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科学本质的研究述评

科学本质的研究述评

摘要:

科学本质的研究是人们对科学的本质和价值不断思考的过程。

对科学本质相关内容的认识,有助于理解科学和培养科学素养。

本文在查阅相关文献的基础上,通过整理、归纳、分析,分别从科学本质的哲学渊源、科学本质的现代观、科学本质的范畴和内涵、科学本质的研究内容、科学本质的测量与评价这5个方面阐述科学本质的国内外研究现状,并进一步揭示科学本质的研究趋势以及现有研究对我国科学本质的理论和实践研究的启示。

关键词:

科学本质、哲学渊源、现代观、范畴和内涵、研究内容、测量与评价

科学本质的典型定义是“科学、科学知识和科学知识的发展过程中内在的价值和假定。

”科学本质直接与科学认识论有关,而与科学过程和科学内容截然不同。

通过提出诸如“科学和其他人类活动的分界线是什么?

”“科学知识是被发现的还是被发明的?

”“科学共同体中的一致意见是如何取得的?

”等问题来研究科学和科学家。

科学本质的核心问题是“科学是如何运作的”。

尽管二十世纪科学哲学的发展使人们对科学的本质和目的达成了一定程度的共识,但分歧远比共识要多。

争论的一方是具有第一手研究经验的科学家,另一方则是社会建构论、多元科学、女性科学等种种后现代思潮的代表人物。

争议的焦点在于:

自然世界与社会世界在决定哪一种科学假说被科学家承认为科学知识或科学真理的过程中,分别扮演什么角色,其分量又有多重。

“科学战争”的结果难分胜负,但争论过程本身引起了人们对科学的本质和价值的进一步思考。

一、科学本质的哲学渊源

科学本质的哲学观点从古至今一直随着时代而改变,甚至在同一时代存在着多种不同的哲学观,一般可归纳为经验主义、实证主义、逻辑经验主义、理性主义、证伪主义和后实证主义等。

根据科学本质观的历史演进,经验主义、实证主义、逻辑经验主义和理性主义被视为“传统”的科学本质观;证伪主义、后实证主义被视为“新”的科学本质观。

1.经验主义科学本质观

经验主义科学本质观也称为归纳主义科学本质观,其主要观点是:

科学始于观察,观察提供科学知识能够赖以确立的可靠基础,而科学知识是用归纳法从观察陈述中推导出来的。

他们认为科学知识是已证明了的知识,科学理论是严格地从用观察和实验得来的经验事实中推导出来的,科学是以我们能看到、听到、触到……的东西为基础的,个人的意见或爱好和思辨的想象在科学中没有地位。

科学家一旦掌握了普遍的定律和理论,他就可能从它们推导出各种作为解释和预见的推断来。

这一学派的代表人物有培根、洛克、休谟等。

培根最早表达了近代科学观,阐述了科学的目的、性质,发展科学的正确途径,首次总结出科学实验的经验方法——归纳法,对近代科学发展起到指导作用。

他把科学探索看成完整哲学的一部分,倡导直接证据的权威性和实验的必要性。

激进的经验主义者休谟认为,知识不仅来自于感官经验的印象,也来自于所有心智活动的观念。

西方文艺复兴运动以后,随着近代科学的兴起,经验主义科学本质观在很长一段时期内居于主导地位,并对以后的科学本质观发展影响深远。

2.实证主义科学本质观

实证主义沿着经验主义哲学的思想路线,将自然科学的方法移入哲学和社会学,反对传统的思辨形而上学,开创了现代西方哲学的“科学主义”思潮。

孔德是实证主义的创始人,他认为,每一门科学都有其特殊的研究程序和方法,但各门科学在方法论上又是统一的。

实证主义者认为,唯有确实根据的知识者是科学的;科学即实证知识,它是人类认识发展的最高阶段。

宇宙的自然定律或原则就可从经验或实验的基础上被确定的归纳出来。

实证主义科学观是对传统形而上学提出怀疑的休谟经验主义哲学在新的历史条件下的继续,但又根据新的形势对休谟等人的理论作了修改和补充。

他们仍然把经验当作全部哲学的基础,否定认识(现象)经验以外的实在(物质或精神)的可能性,明确提出要抛弃对世界的基础、本质等本体论问题的研究。

他们要求超越心物、主客等二元对立,强调人类知识的力量,强调运用实证科学改造自然和社会的可能性。

3.逻辑经验主义科学本质观

逻辑经验主义又被称为逻辑实证主义,亦即相对于英国传统经验主义的“新经验主义”,也是相对于孔德的传统实证主义的“新实证主义”。

逻辑实证主义认为,知识来自于纯粹客观的观察,再经由所谓的科学方法得到科学知识或理论。

它崇尚经验科学,主张用怀特海和罗素的符号逻辑分析现代科学,它所提倡的科学方法是假设——演绎法。

代表人物亨佩尔认为以归纳法为前提的推测所得的结论不具有确定性,然而以演绎法为前提的推测所得的结论具有确定性。

除了演绎法外,科学的探究过程中需要提出暂时的假说来给予研究一个方向,因此所谓的“假设——演绎推理”的科学方法需要被加入到科学的调查研究中。

逻辑实证主义强调科学知识的可证实性,认为观察是科学知识的来源,而且观察是一种价值中立、客观的活动,不受任何因素的影响(如观察者的已有知识、理论和信念),故所得的资料一定是客观的。

由于科学知识形成过程被认为相当客观,而且它是对自然界的本质的真实的描述,因此是极不易改变的,故科学知识被视为绝对客观的真理。

同时,因为每一种科学知识都被视为真理,因此,科学知识的增长就意味着真理不断地累积。

由于视科学知识是客观真理,人们自然地把知识及其结构看作是科学的本质,逻辑实证主义科学本质观对人们关于科学的认识产生了巨大的影响。

4.理性主义科学本质观

理性主义认为有关知识根源的假设是来自于心智或理性的,理性论者以演绎法推论这个世界。

以笛卡尔等为代表的理性主义与经验主义相反,他们认为科学知识来源于理性,人类的感觉经验是不可靠的,只有理性认识才能揭示真理,获得知识的方式是经由逻辑的推理和分析。

康德虽然承认感性直觉的意义,但却认为经验之所以可能,仅仅是由于给与感觉以组织的、具有普遍性的“自我意识”或“统觉”。

他说:

“如果不能被接纳到意识里边,那么,一切直观对于我们就等于什么也没有,就跟我们毫不相干。

它们可以直接或间接进入意识,只有这样,才可能有知识”。

黑格尔认为,直觉的确信、知觉、悟性等等是各自包含了应当扬弃的矛盾的辩证法的诸阶段,最终应当在绝对理念上统一起来。

概而言之,在理性主义知识观中,知识被认为是“客观的”、“绝对的”、“科学的”。

5.证伪主义科学本质观

波普尔的观点被视为传统科学哲学与新科学哲学的过渡。

他提出证伪作为确立科学知识的方法,以“可证伪性”作为区别科学与非科学的标准,他认为新假设的产生是基于旧的知识,检验假设的过程就是证明假设是错误的过程。

如果我们没有足够的证据推翻这个假设,那么就只能接受这个假设。

波普尔认为任何科学理论都不能被经验证实,而只能被经验证伪。

这是因为任何科学命题必定是具有普遍有效性的全称陈述,但是经验所观察到的仅仅是具体事物,经验所能证实的只是单称陈述,而个别不能通过归纳法而上升为一般,因而经验也不能通过证实个别而证实一般。

因此,高度可证伪的理论应该比不那么可证伪的理论更可取。

波普尔认为科学知识的发展开始于问题的发现,而不是客观的观察。

在发现问题之后形成尝试性的解答——粗略的理论,这个理论必须接受考验,而考验的目的不是为了确定理论的正确性,而是为了找出它的错误。

引用波普尔的话来说:

“所以我能愉快地承认,象我这样的证伪主义者宁愿通过大胆的推测,试图解决一个有意义的问题,即使(并且尤其是)这个推测很快被证明是假的,而不愿详述一连串无关的老生常谈。

我们宁愿这样做,因为我们相信,这是我们能从我们的错误中学习的方法;在发现我们的推测是假设时,我们将学到很多有关真理的东西,并将更加接近真理。

6.后实证主义科学本质观

后实证主义利用对科学史的研究为新的手段,取代了过去依靠形式逻辑为分析科学的主要工具,成为建构主义的哲学根源。

后实证论者相信观察和所有的经验至少部分是依赖我们所持有的理论概念结构,强调价值所扮演的角色和科学知识的暂时性。

图1科学本质观的类型及哲学渊源

库恩、拉卡托斯、波普尔和图尔敏对知识的可验证性、客观性提出质疑,阐明了知识是由人类自行建构的观点。

波普尔认为科学理论的发展源自问题,理论形成之后才需要观察与验证、否证后再产生新的问题,所有的观察都是以理论为基础,没有不带有理论的纯观察。

拉卡托斯认为理论不会因为否证而被拒绝,理论与相对理论的竞争,由研究成果的丰硕作为判断的准则。

库恩则站在科学发展历史的角度去分析科学知识,因此社会因素、科学家的心理因素、科学社群的集体观念,都成为影响科学知识发展的因素。

受到达尔文进化论的影响,图尔敏引用进化模式描述科学理论的传播、改变和特化的一般原则,类似于种群概念中的生态改变。

纳斯鲍姆以概念图的方式从科学知识论角度呈现了上述科学本质观的哲学渊源,袁维新在其《科学本质理论:

基本观点与范畴》中将其做了适当修改,试图澄清不同科学本质观的联系与区别(见图1)。

二、科学本质的现代观

科学本质是近年来世界范围内科学教育改革所关注的热点问题之一。

美国科学促进会1985年制定的“2061计划——面向所有美国人的科学”和1993年制定的“科学素养基准”以及1996年美国国家科学院颁布的“美国国家课程标准”都明确地指出,理解科学本质是科学素养的重要组成部分。

那么,科学本质的内涵是什么?

不同研究者的观点也各不相同,总的来说,人们对它的认识也是在不断深化的。

一般认为,科学本质的现代观是多层面的,主要涉及“科学知识本质观”、“科学认识论本质观与“科学探究本质观”,比较权威的主要有以下三种观点。

1.鲁巴和安德森的科学知识本质观

鲁巴和安德森在实证研究的基础上,提出了科学知识本质的六个基本特征:

(1)非道德性。

科学知识的应用可被判定是好的或坏的,而科学知识本身是没有好坏之分;

(2)创造性。

科学理论就像艺术工作一样是人们的一种创作;(3)发展性。

科学知识并非真理,是可以被修改的,甚至被推翻;(4)简约性。

如果有两个科学理论都能较好地解释同一现象;则选择较为简易的理论;(5)可验证性。

科学知识必须建立在证据上,而且可以一再重复地验证;(6)同一性。

各领域的科学学科构成整个科学知识的整体,而且它可使人们了解自然界的运行及规律。

2.莱德曼的科学认识论本质观

美国研究科学本质的资深专家莱德曼认为科学的本质是科学认识论,科学是一种获得知识的途径,或与科学知识的发展相一致的价值和信念:

(1)科学知识是暂定性的(会改变,但是在一定时间内会处于稳定的地位);

(2)科学知识是以经验为基础性的(基于对自然世界的观察);(3)科学知识在一定程度上具有创造性和主观性;(4)科学知识与社会和文化有关;(5)科学理论的建构(从观察到推论的过程);(6)科学理论和定律的功能以及他们之间的关系(科学定律描述观察现象之间的关系,而科学理论是对自然现象的推论解释)。

3.科莱特和奇尔伯特的科学探究本质观

科莱特和奇尔伯特认为科学本质即科学探究,其主要观点如下:

(1)科学是探究自然界的“思考”方式:

科学必须建立在真实的证据上,甚至根据证据可以推翻权威;科学知识是无法绝对客观的,只能尽量避免偏见与误差;科学知识是建立是一个提出假说,再加以验证,最后得出结论的过程;归纳法与演绎推理是科学研究的重要方法,但它们也有局限性;因果关系的推理只能视为一种可能,而非绝对的关系;类推和溯因也是科学解释自然界现象的两种常用的思维方式,但它们也有局限性;科学家必须时常进行自我反省,以及对现存的理论的合理性进行批判性思考。

(2)科学是一种“探究”的方式。

科学家所采用的方法没有不变的程序,但是对问题解决必须采取有组织的方式,并拒绝接受毫无根据的资料。

而且还要坚持这样一种观念:

仅靠合适的研究方法未必能真正解决问题,因为并非所有的问题都能被解决。

(3)科学知识是暂时的、动态性的。

科学家使用所谓的科学方法来建立科学的知识体系,但是这些科学知识必须经常面对质疑、验证,进而发现其错误的地方,再加以修改,甚至完全推翻,或证实其合理性从而接受它。

因此科学知识具有动态性本质与暂时性本质。

三、科学本质的范畴和内涵

科学本质的研究起源很早。

1907年科学与数学教师学会认为在科学教育中,应强调科学方法及过程;1916年教育学者杜威提倡“做中学”,认为了解科学方法比获得科学知识更重要;1964年施瓦布最早提出“科学本质应列人科学教育”。

关于科学本质的内涵,欧美的不同机构和专家的观点也各不相同。

纵观欧美理科教育中科学本质观研究的历程主要有以下五种观点影响深远,即鲁巴和安德森的科学知识本质观、莱德曼的科学认识论本质观、美国科学促进会的阐述、美国《国家科学教育标准》的规定和国际科学教育标准的考察。

由于本文前面已述及鲁巴和安德森的科学知识本质观和莱德曼的科学认识论本质观,因此此处只介绍美国科学促进会的阐述、美国《国家科学教育标准》的规定以及国际科学教育标准的考察。

1.美国科学促进会的阐述

学促进会将科学本质分为三个方面:

(1)科学世界观。

自然界是可以被认识的,科学知识是可以改变的,科学知识并非根容易就可推翻,科学并非能解决所有问题;

(2)科学探究。

科学需要证据,科学是逻辑和想象的结合体。

科学具有解释和预测的功能,科学家努力验证理论井尽量避免误差,科学并不具有永久的权威性;(3)科学事业。

科学是一项复杂的社会性活动,科学被组织成系统的学科知识并在公共机构中进行传播,科学必须考虑伦理的原则,科学家以专家和公民双重身份参与公众事务。

基于美国科学促进会对科学本质的阐述,将学生对科学本质的学习分为三个维度:

科学知识的本质、科学探究的本质、科学事业的本质,每个维度又由若干个学习范畴组成,如表1所示。

表1学生对科学本质的学习范畴

2.美国《国家科学教育标准》的规定

科学促进会之后,美国(国家科学教育标准)也从三个方面用述了科学的本质:

(1)科学家通过观察、实验、理论模型来构建和检验对自然的解释;

(2)在活跃的研究领域,由于缺乏理论导致不同的解释是正常现象;(3)评价科学实验、观察、理论模型和科学家的解释是科学探究的一部分。

同时,还从科学史的角度对科学本质进行了进一步的阐释,如各种文化和社会都对科学知识作出贡献;科学知识随时问推移而发生变化,并建立在已有知识的基础上。

3.国际科学教育标准的考察

McComas,Clough&Almazroa分析了美国、澳大利亚、英国、新西兰、加拿大五个国家的八份科学教育标准文件后,作了如下归纳:

科学本质是对科学的一种描述.它建立在哲学、历史、社会学、心理学四个角度对科学审视的交集上:

(1)科学知识兼具持久性和暂定性;

(2)科学知识依籁于观察、实验证据、合理的争论及怀疑态度。

但不限于此;(3)科学不存在一种普适的按部就班的科学方法;(4)科学是解释自然现象的一种尝试;(5)定律和理论在科学中扮演不同的角色,学生应该意识到再多的证据也不能使原理变成定律:

(6)来自各种文化的人都对科学有贡献;(7)新的科学知识必须被清晰和公开地报道;(8)科学家要保存精确记录,供同行评议和重复实验;(9)观察中承袭理论i(10)科学家是有创造力的;(11)科学史既表现出淡进特征,也表现出革命性;(12)科学是社会及文化传统的一部分;(13)科学和技术相互影响;(14)科学思想受社会和历史背景的影响。

尽管对科学本质有各种不同的界定,但它通常是指科学知识的奉质和促进科学知识发展的内在价值观和假设。

欧美的科学哲学家、科学史学家、科学家和科学教育者之问对科学本质的内插仍存在一些争议,但也有共同的看法。

Lederman认为中小学阶段应该教授一些没有争议的科学本质特性,例如:

暂时性(易变性),经验性(基于或来自于对自然界的观察和实验)主观性(负载理论),与想象力和创造性有关、与社会和文化有关,还有两个重要的方面是观察与推论的区别,科学理论和科学定律的功能及相互关系。

此外,我国一些学者在借鉴国外相关研究的基础上,结合我国的本土情况,对科学本质的范畴与内涵也做了一些研究。

项红专认为在可学教育中也应体现出科学的本质特征,主要体现在以下10个方面:

真理性、系统性、可验证性、批判性、发展性、交叉性、双重性、统一性、民主性、非功利性。

刘恩山将科学的本质和特征概括为以下几个方面:

定量化、观察与实验、人们在研究自然界的过程中对预期的要求、在自我更正过程中的积累、科学过程等。

这里所指的科学主要是自然科学领域。

同时还指出自然科学的4个维度:

科学史一个只是体系、科学史一系列的思维方式、科学史一套探究方法、科学要与技术和社会相互作用。

四、科学本质的研究内容

近年来,国际上对于科学教育中让学生理解科学本质的要求倍受关注。

各国的课程文件中均有不同程度的体现,同时针对测查教师和学生的科学本质观的研究也层出不穷,在此基础上针对提高师生科学本质观的研究也逐渐深入。

有关科学本质的研究可以分为2个方面:

学生的科学本质观和教师的科学本质观。

1.学生的科学本质观

第1个用来测查学生科学本质观的工具是由Wilson于1954年研制的。

研究显示学生普遍认为科学知识是绝对的,科学家的职责就是揭示自然规律和真理。

1961年,Klopfer和Cooley研制出了一种广泛使用的测量学生观点的纸笔测评工具—TOUS(科学理解测验)。

通过研究,结果发现高中生对科学本质的理解不够。

Bady用约翰逊一沃森作业测查了学生对验证假设的理解。

结果发现学生都认为假设能被证据检验并证实,这与他们所在的年级和学校无关。

Rubba利用“科学知识本质量表”进行的研究发现,1/3受试的高中生认为科学研究就是揭示那些绝对真理。

大部分认为科学理论经过不断检验和证实,最终会变为定律。

增强学生对科学本质的精确理解是科学教育的一个主要任务。

尽管过去所使用的研究工具的效度和信度不尽相同,但是这些研究得出的结论都是一致的—学生对科学本质的理解不够。

2.教师的科学本质观

Carey和stauss对科学教师进行了WisconsinInbentoryofScienceProcesses(WISP)测查,发现中学和小学科学教师的科学观念与其学术背景无关。

Lavaeh、Billeh&Hasan、Carey&Stauss、Kimball等的研究也得出了类似的结论。

Bineh和Hasan将不同学科的教师分为实验组和对照组,实验组课程包括讲座、教学方法演示、以引导式探究为主的实验活动、促进理解专门的科学概念的丰富活动,还有12个与科学本质相关的讲座。

而对照组教师则未接受这些指导。

结果显示实验组对科学本质的理解有显著提高,而对照组则没有显著变化。

King调查了初任教师有关科学史和科学哲学的知识。

他得出结论教师在科学史和科学哲学方面背景知识的不足很明显会影响他们的教学。

对科教师的科学本质观的研究并不局限于中学教师。

Bloom研究了小学教师的科学本质观,研究发现他们混淆了科学理论的意义和作用,这会影响教师对科学的理解进而重影响其教学。

Aguirre、Haggerty、Linder对预备科学教师的科学本质进行了个案研究。

他们认为这些预备教师对科学本质的理解还有欠缺,建议在职前教育中应注重渗透不同的科学本质观和科学哲学观的教学。

综合相关研究,将研究结果总结如下:

①科学教师对科学本质的理解不够,与所使用的评价工具无关;②直接讲解科学知识的历史发展,或者科学的本质,有助于提高教师的科学本质观;③科学教师的学术背景情况与其科学本质观无明显的关系。

不管过去研究者如何定义科学本质、不论使用哪种测查工具、也不管其信度和效度如何,所得的结果都是一致的—教师与学生对科学本质的了解普遍不足。

五、科学本质的测量与评价

科学本质评价的历史反映了心理测量学和教育研究设计的发展。

正式的评价始于二十世纪六十年代初期。

如同当时的绝大多数科学教育研究具有定量化的特征一样,科学本质也强调用定量的方法进行评价。

典型的评价工具主要包括:

科学理解测试、科学过程量表、威斯康星科学过程量表、科学本质量表、科学本质测试、科学观测试、科学知识本质量表等。

这些量表普遍在原始分或标准分的基础上给出被试对科学本质理解的“等级”。

事实上,定量化和对数据的解释比较简单,既是这些评价工具的优点,也是其缺点。

众多批评者对这些评价工具的信度和效度提出了质疑。

二十世纪八十年代以后,随着对质的研究方法的重视,研究者逐步结合开放式访谈来调查科学本质,对数据的解释也开始抱有更为多元化的态度。

这一时期的典型工具包括:

科学理论观念测试、观念测试、科学本质调查、科学知识本质量表修订版等。

其中,科学本质调查中采用了7个开放性的问题,在纸笔测验的基础上,结合后续的访谈来解释数据。

在科学本质评价的发展过程中,研究者们逐渐达成了四点共识:

(1)科学教师普遍持有不恰当的科学本质观;

(2)试图改进教师科学本质观的努力已经取得了一些成效,这些努力包括关注科学知识的历史发展或直接进行科学本质教学。

(3)学术背景这一变量与教师的科学本质观不具有显著的相关性。

(4)教师的科学本质观和教学实践之间的关系尚不明确。

大量测量教师和学生对科学本质理解的评价工具表明,科学教育界对科学本质具有强烈和持久的兴趣。

实际上,有关评价工具设计的研究已经形成了一个特有的研究领域。

六、展望

1.科学本质的研究趋势

从研究对象、研究方法、课程教学简要阐述科学本质的研究趋势。

研究对象。

探讨科学本质的研究发展潮流源自20世纪50年代,最初的研究集中于调查学生的科学本质观,之后又将焦点转移到教师(在职、职前)的科学本质观,接着又涉及到师资培训课程的设计,和教师科学本质观对其教学实践的研究。

研究方法。

有关科学本质的研究,初期多以定量研究为主,如测查量表、问卷调查等。

到1990年前后对科学本质研究的已渐渐增加了定性的研究方法.如访谈、质性研究等,直到当前的“质一量”结合的研究。

课程教学。

科学本质的教学方法可分为明示教学方法和暗示教学方法。

明示教学方法(explicitapproach)——从科学史、科学哲学等多角度去诠释科学本质,并通过课堂讨论、阅读相关资料等方式直接传达科学本质,以达到科学本质教学目标。

暗示教学方法(implicitapproach)——通过科学探究活动、科学过程技能、做科学等方式,将科学本质的观念嵌入在教学中。

通过活动,以间接的方式让学习者体会科学。

2.启示

国外的研究成果,对我们进行科学本质的理论研究和教学实践有积极的启迪:

第一,科学本质是一个动态的概念,可以通过外部条件使其发生变化,可以从静态和动态两个方面来进行研究;第二,影响科学本质的因素是多元和复杂的,需要从家庭、学校、社会等多个角度来综合它们的影响和相互作用;同时,科学本质与科学素养水平、决策能力和理解能力等方面的关系也有待进一步研究,第三,科学本质的教学、测量方面,国外已经有较多研究,但国内的研究很少。

因此,加强对科学本质的本质及其影响因素的认识,揭示科学本质的教和学的特点和规律,促进科学教育改革,实现提高全体学生科学素养的目标,应是今后研究的方向之一。

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