科学的特点

本节我们理解什么是科学。

我们首先理解科学的特点。首先，科学包括自然科学和社会科学。科学的特点是可以测量。但现实世界中很多研究对象都是不可测量的（比如文学、艺术、道德），所以科学的范围其实是有限的。其次，科学的目的是“知”。这是它与技术的区别。技术是要“行”的。科学只需要“知”。然后，科学的最佳结果是用数学描述的科学原理，所以，数学特别重要。然后，科学的核心是测量。测量出来后，再建立逻辑和解释。解释需要符合测量结果。最后，科学研究事物的有规律、可重复的性质，因此，它会设定条件，来探究特定的性质。这就是科学的特点。

所以，科学的基本结构是定量分析和数学处理。科学理解注意依靠直接观察、实验和数学推理。科学论文的意义是展示自己是如何解决问题的，尤其是展示自己如何把逻辑分析、仔细的观察和实验以及充满想象力的洞见融为一体的。论文也要解释清楚研究的问题的历史发展。论文中不仅仅要给出各种数据和实验结果，关键是给出这些内容后面的理性解释，获得一般性。

下面是 80 年前，哈佛通识教育红皮书给出的科学通识课程（物理、生物、数学）的通识教育课程的特点和教学方法。它对科学特点的解释，让我印象深刻，特记如下

科学研究的对象的范围是有限的。科学是用来梳理和批判性地评估事实的，许多其他的学问领域也是如此。但科学研究的是特定现象中特定类别的事实，尤其是那些可以准确描述和测量的物质和过程。世界上有许多事物是无法用这种方式进行检验的。无论这些事物对于人类具有怎样的内在价值，它们都不包括在自然科学的研究范围之内。科学是一种可以为通识教育作出特定贡献的、特殊类型的学术活动。注意，它涉及现实世界中的领域有限。所以，科学是通识教育的一部分，但不是全部。

科学的目的是“知”。科学不能与技术分开。它与技术平行发展，彼此丰富，但科学不是技术。科学的首要目的是“知”而不是“行”；或者，科学的“行”的目的是为了“知”，而不是为了其他目的，比如说，不是为了能带来更大的技术便捷性、更高的效率、更强大的军事力量或者经济优势。

科学研究的一般过程是：在可能的前提下，自然科学中的精确成分是由测量来实现的。因此它的描述就是数字化的，可以用数学方法进行处理。这一过程最终就会产生科学原理或假说。最佳结果是用一个数学等式来表达一条科学原理。并不是科学的所有分支都能够达到这一最终境界，但所有研究者都在朝这方面努力，并且都在利用与这一状态的接近程度来衡量其成功与否。

科学的独特精神在于其不断追求精确性。它测量一切可以测量的东西，然后建立逻辑，实事求是地给出解释和结论。当解释与事实发生明显冲突时，科学家认可的是事实，而把解释留到以后再作修改和补充。科学旨在理解自然的本质，并在自然中运行和检验本质规律。它的目标如培根所说，是“在行动中把握本质”。它并不急于构造一个逻辑体系。科学就像谚语里说的密苏里人一样，一定要把自己全部展示出来。在这个意义上，科学既是专门的知识，又是高度组织化的常识。

科学实验的关键是事物具有稳定和可重复性，这有时候可以通过设定条件来满足。当我们说科学关注的是可以精确定义和测量的事物和现象时，我们指的是这些事物本身及其运动有一定的稳定性。因此，在某种程度上，科学把它的目标限定在有着稳定的规律或者可重复性的事物上。物质世界有很多这样的现象，但我们不能指望这个世界上所有的现象都适合于科学研究。因此，科学家总是尽可能确定好自然现象发生的条件，以此来确保自己能在适宜的状态下从事探究。这是科学实验的关键所在。通过这种方式设定好各种因素，就可以为现实世界中的某个高度专门化的问题带来毫不含糊的答案。这里讨论的这种理论体系下的规则是其他现实领域内的学者所做不到的。正是对事物本身状态的持久兴趣，使得田野与实验室里的直接经验成为科学教育中不可缺少的部分。

科学的教育

定量分析和数学处理确定了科学的基本结构。因此，定量测量及其数学处理便不可避免地成为科学结构的组成部分。在物理学、化学和生物学的广泛领域里，舍弃数学形式而只保留学科自身逻辑一定会损伤学科的基本结构。现代物理学源于伽利略的精确测量和数学论证，现代天文学源于开普勒对第谷·布拉赫广泛测量的数学处理，现代化学源于拉瓦锡的定量分析，现代生理学源于威廉·哈维对血流和心脏体积的测量和计算。牛顿不得不发明微积分来处理他的力学观察。科学教育当然应该向学生们反复讲解这些关系并引导他们练习应用。

直接观察、实验和数学推理是理解科学必须的。不用直接观察、实验和数学推理也能理解科学，甚至能理解得更好，这种想法从根本上误解了科学的本质。即使在这个最基本的阶段，学生也应该认识到来自自然的直接的吸引力，而这正是自然科学的核心。很大程度上可以通过教师示范来做到这一点，但也应该引导学生亲自探索事物，引导他们通过简单的实验方法来为简单的问题找到答案。当然自然科学中也有很大一片领域要靠仔细的观察而不是实验来研究。应该尽一切努力使学生对户外的自然界有一个真切而丰富的了解。这个时期正是学生对收集、分类和简单描述尤为感兴趣的阶段，而这些对他们以后生活中更为复杂的经验来说是一个不可缺少的大背景，因而应该现在就加以培养和发展。

带领学生解决问题，这是科学教学的关键，而不是让学生牢记所谓的“步骤”。我们可以在解决之后再分析是怎么解决的，然后可以进行总结，以逻辑序列的形式发现解决问题的过程。但这不是事情发生的真实情况，对这个复杂的程序进行分析也是一个异常繁杂的尝试，对方法的顺利使用来说并不是必需的，孩子们在对自然进行初步了解时更不用如此。让学生不仅牢记理解自然现象的过程中所谓科学方法的“步骤”，而且对某种严格齐整的科学程序亦步亦趋，没有什么比这更愚弄学生，使其远离真正科学家的教学方式的了。

为了提供自然科学方面的导论性通识教育，提议开设两门新课程，一门是物理学基本原理，一门是生物学基本原理。这两门课程都试图向学生传授一种能洞悉物理学基本原理、生物学基本原理以及自然科学特点的能力。

这两门课程都不涉及系统的事实概述，都应该包括讲授课、实验和讨论课。虽然每一门课程都能从科学家和其他感兴趣的学者那里获得学术帮助，都能因为偶尔的嘉宾讲座而变得更生动活泼，但课程的整体设计应该交给一个固定的教师来负责，此人对课程的宗旨应该了然于胸。

强调科学的历史发展

两门课程都离不开讨论，都应该通过事例说明近四百年来科学知识不断前进的途径，应当展示在过去的科学进步中，逻辑分析、仔细的观察和实验以及充满想象力的洞见是如何融为一体的。

从历史情境中提出问题。主题的表现形式很重要，提出的问题应该体现科目的历史发展。屡见不鲜的是，即使是在导论性课程中，实际问题也仅仅以教学道具的形式出现。在这样的课程中，如同我们所设想的那样，应当尽力让学生理解和回答他们所面临的真实的科学问题。在一定程度上，这种结果能够通过发言、讨论来达成，通过证明和实验工作来澄清。然而，一个主要的困难是，课程所设计的有待学生思考的许多内容事实上没有提出当代科学家所关注的问题，甚至见多识广的学生已经预先知道答案。从历史情境中提出问题，可以使这些问题更有趣，同时也更有价值。许多主题现在可能只是反映了科学的积淀、学生所记住的既晦涩又枯燥的事实和公式，不过在历史上它们可能是引人关注的焦点或公开辩论的问题。它们的教育价值和学术质量与这一情形密切相关。因此，在我们的课程中，科目的历史发展应该在相关课程的设计中占据重要的位置。

强调学科的历史发展，绝不是要给学科内容加上人文的装饰。相反，引入学科的发展史，是为了照亮和激活那些与这些学科发展史结合在一起的内容。把科学作为整个学术的和历史的进程的一部分来讲授应该是这门课程所要达到的目标，事实上，科学也一直是整个学术的和历史的进程的重要部分。学生因而得以见识科学的原理，并领悟科学的价值，而且他也将学到很多学科方面的内容。

这种课程讲授形式必然迫使教师省略掉生物学和物理学中许多传统的教学内容，但掌握了这类课程内容的学生将显示出对科学和许多基本现象的本质的充分理解。我们期望这样的一门课程在学生余下的正规教育里占据更重要的位置，而不是期望它被加入许多更具体和更系统的课程内容。我们提议哈佛学院的所有学生都要在物理学和生物学的诸多课程之中任选一门。

因此，课程的内容需要精挑细选。它包含的科学内容需要非常坚实。学生学到的是基本的事实和规律，而且将解决理论方面的问题以及在实验中遇到的问题。要实现这些，教学内容必须精挑细选。

理性解释

在这些形式多样的课程后，最根本的东西是什么呢？并不仅仅是要在这些活动中让学生记忆知识、培养习惯，而是学习所学内容后面的理性解释。哈佛通识教育红皮书明确指出：我们必须强调，在活动中培养习惯，必须通过理性解释。换言之，仅培养习惯是不够的。这就好比语言学习，一方面，一个人在学习某种语言时，只知道语法和词汇是不够的 —— 他必须使用这种语言，用它特有的习惯用法来表达。这是培养习惯。但另一方面，一个在街头流浪的阿拉伯人会说一口流利的母语，并不意味着他受过正规的语言教育 —— 对语言的形式结构有所了解，会有助于语言能力的深化。

当然，教育致力的是人的全面发展，不只是人的理性，但是，人的全面发展只有在用理性来主宰生活的情况下才能实现。因此，当我们将心智培养看做是学校的主要功能时，我们也将理性看做是学生把握生活的手段，并将智慧界定为生活的艺术。我们强调依据理性，作出恰当判断的重要。学校当然应该帮助学生了解概念框架之外的现实事物，致力于具体的应用，但是，既然学校在本质上不能复制现实生活的复杂性，那么单纯的实用导向的教学法也是不够用的，必须依靠理性的解释，获得一般性。

从上面的课程中，我们就能发现，这些课程并不是用看起来丰富的活动去填充学生的时间，而是大师们通过精心设计，通过“理性解释”，教育学生养成“理性解释”的习惯，这就是通识教育学习生活艺术的过程。

从这个角度，也可以理解正规教学工作之外的活动的意义。学校的氛围、教师在教学之外的潜在作用、以及课外活动都是中介物。它们有助于学生的实践和习惯，对学校正规的教学工作起到了补充作用，但最重要的，还是在正规的教学工作中，将所学内容后面的理性解释引入学生的心灵。

小结

总之，科学的目的是“知”，所以论文写作的目的是把自己的“新知”清楚地描述出来。关于“新知”的最好结果是数学描述的科学原理，至少也应该是可测量、有规律、可重复的测量结果，然后最好加上对这个测量结果的逻辑解释，或者“理性解释”。所以，论文的基本结构是定量分析和数学处理，基本内容是观察、实验和数学推理。论文要说清楚自己是怎么解决问题的，要能够让人复现。

参考文献

附录：科学课程教学方法

数学

数学可以被定义为研究抽象形式的科学。它关心的是具体情况的共性模式。数学以概括的形式，研究由特殊的物体和现象中抽象出来的秩序。辨析结构的能力，在欣赏油画或交响乐中的重要性绝不亚于它在理解物理系统之运作方式中的重要性。它在经济学中的重要性也不亚于它在天文学中的重要性。伯兰特·罗素（Bertrand Russell）曾说，数学就是一门我们不知道自己在谈论什么，也不知道自己说得是否正确的学科。当他对数学作出这样的定义时，他风趣地阐明了我们正在严肃谈论的话题。

数学并不是理解抽象和逻辑结构的唯一途径，但它却是达到这些目的的最便捷的途径，对年轻人来说尤其如此。在培养青少年应用抽象逻辑系统方面，还没有发现比论证几何学更好的例子。

代数和几何是通识教育中最有价值的部分，但不幸的是，它们比数学运算技巧教学难度更大，也是学生更难掌握的部分。因此，教师为了降低学生学习数学的难度，往往会减少它的趣味性，而增加它的技巧性，将它作为一个由死记硬背的公式和过程组成的固定程序。这个看法恰好与流行的观点相悖，它们认为数学原理和基本概念较容易讲授，而解决具体问题才是最难对付的障碍。

物理学课程设计

在物理学方面，科学的探究模式被应用于相对简单的体系。这使得物理学能够进行精确的定义和测量。物理学的要素能够被分析和单独控制，其性质能够被描述并在一定程度上被预测。因此，物理学提供了最清晰、最简单、最严谨的有关科学分析和研究的实例。

由于学生入学时数学成绩方面的差异很大，这门课程应该有两个版本。两个版本的教育目标和基本结构基本一致，仅在讲授的难易程度和严格程度上有区别。

物理学课程的核心应该是讲授课。这些讲授课应该包括许多解说资料——幻灯片、可以利用的动感图片以及演示。理想的课程应该是由一位固定的教师指导，尽管也可以偶尔让其他教师的专题讲座来活跃课堂。讲授课还应该由每周一次的分组研讨课（conference sections）进行补充。这些活动应该根据学生的兴趣、准备和资质而有所不同。它们应该为师生旧的讨论以及学生处理理论问题的练习提供机会。每个组的学生数目应该足够少，以便他们可以全面地参加讨论。除了正规的课堂作业，还应该要求学生解决问题和偶尔练习写论文。课外阅读应该包括直接接触科学的原始文献。这些文献中有一部分应该是专门为了这门课程而准备的，因为目前还没有令人满意的相关文献集成可供利用。

辅助这门课程的实验室尤其重要。它应该被用于演示探讨或解决物理问题的方法。应该尽可能像处理未知的问题那样去做实验，因此应该向学生提出一些他们并不知道答案的问题，而当这不可行的时候，就应该把问题情境拉回到由真实问题构成的历史框架中去。这样，学生在解决科学问题方面将有一系列真实的经验。他也将在运用科学数据得出普遍结论和基本原理以及预测未曾接触过的体系里的行为方面有相当多的练习。

生物学课程设计

和物理相比，生物关注更为复杂，因而更难进行精确定义、分类和控制的物质构造。生物学课程应当向学生传授研究各种复杂多变系统的科学方法，以及对社会科学领域中以更极端的形式呈现出来的复杂问题之性质的某种理解。

生物学课程的目的是提供有关有机体、动物和植物的整体观点。它应该把固定的重点放在普遍的概念以及生物学问题的科学研究方法上。它不仅仅应该传授有关有机体的知识，还应该传授这些知识是怎样获得的，以及它们怎样影响人类的兴趣以及学问的其他领域。

课程的内容应该是不断发展、越来越丰富的。授课应该从动物学、植物学、生理学、古生物学和地理学中挖掘合适的内容。围绕这一核心，应该在实验室里和讨论会上进行演示活动和学生独立实验。实验室应该提供足够多的机会来探究活的有机物。学生应该可以用显微镜观察活的原生动物、植物细胞的细胞质、纤毛的拍扇和血液的毛细血管循环。只有通过这种方式，学生才能欣赏永恒的变化和作为所有生命之特征的运动。

为了引导学生进入有待研究的科学模型，与授课关系密切的实验室可以回顾生物学史上的一些经典实验。例如，瑞迪（Redi）、斯伯兰扎尼（Spallanzani）和巴斯德（Pasteur）推翻自然发生论（spontaneous generation）的实验就最好安排在这门课程的范围之内。巴斯德的实验也向学生介绍像防腐和巴氏消毒技术之类的实际内容。对普里斯特利（Priestley）和英格豪斯（Ingenhousz）的原始程序稍加修正，就能清楚地说明植物的光合作用与动植物的呼吸之间的相互关系，以及这两个过程之间的相互作用如何维持了动物和植物之间的有机平衡。由指导教师准备和操作的小组演示能让学生看到很多他们没有技能也没有资源去证明的现象：心电图与脑电图、荷尔蒙与麻醉药的作用、维生素不足的影响等等。博物馆展览和一些挑选出的动感图片也非常有助于阐明和完善这门课程的工作。

小组研讨的工作应该是实现这门课程之教育目的的重要方法。有机体在结构上如此复杂，在活动中和相互作用中如此多变，以至于学生仅仅在听讲过程中或者在阅读时被动接受有关信息，是远远不够的。必须给学生机会，使他可以和他人谈论生物学，可以从多方面来思考概念，而且可以在问答、讨论、辩论的对话过程中修正其有关生物学的认识。讨论会也必须是引导和组织学生参与与课程有关的课外活动（参观博物馆、田野考察以及课外阅读）的重要手段。

除了基础性的教科书，还有许多权威人士写给非专业人士的有关生物存在之特殊方面的简明且有启发性的著作。例如，T. H．赫胥黎（Thomas Henry Huxley, 1825—1895）的《人在自然界中的位置》（Man’s Place in Nature），T. H．摩尔根（Thomas Hunt Morgan, 1866—1945）的《进化和遗传学》（Evolution and Genetics），A. V．希尔（A. V. Hill）的《活机器》（Living Machinery），以及W. B．加农（W. B. Cannon）的《身体的智慧》（Wisdom of the Body）。与原创性的权威的这种联系，为学生展现了特别满意的体验，而且把学生的兴趣更加深入地导引到生物学思想的各个具体领域。

在课程中应该有一个认真的尝试，即引导学生接触生物学经典文献。例如，哈维的《论血液循环》（Circulation of Blood），达尔文（Darwin）的《物种起源》（Origin of Species）和《人的由来》（Descent of Man）的一部分，克劳德·贝尔纳德（Claude Bernard）的《实验医学研究导论》（Introduction to Experimental Medicine）的一部分，威廉·博蒙特（William Beaumont）的《消化生理学研究》（Observations on the Physiology of Digestion），以及格里格·孟德尔（Gregor Mendel）有关植物杂交的第一篇论文，都是初学者很好的阅读材料。很幸运，这些作品中的一些——例如达尔文、哈维和博蒙特的著作——都有比较低廉的版本可以利用。而其他的则不是很容易获得。这也许证明这门课程需要准备一个有关生物学权威性资料的文集。


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