站在科学范式转折点上的科学教育

◎摘 要 科学发展经历了实验科学、理论科学、计算科学三个范式的演变，由于强人工智能的突破，科学将进入数据科学新范式，这个范式的基本特征是科学自身的工具化，将让每个人拥有更强大的创造能力。站在科学范式的转折点上，科学教育将更加关注多样化和实践性，更加突出科学现象的发现和想象力，更加重视科学大概念，重视大中小学校科学教育的系统化设计。

◎关键词 科学教育；科学范式；现象；多样化；科学大概念

所谓“范式”，是指一种理论体系或理论框架。1962年，范式（paradigm）这一概念由美国著名科学哲学家托马斯·库恩提出，其在《科学革命的结构》一书中定义科学范式为：“那些被观察和被检查的、那些会被提出的相关问题以及其希望被解答的问题如何组织、科学结论如何被解释。”

科学研究正在进入“第四范式”

计算机领域的学界泰斗、数据库领域的著名科学家詹姆士·格雷，2007年在一次科学大会上做了题为“科学方法革命”的演讲，把科学技术发展史总结为四个范式阶段，他指出数据科学已成为科学研究的“第四范式”。“第一范式”称为实验科学，是基于观察和实验获取经验和证据的科学，比如古人钻木取火或者伽利略的比萨斜塔实验，核心是发现新现象；“第二范式”称为理论科学，是几百年来在探究自然现象的基础上把规律抽象形成简洁统一的科学理论，分析、建模、演绎是主要研究方法，比如万有引力定律和相对论，核心是研究现象背后的因果规律；“第三范式”称为计算科学，是近几十年来，科学家通过利用计算机技术对于复杂问题进行模拟、仿真的研究方式，比如气象预报、核反应和病毒传播等，这些研究的现象还是能被人识别和理解的，主要研究者是人而非机器，计算机只是进行计算辅助，其核心是寻找巨量现象之间的相关性；“第四范式”称为数据科学，从基因测序、蛋白质结构、深空星系到覆盖全球的社交媒体，这些研究对象的复杂性导致单个研究者穷尽一辈子都无法了解其全貌，更有许多超越人类感官能力极限的现象，而人工智能却能够通过机器学习在短时间内把握与分析，因此“第四范式”主要是基于人工智能和大数据技术而非科学家自身大脑智慧来研究的一种方式，是对超大规模的数据进行相关性研究基础上的“涌现”研究。

科学的“第四范式”，其研究的关键步骤已经不再以人的思维为主导，而是通过科学自身的工具化，直接从复杂现象的大数据分析得到问题解决方案，并不代表因果关系。我们之所以还把它称为科学，主要是因为这种研究方法和解决问题的方案，仍具有十分重要的科学特征：可证伪性和可重复验证性。科学的“第四范式”与以往的科学研究范式不同之处，更在于其创造性。传统科学一再告诫我们：我们只能发现自然规律，不能改变自然规律。但是科学的“第四范式”拓展了这个论断：“我们只能发现自然规律，不能改变自然规律，但是我们能够创造自己的新规律。”在没有大脑之前，宇宙中只存在一个物质世界，所有物质、能量、信息都在按照自然规律，不断促进这个物质世界的进化。有了大脑之后，世界新增了一个精神世界，所有物质、能量、信息在物质世界与精神世界之间不断复杂化。生命是有创造力的，比如人类可以创造宏伟的城市，甚至未来可能到月球上定居，但是这种创造力依然利用了自然物质与自然规律。而人类创造的数字世界则十分不同，我们能在数字世界里创造与自然物质和自然规律毫不相干的事物，未来智能机器的自主思维必然会超越人类想象力的限制，创造我们无法想象的新世界。当科学自身被深度数字化，实际上让人类通过与机器协同，拥有了在数字世界里如上帝般的创造能力，用新技术研究自然现象的相关性，也能用新技术创造新的相关性，这是复杂科学自身带来的新的涌现。

而科学研究的“第四范式”，预示了一个全新的可能性：人人都是科技工作者的时代来临了。以农业生产为例，农业的空间必然会拓展到农村耕地之外，城市会出现垂直大楼农场，每个家庭会出现果蔬中心，甚至在航天空间站、未来星际旅行器和外星球人类集聚点都会出现农作物生产的基地。在这些地方，每个生产者都会充分利用新的科技，以适应不同环境来实现农产品的生产。农业生产的方式，也会从自然生长的方式，发展到利用生物技术直接合成碳水化合物、蛋白质、多种维生素等合成生产，在生产前、生产中和生产后，都需要对全流程进行数据分析以生成可靠的产品，这些工作本质上都是具有科技人员属性的岗位。农业生产如此，其他领域的生产和拓展更会呈现出岗位科技化的特征。

我们的世界里有符合因果关系的规律，也有以混沌为特征的无序；有能被我们感知和想象的现象，也有超乎我们所有极限的时空存在。站在科学范式的转折点上，科学教育需要对科学研究的四个范式找到有效的教育方法，因为科学研究需要在不同的研究对象、领域中采取不同的研究范式。

创新越来越倚重新现象的发现和想象力

科学自身的工具化，意味着普通人也可以深度参与科学探索和新世界的创造，虽然有组织的大科学研究将在基础科学方面越来越重要，但是一个人利用新技术的成本已经越来越低，机会也越来越多，因此每个人通过自由研究产生新发现的可能性也在同步增长。对科技生产、科学研究所需要的基础性知识与训练，将聚焦到科学现象的判断和对科学工具的模块式组合应用，这对未来科学教育的影响将十分深远。人人都可以是科技工作者，人人都可以成为创新者，全球科学教育正朝着“为创新而学”转向。

创新有三种基本形式：新思想、新发现与新发明。一是新思想。学习的本质是塑造人的大脑，通过学习，已有的知识在我们大脑中的体现是一个个脑神经元形成的回路，这些脑神经回路在某种情况下会突然产生自组织现象，产生从未有过的新连接，代表了新思想的产生。当然，新思想需要经过事实的证明才能成为真正的新理论。二是新发现。人们在探索自然世界的行动中，由于各种意外情况，会呈现出新现象并被偶然发现。这种由行动带来的意外从而实现新发现，是科学史中经常发生的情况。三是新发明。布莱恩·阿瑟在《技术的本质》中指出：“现象是技术赖以产生的必不可少的源泉。所有的技术，无论多么简单或者多么复杂，实际上都是在应用了一种或几种现象之后乔装打扮出来的。”技术的进步就是在对现象的深入认识基础上，新现象与旧技术的组合从而产生新发明的过程。任何新现象的发现，必然会在某个新的技术发明中体现。

新思想、新发现与新发明，都是自然现象与人类思维深度互动的产物，但是强人工智能的出现，开启了人脑之外的智慧，人类思维能力大概率会被机器超越，科学自身的工具化必将不断深度加强，新思想、新发现与新发明等创新行动，会转移到自然现象与机器思维深度互动的新范式。现象发现以后的分析基本上会交给机器处理，因此发现新现象作为科技新发展的重要性将进一步凸显，科学教育中培养发现新现象的能力成为关键，而通过观察获取新现象存在着很大的复杂性。马可·奥勒留在《沉思录》中有一个十分经典的判断“我们听到的一切都是一个观点，不是事实。我们看到的一切都是一个视角，不是真相”。科学现象与观察之间存在三种复杂的情况。第一种复杂情况是：观察者的位置与被观察的对象之间的不同关系，会使被观察到的现象产生巨大差异。管中窥豹、盲人摸象是指所有观察都是局部观察，也正因为我们不是所有东西都能看见，才看得见，我们不是所有声音都能听见，才听得见。而从不同尺度的空间和不同尺度的时间来观察同一个事物，其获得的现象也会存在巨大差异。第二种复杂情况是：观察者自身因素会对同一事物的观察产生不同结果。所谓的科学现象是客观世界通过感觉系统转化为观察者脑中认识到的那部分意识，但是这种转化很大程度上是基于人脑中原来已存在的那部分大脑神经元连接，所以人类观察到的世界，并非世界本身，而是世界的现象在我们人脑中的投影。第三种复杂情况是：宇宙中我们已知的物质、能量只占世界的4%，更多的物质与能量我们可能永远不能感知。之所以中微子、引力波还能被我们通过精密的技术发现，是因为它们还能与我们已知的物质之间发生较弱的相互作用，但是那些暗物质、暗能量似乎不和我们已知的物质世界产生作用，这种复杂性对我们人类的挑战也是最大的。技术虽然可以帮助人类看见原本看不清的东西，但技术却无法让人类看见那些与我们能感知到的世界不发生作用的东西，我们只能用自己可以想象的东西来理解它，因此培养想象力将成为科学教育的主线。实际上，通过想象力来理解的世界肯定不是世界本来的样子，但想象力从来就是让我们的认知更贴近世界本原的最根本动力，只不过我们很长一段时间以来被巨大的科技成就所蒙蔽，形成了过度相信和依赖理性的价值。

站在科学范式转折点上重构科学教育

当前，普遍认为科学教育的目的是普及科学知识，提高公众对科学的认识和理解，促进科学与社会的交流和互动，推动科技进步和社会发展。这个判断无疑是正确的，但也存在一个很大的问题，主要原因是把科学技术看成绝对正确的结论，科普活动中人们处于被动的状态来接受已知的科学原理和方法，本质上来说这是一种牛顿时代的科学教育观，迫切需要重构基于新科技观的科学教育。

1.科学教育要面向全体学生，突出多样化和实践性

教育具有两面性。我国改革开放四十多年来取得的巨大成就证明：我们的基础教育可以批量培育出非常好的一般科技工作者；但是从原创性的要求来看，统一的选拔考试带来的统一的教学方式，让孩子们拥有了差不多的知识结构和思维方式，拔尖创新人才却会被扼杀。拔尖创新人才需要多样化的大脑和强大的行动力，因此好的科学教育有两个基本要求，一是能不能给孩子们多样化的学习经历，二是能不能给孩子们动手实践的机会。机器很快就能够把人类所有的知识都学会，但是创造力从来不是因为拥有完美知识而产生的，人类的创造力来自局限，甚至来自犯错。因为缺陷具有多样化的优势，完美不具有。不完美的教育，包括教育过程中出现的缺点和错误，都有可能是创造大脑多样化的机会，这是人类应对人工智能挑战的最好回应。

人工智能作为强大的新工具，将进一步拓宽、放大人类对现象的感知能力，集成与强化工具折叠时间的本领，因此而释放出来的时间，可以让我们每个人去深度体验自然世界、产生情感连接、涌现思想价值、拥有更丰富的想象力。人类未来对AI的领导力，也必将来自人类多样化的行动力和想象力。

2.科学教育的主要目的不再是掌握知识的多少，而是更突出科学大概念和科学的态度

这个时代的基本特征是信息过剩，与之相对应的是每个人大脑的学习能力并没有相应提升，我们每个人所能拥有的学习时间也没有增长，因此每个人的学习能力停滞不前和世界知识加速增长之间的矛盾越发突出——我们每个人再努力学习、掌握再多的知识，在爆炸式增长的知识面前也是越来越无知，更是不可能与不知疲倦的智能机器相比。既然现代科学已经从寻求现象之间的因果关系，演变为分析事物之间的相关性，甚至是研究超越因果关系与相关性之上的涌现，那么科学知识的多少不再是重要指标，而注意力却成为重要的学习目的，这个注意力聚焦的点就是科学大概念，即系统与平衡、守恒与演变、规模与层次、结构与功能、多样与共生、模块与控制、连接与极限、周期与进化、虚拟与共生。

强大的科学工具，将把逻辑分析与推演能力推向极致，将把人作为工具的工作逐步替代，这会进一步凸显人与人之间关系的重要性。科学教育传递科学的态度，就是要更加关注科学伦理，关注科学与人的关系，更加关注人自身的创造性体验。研究表明，拔尖创新人才有的看上去很聪明，有的看上去笨笨的，但他们往往都有三个很突出的素质：一是很自主，有行动力；二是很专注，对某个领域特别有兴趣，形成了超越常人的知识富集和能力特长；三是有韧性，碰到困难能坚持。无论成绩好坏，都是能够培养这三个素养的，这是教育真正的价值与力量，也是科学教育要培育的关键态度。

3.用“模仿-构建-想象”的逻辑来实现学生实践能力的提升

学校教育越来越呈现出高度的结构化，追求更精细的知识管理和学习时间管理，把一切校内活动课程化，表面上实现了学习效率的不断提升，但是也带来了两个严重的负面影响：一是学生们在校的自由时间被剥夺，缺少发呆时间，缺少做自己想做事情的机会，缺少犯错的空间。这导致师生关系紧张、学生心理状况不断恶化；二是学生在校内的学习内容高度一致化、标准化，这种情况不断强化学生之间的竞争性，减少孩子兴趣的多样化，在不断加剧教育内卷的情况下，阻碍了以多样性为本质的拔尖创新人才培养通道。

有关于创造力来源的研究认为，创造力的本质是一种行动，创新能力的提升需要在实践中实现，这个行动逻辑就是“模仿-构建-想象”。所谓的模仿，就是按照视频、说明书或者重复教师做过的科学实验，学习者自己要复原做出来。这个过程看似简单，实际上包含着材料的准备、实验次序的先后和实验技能的把握，甚至还包含意外事件出现时需要正确去应对。当孩子能够模仿着完成实验，可以自己表演实验给别人看，那么就进入了一个科学探究的新领域。

所谓的构建，是在模仿实验过程中，鼓励学生构建问题，一般情况下，在动手实验过程中，学生自然会涌现许多问题，但还是可以事先教给孩子们一些提问的方法，比如为什么要这样做？有什么办法可以让实验现象更明显？器材或材料的工作原理是什么？这个实验在现实生活中有什么用吗？简而言之，“为什么”“是什么”“有什么用”是产生问题的最基本方法，可以放在任何环节来提问。实验的结果如果产生许多高质量问题，那么这样的科学实验才有价值。如果实验结果是以没有问题结束的，那就不是科学实验。有了问题，学生可以自己去网上寻找答案，或者咨询老师和专家，甚至自己设计实验来探究寻找答案。

所谓的想象，是针对学生构建的问题，鼓励学生去想象和创新，有些问题十分深刻，也许是一个未知的科学问题，那么可以作为孩子的科学课题去研究，这样就从问题上升到了课题，当学生们自主深度阅读、自主设计实验、自主完成实验探究、自主分析形成研究报告、自我评价时，实际上就是像科学家、工程师一样地学习和研究了，将来就能成为愿意投身科学研究事业的人。因此，真正的想象力基于实验或观察来发现现象，始于对现象背后问题的发散性思考，成于科学大概念在某个实际问题上跨界的大脑连接。

4.着力构建大中小学校科学教育一体化的贯通机制

科学教育是一项接力比赛，一方面要把前人创造的科学技术知识与技能传承下去，一方面还要在此基础上培养有创新意识和能力的新的探索者。从孩子一出生，大脑的塑造就开始了，要培育出大批高质量的创新人才，需要在每一个环节都能够很好地完成相应的培育任务，这确实需要对科学教育进行宏观的一体化机制设计。

首先是在科学教育的价值取向上，要从过度追求现实功利目标转向追求人类共同发展与国家科技自立自强的双重价值；在科学教育质量评价上，要从过度注重知识学习和考试成绩，转向全面发展的评价；在学生培养模式上，要改变高度统一的标准化模式，更加注重多样化为导向的教学；在科学教师专业成长上，要克服单纯强调掌握学科知识和教学技能的倾向，更加注重教师教育境界和专业能力的提升；在科学教育管理方式上，要从依靠行政手段发文件、做规划，转向更加注重思想领导和专业引领。

其次是形成分阶段的科学教育目标要求。低幼阶段的科学课程应该更加关注孩子们对自然世界的好奇心培育，只有大自然才有最丰富的色彩、最丰富的声音、最丰富的形状和最丰富的运动形式，让孩子们在对自然世界的观察和探究中形成兴趣，形成最基础的发现新现象和提出新问题的能力——锻造感官能力与兴趣；在初高中阶段，应该在学科化的科学教育中增强动手实践能力、强调概念的形成和证据意识，能够超越兴趣，形成对某个领域的志趣——锻造思维能力与志趣；到了高校时，在掌握基础的研究方法和基础专业知识的同时，应该按照专业方向尽快了解相关学科的前沿领域，并以研究的方式学习、以协同的方式去攻关。新的科学范式，最大的特点是科学的工具化，也就是说大学生完全有能力利用科学工具实现新科学发现和新技术发明，核心是了解前沿、敢于探索、不怕犯错——锻造研究能力与痴迷。这个系统性的机制设计，需要有一个贯通大中小学的国家科学课程标准来统整。

站在科学范式转折点上，科学教育必须坚持面向全体学生，倡导多样化的学习内容与学习方式，大幅度增加动手实践机会，提升青少年发现新现象的能力，突出培育科学大概念，增强问题意识与批判精神，实现从科学兴趣到科学志趣的超越。

【作者：倪闽景，单位：上海科技馆】

（原载2024年第11期《中国高等教育》）

作者：倪闽景