摘要：科学认识的获得与应用，都要依据相应的科学方法。因此，科学能力的获得依托科学思维方法使用的训练，科学能力的强弱表现为科学方法使用的熟练程度。根据科学认识过程的特点，归纳法的使用有助于培养科学抽象概括能力，演绎法的使用有助于培养科学推断预测能力，溯因法的使用有助于培养科学探究能力。需要强调的是，科学探索的本质是溯因法的应用，常常涉及想象与创造性的类比；而搜寻结果与原因之间的逻辑证据，则涉及多种科学方法。
关键词：科学教育；科学方法；科学能力
科学教育的宗旨是培养学生的科学素养，而科学能力是科学素养的重要组成部分。从人类的科学认识过程来看，其根本条件首先是变革现实获得事实材料，然后是对事实材料进行概括，最后是把带有经验性质的概括上升为科学理论。科学理论既要能解释已知的实验结果，还要能预言今后可能出现的科学事实。如果解释或预言失败，理论就需要被修正或被别的更能满足要求的理论取代。科学学习过程也是一种科学认识过程，学习者应习得的科学能力就是人类在科学认识过程中所体现出来的能力。科学能力既包括获得科学认识的抽象概括能力和用于解释与预测的推断预测能力，也包括科学探究能力。
能力是在活动中形成的，也是在活动中发展起来的。也就是说，能力并非源自个体的先天遗传，而是在后天的学习与训练过程中逐渐形成与发展起来的。考察、测定与评价个体已有的能力必须在有所组织的活动中进行。科学能力就是保障科学认识活动顺利进行的内化于人的个性心理特征。科学能力应该在科学认识活动中形成与发展，其强弱也必须在科学认识活动中才能体现出来。
考察科学认识过程可以发现，其获得与应用都要依据相应的科学方法，科学能力表现为科学方法的应用。因此，科学能力的获得依托科学思维方法使用的训练，科学能力的强弱表现为科学方法使用的熟练程度。那么，科学思维方法具有什么特点？其与科学能力的培养具有怎样的关系？明确这些问题，对于培养学生的科学能力具有重要意义。
一、归纳法与科学抽象概括能力的培养
归纳法是以个别性知识或特殊性认识为前提，概括出一般性认识的思维方法。概括是把各种事物与现象的共同特征和属性抽象出来，并推广到同类事物中使之普遍化的过程。归纳法的应用突出体现为抽象概括能力的训练。归纳法包括完全归纳法和不完全归纳法。科学领域的归纳基本上是不完全归纳，其又包括列举归纳、典型归纳、统计归纳（经验统计）等。
科学研究的目的是获得关于自然世界的存在及其发展、变化的因果关系。而获得因果关系的方法又有不同的“格”，即我们常说的穆勒五法——求同法、求异法、求同求异共用法、共变法、剩余法。列举归纳法以列举若干事例为基础，即根据一类中的部分对象具有（或不具有）某种属性，从而得出该类对象都具有（或都不具有）某种属性，主要是获得因果关系的方法。因此，出现了不同“格”下的具体应用。一是求同法，指在不同环境中都有一个因素总是存在，都出现了一个同样的现象，则这个因素与这个现象存在因果关系。求同列举归纳，就是列举不同情境中出现的具有某种属性或特征的事例，考察同时存在的因素，找到此因素与此现象间的关系，形成科学认识或科学概念。以“植物的向光性”为例，选择五个纸盒，分别在它们的四个侧壁或顶部挖一个圆孔，然后用它们各罩住一株生长的小苗。这就提供了可能出现特征属性的观察实例。一个星期后，将纸盒打开，可以看到小苗的生长方向倾向挖孔的方向。由于挖孔的部分可以透光，便得到单称判断，即1号纸盒内小苗向光生长、2号纸盒内小苗向光生长……由各个单称判断，可抽象概括得到植物生长的共同特征属性，即向光性。二是求异法，指当一个因素存在的时候，有一个现象出现，而这个因素不存在时，这个现象也消失了，那么这个因素就是这个现象产生的原因。求异列举法就是列举若干事例，在每个事例中控制一个因素的出现与否，并考察一个现象的有无，借此得到共同的因果关系或者说科学认识。以“空气具有压力”为例，由于我们所处的空间充满空气，时刻受到空气的压力，反而难以获得清晰的感知。此时，我们可提供将空气去掉的实例，如可封住出液口的针管、“马德堡半球”等，通过对有无空气的控制去对比感知压力情况，概括出空气具有压力的认识。三是求同求异共用法，指求同法、求异法的结合，小类求同，大类求异。以“导体和绝缘体”为例，提供铜棒、铝棒、铁棒、橡胶棒、玻璃棒、塑料棒等，将它们分别接入电路，使小灯泡亮的为一类共同特征、不亮的为另一类共同特征，由求同求异的方式抽象出“导体”“绝缘体”的概念并理解其区别。四是共变法，即当环境中一个因素发生变化时，有一个现象也随之发生变化，则判断这个因素是这个现象变化的原因。以“单摆摆长与摆动周期的关系”为例，改变摆长，测量对应的周期，发现摆长变长，摆动周期增大，概括出摆长越长、摆动周期越大的结论。五是剩余法，即假设环境中有三个因素存在，产生了三种现象或结果，若可判定其中两个因素是三种结果中某两个的原因，则第三个因素是第三种结果的原因。正是上述这些探求因果关系的列举归纳方法的使用，使人们抽象出事物存在或发生、发展的关键特征或属性，概括为一般性的因果关系，形成科学抽象概括能力。
还有一种归纳方法，称为典型归纳法。即从一类事物中选择一个标准作为典型，对它进行考察，然后将其显示的某种属性概括为同类其他个体共同具有的属性。显然，典型归纳的前提是选择具有典型意义的代表性个体。这样的个体通常是根据一类事物的内在规定性来选择的，而这种内在规定性则是由列举归纳抽象与概括出来的。也就是说，典型归纳是以列举归纳为基础的，列举归纳的可靠性决定了典型归纳的可靠性。以“一杯水的观察”为例，提供一杯水作为典型，学生观察得到其具有以下特征：无色、无味、透明、可流动、有确定体积但无固定形状。这些关于水的特征是由观察一杯水得到的，但可概括为所有水的特征。再以“哺乳动物”为例，选择家兔的生育、哺育为典型，得到其在未成年期间以吸食母乳为特征，可归纳出具有这种特征的动物就是哺乳动物。典型归纳法依托列举归纳，只需对典型个体进行考察，简单经济，结论具有较好的可信度，因此在科学研究和科学学习中大量使用。还有一种特殊的归纳方法，即统计归纳法，其目的并非获得因果关系，而是在大数情况下寻求分布规律。科学领域所谈的统计归纳主要是经验统计方法。以“抛硬币”为例，将一位学生抛硬币得到正反面的次数与总数比较，将一个小组、半个班乃至整个班抛硬币得到正反面的次数与总数比较，发现正面出现概率与反面出现概率逐渐接近，假想数目越多，则概率越接近，且均接近一半。典型归纳法和统计归纳法也是培养科学抽象概括能力的重要方法。
二、演绎法与科学推断预测能力的培养
科学的功能体现为解释与预测，也就是以所获得的科学认识为前提，对具体的科学事实进行判断或对事物的发生发展过程作出预测。演绎法是由一般性原理推出个别认识结论的方法。科学上的推断与预测，就是应用演绎法从已知的科学原理出发，对具体科学事物或过程作出判断，得到肯定或否定的回答，也可以是解决相应的问题。
演绎一般有两种情况。一种是直言判断（命题）演绎推理。所谓直言判断，就是对一定数量的对象具有或者不具有某种性质的判断。直言判断演绎推理是从一个具有普遍性的直言判断出发，针对特殊情况，推出另一个具体的直言判断。一般情况就是所谓的“三段论”，即大前提、小前提和结论。大前提通常表示一般原理，小前提通常表示特殊情况。根据一般原理，推定特殊情况，从而对这一特殊情况作出结论。在科学推断与预测中，大前提常常指出一类事物具有某种共同属性，如果小前提指出一个个别事物属于这类事物，则得到这个事物具有这种属性的结论。例如，金属可以导电，铜丝是金属，则铜丝可以导电。如果小前提指出某个事物不具有该属性，则得出其不属于该类事物的判断，从而将它和某类事物区别开来。例如，水是无色、无味、透明的液体，酒精有气味（不是无味），则酒精不属于水。
另一种是复合判断假言演绎推理。直言判断是本身不包含其他判断的判断，其变项是概念。而复合判断是包含其他判断的判断，其变项是判断。在复合判断中，作为其组成部分的判断称为肢判断，把肢判断连接起来的语词叫联结词。根据联结词的不同，复合判断可分为联言判断、选言判断、假言判断等。其中，假言判断又称条件判断，是断定某一情况的存在或不存在是另一种情况存在或不存在的某种条件的判断。假言判断的联结词常常是“如果……，那么……”“只有……，才……”等。紧接“如果”词后的肢判断称为前件，紧接“那么”词后的肢判断称为后件。在科学推断中，常常使用充分条件假言判断，即断定前件是后件的充分条件。其有效的逻辑形式是：如果前件为真，则后件为真；如果后件为假，则前件为假。例如，如果给物体加热，那么物体体积会膨胀。这是充分条件假言判断。给一个铜球加热，这是对前件的肯定，则可得到肯定后件为真的结论，即铜球体积会膨胀。又如，只有发光物体在凸透镜一倍焦距以内，才可以得到正立、放大的虚像。如果发现可以接收到缩小、倒立的实像，即对后件的否定，则否定前件，即发光物体不在凸透镜一倍焦距以内。
不管是直言判断演绎推理，还是复合判断假言演绎推理，在逻辑上都有其有效推理的要求。学习与把握这些有效推理，在科学应用中依据科学原理不断地进行推断与预测练习，可逐步提高科学推断预测能力。
三、溯因法与科学探究能力的培养
应用归纳法进行抽象概括得到基于客观事实的合乎情理的或然性的推论，应用演绎法组织已有知识从作为“真”的前提中推断出必然的结论，是科学认识过程中两个重要的阶段。但科学认识过程大都是从自然世界所呈现的客观现象及其发展变化过程中寻求这种存在和变化的原因。也就是说，科学探索过程往往是从显露出来的结果去追溯潜藏的原因。因此，对科学探索过程而言，最一般和普遍的方法是溯因法。溯因法是根据某事物的现象特征去推测该现象之原因的逻辑方法，即根据对自然现象或实验现象的观察结果，推测其各种可能的原因，搜寻原因与结果具有逻辑关系的证据，揭示产生该结果的原因。
根据观察结果推测原因，是一个类比推理的过程。溯因法即从特殊判断到特殊判断的或然性推理。这一过程需要基于经验的充分想象和寻找新的可能的创造性。以“大陆漂移学说”为例，当魏格纳看到地图上陆地边缘凸起的地方隔着大洋对应的陆地边缘是凹陷的，便想象两块陆地原来应该是一个整体，在漫长的地质变化过程中因地球壳层断裂而漂移分开。这种想象源于这样的类比，即将一张纸随意撕开，纸的边缘呈现曲折的形状，这种曲折的凸起与凹陷是对应的。一张纸被撕开，其撕开边缘凹凸相对；反过来，边缘凹凸相对，则原来有可能是一个整体。这就是由结果寻找潜在原因的类比。类比是或然性推理，要增强所揭示原因的可信度，还要搜寻原因与结果之间存在逻辑关系的证据。因此，魏格纳通过对大洋两岸对应陆地上古生物、古岩石和古气候痕迹的相似性的判断，使其提出的大陆断裂漂移认识得到认同。
如果通过类比推测各种可能的原因，则必须搜寻原因与结果之间的证据，以揭示或确定原因。除了类比法，搜寻证据也可能用到归纳法、演绎法，此时便需要观察实验设计与操作得到事实性证据。以“凸透镜成像特点”为例，凸透镜可以成虚像，也可以成实像；可以成倒立的像，也可以成正立的像；可以成放大的像，也可以成缩小的像。凸透镜成像为什么有诸多特点？在观察这些像时，需要不断变化成像物体与凸透镜之间的距离，由此猜想凸透镜成像的特点可能与成像物体和凸透镜之间的距离有关。根据获得因果关系的“共变法”设计实验，取一个凸透镜，使成像物体（蜡烛或其他光源）与凸透镜的距离由近及远变化，观察像的变化与这一距离的关系。得到距离近时，成正立放大虚像；距离远时，成倒立放大实像；距离再远时，成倒立缩小实像。便初步判断凸透镜所成像的特点由成像物体与凸透镜的距离决定。换用多个不同的凸透镜（焦距不同）进行实验，尽管成像物体与凸透镜的距离不同，但可以得到相同的规律。进一步比较成像物体与凸透镜距离和凸透镜焦距的数值，发现成像特点的几个关键点——成像物体在一倍焦距内、一倍焦距外两倍焦距内和两倍焦距外。由此，通过列举归纳法得到凸透镜成像特点的普遍结论。这就是用归纳法得到揭示原因的证据。再以“冬天室外汽车车窗上的冰霜”为例，在寒冷的冬天，停放在室外的汽车车窗玻璃外表面有时会产生冰霜，这与我们经常看到的房间窗玻璃内表面出现冰花有所不同。为什么冰花产生在室内而冰霜产生在车外呢？根据凝华的原理，空气中的水汽遇冷可直接结冰。因此，冬天室内的水汽遇到寒冷的玻璃会在其内表面上直接结冰。对于停放在室外的汽车来说，如果空气中具有足够的水汽，且汽车内足够寒冷，那么在汽车车窗外表面也可以直接结冰。这种判断是否合理呢？首先，汽车玻璃结霜并不是每天都有，只有在空气湿度很大的时候才会发生，这种情况下，空气中具有足够的水汽。其次，汽车内比汽车外要冷且冷得多，实际测量发现，凌晨时车内温度比空气温度低得多。这种情况是通过演绎法获得证据，得到冬天室外汽车车窗上产生冰霜的原因。
我们看到，科学探索的本质是溯因法的应用，常常涉及想象与创造性的类比。而搜寻结果与原因之间的逻辑证据，却涉及各种各样的科学方法。这种特点符合科学的探索性、复杂性和试错性特征。所揭示原因的可靠程度取决于所提供证据的可靠性与丰富性。美国《国家科学教育标准》将“科学探究”定义为科学家用以研究自然界并基于此种研究获得的证据提出种种解释的不同途径，也指学生用以获取知识、领悟科学的思想、领悟科学家研究自然界所用的方法而进行的各种活动。从科学认识的角度看，溯因法的应用过程就是对自然世界的探索过程，也就是科学探究过程。科学探究一般包括由情境激发问题，对问题原因提出猜想并作出假设，设计验证假设的方案，实施验证方案，获得证据或数据，解释与交流，揭示原因（或者说得出结论）。因此，在科学探究过程中，学生需要并应表现出想象能力、创造能力、抽象概括能力、推断预测能力、观察实验能力等多种能力及对它们的综合运用。溯因法的应用便涉及上述能力中的某些项。简单的溯因法应用过程涉及少量的单项能力，复杂的溯因法应用过程会涉及大多数的单项能力，这些能力的综合，构成科学探究能力。因此，溯因法的应用有助于科学探究能力的培养。
向上滑动阅览参考文献
[1] 刘大椿. 科学哲学[M]. 北京: 中国人民大学出版社, 2011: 92-93.
[2] 多俊岗. 基础心理学[M]. 2版. 北京: 化学工业出版社, 2012: 137-138.
[3]《普通逻辑》编写组. 普通逻辑[M]. 5版. 上海: 上海人民出版社, 2011.
[4] 王海传, 岳丽艳, 陈素, 等. 普通逻辑学[M]. 2版. 北京: 科学出版社, 2011.
[5] 国家研究理事会. 美国国家科学教育标准[M]. 戢守志, 金庆和, 梁静敏, 等译. 北京: 科学技术文献出版社, 1999: 30.
作者简介：叶宝生，首都师范大学初等教育学院教授。
责任编辑：郭晨跃
微信编辑：张一鸣
推送审核：汤 梅
来源：中小学科学教育