民小编说

　　科学教育最重要的就是让孩子知道，我们知道的所有知识加起来，相比未知世界而言都是沧海一粟。科学教育不是高科技，而是高思维；万物不同，在科学教育中需要鼓励孩子求同、求异、求通、求变；珍惜出现错误的机会。如何用“万物皆可研究”的核心理念和方法解锁科学教育？一起来看上海科技馆馆长倪闽景的深入阐述——

　　1900年4月，在英国皇家学会，德高望重的开尔文勋爵进行了一场演讲，他说：“十九世纪已将物理学大厦全部建成，今后物理学家的任务只是修饰和完善这座大厦。动力学理论断言，热和光都是运动的方式，但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽”“第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上”。正是这“两朵乌云”，在此后100多年来打破了经典物理的大厦，建立起近代物理学的两大支柱—相对论和量子力学。这件事告诉我们，科学研究无止境。

　　1964年，苏联天体物理学家尼古拉·卡尔达舍夫提出一种基于能源利用率的智慧文明等级设想。一级文明被称为行星文明，指的是能利用所在行星的所有能源，比如能完全控制行星的气候、掌握了可控核聚变等，目前人类文明大概处于0.7级。二级文明被称为恒星文明，指的是能利用所在恒星系统的所有能源。三级文明是星系文明，指的是能掌控利用所在星系的所有能源。根据卡尔达舍夫的说法，科学还只是刚刚起步，有无数的未知等着去探究。

　　科学教育最重要的就是让孩子知道，我们知道的所有知识加起来，相比未知世界而言都是沧海一粟，因此“万物皆可研究”是科学教育的核心理念和方法。

　　万物皆可研究，源于人类思想的不断解放

　　科学对自然现象和规律的发现实际上是对自然世界运行与进化过程的还原，而不是在创造一种新的现象，因此自然规律被发现一段时间后就会让人觉得可以被理解，甚至会觉得很平常。但是，如果站在规律发现者的时代背景去看，那就会对重大科学发现有完全不同的感受。

　　望远镜是荷兰眼镜商汉斯·利伯希于1608年发明的，当时人们用它来看远处的风景。伽利略却用望远镜观察星空，先是观测到月球的高地和环形山投下的阴影，接着又发现了太阳黑子，此外还发现了木星的4颗最大的卫星。亚里士多德基于观察认为重的物体比轻的物体下降快。伽利略却用思想实验发现了其中的悖论，推断不同重量的物体以相同的速度下落。1590年，伽利略在比萨斜塔上做了“两个大小不同的铁球同时落地”的实验，纠正了“物体下落速度与重量成比例”这个持续了1900多年的错误结论，更重要的是开了自然科学实验的先例。对上千年被奉为经典的结论进行质疑，又用实证的方法检验自己的推理和猜想，这是伽利略令人肃然起敬的地方。

　　每一次重大科学发现都是一次人类思想大解放的过程，是对自然现象全新角度的洞察，还有超越好奇心的勇气和对真理的坚持。反过来看，对科学发现的限制也来源于人类思想的局限性，如果人们的思想观念没有到位，经常会对重大的发现视而不见。就如与伽利略同时代的知识分子拒绝透过新发明的望远镜观察天空，因为有些人认为望远镜是骗人的，还有些人则认为天是上帝的世界，去观察上帝的世界是一种亵渎。

　　科学的局限性还体现在技术的发展水平上，这比较容易理解。如果没有望远镜，第谷就不会那么清晰精准地观察和记录行星的运行轨迹；如果没有圆锥曲线这个数学工具的支持，开普勒也难以从第谷记录的浩瀚数据中发现行星运行的三大规律；如果没有微积分的发明，牛顿也很难站在第谷、开普勒等巨人的肩膀上推导出万有引力定律并写出《自然哲学的数学原理》。因此，一旦技术方面有所突破，又会产生新视角、新层次的研究机会。

　　科学必然永远始于问题、终于问题—愈来愈深化的问题，愈来愈能带来新问题的问题，最终可能复杂到无法用科学的逻辑去归纳，无法用控制变量的方法去实验，无法用人类有限的智力去思辨……也许人工智能技术可以突破人类有限智力的限制，万物皆可研究的大机会将再次来临。

　　万物皆可研究，源于人类对自然世界认知与理解的复杂性

　　对世界认知的复杂性包含着非常深刻的哲学问题，且存在不同层面的三种情况，这三种情况都蕴藏着无数的可研究机会。

　　第一种情况是：观察者的位置与被观察对象之间的关系会使被观察到的现象产生巨大差异。比如，“盲人摸象”“管中窥豹”呈现了在外部不同位置观察产生的局部性与整体性的观察差异；如果观察者在被观察对象的内部，则会产生“只缘身在此山中”的观察困惑。而人类总会通过各种办法不断解决这种由于观察位置带来的复杂现象难题。万物皆可研究就是强调，可以通过视角和观察位置的改变实现多角度的科学探究，每一朵鲜花、每一块泥土、每一个晴朗夜空都是科学探究的好机会。从这个意义上说，农村地区也富有科学教育资源。

　　第二种情况是：由于观察者自身因素，观察对象会“产生”不同的现象。这看上去有点唯心主义，但却是一个无法回避的事实。实际上，人类的感觉系统只能看见波长390纳米—780纳米的电磁波（可见光）、听见波长0.017米—17米的机械波（可闻声波），还有同样有限的嗅觉、味觉、触觉。我们常说自然现象与观察者没有关系，没有人之前宇宙照样在演化，这当然是事实。但下面的这种情况也是事实—所谓“科学现象”是客观世界通过感觉系统转化为观察者脑中认识到的那部分意识，即人类观察到的世界并非世界本身，而是世界的现象在人脑中的投影。有些自然存在的东西我们感受不到，可能因此也就不知道；有些东西感受到了，可能只是感知了能被我们感知的那个范畴。比如日常看到的花岗岩石块是在可见光照射下的样子，看上去很普通，但在紫外光下同样是那块石头，模样却大不一样。因此，科学发展的局限性与人类自身感知系统有关，我们感知系统无法接收、转换的现象通常就很难被发现和理解。

　　现代技术对于现代科学的重要作用，就是通过新技术设备把那些人类无法感知的现象转化为能被我们感知的信息，从而不断拓展研究的疆域。举例而言，与古人研究天象不同，现代科学家在研究宇宙时经常采用“多信使天文学”的研究方法（参见图表1），比如用电磁波、中微子、宇宙射线和引力波等多种信息来源进行协同研究。遥远天体在发生某种现象时，不同物理量会用不同的方式把相关信息带到观察者面前，科学家把这些信息统合起来，努力形成更完整的判断。但是，“多信使天文学”实际上也隐喻了一个残酷的事实：天体也许还有更多复杂的现象，有些现象可能更加深刻、更加本质，只是有些物理量我们还不知道、有些物理量我们还测不到，所以我们研究、认知的天体只是我们能观察到的样子，而非事实的全部。因此，通过新技术涌现不断拓展人类的感知局限，是万物皆可研究源源不断的动力。

　　第三种情况是：宇宙中我们已知的物质、能量大约只占4%，更多的物质与能量我们目前还无法“看见”。其中，中微子、引力波能被我们通过精密的技术发现，是因为它们能与我们已知的物质之间发生较弱的相互作用，而暗物质、暗能量似乎不与我们已知的物质世界产生作用，这种复杂性对人类的挑战是巨大的。技术虽然可以让人类“看见”我们原本看不见的东西，但技术却无法让人类想象我们无法想象的东西，我们只能用自己可以想象的东西去“理解”，而人类的想象力有时会突然迸发出来。因此，万物皆可研究蕴含在世界本身的无穷和秘密之中，更是通过人类想象力的不断拓展实现的。

　　万物皆可研究，对科学教育来说是一次返璞归真的思想解放

　　万物皆可研究，不仅仅是科学研究本身的特质和要求，更给科学教育带来重要启发。

　　第一，科学教育不是高科技，而是高思维。如果学校追求高科技实验条件，那么在高科技支持下，实验探究过程中可能只需要简单操作几个按钮就能得到结论，分析、创造的过程就会因此减少甚至消失，那么孩子的思维能力和实践能力可能反而会下降。科学教育的目的并非知识的结果，而是要让孩子知道知识背后的未知，知道万物有万物的特性和现象。世界本来的多样性是科学教育多样性最根本的保障，任何人面对任何事物只要去深度思考和无穷尽地探索，都能发现未知的领域，这才是真正的科学教育。

　　第二，万物不同，需要用不同的方法去研究；万物不同，有时又可以用同样的方法去理解。因此，在科学教育中需要鼓励孩子求同、求异、求通、求变。“求同”就是在不同的现象背后找出相似的规律，比如振荡现象不仅仅在物理学科中存在，也存在于化学领域（振荡溶液），甚至在生命现象中也存在。“求异”就是关注那些看上去一样的东西，可能极小的差异会导致极大的变化，甚至遵循的规律都会完全不同。“求通”就是在不同领域寻找到相似的思维方法，比如物理学科中学习的闭合电路概念与方法在金融领域竟然也能应用。“求变”就是通过改变条件、环境、时间跨度等主动发现新的现象，比如有的物理教师能够用一个瓶子让学生做上百个不一样的实验，这种变式训练就如思维体操一般，能够让孩子在丰富多彩的世界中打开思维空间。我们在讨论创造力的时候往往比较关注个人的思维能力和性格方面的表现，实际上创造力更是人的思维与万物之间互动的产物，这个“万物”也包括人类自己创造的数学世界、数字世界等，不存在脱离万物而存在的创造力。

　　第三，万物皆可研究，还启发我们要珍惜出现错误的机会。利弊共生是科技发展的基本特征，研究的范围越广、研究的事物越多，出现错误的概率也一定越大。如果担心犯错，那么科学探索和技术发展就失去了动力。1965年12月，化学家詹姆斯·施拉特（James M.Schlatter）在合成供生物分析用的四肽化合物促胃液激素时，有中间反应产物溅到了他的手上，他没有立即洗手，后来当他为取一张称量纸而舔了一下手指时，顿时感到一种清爽的甜味，阿斯巴甜就这样被发现了。到了2023年，根据新的评估报告，这个阿斯巴甜被世界卫生组织等列为2B类致癌物。与发现阿斯巴甜类似、因错误而导致的科学发现多到让我们不得不承认，科学真是充满偶然性，科学包容犯错。所谓“包容犯错”，一方面指新理论的出现必须是对旧理论的修正，新理论不但要能解释旧理论解释不了的现象，更要能解释所有旧理论能够解释的现象；另一方面指新理论的出现并不说明旧理论就没有价值了，而是有了新的条件、新的证据和新的视角，是新思维对旧思维的包容。科学中的错误从来不意味着失败，而是成功的开始，甚至某个领域的失败会在另一个领域大放异彩，这也是万物皆可研究的辩证法。在科学研究过程中，某些研究者的行为错误也可能导致新的发现，这也反复证明创新并非只与人的创造力有关，创新一直发生在人与万物产生的多样化关系之中。

　　翻开科学发展的历史我们不难发现，科学理论的产生、发展和完善就是不断犯错、纠错、再犯错的过程。爱因斯坦那么伟大的科学家，他犯的错误现在算起来就有很多。比如他对量子力学颇有质疑，因为“上帝不会掷骰子”，他认为两个微观粒子无论隔多远都会立即互相影响违背了光速不可超越的规律，结果后来发现了“量子纠缠”。爱因斯坦得到广义相对论引力方程后推出宇宙在膨胀，但是因为他认为宇宙是静态的，所以在方程中引入了宇宙常数。直到哈勃观测到宇宙真的在膨胀，爱因斯坦才把宇宙常数从方程中移除了。而在爱因斯坦去世后，科学家发现宇宙不仅在膨胀，而且在加速膨胀，为了解释这一点又重新将宇宙常数引入方程中。爱因斯坦竟然在同一个理论中犯了两次错误！他犯的错误很大，他的错误价值也很大。在科学教育中，正确答案可能只有一个，而错误却是无穷多样的，当孩子面对万物展开科学探索，他们出现的各种各样的错误既是教育契机，也是研究性学习的开始。

　　任何现象，一般只要连续深入地问三个“为什么”，就会碰到大家都不知道的情况。比如有关光速的问题：光的速度是多少？光速这么快是怎样测量的？为什么光速是3×108米/秒？又如有关原子的问题：原子的组成是怎样的？电子围绕原子核旋转为什么不会掉进原子核里？原子核对电子的电磁力为什么与距离的平方成反比？这种问问题的方式反映的是科学教育的两种教学方法，一种叫作分析性教学，就是从现象到理论的教学方法，重在归纳演绎和解释；另一种叫作创造性教学，就是从现象到问题的教学方法，重在质疑反思和追求证据。如果在科学教育中加入项目式学习和非正式的自主学习，那么科学教育还有另一种教学方法—就是实用性教学，重在动手实践解决真实问题。喜好不同思维模式的学生（参见图表2）更适合相应的教学方式。

　　科学思维的价值在于追求对万物的解释、证据和实用模型，因此高质量的科学教育一定是上述三种教学方式穿插进行：分析性教学有利于形成概念和理论，创造性教学有利于形成问题意识和证据意识，实用性教学有利于形成实践智慧。面对我们身边的任何东西，在分析性教学中，可以通过观察与描述发现事实，回答“是什么”；在创造性教学中，可以通过探究与实验形成因果证据，回答“为什么”；在实用性教学中，可以通过应用与设计实现控制和发明，回答“有什么用”。也就是说，科学教育可以在方法上通过多样化组合研究万物，构建广阔无垠的探索空间。

　　（原载《人民教育》第13—14期，原标题为《通向科学：万物皆可研究》，倪闽景系民进会员）