• 内容提纲
  • 科学教学的传统方法
  • 像科学家一样思考
  • 什么是科学过程？
你知道么？
科学不仅仅是需要记住的事实的集合。真正的科学过程是创造性地发现知识和诠释新发现。它是一种解决问题的方法，可以帮助我们在日常生活中做出更好的决策。
几年前，一名在我实验室从事本科研究项目的学生关切地找到我。“我做错了。”她惊呼道。我看过她的研究成果，知道她取得了良好的进展，所以当我听到她遇到困难时觉得很惊讶。之后几天，我们详细了解了实验程序，回顾了她的主要方法，并检查了她的结果；我找不到她的工作有什么问题。最后，我问了她一个显而易见的问题：“为什么你觉得自己做错了？” “因为我没有得到你告诉我应该得到的结果，”她有些沮丧地回答。
她的回答让我大吃一惊。与她讨论后，我意识到她把假说误认为是既定的结论。我没有告诉她她“应该”得到什么，但我熟悉该领域现有的文献和研究，并且我们在几周前讨论了一些已发表的假说。当面对与这些预期不相符的有效研究数据时，我意识到她做出了一个新颖的发现，于是开始改假说。但她却将自己的结果解读为一个错误。
为什么我惊讶于她的反应？因为尽管她在大学学习了近四年科学专业，并有几年的高中科学经验，但这位学生仍有一种常见的误解，即科学是证明先入为主的观点的僵化操作——科学基于不需要创造力，它是一项乏味练习，去证明我们已经知道的事情是对的。我惊讶还因为意识到，尽管我花了很多时间和学生在一起，教他们科学研究过程、实验设计、仪器操作、科学文献，但我没有教他们科学。
到底发生了什么？这是一名优秀学生，平均成绩接近完美的“A”，而我在教学和指导中尽职尽责。为什么她和我对结果的看法仍然存在如此差异？
传统的科学教学方法问题
问题根源很深，远比我们这一年来的互动要强大。整个学校里，科学经常在教科书甚至课堂上被描述为一系列“已知”的事实和数字；例如，电子带负电，DNA是双螺旋，地震发生在板块边界等。不幸的是，这些发现的过程以及它们如何适应科学进步在课堂上经常被忽视。
图 1：J.J. 汤姆森（1856 - 1940），英国物理学家，因发现电子而获得诺贝尔奖。
即使在科学讲座中添加了有关这些概念发现的材料，它们也常常被呈现为明显且不可避免的结论。例如，化学课上经常讨论汤姆森的阴极射线管实验（图 1）。然而，很少有老师把介绍一些科学过程，让我们感受到汤姆森是个一个活生生的人。例如当汤姆森第一次向科学共同体提出他关于电子电荷的想法时，有同事问他是在开玩笑吗？这些细节有助于说明科学发现的本质、新发现所伴随的怀疑态度、它们在被接受之前所经历的审查和验证的过程。 然而，这一点很少在课堂上与内容一起传达，因此难怪这些想法看起来是不可避免的结论。
那么我们从哪里了解科学是如何实践的呢？那些有幸接触科学研究的人开始理解，因为他们正在参与科学的过程。在我与这位学生的经历之后，我们讨论了这样的观点：科学不仅仅是已知事实的集合，而且是我们了解自然世界的过程。我们讨论了实验的目的、回顾现有文献以确定可能的研究假说、对数据的各种解释保持开放态度的必要性。在指导下参与研究是了解如何实践科学的一种方式。
这位学生继续完成并发表了她的研究，报名攻读博士学位课程，并凭借自己的能力成为一名合格的科学家（Mauclair、Layshock 和 Carpi，2008）。最近被问到时，她不记得这种具体的互动，但她确实记得，尽管在许多科学课上都向她灌输了“科学方法”，但在本科研究经历之前，她对科学的含义知之甚少。
像科学家一样思考
因此，科学家需要了解科学是如何进行的，但是为什么这对那些对成为科学家不感兴趣的人来说很重要呢？因为科学和科学思维方式对我们日常生活的影响比你想象的更多。仅在上个世纪，营养和医学方面的科学进步就使美国人的预期寿命提高了20多年。在个人层面上，科学的思维方式可以帮助你理解关于营养的相互矛盾的报告，并在健康饮食方面做出更好的选择。化学、物理和材料科学的进步带来了更快的计算机和更小的手机——让你可以用手机拍照并将其发送给您的朋友。建模和气象学的进步帮助我们更好地预测和规划洪水和飓风等自然灾害——我们都希望永远不会遇到这些自然灾害，但现在可以在它们真正发生时做好更好的准备。
理解科学不仅仅是记住电子带负电荷。它是理解科学进步是如何产生、验证和解释的。它能够解释政府在干细胞研究、气候变化或太空探索方面的立场。它有能力吸收有关饮食、锻炼或疾病的新信息并将其应用到我们自己的生活中。了解科学和科学解决问题的过程可以帮助我们每天做出更好的决策。
什么是科学过程？
图2：在庞恰特雷恩湖取样。这些科学家不仅要收集数据，还要分析和解释数据。然后，更广泛的科学界将通过既定程序验证这些解释。 
科学过程是指在科学中发现知识并解释这些发现的意义所采用的实践。教科书经常将这一过程简化和歪曲为单一的“科学方法”，其中一位孤独的科学家从观察到提问再到实验，但科学的过程更加稳健、动态、多样。然而，与此同时，科学中的不同学科也有一些核心原则。生物学家、化学家、地质学家、物理学家等科学家使用多种研究方法客观地收集有关自然世界的数据，采用类似的技术来分析这些数据，根据数据形成假说，并在由个人和组织组成的全球科学共同体中做出贡献（图2）。这些核心原则和方法随着时间的推移而不断发展，并将科学与其他学科区分开来。
这是一系列模块中的第一个，通过突出历史示例并将这些故事与当前研究联系起来，详细介绍了科学过程的这些不同方面。这些模块可以一起阅读，以对“什么是科学以及它如何运作？”这个问题提供全面的答案。但它们也可以单独使用，以更好地理解科学家如何工作、实验到底是什么，或者科学理论是如何发展的。这些模块围绕着十二个关键概念展开，这些关键概念为理解本系列中的材料提供了一个框架。
科学过程中的关键概念
1.科学是对自然世界以及通过该过程产生的知识进行调查的过程。
2.科学家使用多种研究方法来研究自然世界。
3.通过科学研究收集的数据必须经过分析和解释才能用作证据。
4.科学理论是由多种证据支持的可检验的解释。
5.科学知识随着新的证据和观点而发展。
6.科学受益于个人的创造力、好奇心、多样性、勤奋。
7.科学容易受到个人偏见与错误的影响。
8.科学共同体中开展辩论以减少人为错误。
9.不确定性是自然界固有的，但科学家努力在数据收集和分析中最大限度地减少和量化不确定性。
10.科学家重视报告研究中公开、诚实的沟通。
11.科学既影响其所在的社会和文化，又受其影响。
12.科学对个人和社会都很有价值。
每个模块包含以上的3-6个关键概念，并添加了细节。这些模块中包含的材料并不是呈现科学中的一个独特学科，而是呈现了将所有科学学科链接在一起的网络。通过阅读这些模块，我们希望你会发现科学并不是一堆需要记忆的事实和术语。它是一个过程，帮助我们更好地了解我们的周围环境和在宇宙中的位置。它适合任何人，既可以作为一种日常的思维方式，也可以为职业道路配备多元的背景和观点这些优势。无论你成为科学家、银行家还是小说家，了解科学过程对你作为公民参与社会至关重要。
资料来源：

Anthony Carpi, Ph.D., Anne E. Egger, Ph.D. “The Process of Science” Visionlearning Vol. POS-2 (8), 2009.
https://www.visionlearning.com/en/library/process-of-science/49/the-process-of-science/176
几只青椒
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References
Mauclair, C., Layshock, J., & Carpi, A. (2008). Quantifying the effect of humic matter on the emission of mercury from artificial soil surfaces. Applied Geochemistry, 23(3), 594-601.
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