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科学素质培养:在矛盾中寻找恰当的平衡

科学家 2021-04-03 11:27:24

撰文|谢强

近期,《中国公民科学素质基准》(以下简称《基准》)引起学界和公众的广泛讨论,其中不乏争议。虽然笔者没有做过调查,但是如果说请大家对于“中国公民应该提高科学素质”这一观点表态的话,赢得绝大多数人的赞同应该是没什么问题的。因此大家需要明确的是,对于《基准》的争议大多是善意的,大家思考和努力的大方向是一致的,那就是提高中国人口的科学素质;而不论《基准》的发布者、学界和公众都需要思考的是,中国到底应该走怎样的科学素质培养之路。


要思考科学素质的培养,我们不妨就从字面上抓住两个关键词:第一,科学是什么。第二,素质是什么。如果大多数人能够对这两个问题的认识取得比较一致的意见,那么大家对于提高中国公民科学素质的发展方式的认识可能会更趋一致。

科学包括什么


对于科学所涵盖范围的认识,不同的人可能有不同的观点,并且经历了一些历史性变化。在古代世界文明中,主要的知识是哲学和数学;在17世纪,随着现代物理学和化学等学科在欧洲的诞生和发展,人们有了自然科学的概念。在今天,科学逐渐成为一个比较泛化的知识体系的称谓,其中形式科学(formal sciences)包括数学和逻辑学等学科,自然科学(natural sciences)包括物理学、化学、天文学、地球科学、生命科学等学科,社会科学(social sciences)包括经济、政治、历史等学科,此外还有多种多样的应用和交叉学科,例如计算机科学、农学、医学、环境科学等。


从上述对于科学历史的简短回顾中可以看出,科学的范畴在不断扩容,那么这背后的原因是什么呢?原因可能主要有两点:第一,各个学科的研究方法具有越来越多的共同点,例如数学模型与定量分析、对于假设的统计学检验或实验检验、用图表表达更多信息等,这些之前主要出现在人们常说的理工科研究中的方式方法,现在在社会科学的研究中也已经成为常规的组成部分;第二,不论什么学科,所有的研究都以追求客观性与规律性为目标。

科学是什么


科学的内容包罗万象,那么所有的知识加在一起就是科学的全部吗?笔者个人认为,知识体系只是科学的一个侧面,真正的科学应该是动态发展的知识体系、质疑和探索精神、探索性劳动、研究范式与方法体系四位一体的一个组成。或许看上去有些复杂,但是所有四个方面都可以从知识体系这个角度说起。


首先,科学的成果汇总为一个知识体系,但是需要明确的是,这是一个不断发展趋于完善的体系,是一个动态体系。在这个体系中,有的认识已经获得很多证据支持,有着相对成熟的理论体系;有的认识目前有比较主流的观点和多项证据,但是仍然有解释不通或不能确定的地方,需要补充更多证据或有待新的观点出现;有的认识目前存在不同观点,并且都有相应的证据支持;有的认识目前证据较为单一,有待探索的空间巨大;还有的认识停留在假说阶段,尚无证据支持。(不要小看假说,一个合格的科学假说要满足3个条件,即未被描述为已知事实,不与已知的事实相矛盾,不自相矛盾,因此要提出一个新的假说也是不容易的。)


既然科学作为知识体系是动态发展的,那就意味着存在不完备的、需要改进的地方,甚至于错误的、需要更正的地方。要创新必须要率先发现需要改进的内容,这就需要质疑精神、敢于挑战,也就是很多科学大家所强调的不唯书、不唯上、只唯实。在前人的基础上,尊重前人;但是与此同时,基于证据对前人的认识进行修改、补充、更正,这才是实事求是的科学精神,是每个时代真正追求客观事实的人所共同具有的精神。


在有了质疑精神之后,还要付诸行动,用数学证明、实验方案、调查取证等方式去检验不同的竞争性假设,在科学活动中体现探索精神。应该说,科学研究的行为在本质上就是一种劳动,和其他众多劳动比起来,主要的区别是探索性,也就是对于未知的认识领域进行探路、摸索,一般短期内不直接产生生产效益或服务效益,而是侧重探寻未知规律,以便改善现有劳动的内容或方式。这其中既包括像数学、计算机科学等以单纯脑力劳动为主的学科领域,也包括像生命科学、农业科学、医学等以实践和实验为主的学科领域。以一个生命科学的研究生为例,除了需要具备中英文的听说读写能力,使用办公软件、图像软件和专业软件的能力,还需要饲养或采集实验材料,进行分子、细胞、组织、个体形态、行为、生态等不同水平的实验,比较不同厂商产品和服务的质量与价格,配置试剂和使用试剂盒,以及提蒸馏水、做卫生、排除仪器常见故障等体力工作和技术工作。


关于科学作为知识的动态体系这一点,有的人或许会问,既然目前的科学认识中有不足和错误,为什么还要相信科学、依靠科学?这个问题看上去合理,但其实不然。事实上,这个问题恰恰是片面强调科学的现状,而忽视了科学发展的方向性。在科学发展的过程中,人们逐渐发现,虽然不同时期都有很多待解的问题,但是找到正确答案的途径却是相对固定的,也就是科学研究的范式和方法论体系,例如数学证明、对假设或理论预测进行检验、单因素对照分析、互相独立证据的一致指向(也就是证据链条)等。正是由于可靠的方法论体系,虽然科学在过去、现在和将来都是不完备的,但是可靠的知识总量是不断增加的,理论预测的准确性也在不断提高。

科学素质培养面临的矛盾是什么


在了解科学的四位一体属性之后,我们就可以明白,科学中除了相对直观可见的知识成果,还包括了人的精神、人的劳动和方法体系,而要培养科学素质,必然在4个方面都有所涉及,但是对于不同方面素质的培养或许应该有所区别。


谈到这里,我们或许可以先谈一谈素质。素质在词典中的相关适用解释是“事物本来的性质”,也就是说,素质带有基本面、基础、固有属性的意思,是基础能力,而并非全面的能力。以运动素质为例,如果一个人在心肺功能、肌肉力量、反应速度、柔韧性、平衡感等一些方面比较出色,那么这样的一个人就可以被视为具有良好的运动素质。具有更好运动素质的人,要熟悉或掌握一项具体运动的技能所需的时间比一般运动素质的人更短,最终所能达到的水平可能也更高,但是并不必然意味着多能或全能的运动能力。



在20世纪末和21世纪以来,知识爆炸、信息爆炸是不争的事实,科学发展需要面对一些互相矛盾的因素。例如,一方面是快速扩容的知识体系,另一方面是各个国家都不会轻易改变的各阶段学制;再例如,一方面分支学科和交叉学科数量不断增多,另一方面同行评议和学术交流的过程中又需要不同学科的专家之间能够更多地对于个人专业以外的领域有较好地了解。事实上,这也正是科学素质培养过程中需要面对的矛盾,这些矛盾类似于人们所熟知的“通才”与“专才”之争。


要恰当地应对这些矛盾,我们不妨回到科学的四位一体特点中去寻找思路。应该看到,虽然知识体系快速增长,但是基本科学理论体系的进展并不很快,而不同的人在不同的科学活动所需科学精神是共同的,在探索过程中所使用的科学范式是比较稳定的。

科学素质应该包括什么


就像所有的运动员都需要通过跑步训练心肺功能、通过健身器械训练肌肉力量一样,科学素质培养的过程中也应该有一些类似的抓手,而不是求全责备。以下列出10种,供大家参考。

1.想象能力

要突破现有的科学框架、技术瓶颈或设计局限,必然是大胆假设在前,小心求证在后。因此在各个阶段的学校教育中,对于一个问题的认识,老师们除了要告诉学生现在知道什么,也要告诉学生什么是还不知道或不确定的,给学生发挥想象力的空间。

2.独立思考

对于一个问题的解决,如果思考路径是一样的,那么结果也将是一样的。因此在学校教育过程中,应该鼓励对于同一问题的不同解决方式,再比较不同方式的各自特点,此外还应该鼓励对于答案成立的前提条件进行讨论。也就是说,虽然考试中难免以标准答案进行衡量,但是告诉学生不同科学家的不同观点,以及他们通过什么样的途径解决了问题、形成我们今天的知识,这是更有长期意义的。一个有趣的例子来自于DNA测序方法的发明,Walter Gilbert和Frederick Sanger各自的研究小组同在1977年将两个不同的DNA测序原理和方法发表于综合性学术期刊美国《国家科学院院刊》的同一卷,并且都获得了1980年的诺贝尔化学奖;但是由于前者使用的思路是降解、对于不同序列的处理难以标准化,而后者采用的思路是合成,这一神奇的逆向思维带给人类沿用至今的DNA测序基本原理(可见诺贝尔奖既不是终点也不是一切,社会大众的实践会说明一切,而历史会证明一切;Frederick Sanger同时还是蛋白质测序的发明人,于1958年获诺贝尔化学奖,蛋白质的测序思路是降解)。没有想象力和独立思考,就没有思维路径的多样性,创新也就失去了源头。

3.数学能力

在中小学阶段的教育中,中国可能是目前世界上最重视数学的国家,总的来说是值得肯定的,尤其是形成抽象思维的能力培养。但与此同时,还是有一点需要强调,也就是对于绝大多数人来说,数学将作为一种工具使用,因此与纯数学相比,如何让学生从实际的物理、化学、生物学、经济学等学科的问题中体会到各种数学方法的价值,是非常重要的。

4.逻辑能力

和数学的价值相比,逻辑的作用更显得宏观,因为逻辑的清晰与否可以影响思考的大方向。充分条件、必要条件与充要条件,逆命题、否命题与逆否命题,相关性与因果性等,这些都是在各个案例研究中需要厘清的。

5.检索能力

当一个人或一个研究小组要着手研究感兴趣的问题时,认识的起点一定是了解对于该问题已有的观点和证据。虽然在网络时代检索已经相比于20年前便利了很多,但是要全面检索到自己所需要的文献,还是需要一定的基本技巧和经验的。

6.设计方案

对于待解的问题,在有了新思路、也了解已有认识之后,设计方案就成为关键环节。总的来说,对于自然科学和应用科学,基本的方式都是比较和排除竞争性假设,这就需要在研究方案中设计单因素对照实验,并且尽量争取获得互相独立的一致证据、形成证据链条。有些简单的单因素对照实验,在中小学阶段已经有机会可以引入了。

7.图表制作

与文字相比,图表传递信息的方式更加直观,效率也更高,因此如何把已有知识、个人观点、证据结果以图表的方式进行表达,是科学素质中的一个必备能力。事实上,目前各行各业的人大都需要制作电子幻灯片,以期在尽量短的时间内传达更多的信息。当然与制作图表相应的,熟悉常见的图表类型并读懂图表也是一项基本能力。

8.文献引用

与上述能力相比,非常容易被忽视的一个习惯是对于参考资料的引用。试想一下,如果没有参考文献的引用,人们就无从得知不同文献之间的关联,也无法从一篇文献开始对之前的文献进行溯源、重读,因此到位的文献引用是好书、好文章、好报告的标准配置。以马克思的经典著作《资本论》为例,其中的文献引用就非常充分。

9.重视概念

从很多不同学科的文献来看,很多国外学者思考和研究的起点是基本概念,这在目前中国的科学研究和科学普及中还比较薄弱。概念之所以重要,是因为概念是大家交流的共同语言基础,并且概念的释义和变更往往是学科发展历史的缩影。以数学中的“自然数”为例,在20世纪80年代的小学课本中,“0”是不属于自然数的,但是现在往往被作为自然数。那么变化的原因是什么、如何看待自然数概念的变化,这样的思考空间很可能会让学生们对于自然数的认识与理解更为深刻。

10.态度包容

与上述一些相对硬性的能力相比,笔者个人认为对于科学的包容态度也是很重要的,这其中包括3个方面:第一,包容科学家的错误。如果我们回顾科学发展的历史,很多著名的科学家都曾经有过不准确甚至错误的观点,但是这应该并不妨碍他们的贡献。我们对于科学家的评价,应该是将其放在当时的学科发展水平背景中去评价,而不是和今天的知识体系来比;第二,对于科学进步规律的认识。很多人根据自己知识内容扩展的顺序,容易将科学历史的发展看作后来的新理论不断取代早先理论的过程,这是有失偏颇的。以牛顿力学体系为例,虽然爱因斯坦的狭义相对论比牛顿的经典力学体系更为强大、通用性更好,但这并不意味着经典力学体系的肤浅,只不过经典力学体系的适用范围是宏观、低速的情形。再比如达尔文的经典进化论和木村资生的中性进化论之间的关系,虽然人们逐渐认识到遗传漂变是更为普遍存在的,但是这并不否认自然选择是形成适应性进化主要原因的客观事实,何况达尔文进化论中还有进化观念、群体思想、共同祖先思想等其他重要的组成部分。也就是说,后来成功的新理论往往是包容性更强,或者对于已有的认识加上一块以前未知的新拼图,让人们对于相关问题的认识更加完整;第三,包容待定的理论或假设。科学的成长是一个过程,也就是人们的认识不断成熟的过程。对于一些待定的内容,盲目地贴上“伪科学敁民科”等贬义的标签,并不见得就是恰当的。以中医为例,一方面在长时间形成的大量实践中,确实总结了一些规律性的认识和行之有效的方法,另一方面和西方医学基于生理学的分析性基础相比,融入现代科学体系的程度相对较低。对于这样的情况应当区分现状和未来,也就是说,虽然现状有若干不完善的地方,但是在大量案例中可重复使用的有效治疗方案,其背后的原因必然是值得探究的。

科学素质提高需要什么样的社会氛围


毫无疑问,科学素质的培养和提高是一个系统工程,在此有3个小小的思考。第一,在《基准》发布的同时,是否可以在出发点和落脚点方面给予更多的官方解读,比如目的是为了未来作科学素质普查问卷的参考,还是说应该逐步内化在中小学的课本和教学活动中。如果要提高全民族公民素质的话,中小学阶段肯定是最重要的阶段。


第二,除了以《基准》和问卷调查打分评价人口科学素质,是否还可以有其他评价角度。毕竟,大家提高全民科学素质目的是希望改善全民族的学习习惯和创新能力,提升民族形象和在未来世界的生存与竞争能力。如果单纯以调查问卷的打分评价科学素质,那么或许就像科学研究中的SCI评价一样,虽然能起到一定的促进作用,但是也有片面和表面化的不足。


第三,在《基准》之外,是否可以有更多配套制度改革的顶层设计。以研究生入学考试的专业课为例,在中国大多是各个单位自主命题,由此在专业科目设置的合理性、考卷本身题型和题目设计的合理性、不同单位间评价结果的参考性等方面存在很多问题,并且既浪费考生的精力、也在整体上浪费了招生单位的精力。与美国的研究生入学考试(GRE)相比,我们的研究生入学考试既显得复杂又欠缺综合性。GRE考试全美统考、同时面向全世界,分为普通测试和专项测试;普通测试部分的成绩适用于申请除法律、商科和医学专业外的各专业研究生院(截至2013年,超过90%的商学院认可以GRE成绩代替GMAT成绩,法律研究生也有以GRE普通考试成绩替代LSAT成绩的)。在普通测试中,以语文内容考察英语阅读过程中对整体以及关键细节的理解能力和语言逻辑能力;以数学内容考察基本的算数、代数、几何、数据分析等方面的能力;以写作方式考察作文论述能力。专项考试部分包括数学、物理、化学、生物、生物化学与分子生物学、计算机科学、心理学、英语文学等8种。以生命科学为例,学生可以根据自己的方向和学校的要求选考生物学或生物化学,一般来说计划从事生态学和进化生物学等专业的考生选考生物学,计划从事分子生物学和细胞生物学等专业的考生选考生物化学。由此,通过仅10项左右的考试(每个考生最多需要考两项,即1项普通测试和1项专业测试),解决了面向全美乃至全世界招收研究生的评价问题,同时还在科学素质考察的基本能力和专业能力之间取得了恰当的平衡。


 

随着国家综合实力的不断提升,中国在未来的科技进步过程中,直接学习、借鉴、吸收的机会将越来越少,对于他国已有的同类技术进行自主创新的任务仍然十分艰巨,而越来越多面临的可能是走出人类历史上的第一步、对于其他国家目前也不具备的技术进行自主创新,以及对科学理论本身进行发展。这是中国所处的全球背景和历史阶段的特点决定的,而中国也确实已经把创新上升到了国家战略的高度。创新必然是在现有知识体系的基础上,以学校教育培养基本的科学素质,以现有的各种专业、各个岗位的知识和技术人才带动刚刚入职的年轻人。因此,其实所有学界同仁都认可《基准》发布的初衷只不过是,如果提高科学素质的方法更多的是通过各种配套政策的引导,以注入灵魂、营造氛围、培养习惯的方式进行,而不是单纯以类似教学大纲或简化百科的方式进行,才会更好地达到所有人希望看到的效果。也就是说,如果国家在提高公民科学素质方面的努力可以形成让更多人乐于学习、勇于探索、勤于劳动的氛围,那么必将带来善于创新的态势和结果。


作者简介

谢强(1978年-),男,福建人,现任职于南开大学生命科学学院昆虫学研究所,研究员、博士生导师。2012年获得国家自然科学基金首批优秀青年项目资助。SCI文章H因子11,其中他引部分9。编著有《进化生物学》和《现代动物分类学导论》。主要从事昆虫分子系统学研究。


本文刊登在《今日科苑》杂志2016年5月刊《评论》栏目。

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