培养批判性思维，提高科学素养，使人们能够更好地理解科学在现代社会中的角色和影响，同时也有助于科学教育者设计更有效的教学策略，促进学生对科学的全面理解。”近 10 年来关于在课堂教学中实施科学本质教育的研究也是一股学术圈潮流。
自 2022 年以来，我阅读过不下十篇相关研究，但我也一直有一个疑惑：理解科学本质本身就不容易，科学的定义也并没有那么清晰，怎么在课堂中实施所谓的“科学本质教育”？
一、
常见研究中做法是通过介绍科学发展的科学史途径，展示科学知识是如何随着时间演变和修正的。例如，讲解哥白尼的日心说取代地心说，或达尔文的进化论如何改变了生物学领域，这有助于学生理解科学知识的暂时性和可修正性。更容易执行的一种途径是让学生研究某位科学家的生平和贡献，探讨其研究过程中的挑战、创新和社会影响。但是并非所有学生都有这样的阅读兴趣。
在真实课堂上更多的是通过“科学探究触及科学本质”的途径，通过学科实验，引导学生了解科学研究的基本步骤，如提出问题、制定假设、设计实验、收集和分析数据、得出结论等。可以通过实际的实验或项目式学习，让学生亲身体验科学方法的应用，增强对科学过程的理解。
另外就是关于科学的探讨，在教材中往往展示为“科学-技术-社会”，讨论科学与社会、文化、经济等因素的互动关系。例如，探讨疫苗研发过程中的伦理问题，或科技进步对社会的影响。这有助于学生理解科学不仅是孤立的知识体系，而是与社会紧密相关的实践活动。或是选择当前或历史上的科学争议，如气候变化、转基因食品等，组织学生进行辩论，分析不同观点的依据和科学方法的应用。
二、
接下来基于最新相关研究《Using the History of Research on DNA to Teach NOS》（利用DNA研究历史来教授科学本质），看一看这个“科学本质”本质上在教育中怎么起到作用，而这个概念的实施存在哪些问题。
这篇文章是一个师范生培养研究，探讨了如何通过DNA的研究历史来促进教育硕士（MA Education）学生对科学本质（NOS）的理解。研究发现，通过科学史的学习，学生（教育硕士）能够更好地理解科学知识的暂时性、经验性、社会文化嵌入性等特征。
首先研究发现，即使是教育硕士，对科学本质的理解也并不理想。在预测试中，当问及“科学方法确保了有效、清晰、逻辑和准确的结果，因此大多数科学家在研究中遵循普遍的科学方法”时，大多数学生表示“同意”或“强烈同意”。这表明他们认为存在一个所有科学家都遵循的单一、普遍的科学方法。然而，实际上科学方法是多样化的，不同的科学领域和研究问题可能需要不同的方法。这种误解可能源于教科书或课堂教学中对科学方法的简化处理。
科学定律和理论在科学方法中扮演着不同的角色。定律总结了特定的模式，而理论则将这些模式编织成一个连贯的故事，解释它们是如何以及为什么发生的。以万有引力定律为例，它描述了两个物体之间的引力是如何根据它们的质量和距离计算的。而大爆炸理论则解释了宇宙的起源和演化，包括引力在其中的作用。
在本研究中，尽管在课堂讨论中涉及了这一主题，但在测试后，只有少数学生能够正确解释定律和理论的区别。这表明，尽管他们理解了理论和定律在科学中的不同角色，但在具体应用时仍存在困难。
另一个显著的误解是关于科学知识的继承与发展，大多数学生能够描述科学知识是基于经验证据的，但难以提供具体的例子来说明科学知识如何随新证据而变化。
关于科学知识的社会文化属性性，尽管学生承认社会文化因素影响科学知识的产生，但他们在提供具体例子时显得有些犹豫。他们提到了弗兰克林（Rosalind Franklin，女科学家）在DNA研究中的性别偏见（团队其余成员领了诺奖），但没有进一步探讨这如何影响科学知识的构建。
三、
那么，作者是如何应对这些误区的呢？作者通过设计一系列以DNA研究历史为背景的学习活动，将NOS的概念融入其中。这些活动包括识别科学认识论中的实践，如假设、推断和额外证据，以及使用图尔明论证模式（Toulmin Argument Pattern, TAP）来构建关于DNA结构的论证。作者引导学生深入探讨科学知识的结构，包括假设、定律和理论，以及科学的社会文化方面，如性别偏见和科学实践中的社会影响。此外，课堂讨论涉及科学方法的多样性，以及科学理论与定律的区别。
图尔明论证模式是由哲学家斯蒂芬·图尔明（Stephen Toulmin）在20世纪50年代提出的。它旨在提供一种评估论证有效性的结构化方法，不仅关注逻辑结构，还考虑了论证的社会和文化背景。这一点非常有趣，因为它不仅关注形式逻辑，还关注论证在实际情境中的应用。
论点（Claim）：这是论证者试图证明的陈述。它是整个论证的核心，所有其他部分都围绕它展开。
数据（Data）：支持论点的证据或信息。这可以是事实、统计数据、观察结果或专家证词。
理由（Warrant）：将数据与论点联系起来的假设或原则。它解释了为什么数据支持论点。
支持（Backing）：支持理由的额外证据或理由。这为连接数据和论点的假设提供了进一步的合法性。
限定（Qualifier）：对论点的确切性或强度的陈述。它承认论点可能不是绝对的，而是基于当前证据的。
反驳（Rebuttal）：对可能反对论点的陈述。它显示论证者已经考虑了其他观点，并解释了为什么这些观点不成立。
让我用一个例子来验证一下。假设论点是：“我们应该在学校中推广素食餐。”支持这一论点的数据可以是：“研究显示，均衡的素食饮食可以提供所有必需的营养，同时减少环境影响。”理由是：“如果一种饮食既健康又可持续，学校应该推广它。”支持可以是：“营养专家建议，多样化的植物性饮食可以满足儿童的营养需求。”限定可以是：“假设学校能够提供多样化的素食选项。”反驳可以是：“有人可能会说，儿童可能对素食饮食不感兴趣，但提供多种吸引人的选择可以解决这个问题。”
通过前后测试的比较，可以看出学生的理解有了显著提升。在干预前，许多学生对NOS的理解较为幼稚；干预后，他们能够更好地证明一些NOS的概念，如科学知识的经验基础、暂时性与持久性，以及科学的社会文化影响力。然而，对于定律与理论的区别，尽管他们能够解释这些概念，但在具体应用时仍显得有些困难。
四、
通过明确“科学本质”的核心内容、采用多样化的教学策略、鼓励批判性思考、纠正先入为主的观念，并定期进行评估，可以有效促进学生对科学本质的深入理解。然而教师自身对于“科学本质”的理解存在差距，学界对于“科学本质”的界定也没有形成共识，根据我读过的一些文献，现在至少有两派，一派认为存在“科学本质共识”，另一派认为不同科学学科和方法仅存在一定的“家族相似性（Family Resemblance Approach，起源于 2011 年，更新也更火），因此往往仅活跃于学术讨论，在教育实践中的实施更多的是浅尝辄止。然而科学教师在课堂上如果能注意到、提及这些关于”科学本质“的讨论，或许能启发更多学生。
