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科学本质科学教育家族相似性方法科学哲学科学实践科学知识

科学本质研究的新方向

2026年1月01日•约 56 分钟

Abstract / 摘要

“Gurol Irzik 与 Robert Nola 反思科学教育中关于科学本质的共识观点，提出以认知目标与价值、方法论规则、科学实践和科学知识为核心类别的“家族相似性方法”，为科学本质的研究与教学提供更系统的框架。”

科学本质研究的新方向

资料来源：Gurol Irzik and Robert Nola, 2014, New Directions for Nature of Science Research. In M.R. Matthews (ed.), International Handbook of Research in History, Philosophy and Science Teaching, DOI 10.1007/978-94-007-7654-8_30, © Springer Science+Business Media Dordrecht 2014

30.1 引言

将科学本质（简称 NOS，nature of science）纳入科学教育的要求由来已久。二十世纪期间，众多杰出科学家、哲学家和教育理论家，如 John Dewey、James Conant、Gerald Holton、Leo Klopfer、Joseph Schwab、James Robinson、James Rutherford、Michael Martin、Richard Duschl、Derek Hodson、Norman Lederman、Michael Matthews 和 Norman McComas 等，均强调教授科学的观念结构及其认识论面向作为科学教育重要组成部分的重要性（Matthews 1998a；McComas 等 1998）。如今，全球许多地区的科学教育课程改革文件均指出，科学教育的重要目标不仅是学习科学内容，还包括理解科学的本质。（注1）其理由在于，科学素养需要理解科学本质，这不仅有助于学生学习科学内容，还能帮助他们理解科学作为一种人类事业的特性，认识到其在当今世界的价值，并增强其民主公民能力，即作为未来公民，能够就全球变暖、核废料处理、转基因食品以及学校中教授智能设计等争议性问题作出明智决策。（注2）Allchin 简洁地表达了这一观点：“学生应培养对科学运作方式的理解，以解读科学主张在个人和公共决策中的可靠性”（Allchin 2011，页 521；原文强调）。
注1：参见，例如，美国科学促进会（1990，1993），教育部长理事会（1997），国家课程委员会（1988），国家研究委员会（1996），Rocard等（2007），以及 McComas 和 Olson（1998）。
注2：此观点常见于，例如，Driver 等（1996），McComas等（1998），Osborne 2007，以及 Rutherford 和 Ahlgren（1990）。
关于科学本质（NOS）是什么、如何教授以及学生和教师对 NOS 的看法，存在大量文献。本章的目的并非回顾这些文献。感兴趣的读者可参考本手册其他章节及早期有用的综述（Abd-El-Khalick 和 Lederman 2000；Deng 2011 等；Lederman 2007）。教师和学生对 NOS 的看法亦非本章讨论范围，本章仅聚焦于科学本质的定义。在下一节，我们将总结科学教育中关于 NOS 的共识理论。基于现有共识，我们在第 30.3 节中以八个类别为框架，提供了科学所有主要面向的结构化描述。将家族相似性的概念应用于这些类别，我们提出了所谓的“家族相似性方法（family resemblance approach）”。我们在第 30.5 节中详细阐述了这一方法。我们认为，家族相似性方法为科学本质提供了系统且统一的解释。我们在第 30.6 节中讨论了该方法的优势及其他特点。本章最后提出了一些关于如何在课堂中应用该方法的建议。
我们强调，本章不涉及实证问题，如教师和学生对科学本质（NOS）的理解。相反，我们的任务属于科学本质理论范畴：提供一种新的思考方式，以阐释“科学本质”的含义。尽管如此，我们希望熟悉 NOS 讨论的科学教育理论家和科学教师能发现我们的方法不仅在理论上具有启发性，而且在教学上亦具实用价值。

30.2 科学本质的共识

过去十年左右的科学本质（NOS）研究显示，科学教育界成员在科学本质的定义及其在学前教育阶段应教授的面向方面达成了显著共识。这一共识可概括如下。
基于对学生可接受性和对公民实用性的考虑，Lederman 及其合作者指出了科学本质的以下特征：
  • 科学知识是经验性的（依赖于观察和实验）。
  • 科学知识可靠但易错/暂定（即可能发生变化，因此绝非绝对或确定）。
  • 科学知识部分是人类想象力和创造力的产物。
  • 科学知识具有理论依赖性和主观性（即受科学家背景信念、经验和偏见的影响）。
  • 科学知识嵌入于社会和文化之中（即受社会和文化情境的影响）。（注3）
注3：参见 Abd-El-Khalick（2004），Abd-El-Khalick 和 Lederman（2000），Bell（2004），Khishfe 和 Lederman（2006），Lederman（2004，2007）。需注意的是，所有这些特征均与科学知识相关。因此，Lederman 在其近期著作中建议将“科学本质”一词替换为“科学知识本质”（Lederman 2007）。
他们还强调，学生应熟悉理解科学本质（NOS）所需的基本概念，如观察、推断、实验、定律和理论，并了解观察与推断、定律与理论之间的区别，以及不存在单一的科学方法能始终产生无误知识的事实。其他学者补充道，科学具有理论性和解释性；科学主张可检验，科学测试可重复；科学具有自我修正性，追求高解释力和预测力、丰硕性（成果性）、简约性（简单性）和逻辑一致性等价值（Cobern 和 Loving 2001；Smith 和 Scharmann 1999；Zeidler 等 2002）。
许多研究者通过研究国际科学教育标准文件，提出了类似的特征列表。这些文件还显示在以下两个方面存在广泛共识：科学的伦理维度（例如，科学家需做出伦理决策，保持对新观点的开放性，真实、清晰、公开地报告研究结果）以及科学与技术相互作用和影响的方式（McComas 等 1998；McComas和 Olson 1998）。Osborne 等（2003）通过对由科学家、科学教育者、科学传播者、哲学家、历史学家和科学社会学家组成的专家组进行的 Delphi 研究，发现以下八个主题获得广泛认同：
  • 科学方法（包括持续质疑和实验检验科学主张是科学研究的中心）
  • 数据分析与解释（数据本身不会说话，但可通过多种方式解读）
  • 科学的不确定性（即科学知识是暂定的）
  • 假设与预测（制定假设并从中得出预测以进行检验是科学的核心）
  • 科学中的创造力（科学研究需要大量创造力，因此应鼓励学生创建模型以解释现象）
  • 科学思维的多样性（科学采用不同方法解决同一问题）
  • 科学知识的历史发展（科学知识随历史发展，并受社会需求和期望的影响）
  • 合作与协作在科学知识生产中的作用（科学是一项协作与合作的活动，如团队合作和同行评审机制所示）。
Wong 和 Hodson（2009，2010）通过对来自全球不同领域、成就卓著的科学家进行深入访谈，提出了非常相似的主题（但侧重点略有不同）：
  • 科学方法（不同学科采用不同的探究方法）
  • 科学中的创造力（创造性想象在科学探究的每个阶段都发挥重要作用，从数据收集到理论建构，而完全摆脱偏见的绝对客观性是不可能的）
  • 理论在科学探究中的重要性（科学活动具有高度理论性）
  • 观察的理论依赖性（科学数据是理论负载的，可以有多种解释）
  • 科学知识的试探性（科学不产生确定性）
  • 文化、社会、政治、经济、伦理和个人因素对科学的影响（这些因素极大地影响科学研究和发展的方向，并可能导致结果偏差和不端行为）以及合作、同行评审和共享规范（如学术诚信和开放心态）在知识生产中的重要性
这些研究结果的重叠表明，教育理论家在NOS方面存在实质性共识。然而，关于探究过程（例如提出问题、收集数据、形成假设、设计实验验证假设）是否应包含在NOS中存在一些争议。Lederman（2007）建议将其排除在外，而其他科学教育理论家则持不同意见，认为它们构成了NOS不可分割的一部分（Duschl and Osborne 2002; Grandy and Duschl 2007）。事实上，上述两段总结的研究确实将探究过程列为NOS的重要组成部分。
当然，很大程度上取决于NOS的各个方面和主题如何阐述。Osborne及其合作者警告说，不应将NOS的各种特征视为离散实体，因此他们强调了它们的相互关联性（Osborne等 2001, 2003, 第711页）。类似地，其他人指出，脱离语境引入的关于NOS的笼统概括并不能提供对NOS的深入理解（Elby and Hammer 2001; Matthews 2011）；相反，NOS中的条目应该在“真实情境”中相互关联地阐明。因此，许多科学教育工作者呼吁采用“真实科学观”，其目标是通过借鉴科学-技术-社会（STS）研究或对科学家日常活动的访谈，将科学情境化并关注正在进行的科学；这通过历史和当代案例研究，强调了跨科学学科科学实践的异质性（heterogeneity）[注：指科学实践在不同科学学科间的多样性、差异性或不统一性，强调各学科在方法、范式或实践上的不同特点]。（注4）
注4：参见Ford and Wargo 2007, McGinn and Roth 1999, Rudolph 2000, Samarapungavan等 2006, Wong and Hodson 2009, 2010, 以及Wong等 2009。
许多科学教育理论家主张，应在探讨科学本质（NOS）时为科学-技术-社会交互所引发的问题、科学的社交规范以及科学内部的资助与欺诈问题分配更多空间；这些内容在教育公民时尤为重要，因为公民在当今民主社会中常需面对关于社会-科学问题的艰难决策。这些话题此前已有详细讨论（Aikenhead 1985a, b; Kolsto 2001; Zeidler 等 2002），近年来越来越受到关注，这与倡导真实科学观的呼声一致。（注5）
注5：参见 Sadler（2011）、Weinstein（2008）、Wong 和 Hodson（2010）、Zemplen（2009）；另见《Science & Education》期刊2008年第17卷第8-9期特刊。

30.3 科学本质类别：结构化描述

上述对NOS的共识表明，科学是一项多方面的事业，它涉及：
  • （a）探究过程；
  • （b）具有特殊特征的科学知识；
  • （c）方法、目标和价值观；
  • （d）社会、历史和伦理方面。
事实上，科学同时是许多事物：它是一种探究活动、一种职业、一种文化以及一种具有经济维度的事业，因此具有许多特征（认知、社会、文化、政治、伦理和商业）（Weinstein 2008; Matthews 2011）。那么，需要的是一种系统和统一的视角，它不仅捕捉科学的这一或那一方面，而是捕捉“整体科学”（Allchin 2011）。这绝非易事，并且肯定不止一种方法来完成这项任务。我们的建议是从一个广泛的区分开始，将科学区分为认知-认识论的思想和实践体系，另一方面区分为社会-制度体系。这种区分实际上隐含在上面（a）到（d）表达的NOS方面中：作为认知-认识论体系的科学包含（a）、（b）和（c），而作为社会-制度体系的科学则包含（d）。我们必须补充的是，我们将其作为一种分析性区分，以实现概念清晰，而不是一种将两者完全分隔的绝对区分。实际上，两者在实践中以无数方式不断相互作用，我们将看到。

作为认知-认识论体系的科学

我们通过对（a）-（c）进行微调，将科学作为认知-认识论体系阐述为四个类别：（1）探究过程；（2）目标和价值观；（3）方法和方法论规则；（4）科学知识。下面我们简要解释这些类别。（注6）
注6：有关这些内容的更详细讨论，请参见Nola and Irzik 2005, 第2、4、6、7、8、9和10章。

探究过程

这包括提出问题（难题）、进行观察、收集和分类数据、设计实验、形成假设、建构理论和模型以及比较替代理论和模型（Grandy and Duschl 2007）。

目标和价值观

这包括预测、解释、一致性、简洁性和丰富性等项目；正如我们在前一节中看到的，这些是科学教育文献中公认的科学的众所周知目标。关于预测和解释，我们想强调两点，而这两点在科学教育文献中往往被忽视。首先，科学家更看重新颖的预测，而不是其他类型的预测，因为理论的新颖预测比非新颖预测更能支持该理论（Nola and Irzik 2005, 第245-247页）。(如果一个预测是对科学家在预测时未知的现象的预测，那么这个预测是新颖的。)其次，尽管存在不同类型的解释以及不同的解释模型，但所有科学解释都是自然主义的（naturalistic），即自然现象通过其他自然现象来解释，而不诉诸任何超自然或神秘的力量和实体（Lindberg 1992, 第1章; Pennock 2011）。（注7）
注7：有关科学中不同解释模型的简明总结，请参见Godfrey-Smith 2003。
科学的其他目标包括：可行性（von Glasersfeld 1989）、高证实度（Hempel 1965, 第一部分）、可检验性和真理或至少接近真理（Popper 1963, 1975）以及经验充分性（van Fraassen 1980）。科学的目标有时被称为（认知-认识论）价值观，因为科学家高度重视它们，他们希望他们的理论和模型能够实现这些目标（Kuhn 1977）。科学中的价值观也可以作为比较理论的共享准则，并表现为方法论规则。例如，我们可以说，给定两个竞争理论，在其他条件相同的情况下，解释力更强的理论优于解释力较弱的理论。将其表达为方法论规则，就变成，给定两个竞争理论，在其他条件相同的情况下，选择或偏好解释力更强的理论。类似的规则可以从其他价值观中推导出来。这些规则使科学家能够理性客观地比较关于同一领域现象的竞争理论（Kuhn 1977）。

方法和方法论规则

科学并非随机地实现其各种目标，而是运用多种方法和方法论规则。这一点在许多关于NOS的研究中清晰可见。历史上，从Aristotle、Bacon、Galileo、Newton到Whewell、Mill和Peirce，都曾提出关于科学方法的观点，更不用说二十世纪哲学家、科学家和统计学家提出的众多方法理论。对他们中的许多人来说，演绎推理、归纳推理和溯因推理构成了任何科学方法的重要组成部分。检验假设的其他方法包括各种归纳法和统计方法，以及假说-演绎法（Nola and Sankey 2007; Nola and Irzik 2005, 第7、8和9章）。科学方法论的理念也包括方法论规则；这些在科学教育文献中尚未得到充分关注。Popper（1959）和Laudan（1996, 第7章）等一些科学哲学家详细讨论了方法论规则。以下是一些规则：
  • 构建具有高度可检验性的假说/理论/模型。
  • 避免对理论进行特殊修订。
  • 在其他条件相同的情况下，选择解释力更强的理论。
  • 驳斥不一致的理论。
  • 在其他条件相同的情况下，接受简单的理论，驳斥更复杂的理论。
  • 只有当一个理论能够解释其前辈理论的所有成功之处时，才接受它。
  • 在检验因果假设时，使用对照实验。
  • 在对人体进行实验时，始终使用盲法程序。
关于科学方法和方法论规则，有两点需要强调。首先，尽管它们确实抓住了科学所采用方法的一些深层本质，但我们不应忘记它们是高度理想化、理性的建构。因此，它们并不能忠实地反映科学家在日常活动中所做的事情；也不能总是指导他们在探究的每一步应该做什么。然而，它们常常可以告诉他们的行动是否理性，并且解释（至少部分解释）科学知识的可靠性。其次，我们呈现上述方法规则，仿佛它们是绝对命令。这需要从两个方面进行限定。首先，有些规则在某些情况下可以被放弃。在某个先行条款中详细说明可以放弃规则的条件并非易事；因此，最好将这些规则理解为在未指明的情况下可以被推翻的。其次，这些绝对规则应该被表达为假言命令，即：如果某种目标或价值V将被（可靠地）实现，则规则R应该被遵循（参见Laudan 1996, 第7章）。通常会省略对价值的提及，或规则被省略表达。例如，关于特殊性的规则隐含着高可检验性的价值或目标。因此，更明确地表达它将是：“如果你追求高可检验性，避免对理论进行特殊修订。”当规则以这种方式理解时，类别3的方法论规则与类别2的目标之间的联系就变得清晰可见。

科学知识

当探究过程运用上述方法和方法论规则达到其目标时，这些过程最终会形成某种“产物”，即科学知识。这种知识“最终产物”体现在定律、理论和模型以及观察报告和实验数据的集合中。正如我们在前一节中看到的，科学知识是NOS中最广泛讨论的类别。

作为社会-制度体系的科学

作为社会-制度体系的科学比作为认知-认识论体系的科学研究得少，因此更难分类。我们建议从以下类别来研究它：专业活动、知识认证和传播体系、科学精神以及社会价值。考虑到30.2节指出的关于这个主题的NOS研究结果，我们将在下面详细讨论这些类别。
正如数十年的科学-技术-社会（STS，science-technology-society）研究表明，科学不仅是一个认知系统，同时也是一个既合作又竞争的社群实践，它有自己的精神气质（即社会和伦理规范）以及自己的知识认证和传播体系。它是一个不断发展的社会事业，与技术以及整个社会有着错综复杂的关系，既影响社会也被社会影响。科学家组成了一个紧密的社区，并参与多项专业活动，既相互交流也与更广泛的公众互动。简而言之，科学是一个内嵌于更大社会中的历史的、动态的社会制度。作为社会-制度体系的科学的类别可以描述如下。

专业活动

科学家不仅从事科学研究。作为科学家，他们还进行各种专业活动，例如参加学术会议并在会上展示他们的发现、发表论文、评审手稿和项目申请、撰写研究项目并为其寻求资金、为公共和私人机构提供咨询工作以及向公众宣传普遍关心的问题。通过这种方式，他们履行各种认知-认识论和社会功能，例如认证知识和服务于某些社会目标。无论他们是从事认知-认识论活动还是专业活动，他们都应遵守一系列社会和伦理规范。我们将在下面讨论这些。

科学精神气质

科学是一个社会制度的部分含义是它有自己的社会（制度性）和伦理规范，这些规范指的是科学家在与同行交流以及进行科学活动时应该采取和表现出的特定态度。为方便起见，我们将其称为“科学精神气质（the scientific ethos）”（或同等地，称“科学的品格（the ethos of science）”），这个短语是由著名的科学社会学家Robert Merton创造的。然而，正如我们将在下面看到的，我们所理解的科学精神气质并不仅限于文献中所谓的“Merton规范”。Merton是20世纪30年代最早研究科学制度规范的人之一，他根据对科学家的广泛访谈，将其中一些规范表述如下（Merton 1973, 第13章）：
  • 普遍主义（Universalism）：科学具有普遍性，科学主张根据预先确定的客观、理性标准进行评估，因此在评估时，科学家的民族起源、国籍、宗教、阶级和性别等特征是无关紧要的。
  • 有组织的怀疑主义（Organised scepticism）：科学家根据明确规定的程序对每一项主张进行逻辑和经验审查，这些程序包括科学推理、可检验性和方法论，并在所有相关事实到位之前暂停判断，除了批判性论证的权威之外，不屈服于任何权威。
  • 无私性（Disinterestedness）：科学家评估和报告他们的发现时，应该独立于这些发现是否符合他们的个人利益、意识形态等。无私性的规范具有防止科学家隐藏或篡改其探究结果的功能，即使这些结果与他们的个人偏见、利益和偏爱的意识形态相悖。
  • 公有主义（Communalism）指科学发现或知识的共同拥有。其理由是科学是一项合作的事业：新的科学知识总是建立在旧知识的基础上，科学发现很大程度上得益于开放和自由的讨论以及思想、信息、技术甚至材料（如蛋白质）的交流。
尽管Merton通过实证研究得出了这些规范，但我们不应忽视它们作为规范，既可以是描述性的，也可以是规定性的事实。换句话说，它们告诉我们科学家在进行科学活动时应该如何行为，而不仅仅是他们如何行为。它们的规范性质和力量体现在科学家违反这些规范时常常面临科学共同体的制裁。（注8）
注8：STS学者通常批评Merton规范，并声称对于每一项Merton规范都存在一项反规范，这意味着Merton规范并不能指导科学实践，因此它们是毫无功能的。例如，参见Sismondo 2004, 第3章以及其中引用的文献。然而，也有针对这些批评的优秀批判，例如Radder 2010。
随着时间的推移，科学共同体越来越自觉地意识到科学行为规范，结果这些规范不断增多并被编入“道德行为准则”中。现在有一个完整的子领域，称为“科学伦理”，专门研究这个主题。除其他外，这些规范包括以下内容（Resnik 2007, 第2章）：
  • 学术诚信（或正直）（Intellectual honesty or integrity）：科学家不应伪造、歪曲或压制数据，不应抄袭。除了证据和批判性论证的权威外，他们不应屈服于任何权威。
  • 尊重研究对象（Respect for research subjects）：科学家应对人类和动物研究对象给予尊重和尊严。这包括获得人体受试者的知情同意，不给动物受试者造成不必要的痛苦等。
  • 尊重环境：避免对环境造成伤害。
  • 自由：科学家应该自由地进行任何研究，但要受到某些限制（例如，如前两个伦理原则所隐含的）。
  • 开放：科学家应该对自由和批判性讨论持开放态度，并分享想法、数据、技术甚至材料（如蛋白质）。在有充分理由的情况下，他们应该愿意改变自己的观点。
如今，许多科研机构（大学、科学院、资助机构等）在其网站上都发布此类道德准则。
所有这一切并非暗示科学中不存在不端行为、欺诈、数据压制或歪曲等现象，或者不存在激烈的竞争，尤其是对稀缺资源（如资金）的竞争，这有时会导致科学中的保密行为（与开放性相反）。科学家不是圣人。然而，当他们违反科学规范时，他们往往会面临制裁。科学已经发展出一套社会认证和传播机制，以消除或至少减少不端行为，并促进科学家之间的协作。

科学知识的社会认证与传播

当一位科学家或一个科学家团队完成他们的研究后，他们的工作远未结束。他们的发现需要发表；这需要同行评审过程。发表后，这些发现就成为公开信息，并接受整个相关专家群体的批判性审查。只有当它们在整个考验中经受住检验，它们的发现才会被科学知识体系接受，并在学校等地方进行教学。这大致上就是科学知识的社会认证和传播体系，它涉及科学共同体的集体协作努力（Kitcher 2011, 第4章）。这个体系在30.3.1节描述的包括检验、证据关系和方法论考量在内的认知控制机制之外，起到了有效的社会质量控制作用。它们共同作用，有助于减少错误和不端行为的可能性。

科学的社会价值

科学不仅体现认知-认识论价值，也体现社会价值。其中一些最重要的社会价值是自由、尊重环境以及广义理解的社会效用，后者指改善人们的健康和生活质量，以及促进经济发展。没有足够的研究自由，科学发展将受到抑制。尊重环境既包括不损害环境的消极义务，也包括通过保护生物多样性和减少导致气候变化的碳排放来保护环境的积极义务。作为一个物种，如果我们不尊重环境，我们不太可能生存。不有助于改善人们生活的科学将得不到他们的支持；当今科学的社会合法性关键取决于其社会效用。因此，社会效用是科学的一个重要社会目标。
这完成了我们对科学八个类别的描述，可以列表如下。
科学
科学作为认知—认识论体系科学作为社会体系
12345678
探究过程目标与价值方法与方法论规则科学知识专业活动科学精神科学知识的社会认证与传播社会价值
虽然我们认为构成科学作为认知-认识论体系的类别已经相当详尽，但我们承认随着科学的发展，可能会增加其他类别或出现新的类别。然而，我们不认为科学作为社会体系的类别是以任何方式详尽的。我们也不声称这是描述科学作为社会体系的唯一或最佳方式。其他人可能会以不同的方式划分。尽管如此，我们确实认为它抓住了科学作为社会实践的重要部分。同样，我们也不认为已经列出了上述八个类别下的所有项目。事实上，我们认为它们是开放式的；也就是说，属于每个类别的科学特征并非固定不变，而是历史地发展的。总的来说，我们相信这八个类别系统且全面地抓住了NOS的结构性特征。

30.4 阐明“科学本质”的含义与家族相似性概念

尽管我们建议上述八个类别刻画了科学的本质，但我们并未探讨该短语中“本质”（nature）一词的含义。我们所说的“科学的本质”是什么意思？据我们所知，这个问题在科学教育文献中鲜有提及。在此，我们简要介绍可能存在的三种关于这种本质的观念。
首先，科学本质可被视为一种自然事物的界定，其具有一种本质，即一组该事物必须具备的属性，若缺乏这些属性，该事物便不可能存在或成为该类事物。三角形在此意义上具有本质，但科学是否具有此类本质却令人怀疑。我们可以同意Rorty在其论文《自然科学是自然种类吗？》（Rorty 1991，第46-62页）中对标题给出的否定回答。
关于“本质”的第二种观点认为，它是一组（较小的）必要且充分的属性，某事物若要被视为科学，必须具备这些属性。此处，上述本质主义（essentialist）方法中的强烈模态主张被淡化或摒弃，转而强调仅需具备所有科学共有的、且仅为科学独有的特征集合。然而，迄今为止，所有试图以必要且充分条件定义科学的尝试均告失败。一些人通过将科学本质的研究狭窄聚焦于科学的第四类，即科学知识，限制了他们的方法，进而尝试将科学定义为可验证的（某些实证主义者）或可证伪的（Popper）等内容。[注9] 这并非我们在此倡导的表征科学的方法。
注9：参见以下一些文献，他们可能还批判了科学与非科学划界的主张，但在这样做时仅聚焦于第四类，即何为科学陈述：（Alters 1997；Hacking 1996；Laudan 等 1986；Stanley和 Brickhouse 2001；Ziman 2000）。
第三种方法可能是简单列出科学概念下涵盖的若干项目，而不试图提供一组必要且充分的属性或为科学指定本质。因此，科学教育中关于科学本质的一种常见方法是列出科学的一些显著特征，如第30.2节所述。这也是我们采用的方法，通过列出科学的八个类别及其下属项目。然而，需解决一个问题：并非所有科学同时具备这些特征或项目。事实上，一些科学教育理论家已指出科学学科之间的重要差异（Samarapungavan 等 2006；Wong 和 Hodson 2009）。如果某些科学缺乏其他科学共有的某些特征，称其为“科学”的依据何在？仅提供一个偏好项目列表无法回答这一问题。
幸运的是，哲学中有一个令人满意的答案，促使人们以截然不同的方式理解“科学本质”（NOS）中的“本质”。事实上，这一方法通过引入家族相似性这一重要概念，使我们远离上述三种理解“本质”的方式（Eflin 等 1999；Hacking 1996；Dupre 1993）。简而言之，科学本质由科学八个类别下项目的家族相似性构成。在早期文章中，我们为科学教育目的详细阐述了这一方法（Irzik 和 Nola 2011）。在本章中，我们进一步发展了这一方法。
家族相似性的概念由哲学家Ludwig Wittgenstein（路德维希-维特根斯坦）提出，他认识到并非所有术语都能通过必要且充分条件或通过指定本质来定义（Wittgenstein 1958，第66-71节）。为此，可比较“三角形”与“游戏”。前者可明确定义为具有三条直边的封闭平面图形。这一定义不仅列出了六种特性，指定了作为三角形的必要且充分条件，还确定了三角形的“本质”或“三角形”一词的分析意义。在该定义中，明确指出了所有三角形共有且仅三角形具有的属性。相比之下，Wittgenstein认为，“游戏”一词无法以这种方式定义。任何定义“游戏”的尝试都必须涵盖球类游戏、棍类游戏、纸牌游戏、不涉及球、棍或纸牌的儿童游戏（如捉迷藏）、单人游戏（如跳房子）以及智力游戏等不同类型的游戏。与“三角形”不同，没有一组固定的必要且充分条件来确定“游戏”的意义，因此也没有一组属性能涵盖所有游戏，同时排除非游戏。[注10] 尽管如此，Wittgenstein认为，所有游戏构成“家族相似性”，形成一个复杂相似性网络，相互重叠交错。正是这些相似性，证明了将“游戏”一词用于从棒球到跳房子的各种活动是合理的。
注10：John Searle对此例提出异议，认为“游戏”可定义为：一系列旨在克服特定障碍的尝试，这些障碍是为克服而设（Searle 1995，第103页）。无论这一争议如何解决，仍可能存在其他情况适用家族相似性概念，正如我们认为其适用于“科学”一词。
考虑一组四个特征{A, B, C, D}。可以设想四个个体项目，分别共享其中任意三个特征的组合，如（A&B&C）、（B&C&D）、（A&B&D）或（A&C&D）；即家族相似性表现为从原始特征集中选取任意三个特征的四种连词组合。这一多特征家族相似性模型可推广如下：取任意包含n个特征的集合S；则任一个体若且唯若具备S的所有n个特征，或S的任意（n-1）个特征组合，或S的任意（n-2）个特征组合，或S的任意（n-3）个特征组合等，即为该家族成员。n的大小以及（n-x）的最小值可保持开放，以契合家族相似性概念，不强加任意限制，并留待“逐案”调查。在下文中，我们将采用这一多特征家族相似性版本（略作修改）来发展我们的科学观念。
考虑以下极限情况。假设如上例，但新增第五个特征E，且该特征为所有连词组合的公共特征，如（A&B&C&E）、（B&C&D&E）、（A&B&D&E）或（A&C&D&E）。这是否违背Wittgenstein所指的家族相似性定义？未必。以游戏为例，我们可以说特征E是游戏至少是（心理或物理的）活动。然而，活动本身难以定义游戏，也无法指定划界准则；许多活动并非游戏，如工作或赶公交。
在科学案例中，我们将看到某些特征为所有科学共有，但这些特征无法定义科学，也无法用于将科学与其他人类活动区分开来。例如，观察。我们无法设想一门科学学科在某一阶段不涉及或不依赖观察。但并非所有涉及观察的活动都是科学（例如在繁忙交通中过马路时的观察）。同样，我们无法设想一门科学在某一阶段不涉及某种推理；若无推理，科学将停留在朴素的数据收集阶段。然而，如前所述，推理虽为科学共有，却非科学独有。法庭上的法官或股市投机者同样进行推理，但他们并非在从事科学。
鉴于上述观点，我们可以说，所有科学共享一些核心特征（例如，收集数据和进行推理）。然而，即使这些特征具有普遍性，它们既不足以定义科学，也不足以将其与其他人类活动区分开来。伴随观察和推理的其他特征对形成科学学科特性的家族相似性特征有重要贡献。我们将在下文中采用这一修改版的多特征家族相似性。

30.5 科学的家族相似性方法

有许多被称为“科学”的项目，从考古学到动物学不等。（在此我们将排除数学这一特殊情况，因其非经验特性。）那么，这些被称为“科学”的事物有何共同点？家族相似性的概念告诉我们，这是一个错误的问题。我们需要做的是探究每一门科学之间的相似或不同之处，从而从零开始为每门科学学科构建多特征的特性集合。我们在第30.3节中引入的科学类别将为此任务提供便利。
从属于“探究过程”类别的项目——数据收集、推理和实验开始。尽管所有学科都采用前两者，且大多数学科（如粒子物理学和化学）具有实验性，但少数学科并非如此。天文学和地震科学便是例证，因在这些领域中实验根本不可能。我们无法操控天体；也无法通过操控地震来进行地震科学的实验（尽管存在复杂的地震探测技术，但这些技术并非我们所指的操控意义上的严格实验）。接下来考虑“目标与价值”类别及其下的预测项目。同样，大多数科学旨在进行预测，尤其是新颖预测，但并非都能成功。例如，天文学在预测行星位置方面极为出色。相比之下，尽管地震科学在预测地震大致位置方面表现良好，但在预测发生时间上却表现不佳。医学可以在特定条件下统计性地预测多种疾病的发生，但无法准确指出谁将患病及何时患病。
现在，让我们探讨不同科学学科在“方法和方法论规则”类别下的项目方面的异同。许多科学学科采用假设-演绎法（hypothetico-deductive method），该方法大致可以描述为推导理论的可观察结果，然后对照观察或实验数据进行检验。例如，粒子物理学和地震科学使用这种方法，但这些学科中似乎没有随机双盲实验的适用之处。相比之下，在循证临床医学科学中，假设-演绎法似乎不常用，而随机双盲实验是普遍用于检验的金标准方法。同样，一些非常重要的科学研究项目，如人类基因组测序，并不涉及太多的假设检验，而是数据驱动的归纳式探究，其中大部分工作由计算机技术完成。
最后，考虑科学知识这一类别，以及包含其中的定律、理论和模型等项目。家族相似性的概念也适用于此处，因为并非所有科学都可能拥有定律。例如，虽然物理学中显然存在定律，但生物学中是否存在定律仍是一个有争议的问题（Rosenberg 2008）。
在上面，我们提到了一些具体科学学科和一些特征。可以看出，对于任意选定的两门科学，它们在某些特征上彼此相似，而在其他特征上则不同。如果我们将这些特征视为定义科学的候选特征，那么就不可能得出基于必要条件和充分条件的定义。然而，如果我们采取家族相似性的方法，情况就会大不相同且充满希望。为了更具体地说明这一点，让我们将数据收集、推断、实验、预测、假设-演绎检验和盲法随机试验分别表示为 D、I、E、P、H 和 T。那么我们可以将我们考虑过的学科情况总结如下：
  • 天文学 = {D, I, P, H};
  • 粒子物理学 = {D, I, E, P, H};
  • 地震科学 = {D, I, P, H};
  • 医学 = {D, I, P”, E, T}，
其中 P' 和 P” 分别表示预测能力的不同。
因此，这四门学科都没有全部六个特征，但它们共享其中的一些。在其他特征方面，它们部分重叠，就像关系密切的大家庭成员一样。简而言之，它们共同构成了一种家族相似性。
请注意，为了传达“科学”是一个家族相似性概念的核心思想，我们目前为止仅考虑了作为认知-认识系统的科学特征。家族相似性的概念是否也适用于作为社会-制度系统的科学？我们认为是的，至少在某种程度上。所有科学学科都有同行评审制度和知识认证与传播制度。然而，并非所有学科都拥有完全相同的社会价值观或科学精神的相同要素。例如，“尊重人类和动物受试者”的规范不适用于不涉及人类和动物受试者的物理学和化学等学科，但“避免破坏环境”肯定适用。同样，尽管许多科学服务于社会功用，但有些领域（如宇宙学和粒子物理学的一些领域，如统一场论）在任何方面都没有明显的社会功用；它们的实践仅仅是为了满足我们对自然运作的好奇心。简而言之，科学在社会和伦理维度上也构成了多义的家族相似性集合。

30.6 家族相似性方法的优势

我们认为，家族相似性方法对于科学具有多种优点，包括理论和教学方面的。也许这种方法最重要的理论优点在于它系统且全面地捕捉了科学的主要结构特征，从而以教学上有用的方式容纳了科学教育中 NOS 研究的几乎所有发现，这些发现总结在第 30.2 节中。正如我们将在下一节中说明的那样，类别本身及其包含的项目并非作为离散实体孤立存在；相反，它们以多种方式紧密相关，形成一个整合的整体。因此，我们可以说：
科学是一个认知和社会系统，其探究活动具有多种目标，并通过其方法、方法论规则、知识认证和传播制度以及符合其制度性社会伦理规范的方式努力实现这些目标，并最终成功地产生知识并服务于社会。
这种一般性描述并非旨在作为科学的定义，而是为了表明科学的各个方面如何可以系统地编织在一起，形成一个统一的整体。
通过将科学作为社会制度纳入家族相似性方法，科学教育中 NOS 文献所强调的科学的社会嵌入性以一种新颖的方式被捕捉。说科学是社会嵌入的很大一部分含义是说非认知价值观在科学中起作用并影响科学。任何社会机构，即使是科学，也并非存在于真空中，因此各种社会、文化、历史、政治和经济因素都可能影响它。仅举一个显而易见的例子，资金强有力地影响着科学问题和研究议程的选择。各种非认知因素（性别偏见、意识形态、经济考量等）可能会影响数据描述、假设，甚至某些领域（如灵长类动物学和性别差异研究）的证据关系，正如女性主义科学家和哲学家所指出的（Longino 1990）。有时这些因素可能导致科学家偏离科学的伦理规范（例如，他们可能伪造或压制数据），从而对科学行为产生扭曲作用。然而，并非所有社会因素都对科学产生负面影响。事实上，科学精神和同行评审等机制以及开放自由的批判性讨论的最重要功能之一恰恰是为了最大限度地减少对科学的负面影响。科学精神和科学知识生产的社会体系对科学知识的可靠性做出了贡献，正如科学方法和方法论规则所做出的贡献一样。
在实践中，科学探究总是受到认知-认识和社群-制度“游戏规则”的指导，可以这样说。这赋予了我们早期论断的实质，即作为认知-认识系统的科学与作为社会制度的科学之间的区别是为了分析目的而引入的概念区分；但在实践中，两者是密不可分的。
科学的历史性、动态性和变化性可以通过家族相似性方法自然地加以适应，其开放性类别允许在每个类别中出现科学的新特征。例如，从历史角度来看，我们看到许多科学学科，如物理学、化学、电学和磁学，直到十六世纪和十七世纪发生的科学革命后才变得数学化。同样，假设-演绎法在同一时期首次被清晰地阐述并确立。诸如在生命科学领域对人类受试者进行实验时应采用盲法程序等新的方法论规则直到二十世纪才出现。许多科学伦理规范也是如此。因此，家族相似性方法融入了科学的动态、开放性本质。
家族相似性方法的一个独特优点在于，它既充分体现了科学学科之间的差异，同时又通过强调它们之间的相似性和部分重叠来解释它们的统一性。正是这些“家族联系”的存在，证明了我们将“科学”标签应用于从考古学到动物学等各种学科的合理性。科学的统一性是一种多样性中的统一性。早些时候我们指出，观察和推断是所有科学学科共有的特征，尽管它们并非科学所独有。所有科学学科另一个特别重要的共同特征是它们固有的自然主义——这是一个在 NOS 文献中未受到足够关注的特征。我们在讨论第 30.3.1 节中的科学解释概念时已触及这一点，现在能够更充分地阐述它。
科学仅诉诸自然实体、过程和事件；其解释方式、目标和价值观、精神、方法和方法论规则以及知识认证体系中不包含任何超自然或神秘的成分。科学自然主义并非哲学家发明的科学补充；相反，它内在于科学。正如 Robert Pennock 恰当地指出，它是科学的“基本规则”，基础到很少被明确提及（Pennock 2011, 第 184 页）。强调科学这一方面的重要的科学改革文件之一是美国国家科学教师协会关于 NOS 的声明：“科学，顾名思义，仅限于自然主义方法和解释，因此，在科学知识的生产中不能使用超自然元素”（引自 Pennock 2011, 第 197 页）。科学自然主义渗透到科学的方方面面，从头到尾。因此，它描述了科学的一个核心方面，有助于其统一性。
家族相似性方法的最后一个优点在于，它不带有实在论、实证主义、经验主义和建构主义等哲学预设。一个人可以根据自己如何阐述家族相似性方法中每个类别下的每个项目来采用其中任何一种观点。例如，实在论教育者可能希望强调真理作为科学目标，涵盖可观察和不可观察的实体；而那些倾向于建构主义的教育者可能满足于可行性，前提是他们告知学生在此问题上存在其他观点。因此，他们可以根据自己的哲学取向为家族相似性方法添加内容，或者由于时间有限、课堂水平等压力而完全避免讨论这些哲学问题。

30.7 教授家族相似性方法：若干建议

从家族相似性的角度教授 NOS 可以从介绍科学的类别开始，然后展示它们之间是如何相互关联的。一个自然的起点是探究过程，因为所有学生都在不同程度上参与其中。在这种背景下，可以提出许多有趣的问题。观察是被动的活动吗（提出此问题是为了说明数据收集通常是由科学问题和理论驱动的）？观察与实验有何不同？同一组数据可以通过哪些不同方式解释？等等。接下来，教师可以探讨探究过程、目标和假设（或模型和理论）之间的联系。这种联系可以非常自然地引出，因为探究过程是活动，而几乎所有活动都有某种目标。可以提出的一些问题如下：做实验的意义是什么？观察和实验数据与假设、理论和模型有什么关系？这个理论能解释那组数据吗？如何设计实验来检验某个主张？这些以及类似的问题使得教师能够阐述几点：数据为假设、理论和模型提供证据支持或反对；进行实验是为了检验它们；可以通过从假设、理论和模型中推导检验预测（如假设-演绎法）来进行检验。上述问题也为教师讨论诸如“检验”、“实验”、“理论”、“定律”和“模型”等关键科学概念提供了极好的机会。
另一个富有启发性的问题是询问科学如何实现其目标，这促使我们探索不同科学类别之间的关系。这可能会引出科学方法和方法论规则的概念。在这种背景下，至少可以提出三点。首先，科学并非随意地实现其各种目标，而是通过运用多种方法和方法论规则。借助这些方法和规则，科学产生可靠（尽管可能出错）的知识。特别是假设-演绎法，能让学生清楚地看到这一点。科学预测并非总是正确，当出现这种情况时，意味着科学家在某个地方犯了错误，他们必须修改一些主张。通过这种方式，科学可以消除错误，并产生更可靠的结果。
其次，方法和方法论规则并不能决定科学家在其探究的每一步该做什么。讨论这一点可能有助于学生认识到科学方法和规则并非从数据生成理论（或模型）的机械程序。因此，理论构建始终需要丰富的想象力和创造力。为了激发创造力，可以邀请学生提出能够拟合或解释同一组数据的不同假设。
第三，尽管存在方法、方法论规则和价值观作为评价竞争性理论的标准，但科学家有时可能会基于相同的证据得出不同的结论。当没有一个理论能同样好地体现所有认知-认识价值，并且不同科学家在面临选择竞争性理论时对这些价值观给予不同的侧重时，就可能发生这种情况。例如，一位科学家可能更看重成果，另一位可能由于对美学考量的优先考虑而更看重简洁性（在这种情况下，就会对哪个理论更好产生分歧）。一个接近这种情况的历史例子是科学革命早期亚里士多德-托勒密地心说与哥白尼日心说之间的争论。教师可以讨论这个案例，作为科学家之间理性分歧的例子，这种分歧绝不意味着他们行为武断，尽管他们在权衡价值观时可能有主观（个人）偏好。因此，正确理解主观性并不意味着武断行事，这正是库恩（Kūn 1977）的全部观点。通过这种方式，学生可以看到个人（主观）因素和主体间（客观）因素如何在科学理论选择中发挥作用。
一旦学生掌握了“探究过程”、“目标与价值观”以及“方法与方法论规则”这几个类别，就可以直接介绍第四个类别：科学知识，特别是理论和模型形式的科学知识，是在科学方法和方法论规则指导下，追求真理、可检验性、预测等目标的成功科学探究的最终产物。然后，教师可以提请注意并解释已经显现出的科学知识的特征（例如其经验性、客观性和主观性、其可靠性或暂定性、其对创造力的依赖性）。
至于作为社会制度的科学教学，我们重点关注两个类别：科学精神和科学知识的社会认证。对于这些类别，尤其需要强调它们在科学知识生产中的作用。学生必须理解，诸如学术诚实和开放性等伦理规范以及同行评审和自由批判性讨论等社会机制，与实验等探究过程或使用假设-演绎检验等方法在生产可靠知识方面同样重要。通过邀请学生思考如果科学家伪造数据或在没有充分批判性讨论的情况下接受一个观点或理论会发生什么，可以有力地说明这一点。

30.8 总结

本章的主要目的是提出一种理解“自然”一词的新方式，因为它在“科学本质”（NOS）这个短语中被使用。在科学教育的背景下，“科学”是一个广泛的概括性术语，通过提出本质主义的“自然”论述或为科学指定一套必要和充分条件来捕捉它，这会带来问题。也不能通过列出一些少数特征来捕捉它。列表的问题在于，为什么某些特征被包括在列表中而其他特征没有，这仍然是武断的；并且，当给定这样的列表时，如何进一步讨论列表中未提及的特征，仍然不清楚。我们的答案是建议家族相似性或聚类定义方法——这是一种在哲学中发展起来的方法，旨在克服本质主义、必要和充分条件以及前面提到的列表的问题。因此，我们的事业更具哲学性，而不是针对经验性问题，例如教师和学生可能对 NOS 有何种理解，或者哪些与 NOS 相关的问题可以在课堂上讨论。尽管如此，我们提出的“自然”的家族相似性概念并非与这些经验性问题不相关。它所做的是以我们希望具有启发性的方式“解放”人们处理这些问题的方法，而过于僵化的“自然”概念可能会掩盖这一点。

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