科学教育中的科学思维和批判性思维

 

来源公众号：百研工坊 作者：García-Carmona

编译：张蓉 东南大学儿童发展与教育研究所、东南大学脑与学习科学系

研究生导师：柏毅 夏小俊

【摘要】:科学思维和批判性思维是公民基础教育和综合教育的两个关键智力过程。因此，培养这两种思维也被视为科学教育的主要目标之一。然而，在有关科学教育背景下这两种思维类型的文献中，经常不加以区分地提及其中一种或者另一种来指代相同的认知和元认识技能，通常不清楚它们之间的区别和共同点。因此，本研究旨在阐明这两种思维类型之间的差异和关系。得出的结论是，虽然这两种思维在应用目的和某些技能或过程上有所不同，但它们在其他方面也有共通之处，而且具有共生关系；两种思维相互促进、共同发展。最后，本文提出了在科学课上两种思维整合发展的方向性建议。

1 引言

在查阅与科学教育有关的技术报告、理论框架、研究和课程改革时，人们通常会发现科学思维和批判性思维是必不可少的教育过程或目标。研究这两种思维的学者很多，但是将这两种思维方式进行概念化和区分却很少。在许多情况下，它们被提及却没有定义，或者被交替使用来代表相同的事物。例如，文件《K-12科学教育框架》、西班牙早期科学教育的ENCIENDE报告、欧洲报告《科学教育促进负责任的公民意识》、新的西班牙基础教育科学课程等都只是或多或少的提及了一项有关于科学思维或者是批判性思维，但未将两者进行概念化或者区分。

在某些情况下，这两个概念是有区别的，而在另一些情况下，这两个概念是可以互换的，。然而，必须承认要将这两种思维方式概念化绝非易事，因为它们相互影响，部分重叠，并具有某些共同特征。关于如何描述这两种过程，文献中的观点也不一致，而且很少有比较分析。因此，本研究来解决这个问题，以便为有兴趣深入研究这两种智力过程的科学教师提供一些指导，从而帮助他们在课堂上促进这两种智力过程。

2 科学教育中划定科学思维的界定尝试

遇见

多年来，认知科学一直致力于研究什么是科学思维，以及如何教授科学思维以提高学生的科学学习能力。为此，库恩等人提出将科学定性为论证。他们认为，这是一种将科学家的思维活动与学生和公众的思维活动联系起来的合适方式，因为科学是一种社会活动，它会进行辩论，其中论证的构建起着关键作用。Lehrer和Schauble将科学思维与科学素养联系起来，特别关注科学的不同特征。根据这两位作者的观点，这些特征将指导课堂上科学素养的发展。

根据文献综述，Jirout将科学思维定义为一种智力过程，其目的是通过提出问题、检验假设、进行观察、识别问题和进行推论来有意义地寻找有关现象或事实的信息。因此，对Jirout而言，科学思维的发展将涉及探究式科学学习方法中常见的基本科学实践活动。事实上，科学思维、科学推理和科学探究之间在科学教育目标中经常存在概念上的重叠。

可以说，科学思维是一种利用科学实践搜索信息的特殊方式。这一智力过程使个人有能力评估支持或反对某种观点的证据的稳定性，以便解释某种现象。但科学思维的发展也需要元认知过程。根据库恩的观点，元认知是一个人在进行科学实践时，对自身思想和知识的控制和修正，以及与之互动的其他个体的所思所想的基础。简而言之，科学思维要求推理与元认知之间建立良好的联系。

3 科学教育中批判性思维的情境化

批判性思维的理论化和研究在学习心理学领域也有着悠久的传统，其应用范围远远超出了科学教育。事实上，培养批判性思维被普遍认为是人们整体教育的一个基本目标。然而，其概念化并不简单，在文献中并没有达成一致意见；尤其是在试图将其与科学思维联系起来时。

即使缺乏一致或共识的愿景，在教育中发展批判性思维也有一些有趣的理论框架和定义。最流行的批判性思维定义之一是美国国家批判性思维卓越委员会提出的。该定义将批判性思维视为“积极而熟练地将从观察、经验、反思、推理或交流中收集或产生的信息，将这些信息概念化、应用、分析、综合或评价，并将其作为信念和行动指南的智力规范过程”。换句话说，批判性思维可被视为一种反思性和理性的思维方式，它赋予人们评估多个可辩护的陈述或立场的能力，以便最终决定哪个立场最具说服力。因此，除了基本的科学能力外，还需要有关认识论的概念，以了解知识是如何构建的。同样，批判性思维也需要元认知技能，因为批判性思维“需要意识到自己的思维，并反思自己和他人的思维”。

近年来，一些文献也提出在科学教育背景下培养批判性思维的建议。在建议都中包含了批判性思维发展的一些共同要素：尊重证据，批判性分析、评估信息的有效性和可靠性，独立意见、决策的采纳，参与等。

3.1 科学教育中的批判性思维与科学思维：差异与相似之处

根据上述阐述，可以说批判性思维促进了科学思维，尤其是在对同一现象的几种可能的解释和说明之间做出决定时。因此，科学态度中与批判性思维联系最密切相关的可能是科学家对新思想的怀疑态度，尤其是当新思想与既定的科学知识相悖时。

事实上，科学思维的最终目标是搜集并验证证据，以支撑对某一现象提出的观点或解释，并据此排除那些缺乏说服力或精确度较低的其他观点或解释。因此，当科学基于现有证据对某一问题存在多个合理且站得住脚的立场时，该问题的研究状态便被视为不确定的。这种不确定性有时会导致科学争议的产生，而这些争议的解决并不完全依赖于认识论或纯粹的理性分析。鉴于此，将非认识论实践融入科学思维体系显得尤为重要，这些实践超越了单纯的理性与认知范畴，涵盖了与情感或情绪相关的多个维度。

为让学生深入理解和体验科学思维，他们需掌握科学知识，并学会如科学家般应对情境。戴维森等人提出的“认知情感”概念强调，教师应引导学生面对实验挫折，激发科学怀疑精神，鼓励更多实验测试。保持怀疑态度是科学思维下批判性思维的有效体现。这种教育方式能提升学生科学素养，平衡情感与理性，为科学探索奠基。

另一方面，批判性思维确实借鉴了许多科学思维的技能和实践。然而，与科学思维有所不同的是，批判性思维在本质上并不排斥多种思想的共存。其目的并非要使某些观点或解释相对于其他观点或解释失效，而是为个人提供一个坚实的基础，使他们能够在众多可能的论证中选择自己最为认可的那一个。在涉及一些更为复杂的社会议题时，如支持或反对核电厂生产能源，情况就有所不同。这些议题往往超越了科学思维的范畴，因为原则上存在多种同样站得住脚的立场。在科学界内部，基于相同的科学知识，人们也可能因为价值观、伦理道德、经济利益、心理因素或文化背景的不同而持有截然不同的立场。在这种情况下，批判性思维的重要性便凸显出来了。它要求个体不仅要掌握科学知识和技能，还要对科学的本质有深入的认识，包括其认识论（理性或认知）和非认识论（社会、伦理/道德、经济、心理、文化等）方面。此外，批判性思维还需要元认知技能的支撑，这些技能有助于个体建立自己的判断基础，以便在多种立场中选择一个自己认为合理的立场，或者在面对不确定性时保持开放和未决定的态度。

综上所述，科学思维与批判性思维虽然是两种不同的智力过程，但两者之间存在密切的共生关系，即一方存在和发展离不开另一方的支持。在表现形式上，这两种思维方式展现出诸多共同特征、行动模式和心理技能。根据Cáceres等人及Hyytine等人的观点，最为显著的共同智力技能在于它们都能有效地寻找证据与解释之间的关联，并运用调查和逻辑思维来得出结论。在此基础上，我进一步将元认知技能纳入这一共同领域，以丰富对这两种知识类型的理解。

4 科学课堂批判性思维和科学思维整合

发展的建议

在深入探讨了批判性思维与科学思维之间的差异、共同点和相互关系后，制定一系列旨在科学课堂上有效培养这两种思维能力的具体建议显得尤为重要。因此拟定了建议表，旨在以综合的方式处理并整合这两种思维所涉及的各种技能或过程。

在整个过程之中，这套程序不应该仅仅只在特定的情景中使用，而是将该程序视为一套可以根据不同的科学内容中，根据教育需要或每种情况下的学习情境的特点，只选择其中的一部分。因此，在对教学过程的每一点进行定位时，可以使用不同的生活情景。

第一、激发和促使学生反思和讨论。一方面要求选择对学生有吸引力的议题。比如以下四个问题类型：第一，可以通过直接询问学生希望了解哪些与科学及其影响或反响有关的时事问题，然后决定重点关注哪个问题。第二，教师在课堂上直接提出问题关于媒体、社交网络等出现的时事热点，或者是教师根据自己的教学经验认为学生可能感兴趣的问题。这样，鼓励每个学生作为公民对将要讨论的问题产生疑问或关注。第三，分析当代尚未解决的社会科学问题，例如，气候变化、科学与社会正义、转基因食品等。第四，还可以研究需要做出决定的日常问题，如“如何防止另一种流行病的到来？”。

另一方面，能营造有利于反思和辩论的教学过程来所选问题的讨论至关重要，能吸引学生参与其中。例如，可以通过设置角色扮演游戏或日常媒体中与科学相关的新闻等，以便进行后续讨论，所有这些都是在合作学习的环境中进行的。

第二、尊重科学证据。从科学和批判性思维的角度进行分析和讨论。促进对科学证据的信任和尊重应成为打击伪科学的主要教育挑战之一，他们的论点基于错误的信仰和假设、轶事和阴谋论。然而，推广或尊重科学证据并非易事，因为科学否认者认为科学是不可靠的，因为它是不完美的。因此，有必要促进对科学本质的基本理解，将其作为发展科学思维和批判性思维的基本支柱。要做到这一点，可以对科学史上的争议或当代争议来进行反思性讨论。

第三、解决科学问题所需的科学知识或认知论。在培养科学和批判性思维能力的过程中，需要掌握基本的科学知识。否则，就不能提出令人信服的论点。例如，如果我们不知道某种疾病的传播机制，那么在面对这种疾病时，我们就很难理解或证明某些社会行为模式的合理性。一般来说，掌握有关问题的适当科学知识有助于对该问题的现有数据和证据做出最佳解释。

第四与第五、从可靠来源获取信息，对其进行理解、区分、 批判性分析。无论是在纯科学背景下，还是在运用批判性思维时，都是必不可少的。关于如何确定互联网上具有科学内容的信息的可信度，Osborne等人建议，应检查信息来源是否存在利益冲突，即是否存在意识形态、政治或经济动机的偏见。此外，还应检查信息来源和作者是否具有足够可靠。

第六、对信息进行推断。学生参与探究活动或分析科学新闻时，在挑选证据支撑论点方面面临挑战。事实上，对数据的解释或推论并非一项简单的任务，其复杂性在于数据的构建受到多重因素的交织影响，包括认识论因素（如先前知识、实验设计等）和非认识论因素（如个人期望、意识形态、社会政治背景等）。这导致了即便在科学界内部，不同科学家对于同一数据的解释或推论也可能大相径庭。为了改善学生的推论实践，库恩和勒曼建议开展一些活动，帮助他们制定自己的认识论规范，将他们的陈述与现有证据进行因果联系。

第七、根据科学证据或知识或者非科学因素（伦理和道德、社会、经济等）来阐述自己的观点。科学实践的核心在于阐述基于证据的科学解释，这种解释以理性的方式揭示现象的因果关系、性质或行为。与此同时，论证实践也是科学活动中不可或缺的一环，它旨在通过明确的目的来证明一种观点、解释或立场，以期说服持不同意见的人。然而，在处理社会科学问题时，我们往往会发现问题的复杂性远超单一解决方案的范畴。这意味着，即便我们试图为某一立场辩护，论据的内容也并不总是能够完全依赖于纯粹的理性因素，如数据和科学证据。实际上，许多科学和社会科学的争议往往涉及多种因素的交织，包括个人价值观、社会文化背景、经济利益等。因此，在教授科学时，我们不仅需要关注学生的认识论发展，即他们如何理解和运用科学知识和方法，还需要引导他们认识到科学本质中的非认识论方面。

第八、对观点进行交流与讨论。在科学领域中，捍卫一个观点或立场并不仅仅依赖于拥有支持它的科学证据，同样重要的是掌握有效交流和讨论观点的技能。科学史显示，缺乏传达方式使确凿证据难被接受，而巧妙言辞能让不完善解释广泛传播。因此，在科学教育中，我们应该将科学交流技能作为重要内容加以讲授。这包括信息搜索、阅读、科学写作、信息表述和知识表述等多个方面。这些技能不仅有助于学生更好地理解科学知识，还能培养他们成为有责任感、有担当的公民，能够在面对复杂问题时做出明智的决策。

第九、运用元认知策略。一个优秀的科学家必须意识到自己知道什么、对什么有疑问或不知道什么，并为此不断进行元认知练习。与此同时，他们必须认识到辩论中同伴论点的长处和短处，以便进行自我批评，并修正自己的观点和论点，以改进和调整其方向等（自我调节）。

5 结语

几十年来，科学思维和批判性思维一直受到心理学、哲学、教育学以及科学教育等不同学科以及科学教育等具体领域的关注。这两类知识代表着智力过程，是当今社会以及学生发展所不可或缺的部分。然而，将其概念化是一项复杂的任务，教导学生进行科学思考和批判性思考是一项艰巨的教育挑战。

经过多年的科学教育实践与研究，我深刻意识到科学思维与批判性思维之间的复杂关系亟待明确。在查阅大量文献后，发现这两种思维类型常被视作可互换或难以区分，而对其区别、关系及共同点的深入探讨却寥寥无几。在科学教育中，培养科学思维是固有目标，但当批判性思维也被纳入学习目标时，如何合理运用这两种思维便成为了一个关键问题。

鉴于此，本项工作旨在基于相关文献，对科学思维与批判性思维进行深入剖析，以推进这一问题的解决。我们将这两种思维视为相互重叠、相互促进但某些认知又有所不同的智力过程。科学思维旨在从现有证据中挑选出对现象的最佳解释，并排斥逻辑不严谨或缺乏说服力的解释。而批判性思维则侧重于利用科学及非科学论据，为最佳辩护的观点提供支持。为了在课堂上有效指导这两种思维的发展，本文提出了一个整合策略，即强调“两种思维模式之间的共生关系”。通过这一策略，我们可以帮助学生更好地理解和运用这两种思维，从而在科学学习和实践中取得更显著的成效。

查看原文：本文是García-Carmona于2023年发表于Science&Education的论文。

DOI: https://doi.org/10.1007/s11191-023-00460-5

来源网址：科学教育中的科学思维和批判性思维