将实验室探究与科学史相融合：通过显性化与反思性方法提升科学素养
作者： Pasquale Onorato, Filippo Faita, Alessandro Salmoiraghi 机构： 意大利特伦托大学物理系 (Department of Physics, University of Trento) 发表信息： 发表于 Educ. Sci. 期刊，2026年4月30日。
本文是一项原始研究，旨在提出并验证一种将科学本质（Nature of Science, NOS）和科学探究本质（Nature of Scientific Inquiry, NOSI）与物理实验及科学史相融合的创新教学框架。该研究发表于2026年4月30日，由特伦托大学的Pasquale Onorato及其团队完成，其核心目标是通过显性化和反思性（explicit and reflective）的教学方法，促进科学素养（scientific literacy）的培养及对科学的知情信任（informed trust in science）。
一、 研究的学术背景与核心目标
在当代科学教育领域，教育者普遍认识到仅传授科学知识本身是远远不够的。更深层次的教育目标在于培养学生的认识论理解（epistemological understanding），即理解科学知识是如何被构建的，以及它如何与社会互动。在此背景下，本文的研究旨在解决一个关键的教学挑战：如何将抽象的科学认识论与具体的学科实践联系起来。研究团队提出了一个创新框架，其核心不仅是让学生“学习”科学知识，更是通过亲身体验伽利略的原始实验，并反思科学史中的关键事件，来“理解”科学知识生产的过程。
该研究明确针对四个研究问题展开（RQ1-RQ4），分别探讨：其一，融合学科实验与伽利略历史反思对理解科学知识经验性与迭代性的影响；其二，直接参与模型建构过程（包括理想化与去理想化）如何影响学生对模型、推理及科学不确定性（uncertainty）本质的看法；其三，通过与历史人物（如伽利略与梅森）的对比，解构“单一科学方法的神话”（myth of the scientific method）如何促进对科学社会维度的理解；其四，历史-实验教学法如何推动学生从对科学的静态、朴素看法，转向一种理解其暂定性、累积性及自我修正本质的成熟观念。
二、 教学干预的详细设计与工作流程
研究的核心是一套精心设计的教学序列，该序列将实验室探究与历史反思紧密结合，其研究对象为40名物理教育实验室课程的本科生（实习教师）和25名职前物理教师。教学流程并非单纯的实验操作，而是一个包含多个环环相扣步骤的认知探索之旅。
1. 实验阶段：重构伽利略斜面实验 学生首先拿到一个复刻的伽利略斜面装置。他们被赋予一个开放性问题：“能否找到小球的射程（x）与释放高度（h）之间的关系？”这一阶段强调明确的NOST教学，让学生明白科学始于可经验探究的问题。学生需亲自进行实验设计，在不同高度释放小球，并使用复写纸记录落点。为应对测量中的不确定性（uncertainty），每个高度需重复实验至少十次，计算平均值及分散度，以此直观展示统计学意义上的或然不确定性（aleatoric uncertainty）。
2. 建模与分析阶段：从数据观察到理论竞争 实验数据收集完毕后，学生进入数据分析与建模（modeling）的“黑箱”实践。他们基于直觉和软件工具，构建了描述射程与高度关系的数据模型（models of data），常见的模型包括线性模型和二次多项式模型。此阶段并未直接由教师给出“正确”答案，而是将学生提出的不同模型作为讨论的科学本质的契机。研究引导学生利用统计推断（statistical inference）来检验模型的预测力（predictive power），即在新的中间高度上比较模型预测值与实测值，从而引出模型可共存及预测是科学核心要素的理念。
3. 模型检验与修正阶段：引入极限推理与判决性实验 为超越数据范围检验模型，教学序列引入了极限推理（asymptotic reasoning）和思想实验（gedanken experiment）。学生分析两个极限情况：高度趋近无穷时射程应无限大，高度为零时射程应为零。这促使许多线性或纯二次模型被逻辑证伪（falsification），从而引出“判决性实验”（experimentum crucis）的概念——一个能在竞争模型中做出裁决的测试。最终，学生们发现幂律回归（指数接近0.5）能同时满足数据拟合与极限条件，通过这一过程，他们亲身经历了模型因无法通过新检验而被修正乃至替代的自我修正过程。
4. 理论建模与去理想化阶段：从理论到现实的桥梁 在建立有效描述数据的模型后，学生尝试从牛顿力学推导理论模型（theory model）。他们一开始采用强烈的伽利略理想化（idealization）——点质量在无摩擦平面上滑动，推导出预测公式，但此模型严重高估了实际射程。这一矛盾揭示了理论与数据并非直接比较，而是通过理想化模型与数据模型进行中介（models as mediators）。由此，学生被引导进入“去理想化”（de-idealization）过程：先后引入刚性球体滚动、球体在轨道滚动等更贴近现实的假设，逐步修正理论公式。这一迭代过程清晰地展示了科学知识是如何通过不断减少理想化、整合新事实而累积发展的。
5. 历史反思阶段：伽利略手稿与梅森的审视 教学的升华部分来自历史分析。学生重返伽利略的真实历史情境，研读其手稿《folio 116v》。研究者引入德雷克（Drake）的史学分析，揭示伽利略的数据与理论预期存在明显偏差，但伽利略用“应为”（should be）等注记表明他可能因深信其理论而忽视了相悖数据。这直接挑战了“科学方法神话”中将伽利略视为纯经验主义者的刻板形象。紧接着，历史人物马林·梅森（Marin Mersenne）被引入作为对比。梅森对伽利略的理论进行了严格的实验审查（如指出单摆等时性的局限），并通过庞大的通信网络奠定了现代科学共同体（scientific community）同行评议（peer review）的雏形。这一伽利略与梅森的历史对照，深刻揭示了科学实践中理论导向的主观性、科学知识的集体构建属性以及科学共同体自我纠偏的伦理维度。
该研究采用质性研究方法（qualitative approach），通过半结构化书面访谈和录音记录，在被试完成教学序列后收集其反思数据，以深入探查其认识论结构的复杂性及演变过程。
三、 主要研究结果与发现
研究结果显示，该干预在促进职前教师科学认识论转变上成效显著，但也暴露出了一些顽固的概念张力。
1. 对科学经验基础与暂定性的认识深化 教学后，认为科学等同于绝对真理的学生比例下降了。学生们普遍认识到科学知识的构建基于观察，但仅约25%的学生仍保持朴素的实在论观点。对科学暂定性（tentativeness）的理解也得到发展，许多学生表达了“不确定性不是缺陷，而是科学诚实的体现”等见解。然而，部分学生仍将不确定性误解为科学的不可靠，表明理解仍需深化。
2. 对模型、理论与规律之间关系的深度建构与概念分化 实验让学生切身体会到模型作为理论与现象中介的核心作用。如学生所言：“实验上我不能直接验证一个理论；我必须借助表征现实的模型。”他们对理论更迭的理解也显示出一致性，多数人认同基于“对应原理”（correspondence principle）的累积性理论更替观，即新理论应在旧理论的有效域内重现其成功预测。但研究也发现，在精确区分理论、定律与模型的概念层级上，学生们的观点存在明显分歧，有人认为理论是包含模型的更高阶结构，也有人持相反意见。
3. 对科学方法论的祛魅与对科学社会维度的重视 学生普遍从最初将科学方法视为线性算法，转变为认可其是一种动态、灵活且富有创造力的过程。他们明确认识到想象力和理论导向（theory-ladenness）在科学发现中的重要性。引人注目的是，学生们深刻领会了科学共同体的核心价值，认识到科学进步是集体性、对话性的，同行评议等机制是知识可信度的保障。多名学生指出伽利略放弃拉丁文而用俗语写作是出于政治动机，而梅森的知识传播网络则更具认知构建价值。
4. 对知情信任与科学素养教育价值的确认 学生普遍倡导将科学本质教育融入常规课程。一位学生的总结具有代表性：“重要的是，学生除了知道科学教了什么，还应知道科学是如何运作的，这样才能成为有意识和负责任的公民。”
四、 结论、研究价值与创新点
该研究得出的结论是，这种基于历史情境的显性反思性教学设计，成功地帮助学生克服了视科学为绝对真理集合的静态观点，转而发展出一种将科学视为动态、暂定、自我修正的人类事业的成熟理解。
科学价值与应用价值：在科学价值层面，本研究验证了通过具体的物理实验（而非孤立的哲学讨论）来实体化科学认识论教学的巨大潜力，为理解学生认识论转化的微观过程提供了实证依据。在应用价值上，它提供了一个罕见的、可操作的桥梁，将真实的科学实践与反思性的历史教学融为一体，为全球物理教师教育及本科科学课程改革提供了详实的教学框架和实验方案。
研究的三大亮点： 1. 原创性的教学融合框架：研究最大的创新在于将科学本质（NOS）从孤立的“话题”彻底改造为贯穿实验、建模、讨论的线程，实现了学科内容学习与认识论目标的深度协同。 2. 对原始科学史的实证性运用：以伽利略原始手稿《folio 116v》作为教学的出发点，通过第一手史学材料而非二手传说来揭示科学过程的复杂性，这在教学研究中具有高度新颖性。 3. 解构神话的具体路径：通过伽利略与梅森的细致历史对比，具体而非空泛地解构了“单一科学方法”和“孤独天才”的神话，将科学共同体、同行评议的运作机制展现得极为具体。
五、 研究局限与补充说明
研究者也坦承了质性研究的局限，即研究样本为特定师范生群体，其研究发现的推广性有限。干预时长较短，可能仅捕捉到学生复杂认识论结构的初步转变，未来需要更长期的纵向追踪。此外，尽管使用了多源数据，但对半结构化反思的解读仍可能受制于研究者的理论框架。尽管如此，该研究为科学素养教育提供了一个理论与实践紧密结合的典范，其设计的精巧性和对史学材料的深度运用，为当前强调探究实践和科学本質的教育改革提供了极具价值的参考。