萬物皆可研究！在科學教育中鼓勵孩子求同、求異、求通、求變

1900年4月，在英國皇家學會，德高望重的開爾文勳爵進行了一場演講，他說：“十九世紀已將物理學大廈全部建成，今後物理學家的任務只是修飾和完善這座大廈。動力學理論斷言，熱和光都是運動的方式，但現在這一理論的優美性和明晰性卻被兩朵烏雲遮蔽”“第一朵烏雲出現在光的波動理論上，第二朵烏雲出現在關於能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上”。正是這“兩朵烏雲”，在此後100多年來打破了經典物理的大廈，建立起近代物理學的兩大支柱—相對論和量子力學。這件事告訴我們，科學研究無止境。

1964年，蘇聯天體物理學家尼古拉·卡爾達舍夫提出一種基於能源利用率的智慧文明等級設想。一級文明被稱爲行星文明，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氣候、掌握了可控核聚變等，目前人類文明大概處於0.7級。二級文明被稱爲恆星文明，指的是能利用所在恆星系統的所有能源。三級文明是星系文明，指的是能掌控利用所在星系的所有能源。根據卡爾達舍夫的說法，科學還只是剛剛起步，有無數的未知等着去探究。

科學教育最重要的就是讓孩子知道，我們知道的所有知識加起來，相比未知世界而言都是滄海一粟，因此“萬物皆可研究”是科學教育的核心理念和方法。

萬物皆可研究，源於人類思想的不斷解放

科學對自然現象和規律的發現實際上是對自然世界運行與進化過程的還原，而不是在創造一種新的現象，因此自然規律被發現一段時間後就會讓人覺得可以被理解，甚至會覺得很平常。但是，如果站在規律發現者的時代背景去看，那就會對重大科學發現有完全不同的感受。

望遠鏡是荷蘭眼鏡商漢斯·利伯希於1608年發明的，當時人們用它來看遠處的風景。伽利略卻用望遠鏡觀察星空，先是觀測到月球的高地和環形山投下的陰影，接着又發現了太陽黑子，此外還發現了木星的4顆最大的衛星。亞里士多德基於觀察認爲重的物體比輕的物體下降快。伽利略卻用思想實驗發現了其中的悖論，推斷不同重量的物體以相同的速度下落。1590年，伽利略在比薩斜塔上做了“兩個大小不同的鐵球同時落地”的實驗，糾正了“物體下落速度與重量成比例”這個持續了1900多年的錯誤結論，更重要的是開了自然科學實驗的先例。對上千年被奉爲經典的結論進行質疑，又用實證的方法檢驗自己的推理和猜想，這是伽利略令人肅然起敬的地方。

每一次重大科學發現都是一次人類思想大解放的過程，是對自然現象全新角度的洞察，還有超越好奇心的勇氣和對真理的堅持。反過來看，對科學發現的限制也來源於人類思想的侷限性，如果人們的思想觀念沒有到位，經常會對重大的發現視而不見。就如與伽利略同時代的知識分子拒絕透過新發明的望遠鏡觀察天空，因爲有些人認爲望遠鏡是騙人的，還有些人則認爲天是上帝的世界，去觀察上帝的世界是一種褻瀆。

科學的侷限性還體現在技術的發展水平上，這比較容易理解。如果沒有望遠鏡，第谷就不會那麼清晰精準地觀察和記錄行星的運行軌跡；如果沒有圓錐曲線這個數學工具的支持，開普勒也難以從第谷記錄的浩瀚數據中發現行星運行的三大規律；如果沒有微積分的發明，牛頓也很難站在第谷、開普勒等巨人的肩膀上推導出萬有引力定律並寫出《自然哲學的數學原理》。因此，一旦技術方面有所突破，又會產生新視角、新層次的研究機會。

科學必然永遠始於問題、終於問題—愈來愈深化的問題，愈來愈能帶來新問題的問題，最終可能複雜到無法用科學的邏輯去歸納，無法用控制變量的方法去實驗，無法用人類有限的智力去思辨……也許人工智能技術可以突破人類有限智力的限制，萬物皆可研究的大機會將再次來臨。

萬物皆可研究，源於人類對自然世界認知與理解的複雜性

對世界認知的複雜性包含着非常深刻的哲學問題，且存在不同層面的三種情況，這三種情況都蘊藏着無數的可研究機會。

第一種情況是：觀察者的位置與被觀察對象之間的關係會使被觀察到的現象產生巨大差異。比如，“盲人摸象”“管中窺豹”呈現了在外部不同位置觀察產生的局部性與整體性的觀察差異；如果觀察者在被觀察對象的內部，則會產生“只緣身在此山中”的觀察困惑。而人類總會通過各種辦法不斷解決這種由於觀察位置帶來的複雜現象難題。萬物皆可研究就是強調，可以通過視角和觀察位置的改變實現多角度的科學探究，每一朵鮮花、每一塊泥土、每一個晴朗夜空都是科學探究的好機會。從這個意義上說，農村地區也富有科學教育資源。

第二種情況是：由於觀察者自身因素，觀察對象會“產生”不同的現象。這看上去有點唯心主義，但卻是一個無法迴避的事實。實際上，人類的感覺系統只能看見波長390納米—780納米的電磁波（可見光）、聽見波長0.017米—17米的機械波（可聞聲波），還有同樣有限的嗅覺、味覺、觸覺。我們常說自然現象與觀察者沒有關係，沒有人之前宇宙照樣在演化，這當然是事實。但下面的這種情況也是事實—所謂“科學現象”是客觀世界通過感覺系統轉化爲觀察者腦中認識到的那部分意識，即人類觀察到的世界並非世界本身，而是世界的現象在人腦中的投影。有些自然存在的東西我們感受不到，可能因此也就不知道；有些東西感受到了，可能只是感知了能被我們感知的那個範疇。比如日常看到的花崗岩石塊是在可見光照射下的樣子，看上去很普通，但在紫外光下同樣是那塊石頭，模樣卻大不一樣。因此，科學發展的侷限性與人類自身感知系統有關，我們感知系統無法接收、轉換的現象通常就很難被發現和理解。

現代技術對於現代科學的重要作用，就是通過新技術設備把那些人類無法感知的現象轉化爲能被我們感知的信息，從而不斷拓展研究的疆域。舉例而言，與古人研究天象不同，現代科學家在研究宇宙時經常採用“多信使天文學”的研究方法（參見圖表1），比如用電磁波、中微子、宇宙射線和引力波等多種信息來源進行協同研究。遙遠天體在發生某種現象時，不同物理量會用不同的方式把相關信息帶到觀察者面前，科學家把這些信息統合起來，努力形成更完整的判斷。但是，“多信使天文學”實際上也隱喻了一個殘酷的事實：天體也許還有更多複雜的現象，有些現象可能更加深刻、更加本質，只是有些物理量我們還不知道、有些物理量我們還測不到，所以我們研究、認知的天體只是我們能觀察到的樣子，而非事實的全部。因此，通過新技術涌現不斷拓展人類的感知侷限，是萬物皆可研究源源不斷的動力。

第三種情況是：宇宙中我們已知的物質、能量大約只佔4%，更多的物質與能量我們目前還無法“看見”。其中，中微子、引力波能被我們通過精密的技術發現，是因爲它們能與我們已知的物質之間發生較弱的相互作用，而暗物質、暗能量似乎不與我們已知的物質世界產生作用，這種複雜性對人類的挑戰是巨大的。技術雖然可以讓人類“看見”我們原本看不見的東西，但技術卻無法讓人類想象我們無法想象的東西，我們只能用自己可以想象的東西去“理解”，而人類的想象力有時會突然迸發出來。因此，萬物皆可研究蘊含在世界本身的無窮和秘密之中，更是通過人類想象力的不斷拓展實現的。

萬物皆可研究，對科學教育來說是一次返璞歸真的思想解放

萬物皆可研究，不僅僅是科學研究本身的特質和要求，更給科學教育帶來重要啓發。

第一，科學教育不是高科技，而是高思維。如果學校追求高科技實驗條件，那麼在高科技支持下，實驗探究過程中可能只需要簡單操作幾個按鈕就能得到結論，分析、創造的過程就會因此減少甚至消失，那麼孩子的思維能力和實踐能力可能反而會下降。科學教育的目的並非知識的結果，而是要讓孩子知道知識背後的未知，知道萬物有萬物的特性和現象。世界本來的多樣性是科學教育多樣性最根本的保障，任何人面對任何事物只要去深度思考和無窮盡地探索，都能發現未知的領域，這纔是真正的科學教育。

第二，萬物不同，需要用不同的方法去研究；萬物不同，有時又可以用同樣的方法去理解。因此，在科學教育中需要鼓勵孩子求同、求異、求通、求變。“求同”就是在不同的現象背後找出相似的規律，比如振盪現象不僅僅在物理學科中存在，也存在於化學領域（振盪溶液），甚至在生命現象中也存在。“求異”就是關注那些看上去一樣的東西，可能極小的差異會導致極大的變化，甚至遵循的規律都會完全不同。“求通”就是在不同領域尋找到相似的思維方法，比如物理學科中學習的閉合電路概念與方法在金融領域竟然也能應用。“求變”就是通過改變條件、環境、時間跨度等主動發現新的現象，比如有的物理教師能夠用一個瓶子讓學生做上百個不一樣的實驗，這種變式訓練就如思維體操一般，能夠讓孩子在豐富多彩的世界中打開思維空間。我們在討論創造力的時候往往比較關注個人的思維能力和性格方面的表現，實際上創造力更是人的思維與萬物之間互動的產物，這個“萬物”也包括人類自己創造的數學世界、數字世界等，不存在脫離萬物而存在的創造力。

第三，萬物皆可研究，還啓發我們要珍惜出現錯誤的機會。利弊共生是科技發展的基本特徵，研究的範圍越廣、研究的事物越多，出現錯誤的概率也一定越大。如果擔心犯錯，那麼科學探索和技術發展就失去了動力。1965年12月，化學家詹姆斯·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時，有中間反應產物濺到了他的手上，他沒有立即洗手，後來當他爲取一張稱量紙而舔了一下手指時，頓時感到一種清爽的甜味，阿斯巴甜就這樣被發現了。到了2023年，根據新的評估報告，這個阿斯巴甜被世界衛生組織等列爲2B類致癌物。與發現阿斯巴甜類似、因錯誤而導致的科學發現多到讓我們不得不承認，科學真是充滿偶然性，科學包容犯錯。所謂“包容犯錯”，一方面指新理論的出現必須是對舊理論的修正，新理論不但要能解釋舊理論解釋不了的現象，更要能解釋所有舊理論能夠解釋的現象；另一方面指新理論的出現並不說明舊理論就沒有價值了，而是有了新的條件、新的證據和新的視角，是新思維對舊思維的包容。科學中的錯誤從來不意味着失敗，而是成功的開始，甚至某個領域的失敗會在另一個領域大放異彩，這也是萬物皆可研究的辯證法。在科學研究過程中，某些研究者的行爲錯誤也可能導致新的發現，這也反覆證明創新並非只與人的創造力有關，創新一直髮生在人與萬物產生的多樣化關係之中。

翻開科學發展的歷史我們不難發現，科學理論的產生、發展和完善就是不斷犯錯、糾錯、再犯錯的過程。愛因斯坦那麼偉大的科學家，他犯的錯誤現在算起來就有很多。比如他對量子力學頗有質疑，因爲“上帝不會擲骰子”，他認爲兩個微觀粒子無論隔多遠都會立即互相影響違背了光速不可超越的規律，結果後來發現了“量子糾纏”。愛因斯坦得到廣義相對論引力方程後推出宇宙在膨脹，但是因爲他認爲宇宙是靜態的，所以在方程中引入了宇宙常數。直到哈勃觀測到宇宙真的在膨脹，愛因斯坦才把宇宙常數從方程中移除了。而在愛因斯坦去世後，科學家發現宇宙不僅在膨脹，而且在加速膨脹，爲了解釋這一點又重新將宇宙常數引入方程中。愛因斯坦竟然在同一個理論中犯了兩次錯誤！他犯的錯誤很大，他的錯誤價值也很大。在科學教育中，正確答案可能只有一個，而錯誤卻是無窮多樣的，當孩子面對萬物展開科學探索，他們出現的各種各樣的錯誤既是教育契機，也是研究性學習的開始。

任何現象，一般只要連續深入地問三個“爲什麼”，就會碰到大家都不知道的情況。比如有關光速的問題：光的速度是多少？光速這麼快是怎樣測量的？爲什麼光速是3*108米/秒？又如有關原子的問題：原子的組成是怎樣的？電子圍繞原子核旋轉爲什麼不會掉進原子核裡？原子覈對電子的電磁力爲什麼與距離的平方成反比？這種問問題的方式反映的是科學教育的兩種教學方法，一種叫作分析性教學，就是從現象到理論的教學方法，重在歸納演繹和解釋；另一種叫作創造性教學，就是從現象到問題的教學方法，重在質疑反思和追求證據。如果在科學教育中加入項目式學習和非正式的自主學習，那麼科學教育還有另一種教學方法—就是實用性教學，重在動手實踐解決真實問題。喜好不同思維模式的學生（參見圖表2）更適合相應的教學方式。

科學思維的價值在於追求對萬物的解釋、證據和實用模型，因此高質量的科學教育一定是上述三種教學方式穿插進行：分析性教學有利於形成概念和理論，創造性教學有利於形成問題意識和證據意識，實用性教學有利於形成實踐智慧。面對我們身邊的任何東西，在分析性教學中，可以通過觀察與描述發現事實，回答“是什麼”；在創造性教學中，可以通過探究與實驗形成因果證據，回答“爲什麼”；在實用性教學中，可以通過應用與設計實現控制和發明，回答“有什麼用”。也就是說，科學教育可以在方法上通過多樣化組合研究萬物，構建廣闊無垠的探索空間。

參考文獻

[1] [美]斯騰伯格（Sternberg，R.J.），[美]史渥林（Swerling，L.S.）. 思維教學—培養聰明的學習者[M]. 趙海燕譯. 北京：中國輕工業出版社，2008：9.

（倪閩景 作者繫上海科技館館長）

《人民教育》第13-14期，原標題爲《通向科學：萬物皆可研究》

作者：倪閩景