楊德發專欄∣∣教師的成長途徑之一

楊德發專欄第六次「物理科學方法教育」學術研討會摘要：本文認為，掌握科學方法，是教師專業成長的途徑之一。因為教師掌握科學方法一方面可以運用科學方法研究工作中遇到的問題，提高效率，另一方面又可教會學生科學方法，提高學生的科學素養，為普及科學方法作出貢獻。關鍵詞：教師專業成長 途徑 科學方法。一、教師為什麼應掌握科學方法？斯賓塞在《什麼知識最有價值》[1]一書中提出：什麼知識最有價值？公認的答案——科學。張憲魁教授首倡物理科學方法教育[2]。胡錦濤主席提出發科學發展觀[3]。本人認為，要全面貫徹科學發展觀，就要在全中國普及科學方法。如果一個人不知道什麼是科學方法，就談不上自覺地運用科學方法，貫徹科學發展觀就落不到實處。所以普及科學方法的知識和科學方法的運用技能是必須的。應當做到人人知道科學方法，人人會用科學方法。教師是傳播文明的使者，是學生成才的引路人。普及科學方法先從教師做起，一方面可藉助全國1400萬教師的力量，把科學方法普及各行各列。另一方面，可以促進每個教師專業素養的提高，促進教師的專業發展。所以本文認為，掌握科學方法是教師專業成長的途徑之一。我國的高中教育實施文理分科，導致全國文科教師(高中時讀的文科班)的科學方法知識和技能很差。理科教師雖然在本學科的學習中習得部分科學方法，但是否系統、是否自覺運用，也是值得懷疑的。因為教師（含教育工作者）沒有掌握科學方法，所以教師（教育工作者）作出的教育決策、制定的教育政策、管理制度等往往脫離實際，給工作帶來損失。未掌握科學方法，不知道怎麼科學地研究問題，發表的研究成果（論文論著）可信度低。所以對全國所有教師（含教育工作者）普及科學方法，均有必要。有個李鎮西，提倡寫教育隨筆，隨意寫下許多未經證實的文字，浪費了很多資源。二、什麼是科學方法[4]？科學方法（scientific method）指的是檢查自然、獲取新或修正與整合先前已得的知識，所使用的一整套技術。為了合乎科學精神，這方法必須建立於收集可觀察、（empirical）、可的證據，並且合乎明確的原則。如此定義：科學方法是一種有系統地尋求知識的程序，涉及了以下三個步驟：問題的認知與表述、實驗數據的收集、假說的構成與測試。科學研究方法與其它獲得知識的方法之間有一個不同的主要特徵：科學家設法讓事實自己說清楚、講明白，當理論的預測被確定時支持這理論，當理論的預測（猜想）被否定時質疑這理論。雖然從一種學術領域到另外一種學術領域，程序或許會有所改變，科學研究擁有可辨認的特徵，能夠明顯地跟其它種學術研究做區分切割。科學研究者提出來解釋自然現象，然後設計實驗來檢驗這些假說，核對從這些假說所推導出的預言是否正確無誤。為了要防範在做實驗時發生錯誤或誤解，這些步驟必須具有可重複性。一個假說在被學術界廣泛接受之前，必須先通過科學方法的嚴格驗證，以有條有理的方式來將理論結果與實驗數據互相比較。只有當理論結果和實驗數據互相吻合時，這假說才能被學術界接受。涉及比較廣泛學術領域的理論，可能會融合許多獨立推出的假說在一起，配搭一致、相輔相成。通過嚴格檢驗的理論，又可以觸類旁通，幫助形成新假說，或者設定其它假說的上下文。為了減少獲得偏差結果的機會，科學研究通常是要越越好。所有測量數據與實驗程序都必須詳細紀錄，存檔於安全的資料庫，並且可供適當學者共享。這樣，適當學者可以仔細檢查，通過複製實驗來核對結果。這種行為方式，稱為「充分公開」（full disclosure），容許建立這些數據在統計學的（）。即使科學領域涉及廣泛，任何研究方法要被視為科學方法，則必須是客觀的。科學家們不能對於科學方法下產生的單一結果有不同的解釋或不能去改變結果的發生。 另一項基本期待，則是必須有完整的資料文件以供佐證，以及研究方法必須由第三者小心檢視，並且確認該方法可以重製。如此也才能進行統計上的可信度分析。科學方法也包含了意圖去掌控或質問在科學研究中，因人為操縱因素所導致的後果。科學方法包括以下步驟的和：觀察 - 用去注意或中的種種轉變，並記錄下來。涉及的活動包括：看、嗅、聞和的觸摸。解說 - 將從觀察得的事實，加以解釋。預測 - 根據假說引申出可能的現象確認 - 透過進一步的觀察和實驗去證實預測的結果評估 - 根據經驗和結果主觀地評比或下結論。發表 - 公布成果。發表有很多形式，像是投稿或是發表會。三、教師應掌握哪些科學方法[5]？（一）實驗法1. 受控實驗法該方法於1590年由弗朗西斯·培根首先採用。當我們研究某一課題的時候，實際情況往往十分複雜，結果通常是很多因素共同作用的結果——在這樣的情況下，我們是無法做研究的。所以想到了簡化系統模型的方法：（1）將眾多因素設置為常量和無關變數，使得這些因素不會影響最終結果。（2）定義自變數和因變數。自變數是實驗假定的原因變數，而因變數是實驗假定的結果變數。比如：蘋果落地，如何使用受控分析法得出：v=v(初始值)+at的結論？首先確定無關變數：大氣浮力，地球自轉和公轉的影響，物體的性質和大小對下落速度的影響，風力作用……對於初始速度的選擇，可以設置不同的實驗組選擇不同的初始值，所以初始速度也是無關變數。其次，確定自變數和因變數：該命題中，自變數是下落物體的時間，因變數是下落的最終速度。現在，受控實驗法被廣泛應用於社會學和經濟學領域，用於建立眾多的理論模型，再利用數理統計知識，建立因變數與自變數之間的回歸關係函數表達式。2．理想實驗伽利略在其斜面實驗中首次採用。3．模擬實驗用實物或計算機模擬實驗，又叫模擬實驗。2013年諾貝爾化學授予兩位發明化學模擬實驗軟體的化學。實驗設計必須遵守的幾條原則：（1） 必要重複原則這個理念是1665年，由羅伯特·玻意耳提出的，即是：所有的實驗結果必須可以重複檢驗，這樣才能確保其真實性。顯然只有可以重複檢驗的結果，在實踐中才有意義，不解釋。1931年，英國物理學家狄拉克從理論上預言：存在吸有一個磁極的粒子，即「磁單極子」。1982年，美國物理學家卡布萊設計了一個尋找磁單極子的實驗。他設想，如果一個吸有S極的磁單極子通過超導線圈，超導線圈中就會有感應電流。1995年，稱宣稱找到了磁單極子。可是，其他人不能重複他的實驗。所以研究成果至今未被承認。（2） 採用隨機化進行實驗設計我們在基因上就已經被設計為帶有偏見的動物，而且偏見和先入為主的觀點會嚴重的影響我們對事物做出的判斷以及我們對世界方方面面的體驗。比如：男孩更喜歡汽車玩具，女孩更喜歡洋娃娃小熊等絨毛玩具，這樣的差異在現代研究中，被認為是文化和玩具商的誤導造成的結果。絕大多數地方衝突，也是由於人類的偏見性思維造成的，不管是以色列與巴勒斯坦，還是印度語巴基斯坦；衝突中，對於誰挑起的矛盾，誰應該負責，誰應該作出讓步，雙方很少持有相同看法。而隨機化實驗的目的，正是為了減少實驗設計者和參與者的主觀意識而造成的結論謬誤。近乎所有需要實驗的學科都引入了隨機化理念。（3） 對照實驗始於20世紀30年代。一般地，在研究某一課題時，我們都需要把實驗分為實驗組和對照組，實驗組與對照組無關變數影響應該是相等、平衡的，所以，實驗組與對照組兩者的差異，可認定為是來自實驗變數的效果造成的。對照實驗顯然是非常必要的，它可以消除操作者的傾向性知識產生的影響。比如：我們需要研究很多大公司保持優秀業績的原因所在，於是我們把20家公司的資料放在一起對比尋找共同特徵，最極端的情況下，可能會得出這樣一個結論：我們發現這20家公司都有大樓，於是我們認為公司的優良業績是因為它們都有大樓——如果我們擁有一個對照組，裡面包含了次優秀（較最優秀的公司稍遜色一點的公司，因為如果對照組是完全糟糕的公司，在這個例子中也是沒有意義的）的20家公司，那麼一定可以避免得出這個荒唐而毫無意義的結論。（4） 雙盲實驗始於20世紀50年代。所謂雙盲，既是指對於受試驗的對象及研究人員都不知道哪些對象屬於對照組，哪些屬於實驗組。只有在所有資料都收集及分析過之後，研究人員才會知道實驗對象所屬組別。該方法是對如上對照實驗方法的改進和補充。在醫學、心理到社會科學及法證都諸多領域，都會用到雙盲方法進行實驗。（二）邏輯方法1．形式邏輯法形式邏輯的全套知識和方法。下定義、分類、推理等。我國的教育體系不重視形式邏輯的訓練。這也正是我國科學落後的根本原因之一。應當編著小學形式邏輯讀本、初中形式邏輯讀本、高中形式邏輯讀本、大學形式邏輯讀本，讓學生系統地學習形式邏輯。2. 可證偽原則——英國哲學家K.波普爾創立的科學哲學理論。卡爾波普的證偽主義理論被稱為現代所有科學發展的基本哲學理論。他認為，一切科學理論都是科學家的自由猜測和假設，是針對問題的試探性理論，是可錯的，科學的標誌在於理論的可證偽性。可證偽主義對科學最大的貢獻是它允許科學也包含錯誤，並承認科學要受到經驗的局限性影響。科學實驗，應是針對問題提出試探性的理論，並把理論交付經驗檢驗，理論在檢驗中遭到證偽進而被淘汰，然後用一個新的更好的理論來替代舊理論。卡爾波普理論在實踐中也具有著巨大的指導作用，比如：（1）大膽猜測：科學不是認識過程，是一個猜測過程。波普反對歸納法，認為歸納是從有限的事例推廣到無限的定律，但是有限並不能證明無限。（2）理論不能證實，只能證偽：證偽是指找出一個反例，從而否定理論使其不能證實。放之四海而皆準的真理是不存在的。（3）區分非科學的分解標準：不能證偽的理論就是非科學的。比如：明天可能下雨也可能不下雨(不可證偽)，宗教神話(不可證偽)，一加一等於二(不可證偽)……這些都不是科學理論。（4）提出了科學的增長試錯法：①提出問題；②給出假設；③從各種假設中篩選出逼真度最高的；④新理論被證偽。（三）數學方法笛卡爾最提倡數學方法。他甚至提倡把一切問題轉化數學問題加以研究。1．統計分析統計法可用於各行各列。2. 元分析將多個研究結果組合的統計方法。嚴格說，元分析是一種定量分析手段。它運用一些測量和統計分析技術，總結和評價已有的研究，其目的是為了凸顯出某種單項研究顯現不出的潛藏規律。該方法在1976年由美國學者格拉斯提出。比如青少年心理與教育研究等社會學領域，因為研究課題具有教高的複雜性（影響結果的因素眾多），採用元分析，是一種有效降低研究手段複雜度的方法。但是元分析的研究質量，和元分析所採用的文獻檢索可能存在片面性和數據的質量是正相關的，低質量的文獻只能獲得低水平的結論。（四）作圖法筆者認為，作圖法是解決問題的萬能方法[9]。它可以使抽象的變得形象，可以使複雜的變得簡單，可以使隱蔽的變得明顯，可以使深奧的變得淺顯。作圖法可用於各行各列。（五）電腦法解決問題主要是腦力勞動。人腦+電腦=工作好。人腦+電腦=學習好。人腦+電腦=研究好。電腦法可用於可行各列。（六）新術語法為了解釋現象或解釋問題，一個新理論常常引入新的術語來說明問題或推演。筆者用科學方法研究漢語，提出了「科學漢語」的概念。著名物理史學家霍耳頓說：「從歷史上看，一般說來，這（引入新的概念）永遠是走向科學進步的最有力的方法之一。」新術語法可用於各行各列。回顧人類的文明史，我們可以明顯的感覺到文明的進程正在加速：從狩獵時代到農業時代，用了十幾萬年；從農業時代到工業時代，用了幾千年；從工業時代到原子時代，用了兩百年；而進入信息時代，僅僅用了幾十年。這種加速的巨大原因，是源於人類發明了一系列能夠發明和發現新事物的系統方法，我們稱之為科學方法。正是依靠這些方法，使得研究萬物，創造新理念的速度成千上萬倍的提高。可以說，科學方法是推動我們現代社會呈現指數級進步的原動力。同時，技術的進步，又使得科學方法得到不斷的改進和完善，比如計算機模擬技術的使用，就為我們創建理論和生成數據提供了便捷。四、教師怎樣運用科學方法？各位教師在工作中怎樣運用科學方法呢？可以反問自己[5]，是否掌握本學科的科學的研究方法？是否掌握本學科的科學的思維方法？是否掌握本學科的科學的教學方法？是否掌握本學科的科學的學習方法？是否掌握本學科的科學的解題方法？如果沒有掌握，首先要補課（可參加相關培訓學習）：學會這五類方法並在工作中自覺運用。對於教學，筆者提出雙主動教學方法[7]、自創式教學模式[8]等科學方法，可提高教學效率。對於高中物理解題，筆者提出了萬能解題法[9]。這種方法可以克服解題的心理障礙，提高解題的正確率。在教師工作的各環節（備課、上課、作業布置、作業批改、命題、指導學法、教育、管理、科研等）中，盡量採用科學方法。結論：一個教師只要掌握好科學方法並自覺運用，他的專業素養就會有較大的提高，所以掌握科學方法是教師專業成長的途徑之一。參考文獻：1．斯賓塞《什麼知識最有價值》，百度文庫。2．張憲魁著《物理科學方法教育》，中國海洋大學出版社; 第1版 (2000年3月1日)3．《科學發展觀學習綱要》，新華出版社; 2008年2月第1版。4．維基百科關於科學方法的解釋：5．周兆富的博客： 。6．楊德發《五法並舉，培養能力》（第一屆全國科學方法教育研討會獲得二等獎論文，1995年，西安）。7．楊德發《高中物理雙主動教學法》，中學物理教師專業培訓（群號337686065）共享文件中。8．楊德發《以提高自創能力為核心的課堂教學模式研究》，。9．楊德發《高中物理萬能解題法》，物理青藍網： 。寫於：2014年3月15日（本文在全國第六次科學方法教育研討會上評為一等獎）回 執姓 名單 位提供資料名稱（論文或視頻）備 注楊德發重慶市第七中學校教師專業成長的途徑之一——掌握科學方法手 機18996329345信 箱529334038@qq.com是否可上傳網站可以作者:楊德發（《學本式教師培訓資源開發研究》課題組負責人）現工作單位：重慶市沙坪壩區教師進修學院-培訓中心
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