从一份调查反思高中生对科学研究思想与方法的认识
2022-06-08
巴洛夫曾说：“重要的是科学方法、科学思想的总结，认识一个科学家的方法远比认识他的成果价值更大。”在我国，从“授之以鱼不如授之以渔”的古训，到新一轮课程改革将“过程与方法”作为课程目标的维度之一，体现着教育者对方法教育历来的重视。那么，在新课改深入开展的今天，高中生对科学研究思想与方法有着怎样的认识？
检索相关文献发现，近年来关于科学思想方法教育的研究成为科学教育研究的热点之一，在万方数据库中检索“科学方法教育”，近3年共检索到2307篇期刊论文。但已有的研究主要集中论述开展科学方法教育的价值、教学策略、在教科书中的体现等，而极少涉及对科学研究思想与方法认识的测试调查。笔者拟以高中物理天体运动相关内容为例，尝试探索与回答上述问题。
1 调查卷的开发与施测
关于天体运动的研究是较具代表性的科学发展史，其中涉及了各类科学研究思想和方法，而高中《物理》必修2在《万有引力》这一章中，开篇便是关于天体运动研究发展的概览，因此本研究选取该内容作为调查的主题。
为了更广泛地收集高中生对科学研究思想与方法的认识，调查卷拟以简答题为主，了解学生对不同科学家研究工作的认识情况，进而考查他们对相应科学研究思想与方法的认识。另外，为了比较高中生对科学知识及其相应科学研究思想与方法的认识是否存在差异，调查卷拟增设关于天体运动相关知识的记忆与应用的考查。
基于上述思考，笔者尝试开发了相应的高中生对天体运动研究思想与方法认识的调查卷。在请物理学科专家和物理教育研究专家对调查卷进行审查后，选取3位高二学生进行了初测，根据他们对测试题目理解的反馈对题目做了进一步调整，形成最终的调查测试卷。
在广东一所中上层次高中的高二年级选取一个班的全体学生作为调查测试对象。共计发放调查测试卷50份，回收有效调查测试卷49份。所有调查卷统一编号，并对其中的简单题答案进行归类整理和统计。
2 调查数据的统计分析
2.1 关于相关知识的考查
首先，审视高二学生对知识的记忆情况。调查卷中设计了一道填空题，要求学生写出万有引力定律的公式。统计显示，100%的学生都能正确写出该公式，表明学生对该知识的记忆是很好的。
继续考查学生对开普勒三大定律应用及其推论的认识情况，要求学生判断——与远日点相比，当地球离太阳较近时运动速度是较快、较慢还是不变。该题是开普勒第二定律的推论，测试结果显示：87.8%的学生能够正确回答近日点运动速度较快，可见，大多数学生对开普勒第二定律的这一推论具有较好的认识。
上述两题学生有可能凭借记忆做出正确回答，进一步考查学生对天体运动规律的灵活应用情况。调查卷中询问学生“月球与地球之间有万有引力，那么为什么月球不会被地球吸引下来？”
学生的答案大致可分为三大类。第一类（占32.4%）答案是用圆周运动的相关知识做出相应解释，代表性的答案如“地球与月球间的万有引力提供月球做圆周运动的向心力”；第二类（占35.3%）回答则将原因错误地归咎于地月距离太远，代表性回答如“月球与地球相距较远，万有引力尚不能将月球吸引下来”；第三类（占32.3%）回答则错误地认为月球受力平衡，有的认为“月球与地球间存在斥力”，有的认为“月球除了受到地球的万有引力之外，同时也受到其他天体的万有引力”。可见，三分之二的学生对于圆周运动知识还没有做到灵活应用的程度，无法正确解释地月间的运动现象。
综合比较本题与前面两题的正确率可以发现，当前学生能够记住公式、定律及其推论，但并不意味着学生能够灵活应用这些公式和定律解决问题。
2.2 关于托勒密研究思想与方法的认识考查
再来审视学生对科学研究思想与方法的认识情况。测试题1以托勒密地心说的研究为命题背景，如表1所示。
统计显示，65.8%的学生认为托勒密所进行的研究可以称为科学研究，代表性的理由如：“尊重事实，从事实数据出发假设”，“结合实际观测到的数据进行分析，提出了较为科学的假说”，“因为根据观察到的现象作出假设”，但也有个别学生认为“因为他是科学家，他在做他应该做的事”。
当问及如果认为是科学研究，体现了哪些科学研究思想与方法时，只有一半的学生予以了回答。尽管学生存在着偷懒的心理，但三言两语能说明的研究思想与方法却留以空白，从另一个侧面反映了很可能学生并不知晓相应的科学思想与方法。查看填写了文字的答案，多数都正确提及了观察与假设，代表性的回答如“观察提出假说”，“通过科学现象作出猜想与假设”，“结合实际观测到的数据进行分析提出较为科学的假说”。可见，学生对观察法与假设法较为熟悉。
而44.2%的学生则认为托勒密的研究不能称为科学研究，代表性的理由主要有两类。一类认为其没有实验数据，如“没有实验数据”，“没有精确的观测数据可以证明”；另一类理由认为只是假设，没有理论依据，如“只是对天体进行观测猜测，没有科学理论依据”，“他的研究无影无踪，仅靠一些实验数据和丰富的想象力，牵强地用本轮来解释地心说”，“没有理论来验证实验”。可见，这部分学生认为必须有实验数据和理论基础才能称为科学研究，而没有认识到根据已有事实尝试作出假设同样是科学研究的一种范式。
2.3 关于哥白尼研究思想与方法的认识考查
调查卷中继续以哥白尼的研究作为考查背景，测试题2见表2。 统计显示，81.6%的学生认为哥白尼关于日心说的研究可以称为科学研究，仅有18.4%的人持反对意见，其反对理由多数都认为缺乏实验，如“因为他只是凭借肉眼观察到的内容来说明问题，没有深入太空，没有实验来检验真理”。可见，学生仍认为只是假说而缺乏实验的研究，不能纳入科学研究的范畴。
对于持肯定看法的学生，认为哥白尼所用的科学研究思想与方法主要有两类：一类认为是观察法，代表性的如“大量的观察和研究”，“实验观察证明”，“观察计算”；另一类认为是理论计算与假设法，代表性的回答如“理论计算法和假设法”，“作出假设数据处理分析”，“大胆猜想”。这种认识是正确的，哥白尼进行了一定量的理论计算，所提出的日心说也是一种假设模型。但是，题目中提供的信息“哥白尼抛弃了这些数量众多的本轮而提出了更为简单的日心说模型”，没有一位学生予以关注，没有一位学生提到“简单性原则”的物理学研究思想，在一定程度上表明学生对这种研究思想并没有较好的认识。
2.4 关于开普勒研究思想与方法的认识考查
测试题3以开普勒的研究作为考查背景，具体见表3。
统计表明，只有4位学生认为其研究不能称为科学研究，查看他们的理由，一位认为“只是进行计算，只能算是理论上的研究，不能算是科学研究”，另外3位则清楚地指出“没有进行实验”。可见，个别学生错误地认为只有实验才能算是科学研究，这种认识本身是片面的，需要在教学中予以重视。
进一步审视其余学生认为开普勒研究所体现的科学研究思想与方法，多数都提及了计算，如“理论计算”“总结分析数据”等。除此之外，不少学生还认为应用了观察法和实验法，表述如“精确观察”，“多次实验求普遍性”，“通过多个实验得出普遍规律而推断出三大定律”。事实上开普勒自身的视力不太好，主要的研究是立足于第谷留给他的大量天文观测数据进行理论计算，运用的是数学方法，“理论计算”的表述与数学方法含义基本相近，但不少学生强行加上“观察法”“实验法”，实际上是不正确的。由此也反映出学生头脑中认为只有涉及观察或实验才能称为科学研究的错误观念。
2.5 关于牛顿研究思想与方法的认识考查
最后一道测试题以牛顿关于万有引力的研究为背景（见表4）。
统计结果出乎笔者的意料，尽管学生们都知道牛顿是物理学家，但仍有高达25.6%的学生认为题目中提及的牛顿的研究不能称为科学研究，反对理由如“无数据”，“只提出假设而不做实验来验证”，“只是普通的由表面现象作出设想，并未有与之相关的实验验证”。可见，学生的反对理由都集中于没有实验，再次揭示了不少学生对科学研究认识的局限。
再来审视认为牛顿的上述研究可称为科学研究的回答，只有15人做出了回答，很可能不少学生对科学方法与思想并没有相应的认识，无从下手。回答的类型主要有3类：第一类回答认为是“类比法”，如“假设类比”“大胆设想，合理类比”，只有3位学生能够认识到牛顿将地球吸引月球的力与地球吸引苹果的力进行类比，这是值得肯定的，但可惜比例很低；第二类回答只是含糊地认为是“设想”，这类回答占了53.3%，如“合理设想”“大胆设想”“扩散思维，有条理的联想”，尽管牛顿的研究中的确涉及了设想，但设想的表述很难称得上是一种研究方法；第三类回答则提及了实验法，占26.7%，如“作出假设进行实验数据的处理分析”“实验观察”等，实际上在题目提供的信息中并未提及牛顿进行了相关的实验，这部分学生的逻辑是：牛顿所做的研究一定是科学研究，而科学研究一定要涉及实验，因此想当然地认为采用了“实验法”。全班没有一位学生指出牛顿采用了理想实验法，学生所提及的“实验法”都是指向真实实验，需要“处理实验数据”、需要“观察”，再次体现了学生对相关科学方法的认知缺失。另外，也没有一位学生提及牛顿将天上运动和地上运动统一起来确立了万有引力普适性的研究中，体现了“统一性原则”这种同样重要的物理学研究思想。
2.6 小结
综上所述，可以看到：
（1）对于天体运动涉及的公式、规律及其推论的记忆，参与测试的学生都能较好地完成，但不少学生并不能灵活运用圆周运动的知识阐释地月间的运动现象。
（2）对于具体的科学研究方法，多数学生都能认识到“实验法”“观察法”“假设法”这3类科学研究方法，但仍存在着以下问题：其一，基本上所有的学生都不能较好地表述出科学研究方法的名称，只能说出大致的意思，如“理论计算”“设想”等；其二，多数学生没有意识到“类比法”“理想实验法”等科学研究方法；其三，部分学生将“观察法”“实验法”等科学研究方法，不加判断地强加进科学家的理论研究中。
（3）对于科学研究思想，一方面，没有一位学生能认识到“简单性原则”和“统一性原则”这两种重要的物理学研究思想；另一方面，不少学生错误地认为只有涉及实验才能称为科学研究，而没有认识到，应用逻辑推理和数学工具尝试对已知的实验事实进行描述和预测，同样是一种十分重要的研究思想。
3 讨论与建议
3.1 若干讨论
讨论1：为什么学生能够回忆和应用相关公式、规律，但对相应的科学研究思想与方法并没有深刻认识？
该问题提及的现象，从上文关于不同内容的调查测试结果的比较中可见一斑。笔者认为，最主要的原因在于，当前学生所学习的各类公式、规律，往往由教师或教科书以较快捷的方式呈现出来，而后便进入了各类习题练习环节。尽管他们也经历了课程标准提出的“探究过程”，但是，当前引领学生经历的探究过程，往往是后人经过大量简化的、失去研究本真的过程，其出发点更侧重于如何快捷地传承知识。因此，学生们并不清楚当年科学家为什么要研究该课题以及他们是如何入手研究该课题的。不得不承认，如此教出的学生，即便能够高效率地传承科学研究的成果，却缺失了对科学研究思想与方法的细致品味与深刻领悟
检索相关文献发现，近年来关于科学思想方法教育的研究成为科学教育研究的热点之一，在万方数据库中检索“科学方法教育”，近3年共检索到2307篇期刊论文。但已有的研究主要集中论述开展科学方法教育的价值、教学策略、在教科书中的体现等，而极少涉及对科学研究思想与方法认识的测试调查。笔者拟以高中物理天体运动相关内容为例，尝试探索与回答上述问题。
1 调查卷的开发与施测
关于天体运动的研究是较具代表性的科学发展史，其中涉及了各类科学研究思想和方法，而高中《物理》必修2在《万有引力》这一章中，开篇便是关于天体运动研究发展的概览，因此本研究选取该内容作为调查的主题。
为了更广泛地收集高中生对科学研究思想与方法的认识，调查卷拟以简答题为主，了解学生对不同科学家研究工作的认识情况，进而考查他们对相应科学研究思想与方法的认识。另外，为了比较高中生对科学知识及其相应科学研究思想与方法的认识是否存在差异，调查卷拟增设关于天体运动相关知识的记忆与应用的考查。
基于上述思考，笔者尝试开发了相应的高中生对天体运动研究思想与方法认识的调查卷。在请物理学科专家和物理教育研究专家对调查卷进行审查后，选取3位高二学生进行了初测，根据他们对测试题目理解的反馈对题目做了进一步调整，形成最终的调查测试卷。
在广东一所中上层次高中的高二年级选取一个班的全体学生作为调查测试对象。共计发放调查测试卷50份，回收有效调查测试卷49份。所有调查卷统一编号，并对其中的简单题答案进行归类整理和统计。
2 调查数据的统计分析
2.1 关于相关知识的考查
首先，审视高二学生对知识的记忆情况。调查卷中设计了一道填空题，要求学生写出万有引力定律的公式。统计显示，100%的学生都能正确写出该公式，表明学生对该知识的记忆是很好的。
继续考查学生对开普勒三大定律应用及其推论的认识情况，要求学生判断——与远日点相比，当地球离太阳较近时运动速度是较快、较慢还是不变。该题是开普勒第二定律的推论，测试结果显示：87.8%的学生能够正确回答近日点运动速度较快，可见，大多数学生对开普勒第二定律的这一推论具有较好的认识。
上述两题学生有可能凭借记忆做出正确回答，进一步考查学生对天体运动规律的灵活应用情况。调查卷中询问学生“月球与地球之间有万有引力，那么为什么月球不会被地球吸引下来？”
学生的答案大致可分为三大类。第一类（占32.4%）答案是用圆周运动的相关知识做出相应解释，代表性的答案如“地球与月球间的万有引力提供月球做圆周运动的向心力”；第二类（占35.3%）回答则将原因错误地归咎于地月距离太远，代表性回答如“月球与地球相距较远，万有引力尚不能将月球吸引下来”；第三类（占32.3%）回答则错误地认为月球受力平衡，有的认为“月球与地球间存在斥力”，有的认为“月球除了受到地球的万有引力之外，同时也受到其他天体的万有引力”。可见，三分之二的学生对于圆周运动知识还没有做到灵活应用的程度，无法正确解释地月间的运动现象。
综合比较本题与前面两题的正确率可以发现，当前学生能够记住公式、定律及其推论，但并不意味着学生能够灵活应用这些公式和定律解决问题。
2.2 关于托勒密研究思想与方法的认识考查
再来审视学生对科学研究思想与方法的认识情况。测试题1以托勒密地心说的研究为命题背景，如表1所示。
统计显示，65.8%的学生认为托勒密所进行的研究可以称为科学研究，代表性的理由如：“尊重事实，从事实数据出发假设”，“结合实际观测到的数据进行分析，提出了较为科学的假说”，“因为根据观察到的现象作出假设”，但也有个别学生认为“因为他是科学家，他在做他应该做的事”。
当问及如果认为是科学研究，体现了哪些科学研究思想与方法时，只有一半的学生予以了回答。尽管学生存在着偷懒的心理，但三言两语能说明的研究思想与方法却留以空白，从另一个侧面反映了很可能学生并不知晓相应的科学思想与方法。查看填写了文字的答案，多数都正确提及了观察与假设，代表性的回答如“观察提出假说”，“通过科学现象作出猜想与假设”，“结合实际观测到的数据进行分析提出较为科学的假说”。可见，学生对观察法与假设法较为熟悉。
而44.2%的学生则认为托勒密的研究不能称为科学研究，代表性的理由主要有两类。一类认为其没有实验数据，如“没有实验数据”，“没有精确的观测数据可以证明”；另一类理由认为只是假设，没有理论依据，如“只是对天体进行观测猜测，没有科学理论依据”，“他的研究无影无踪，仅靠一些实验数据和丰富的想象力，牵强地用本轮来解释地心说”，“没有理论来验证实验”。可见，这部分学生认为必须有实验数据和理论基础才能称为科学研究，而没有认识到根据已有事实尝试作出假设同样是科学研究的一种范式。
2.3 关于哥白尼研究思想与方法的认识考查
调查卷中继续以哥白尼的研究作为考查背景，测试题2见表2。 统计显示，81.6%的学生认为哥白尼关于日心说的研究可以称为科学研究，仅有18.4%的人持反对意见，其反对理由多数都认为缺乏实验，如“因为他只是凭借肉眼观察到的内容来说明问题，没有深入太空，没有实验来检验真理”。可见，学生仍认为只是假说而缺乏实验的研究，不能纳入科学研究的范畴。
对于持肯定看法的学生，认为哥白尼所用的科学研究思想与方法主要有两类：一类认为是观察法，代表性的如“大量的观察和研究”，“实验观察证明”，“观察计算”；另一类认为是理论计算与假设法，代表性的回答如“理论计算法和假设法”，“作出假设数据处理分析”，“大胆猜想”。这种认识是正确的，哥白尼进行了一定量的理论计算，所提出的日心说也是一种假设模型。但是，题目中提供的信息“哥白尼抛弃了这些数量众多的本轮而提出了更为简单的日心说模型”，没有一位学生予以关注，没有一位学生提到“简单性原则”的物理学研究思想，在一定程度上表明学生对这种研究思想并没有较好的认识。
2.4 关于开普勒研究思想与方法的认识考查
测试题3以开普勒的研究作为考查背景，具体见表3。
统计表明，只有4位学生认为其研究不能称为科学研究，查看他们的理由，一位认为“只是进行计算，只能算是理论上的研究，不能算是科学研究”，另外3位则清楚地指出“没有进行实验”。可见，个别学生错误地认为只有实验才能算是科学研究，这种认识本身是片面的，需要在教学中予以重视。
进一步审视其余学生认为开普勒研究所体现的科学研究思想与方法，多数都提及了计算，如“理论计算”“总结分析数据”等。除此之外，不少学生还认为应用了观察法和实验法，表述如“精确观察”，“多次实验求普遍性”，“通过多个实验得出普遍规律而推断出三大定律”。事实上开普勒自身的视力不太好，主要的研究是立足于第谷留给他的大量天文观测数据进行理论计算，运用的是数学方法，“理论计算”的表述与数学方法含义基本相近，但不少学生强行加上“观察法”“实验法”，实际上是不正确的。由此也反映出学生头脑中认为只有涉及观察或实验才能称为科学研究的错误观念。
2.5 关于牛顿研究思想与方法的认识考查
最后一道测试题以牛顿关于万有引力的研究为背景（见表4）。
统计结果出乎笔者的意料，尽管学生们都知道牛顿是物理学家，但仍有高达25.6%的学生认为题目中提及的牛顿的研究不能称为科学研究，反对理由如“无数据”，“只提出假设而不做实验来验证”，“只是普通的由表面现象作出设想，并未有与之相关的实验验证”。可见，学生的反对理由都集中于没有实验，再次揭示了不少学生对科学研究认识的局限。
再来审视认为牛顿的上述研究可称为科学研究的回答，只有15人做出了回答，很可能不少学生对科学方法与思想并没有相应的认识，无从下手。回答的类型主要有3类：第一类回答认为是“类比法”，如“假设类比”“大胆设想，合理类比”，只有3位学生能够认识到牛顿将地球吸引月球的力与地球吸引苹果的力进行类比，这是值得肯定的，但可惜比例很低；第二类回答只是含糊地认为是“设想”，这类回答占了53.3%，如“合理设想”“大胆设想”“扩散思维，有条理的联想”，尽管牛顿的研究中的确涉及了设想，但设想的表述很难称得上是一种研究方法；第三类回答则提及了实验法，占26.7%，如“作出假设进行实验数据的处理分析”“实验观察”等，实际上在题目提供的信息中并未提及牛顿进行了相关的实验，这部分学生的逻辑是：牛顿所做的研究一定是科学研究，而科学研究一定要涉及实验，因此想当然地认为采用了“实验法”。全班没有一位学生指出牛顿采用了理想实验法，学生所提及的“实验法”都是指向真实实验，需要“处理实验数据”、需要“观察”，再次体现了学生对相关科学方法的认知缺失。另外，也没有一位学生提及牛顿将天上运动和地上运动统一起来确立了万有引力普适性的研究中，体现了“统一性原则”这种同样重要的物理学研究思想。
2.6 小结
综上所述，可以看到：
（1）对于天体运动涉及的公式、规律及其推论的记忆，参与测试的学生都能较好地完成，但不少学生并不能灵活运用圆周运动的知识阐释地月间的运动现象。
（2）对于具体的科学研究方法，多数学生都能认识到“实验法”“观察法”“假设法”这3类科学研究方法，但仍存在着以下问题：其一，基本上所有的学生都不能较好地表述出科学研究方法的名称，只能说出大致的意思，如“理论计算”“设想”等；其二，多数学生没有意识到“类比法”“理想实验法”等科学研究方法；其三，部分学生将“观察法”“实验法”等科学研究方法，不加判断地强加进科学家的理论研究中。
（3）对于科学研究思想，一方面，没有一位学生能认识到“简单性原则”和“统一性原则”这两种重要的物理学研究思想；另一方面，不少学生错误地认为只有涉及实验才能称为科学研究，而没有认识到，应用逻辑推理和数学工具尝试对已知的实验事实进行描述和预测，同样是一种十分重要的研究思想。
3 讨论与建议
3.1 若干讨论
讨论1：为什么学生能够回忆和应用相关公式、规律，但对相应的科学研究思想与方法并没有深刻认识？
该问题提及的现象，从上文关于不同内容的调查测试结果的比较中可见一斑。笔者认为，最主要的原因在于，当前学生所学习的各类公式、规律，往往由教师或教科书以较快捷的方式呈现出来，而后便进入了各类习题练习环节。尽管他们也经历了课程标准提出的“探究过程”，但是，当前引领学生经历的探究过程，往往是后人经过大量简化的、失去研究本真的过程，其出发点更侧重于如何快捷地传承知识。因此，学生们并不清楚当年科学家为什么要研究该课题以及他们是如何入手研究该课题的。不得不承认，如此教出的学生，即便能够高效率地传承科学研究的成果，却缺失了对科学研究思想与方法的细致品味与深刻领悟