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来源公众号：中小学科学教育 作者：郑琳
摘要：实证素养是生物学学科核心素养“科学思维”“科学探究”关键的组成元素，在科学教学实践中，加强实证研究内容的教学，有助于学生深入理解科学概念和发展科学本质观。教学中要选择科学史典型案例适当还原场域，引导学生理解实验设计、尝试进行数据的收集与分析；基于充分的、不同角度的证据得出科学的结论；对科学假说、理论进行质疑和论证；帮助学生体验较为完整的、真实的科学研究过程，形成开放的科学态度。
本文目录结构
一、实证素养的内涵及教育价值
二、以重要科学史教学为例发展学生的实证素养
（一）尝试基于证据审视科学假说和理论
（二）体会通过跨学科研究，拓展证据范畴与创新研究范式
（三）科学理解实验设计，批判地解释科学数据与证据
三、总结与展望
（一）拓展科学史资源与深化实验教学
（二）加强对实证素养的持续培养与评价
（三）利用人工智能与大数据拓展学习场域
（四）强化科学论证与交流能力的培养
作者简介：郑琳，福建省福州教育研究院青少年创新学院主任、生物教研员、高级教师。
实证研究是科学探究的基石。在科学教学实践中，加强实证研究内容的教学，有助于学生深入理解科学概念和发展科学本质观，是发展学生科学素养的重要途径。科学史中有丰富的实证研究内容，可以为教学提供丰富的素材，是发展学生科学实证素养重要的教学资源。
一 实证素养的内涵及教育价值
科学是一种旨在通过系统的观察、实验和推理来理解自然世界的活动，其目标在于发现自然规律，预测自然现象，并通过所获得的知识推动社会和技术的进步。实证研究旨在通过观察、实验、量化数据等方式收集客观事实，以验证或反驳特定假设或理论。实证研究是科学的核心研究方法，是一套结构化的方法论，其原则包括经验观察、实验验证、可证伪性、可重复性以及客观性等。这些原则不但支持理论的初步构建，而且提供了一种机制来系统地测试和修正理论，是科学探究的严谨性和结论客观性的保证。
实证素养指个人所具有的实证研究的知识和思想方法，以及在具体情境中运用的意愿与能力，是生物学学科核心素养“科学思维”“科学探究”关键的组成元素。教学中要选择合适的素材进行实证研究思想和方法的训练；引导学生理解实验设计、尝试进行数据的收集与分析；基于充分的、不同角度的证据得出科学的结论；对科学假说、理论进行质疑和论证；帮助学生体验较为完整的、真实的科学研究过程，形成开放的科学态度。这些是形成实证素养的必经途径。
从知识层面上看，科学史实能展示知识的产生、发展过程，加深学生对知识的理解程度，进而有利于学生对知识的内化，科学史实重要的教育价值就体现在科学思想方法和科学精神层面的培育上。利用科学史实开展教学能够让学生在相对真实的情境中感受、体验并应用实证研究的方法与原则，学习实证研究的思想和范式，领悟科学发展过程中证据与逻辑的作用。但限于篇幅，教材对科学史相关问题的介绍不可能很详细，这一定程度上会影响学生对科学原始问题的理解。因此，教学中要选取若干重要科学史实，适当还原背景材料，引导学生认识从科学问题的发现和提出、当时的技术条件、问题解决存在的障碍等方面开展思考，在较真实的情境中模仿科学家进行实验设计、证据和结论的审视论证，掌握实证研究的工作范式，发展实证素养。系统化的科学史教学也有助于学生形成批判性思维和开放的科学态度，并逐步具备在面对复杂问题时进行独立思考和解决问题的能力，为其在未来的科学探索和技术创新中打下坚实的基础。
二 以重要科学史教学为例发展学生的实证素养
生物学作为一门自然科学，经历了从初步的观察到系统的实验的发展过程。光合作用与人类生活密切相关，植物生长的原因和本质很早就引起了人类的思考。在古希腊科学萌芽的早期，亚里士多德等通过自然观察和哲学思辨注意到植物在光照下生长的现象，作出了“植物的生长需要从土壤中获得大量养料”的推理。这种质朴的认识影响了人类近两千年。海尔蒙特用一个带盖子的木桶，通过实证研究表明植物生长增加的重量只有很少的部分来自土壤，显示了实证研究中实验和数据在提供可靠证据方面无可替代的作用，打开了实验作为科学工作基本方法的序幕。随后的光合作用研究历程充分体现了实证研究在思想和方法上的演变。以下从光合作用发展史中选择三个重要史实，通过分析这些资料来例谈如何培养学生的实证素养。
（一）尝试基于证据审视科学假说和理论
科学假说和理论的产生是当时科学研究所获得的证据积累后形成的，但其可靠性必须接受持续的挑战和证伪，从而推动假说和理论的进步和修正。甲醛学说起源于20世纪初，最初由德国植物生理学家提出，认为甲醛是光合作用过程中碳固定的中间产物，即植物通过光合作用将二氧化碳转化为甲醛，再合成为葡萄糖和其他有机物。在当时的学界，该理论被视为关于植物二氧化碳利用机制的一种潜在解释。在教学中可以通过学习活动（见表1），评估甲醛学说的贡献和局限性，探讨甲醛学说的合理性及其在科学史上的地位。
学生通过分析讨论以上任务，认识到假说的提出是基于当时的科学研究水平，如甲醛学说是基于甲醛分子与糖类分子在化学结构上的相似性。在有机化学的早期发展阶段，甲醛分子被看作糖类分子的一个基本单元，通过连续的化学反应，多个甲醛分子可以被连接起来，形成链状的糖类结构。
甲醛学说是当时科学界基于有机化学原理对植物碳同化机理的一种解释，但是随着对生命活动中蛋白质重要性认识的不断深入，以及甲醛对蛋白质分子具有毒性的事实，人们认识到植物的碳同化不可能以甲醛为原料。然而，人类模拟光合作用进行人工合成淀粉时，人工合成体系中的催化剂不再是蛋白质，利用甲醛合成淀粉成为可能。从甲醛学说被质疑、证伪，到人工合成路径对甲醛的利用，培养了学生在面对新科学证据时保持开放态度的意识，愿意根据新证据修正或放弃现有理论。更重要的是，通过分析和评估不同的理论及其证据，培养了学生的批判性思维。
（二）体会通过跨学科研究，拓展证据范畴与创新研究范式
跨学科研究将不同学科的知识、方法和技术相结合，从新的视角审视和解决科学问题，突破了单一学科的限制，为现有的研究范式带来了新的洞见。例如，生物学和化学的交叉领域——生物化学，使生命的理解进入分子层面，能获得更直接更精准的证据，从而推动生物学研究的范式转变。
希尔反应充分体现了各学科间的密切关系。1937年，英国植物学家希尔发现，给离体的叶绿体提供光照时，再加上一些三价的铁盐（草酸铁钾），能产生放氧现象。希尔反应说明，叶绿体在光下可以放氧，同时还原一些氢受体。在教学中通过学习活动（见表2），可以帮助学生分析跨学科研究，使光合作用从生态学、生理学研究转向生化研究的新范式，评估希尔反应的突破与贡献。
希尔反应首次明确了，在光合作用中产生的O2来自H2O的分解，而非CO2；证实了1930年英国科学家范·尼尔根据紫硫细菌的代谢特点推测光合作用的转氢机制；明确了光反应是氧化还原反应；进一步预示了光合作用分为光反应和暗反应两个阶段。
在希尔之前，科学家认为光合作用和活的细胞密切相关，细胞弄破了或受点伤害，都会停止反应，因而研究停滞不前。希尔早前研究血红素和细胞色素多年，不受传统思想束缚，开创性地打破植物细胞，选择离体叶绿体作为实验材料，使光合作用从细胞复杂代谢中抽离出来，在可控制的环境中精确地观察到光合作用的光依赖反应，而无须考虑整个植物体的复杂影响，为其后开展生化水平的研究开辟了道路。在叶绿体离体后反应不明显时，希尔引入了化学氧化还原的思想，在实验中加入氧化剂如Fe3+。由这种跨学科研究方法帮助希尔发现叶绿体光下释放氧的机制可见，跨学科知识的综合和迁移可以为解决复杂的生物问题提供新的实验思路和方法。在科学史教学中，科学的育人价值远高于知识，对经典实验中所蕴藏的思想方法进行适当的还原和挖掘，学生认识到可以融合多学科知识来打破传统的研究范式、丰富研究的手段、开拓证据获取的范畴，从而在未来的科学探究中更好地适应复杂问题的挑战。
（三）科学理解实验设计，批判地解释科学数据与证据
在实证研究中，数据和证据是构建理论、测试假设、推进思路和作出科学结论的基础。PISA 2025科学评估框架把“构建和评估科学探究设计并批判地解释科学数据与证据”作为三大科学能力之一。数据分析在科学实证研究中为学生提供了一种量化和客观的研究手段。1941年，鲁宾和卡门研究O2中氧元素来源的实验，原始数据涉及元素标记、浓度选择、实验结果解读等关键内容。通过对部分真实数据（见表3）的观察和思考，学生可能会对实验设计产生很多疑问，如为什么有些数据没有记录，为什么每组时间间隔不是固定的等。在教学中通过学习活动（见表4），引导学生充分挖掘数据，理解科学家是如何设计实验、如何通过数据分析得出重要结论，同时引发学生对真实的证据多一些认识，增强对科学实验精度和复杂性的理解，有助于学生理解数据如何支撑科学假说。
直接采用教材中的定性描述进行教学，虽然简化了实验的流程，降低了复杂性，便于学生把握实验的基本概念和目的，但实验背景等信息不足，容易造成教师和学生的理解偏差，比如，学生可能认为水分子很容易100%被标记，生成的也是100%18O2，难以还原科学的原貌。在科学教育中融入数据分析，能极大地丰富学生对科学原理和概念的深入理解，以及科学发现的有效路径。首先，数据作为直接证据，有效减少了主观判断的干扰，学生能够更加客观地评估和理解科学现象。其次，通过参与数据分析，学生能够学习到科学研究的完整流程，包括如何提出假设、设计实验以及如何解释实验结果。
科学研究的第一范式是经验科学，主要依靠经验观察或实验方法收集与生成数据。实验数据是研究者的直接证据，也是他人复现实验的参照，这种可共享与可验证的特性，正是科学可重复与可证伪性的基石；数据分析还能使科学从尊重权威转变成尊重事实，因为有了定量的衡量，很多论点和结论都具有了可比性；数据的如实记录还便于实验后回顾过程，分析成败得失，总结经验教训，改进实验方法和技术。笛卡儿就非常强调，验证一个结论正确与否的前提是事实而非权威，自然科学的任何定律必须能够接受检验。
三 总结与展望
综上所述，通过光合作用科学史中的甲醛学说、希尔反应和鲁宾与卡门同位素实验这三个经典案例，各自侧重展示实证研究不同方面内容，引导学生学会如何基于证据和推理，对假设进行证实或证伪，体会物理、化学等学科的发展如何拓展了生物科学研究中证据获取的手段和质量，进而发展学生设计实验、评估与分析证据等实证素养。
值得注意的是，上述三个案例不是孤立存在的，而是呈现出实证素养培养的内在逻辑与层次递进关系。甲醛学说的案例侧重于“证据审视”，帮助学生认识到科学假说必须接受证据的检验与修正；希尔反应的案例侧重于“方法创新”，展示了从跨学科视角如何拓展证据获取的途径与范畴；鲁宾与卡门实验则侧重于“数据分析”，培养学生从定量数据中提取证据、构建论证的能力。这三个层次，即从批判性地审视已有证据，到创新性地获取新证据，再到科学地分析和解释证据，构成了实证素养培养的完整链条。在实际教学中，教师应当有意识地选择不同类型的科学史实，系统覆盖实证素养的各个维度，使学生在循序渐进的学习过程中逐步建立起完整的实证研究思维框架。
展望未来的科学教育，为进一步提升学生实证素养，还可以尝试以下策略。
（一）拓展科学史资源与深化实验教学
在教材中经典科学史的基础上可适当补充一些史实完善证据链，或者整合前沿科学研究，甚至融入其他自然科学如物理、化学的经典实验，引导学生比较新技术与不同学科的研究方法，加深对科学原理、技术手段与研究范式之间内在联系的认识。选取一些科学史中的经典实验，带领学生进行复刻重现，或者改用现代仪器与技术探究，比如希尔反应可以用传感器检测氧气的产生与变化、用DNA粗提取实验体验艾弗里实验对DNA的分离提纯。让学生亲自尝试数据采集与分析，理解不同时代科研实证手段的精确度与局限性，学生在亲历科学家实验实践中更能深刻地体会科学技术进步对实证研究方法的拓展与革新。
（二）加强对实证素养的持续培养与评价
生物学教学必须遵循生物学是自然科学的学科性质，实证素养的培养必须贯穿整个教学过程，既需要选择科学史经典案例进行深入的专项训练，也需要在事实性知识、概念性知识教学中有机渗透方法、证据的教学，让学生明确教材上关于生物体成分、结构等事实性知识也是实证研究的结果，生物学概念、原理既然是建立在实证基础上的，就要长期接受实证的检验。教学中还要设计多维度、过程性与形成性评价工具，将对证据的选择、判断、解释与论证过程纳入评价体系。通过持续追踪学生在实验设计、数据分析、证据解释和结论形成各个环节的表现，帮助他们不断反思和提升自己的实证能力，尤其是要引导学生关注科学原始问题和生产科研真实问题，在尝试解决真实问题中发展实证能力。
（三）利用人工智能与大数据拓展学习场域
随着人工智能与大数据分析工具的普及，实证研究的教学与实践不再局限于传统课堂与实验室场景。人工智能的使用能够还原科学史重要问题的产生、实验设计、技术路径与真实数据等关键材料，使学生得以置身于近似真实的历史情境中，体会科学家当时面临的困难、条件及解决问题的方法，这对于纠正现有教学中实证能力训练简单化、模式化倾向具有重要作用。人工智能能帮助学生借助开放性数据库和科研文献，自主检索并分析更多实验数据，学习从大量信息中筛选证据、推断因果并构建论证，通过真实或模拟实证活动，未来可探索虚拟实验平台、开放数据资源与可视化分析工具的有效整合，使学生在课内外均有机会开展基于证据的研究活动，极大范围内拓展实证素养训练空间。
（四）强化科学论证与交流能力的培养
实证素养不仅体现在证据的收集与分析能力上，还体现在运用证据进行科学论证和有效交流的能力上。在科学史教学中，教师可以引导学生模拟科学家之间的学术争鸣，如针对甲醛学说的质疑与辩护、希尔反应发现后学术界的反应等，让学生在角色扮演中体验如何用证据支持自己的观点、如何回应质疑、如何在新证据面前修正立场。这种基于证据的论证训练，有助于培养学生的批判性思维和理性表达能力。同时，应重视科学写作能力的培养。可以要求学生撰写实验报告、研究综述或科学小论文，学习如何准确描述实验过程、客观呈现数据、合理解释结果、恰当引用文献。在口头表达方面，可以组织学生进行科学报告展示、海报交流等活动，培养其用清晰、准确、有说服力的语言传递科学信息的能力。科学论证与交流能力的培养，能够使学生在未来的学术研究和职业发展中更好地参与科学共同体的对话与合作，这也是实证素养在社会实践层面的重要延伸。
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