站在科學范式轉折點上的科學教育

◎摘  要  科學發(fā)展經(jīng)歷了實驗科學、理論科學、計算科學三個范式的演變，由于強人工智能的突破，科學將進入數(shù)據(jù)科學新范式，這個范式的基本特征是科學自身的工具化，將讓每個人擁有更強大的創(chuàng)造能力。站在科學范式的轉折點上，科學教育將更加關注多樣化和實踐性，更加突出科學現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和想象力，更加重視科學大概念，重視大中小學?？茖W教育的系統(tǒng)化設計。

◎關鍵詞  科學教育；科學范式；現(xiàn)象；多樣化；科學大概念

所謂“范式”，是指一種理論體系或理論框架。1962年，范式（paradigm）這一概念由美國著名科學哲學家托馬斯·庫恩提出，其在《科學革命的結構》一書中定義科學范式為：“那些被觀察和被檢查的、那些會被提出的相關問題以及其希望被解答的問題如何組織、科學結論如何被解釋?！?/span>

科學研究正在進入“第四范式”

計算機領域的學界泰斗、數(shù)據(jù)庫領域的著名科學家詹姆士·格雷，2007年在一次科學大會上做了題為“科學方法革命”的演講，把科學技術發(fā)展史總結為四個范式階段，他指出數(shù)據(jù)科學已成為科學研究的“第四范式”?！暗谝环妒健狈Q為實驗科學，是基于觀察和實驗獲取經(jīng)驗和證據(jù)的科學，比如古人鉆木取火或者伽利略的比薩斜塔實驗，核心是發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象；“第二范式”稱為理論科學，是幾百年來在探究自然現(xiàn)象的基礎上把規(guī)律抽象形成簡潔統(tǒng)一的科學理論，分析、建模、演繹是主要研究方法，比如萬有引力定律和相對論，核心是研究現(xiàn)象背后的因果規(guī)律；“第三范式”稱為計算科學，是近幾十年來，科學家通過利用計算機技術對于復雜問題進行模擬、仿真的研究方式，比如氣象預報、核反應和病毒傳播等，這些研究的現(xiàn)象還是能被人識別和理解的，主要研究者是人而非機器，計算機只是進行計算輔助，其核心是尋找巨量現(xiàn)象之間的相關性；“第四范式”稱為數(shù)據(jù)科學，從基因測序、蛋白質結構、深空星系到覆蓋全球的社交媒體，這些研究對象的復雜性導致單個研究者窮盡一輩子都無法了解其全貌，更有許多超越人類感官能力極限的現(xiàn)象，而人工智能卻能夠通過機器學習在短時間內把握與分析，因此“第四范式”主要是基于人工智能和大數(shù)據(jù)技術而非科學家自身大腦智慧來研究的一種方式，是對超大規(guī)模的數(shù)據(jù)進行相關性研究基礎上的“涌現(xiàn)”研究。

科學的“第四范式”，其研究的關鍵步驟已經(jīng)不再以人的思維為主導，而是通過科學自身的工具化，直接從復雜現(xiàn)象的大數(shù)據(jù)分析得到問題解決方案，并不代表因果關系。我們之所以還把它稱為科學，主要是因為這種研究方法和解決問題的方案，仍具有十分重要的科學特征：可證偽性和可重復驗證性?？茖W的“第四范式”與以往的科學研究范式不同之處，更在于其創(chuàng)造性。傳統(tǒng)科學一再告誡我們：我們只能發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律，不能改變自然規(guī)律。但是科學的“第四范式”拓展了這個論斷：“我們只能發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律，不能改變自然規(guī)律，但是我們能夠創(chuàng)造自己的新規(guī)律?！痹跊]有大腦之前，宇宙中只存在一個物質世界，所有物質、能量、信息都在按照自然規(guī)律，不斷促進這個物質世界的進化。有了大腦之后，世界新增了一個精神世界，所有物質、能量、信息在物質世界與精神世界之間不斷復雜化。生命是有創(chuàng)造力的，比如人類可以創(chuàng)造宏偉的城市，甚至未來可能到月球上定居，但是這種創(chuàng)造力依然利用了自然物質與自然規(guī)律。而人類創(chuàng)造的數(shù)字世界則十分不同，我們能在數(shù)字世界里創(chuàng)造與自然物質和自然規(guī)律毫不相干的事物，未來智能機器的自主思維必然會超越人類想象力的限制，創(chuàng)造我們無法想象的新世界。當科學自身被深度數(shù)字化，實際上讓人類通過與機器協(xié)同，擁有了在數(shù)字世界里如上帝般的創(chuàng)造能力，用新技術研究自然現(xiàn)象的相關性，也能用新技術創(chuàng)造新的相關性，這是復雜科學自身帶來的新的涌現(xiàn)。

而科學研究的“第四范式”，預示了一個全新的可能性：人人都是科技工作者的時代來臨了。以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為例，農(nóng)業(yè)的空間必然會拓展到農(nóng)村耕地之外，城市會出現(xiàn)垂直大樓農(nóng)場，每個家庭會出現(xiàn)果蔬中心，甚至在航天空間站、未來星際旅行器和外星球人類集聚點都會出現(xiàn)農(nóng)作物生產(chǎn)的基地。在這些地方，每個生產(chǎn)者都會充分利用新的科技，以適應不同環(huán)境來實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方式，也會從自然生長的方式，發(fā)展到利用生物技術直接合成碳水化合物、蛋白質、多種維生素等合成生產(chǎn)，在生產(chǎn)前、生產(chǎn)中和生產(chǎn)后，都需要對全流程進行數(shù)據(jù)分析以生成可靠的產(chǎn)品，這些工作本質上都是具有科技人員屬性的崗位。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)如此，其他領域的生產(chǎn)和拓展更會呈現(xiàn)出崗位科技化的特征。

我們的世界里有符合因果關系的規(guī)律，也有以混沌為特征的無序；有能被我們感知和想象的現(xiàn)象，也有超乎我們所有極限的時空存在。站在科學范式的轉折點上，科學教育需要對科學研究的四個范式找到有效的教育方法，因為科學研究需要在不同的研究對象、領域中采取不同的研究范式。

創(chuàng)新越來越倚重新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和想象力

科學自身的工具化，意味著普通人也可以深度參與科學探索和新世界的創(chuàng)造，雖然有組織的大科學研究將在基礎科學方面越來越重要，但是一個人利用新技術的成本已經(jīng)越來越低，機會也越來越多，因此每個人通過自由研究產(chǎn)生新發(fā)現(xiàn)的可能性也在同步增長。對科技生產(chǎn)、科學研究所需要的基礎性知識與訓練，將聚焦到科學現(xiàn)象的判斷和對科學工具的模塊式組合應用，這對未來科學教育的影響將十分深遠。人人都可以是科技工作者，人人都可以成為創(chuàng)新者，全球科學教育正朝著“為創(chuàng)新而學”轉向。

創(chuàng)新有三種基本形式：新思想、新發(fā)現(xiàn)與新發(fā)明。一是新思想。學習的本質是塑造人的大腦，通過學習，已有的知識在我們大腦中的體現(xiàn)是一個個腦神經(jīng)元形成的回路，這些腦神經(jīng)回路在某種情況下會突然產(chǎn)生自組織現(xiàn)象，產(chǎn)生從未有過的新連接，代表了新思想的產(chǎn)生。當然，新思想需要經(jīng)過事實的證明才能成為真正的新理論。二是新發(fā)現(xiàn)。人們在探索自然世界的行動中，由于各種意外情況，會呈現(xiàn)出新現(xiàn)象并被偶然發(fā)現(xiàn)。這種由行動帶來的意外從而實現(xiàn)新發(fā)現(xiàn)，是科學史中經(jīng)常發(fā)生的情況。三是新發(fā)明。布萊恩·阿瑟在《技術的本質》中指出：“現(xiàn)象是技術賴以產(chǎn)生的必不可少的源泉。所有的技術，無論多么簡單或者多么復雜，實際上都是在應用了一種或幾種現(xiàn)象之后喬裝打扮出來的?！奔夹g的進步就是在對現(xiàn)象的深入認識基礎上，新現(xiàn)象與舊技術的組合從而產(chǎn)生新發(fā)明的過程。任何新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，必然會在某個新的技術發(fā)明中體現(xiàn)。

新思想、新發(fā)現(xiàn)與新發(fā)明，都是自然現(xiàn)象與人類思維深度互動的產(chǎn)物，但是強人工智能的出現(xiàn)，開啟了人腦之外的智慧，人類思維能力大概率會被機器超越，科學自身的工具化必將不斷深度加強，新思想、新發(fā)現(xiàn)與新發(fā)明等創(chuàng)新行動，會轉移到自然現(xiàn)象與機器思維深度互動的新范式?，F(xiàn)象發(fā)現(xiàn)以后的分析基本上會交給機器處理，因此發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象作為科技新發(fā)展的重要性將進一步凸顯，科學教育中培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象的能力成為關鍵，而通過觀察獲取新現(xiàn)象存在著很大的復雜性。馬可·奧勒留在《沉思錄》中有一個十分經(jīng)典的判斷“我們聽到的一切都是一個觀點，不是事實。我們看到的一切都是一個視角，不是真相”?？茖W現(xiàn)象與觀察之間存在三種復雜的情況。第一種復雜情況是：觀察者的位置與被觀察的對象之間的不同關系，會使被觀察到的現(xiàn)象產(chǎn)生巨大差異。管中窺豹、盲人摸象是指所有觀察都是局部觀察，也正因為我們不是所有東西都能看見，才看得見，我們不是所有聲音都能聽見，才聽得見。而從不同尺度的空間和不同尺度的時間來觀察同一個事物，其獲得的現(xiàn)象也會存在巨大差異。第二種復雜情況是：觀察者自身因素會對同一事物的觀察產(chǎn)生不同結果。所謂的科學現(xiàn)象是客觀世界通過感覺系統(tǒng)轉化為觀察者腦中認識到的那部分意識，但是這種轉化很大程度上是基于人腦中原來已存在的那部分大腦神經(jīng)元連接，所以人類觀察到的世界，并非世界本身，而是世界的現(xiàn)象在我們人腦中的投影。第三種復雜情況是：宇宙中我們已知的物質、能量只占世界的4%，更多的物質與能量我們可能永遠不能感知。之所以中微子、引力波還能被我們通過精密的技術發(fā)現(xiàn)，是因為它們還能與我們已知的物質之間發(fā)生較弱的相互作用，但是那些暗物質、暗能量似乎不和我們已知的物質世界產(chǎn)生作用，這種復雜性對我們人類的挑戰(zhàn)也是最大的。技術雖然可以幫助人類看見原本看不清的東西，但技術卻無法讓人類看見那些與我們能感知到的世界不發(fā)生作用的東西，我們只能用自己可以想象的東西來理解它，因此培養(yǎng)想象力將成為科學教育的主線。實際上，通過想象力來理解的世界肯定不是世界本來的樣子，但想象力從來就是讓我們的認知更貼近世界本原的最根本動力，只不過我們很長一段時間以來被巨大的科技成就所蒙蔽，形成了過度相信和依賴理性的價值。

站在科學范式轉折點上重構科學教育

當前，普遍認為科學教育的目的是普及科學知識，提高公眾對科學的認識和理解，促進科學與社會的交流和互動，推動科技進步和社會發(fā)展。這個判斷無疑是正確的，但也存在一個很大的問題，主要原因是把科學技術看成絕對正確的結論，科普活動中人們處于被動的狀態(tài)來接受已知的科學原理和方法，本質上來說這是一種牛頓時代的科學教育觀，迫切需要重構基于新科技觀的科學教育。

1.科學教育要面向全體學生，突出多樣化和實踐性

教育具有兩面性。我國改革開放四十多年來取得的巨大成就證明：我們的基礎教育可以批量培育出非常好的一般科技工作者；但是從原創(chuàng)性的要求來看，統(tǒng)一的選拔考試帶來的統(tǒng)一的教學方式，讓孩子們擁有了差不多的知識結構和思維方式，拔尖創(chuàng)新人才卻會被扼殺。拔尖創(chuàng)新人才需要多樣化的大腦和強大的行動力，因此好的科學教育有兩個基本要求，一是能不能給孩子們多樣化的學習經(jīng)歷，二是能不能給孩子們動手實踐的機會。機器很快就能夠把人類所有的知識都學會，但是創(chuàng)造力從來不是因為擁有完美知識而產(chǎn)生的，人類的創(chuàng)造力來自局限，甚至來自犯錯。因為缺陷具有多樣化的優(yōu)勢，完美不具有。不完美的教育，包括教育過程中出現(xiàn)的缺點和錯誤，都有可能是創(chuàng)造大腦多樣化的機會，這是人類應對人工智能挑戰(zhàn)的最好回應。

人工智能作為強大的新工具，將進一步拓寬、放大人類對現(xiàn)象的感知能力，集成與強化工具折疊時間的本領，因此而釋放出來的時間，可以讓我們每個人去深度體驗自然世界、產(chǎn)生情感連接、涌現(xiàn)思想價值、擁有更豐富的想象力。人類未來對AI的領導力，也必將來自人類多樣化的行動力和想象力。

2.科學教育的主要目的不再是掌握知識的多少，而是更突出科學大概念和科學的態(tài)度

這個時代的基本特征是信息過剩，與之相對應的是每個人大腦的學習能力并沒有相應提升，我們每個人所能擁有的學習時間也沒有增長，因此每個人的學習能力停滯不前和世界知識加速增長之間的矛盾越發(fā)突出——我們每個人再努力學習、掌握再多的知識，在爆炸式增長的知識面前也是越來越無知，更是不可能與不知疲倦的智能機器相比。既然現(xiàn)代科學已經(jīng)從尋求現(xiàn)象之間的因果關系，演變?yōu)榉治鍪挛镏g的相關性，甚至是研究超越因果關系與相關性之上的涌現(xiàn)，那么科學知識的多少不再是重要指標，而注意力卻成為重要的學習目的，這個注意力聚焦的點就是科學大概念，即系統(tǒng)與平衡、守恒與演變、規(guī)模與層次、結構與功能、多樣與共生、模塊與控制、連接與極限、周期與進化、虛擬與共生。

強大的科學工具，將把邏輯分析與推演能力推向極致，將把人作為工具的工作逐步替代，這會進一步凸顯人與人之間關系的重要性。科學教育傳遞科學的態(tài)度，就是要更加關注科學倫理，關注科學與人的關系，更加關注人自身的創(chuàng)造性體驗。研究表明，拔尖創(chuàng)新人才有的看上去很聰明，有的看上去笨笨的，但他們往往都有三個很突出的素質：一是很自主，有行動力；二是很專注，對某個領域特別有興趣，形成了超越常人的知識富集和能力特長；三是有韌性，碰到困難能堅持。無論成績好壞，都是能夠培養(yǎng)這三個素養(yǎng)的，這是教育真正的價值與力量，也是科學教育要培育的關鍵態(tài)度。

3.用“模仿-構建-想象”的邏輯來實現(xiàn)學生實踐能力的提升

學校教育越來越呈現(xiàn)出高度的結構化，追求更精細的知識管理和學習時間管理，把一切校內活動課程化，表面上實現(xiàn)了學習效率的不斷提升，但是也帶來了兩個嚴重的負面影響：一是學生們在校的自由時間被剝奪，缺少發(fā)呆時間，缺少做自己想做事情的機會，缺少犯錯的空間。這導致師生關系緊張、學生心理狀況不斷惡化；二是學生在校內的學習內容高度一致化、標準化，這種情況不斷強化學生之間的競爭性，減少孩子興趣的多樣化，在不斷加劇教育內卷的情況下，阻礙了以多樣性為本質的拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)通道。

有關于創(chuàng)造力來源的研究認為，創(chuàng)造力的本質是一種行動，創(chuàng)新能力的提升需要在實踐中實現(xiàn)，這個行動邏輯就是“模仿-構建-想象”。所謂的模仿，就是按照視頻、說明書或者重復教師做過的科學實驗，學習者自己要復原做出來。這個過程看似簡單，實際上包含著材料的準備、實驗次序的先后和實驗技能的把握，甚至還包含意外事件出現(xiàn)時需要正確去應對。當孩子能夠模仿著完成實驗，可以自己表演實驗給別人看，那么就進入了一個科學探究的新領域。

所謂的構建，是在模仿實驗過程中，鼓勵學生構建問題，一般情況下，在動手實驗過程中，學生自然會涌現(xiàn)許多問題，但還是可以事先教給孩子們一些提問的方法，比如為什么要這樣做？有什么辦法可以讓實驗現(xiàn)象更明顯？器材或材料的工作原理是什么？這個實驗在現(xiàn)實生活中有什么用嗎？簡而言之，“為什么”“是什么”“有什么用”是產(chǎn)生問題的最基本方法，可以放在任何環(huán)節(jié)來提問。實驗的結果如果產(chǎn)生許多高質量問題，那么這樣的科學實驗才有價值。如果實驗結果是以沒有問題結束的，那就不是科學實驗。有了問題，學生可以自己去網(wǎng)上尋找答案，或者咨詢老師和專家，甚至自己設計實驗來探究尋找答案。

所謂的想象，是針對學生構建的問題，鼓勵學生去想象和創(chuàng)新，有些問題十分深刻，也許是一個未知的科學問題，那么可以作為孩子的科學課題去研究，這樣就從問題上升到了課題，當學生們自主深度閱讀、自主設計實驗、自主完成實驗探究、自主分析形成研究報告、自我評價時，實際上就是像科學家、工程師一樣地學習和研究了，將來就能成為愿意投身科學研究事業(yè)的人。因此，真正的想象力基于實驗或觀察來發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象，始于對現(xiàn)象背后問題的發(fā)散性思考，成于科學大概念在某個實際問題上跨界的大腦連接。

4.著力構建大中小學校科學教育一體化的貫通機制

科學教育是一項接力比賽，一方面要把前人創(chuàng)造的科學技術知識與技能傳承下去，一方面還要在此基礎上培養(yǎng)有創(chuàng)新意識和能力的新的探索者。從孩子一出生，大腦的塑造就開始了，要培育出大批高質量的創(chuàng)新人才，需要在每一個環(huán)節(jié)都能夠很好地完成相應的培育任務，這確實需要對科學教育進行宏觀的一體化機制設計。

首先是在科學教育的價值取向上，要從過度追求現(xiàn)實功利目標轉向追求人類共同發(fā)展與國家科技自立自強的雙重價值；在科學教育質量評價上，要從過度注重知識學習和考試成績，轉向全面發(fā)展的評價；在學生培養(yǎng)模式上，要改變高度統(tǒng)一的標準化模式，更加注重多樣化為導向的教學；在科學教師專業(yè)成長上，要克服單純強調掌握學科知識和教學技能的傾向，更加注重教師教育境界和專業(yè)能力的提升；在科學教育管理方式上，要從依靠行政手段發(fā)文件、做規(guī)劃，轉向更加注重思想領導和專業(yè)引領。

其次是形成分階段的科學教育目標要求。低幼階段的科學課程應該更加關注孩子們對自然世界的好奇心培育，只有大自然才有最豐富的色彩、最豐富的聲音、最豐富的形狀和最豐富的運動形式，讓孩子們在對自然世界的觀察和探究中形成興趣，形成最基礎的發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象和提出新問題的能力——鍛造感官能力與興趣；在初高中階段，應該在學科化的科學教育中增強動手實踐能力、強調概念的形成和證據(jù)意識，能夠超越興趣，形成對某個領域的志趣——鍛造思維能力與志趣；到了高校時，在掌握基礎的研究方法和基礎專業(yè)知識的同時，應該按照專業(yè)方向盡快了解相關學科的前沿領域，并以研究的方式學習、以協(xié)同的方式去攻關。新的科學范式，最大的特點是科學的工具化，也就是說大學生完全有能力利用科學工具實現(xiàn)新科學發(fā)現(xiàn)和新技術發(fā)明，核心是了解前沿、敢于探索、不怕犯錯——鍛造研究能力與癡迷。這個系統(tǒng)性的機制設計，需要有一個貫通大中小學的國家科學課程標準來統(tǒng)整。

站在科學范式轉折點上，科學教育必須堅持面向全體學生，倡導多樣化的學習內容與學習方式，大幅度增加動手實踐機會，提升青少年發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象的能力，突出培育科學大概念，增強問題意識與批判精神，實現(xiàn)從科學興趣到科學志趣的超越。

【作者：倪閩景，單位：上?？萍拣^】

（原載2024年第11期《中國高等教育》）