1、 163 科学本质的体认 陈文典 国立台湾师范大学物理系 摘要：科学是一种以真确的事实为依据、提出能对事实加以合理诠释的想法与理论，并且在这些想法及理论之中又能经由逻辑思考建立起协同一致的、不相互矛盾的、可以相互援引的知识体系。科学可说是人类所建构出来（或发现出来）最可信赖、最信实可靠的知识，常被认为是真的表征。不过，若要去确知科学知识是否为真，不仅要从科学知识的确实性、一致性、逻辑性去考核，更要从获得科学的过程与方法上去检验，有时可由它的可验证性、可推测性等运用的成效去考验。 引言：科学 是真的表征？ 人类有一种能力，也是一种很难抗拒的本能冲动；即是对于某一类的现象会先在心中建立一个想法，然
2、后偏取有利于此想法的事件来当证据，运用此一想法把这些事件串接起来加以诠释，建构出能自圆其说的理论，进而沉湎在自以为协同一致的认知之完美感中。这是人们建构概念的一般过程，人们经由这些心智活动，累积了许许多多的知识及一系列自己信以为真的想法。 若是我们在享用自我建构而成的科学知识体系时，还能够随时的观察新的现象、尝试运用别的角度去检视已往的论据、有机会遇到见识更广博人士的考验、反复去检核获得知识的过 程和方法的可靠性、发现依照原有理论去推测的事件并未发生、 ，意思是不断地考验知识的真确性及合理性，那么，自己心中的知识体系将会更趋坚实完美（或更趋于顽强自闭假如你的考验态度不够开明的话！） 我们怎么知
3、道自己这么一路走来，所建构的科学是真的呢？我们要怎么才能够警觉自己对自我的知识体系的考验态度是开放的、明智的、公平的、不偏漏的呢？ (按：这种自我考验、自求精进的心智活动能力最近被冠以一个专有名词行动研究 Action Research，被当成是一种能力来培养 )。 164 其实，以上我们所提出人 们应对科学知识作不断的考验及质疑的做学问态度，一点也不新。因为，历代的先贤们在智识的追求上，已经警觉到这些问题的存在；古代的哲人老早就在做学问方面提示我们学而不思则罔、思而不学则殆（即：一味的听取、吸收各方的说法和报导，而不加以逻辑思考、检验论据、检视理论的协同一致性、可再现性 ，那么，最后累积下来
4、的就是一团没有结构、不能推广引用、杂乱零碎且未必成立的记忆。另一方面，若只是先想好一套理论，自满于有限范围内的可运用性，不再去观察新的事件、尝试运用别的角度去检视 ，那么，这套理论也就是局限的、不 能壮大的、甚至于可能不健全的！）。又以苟日新、日日新来敦促我们要不断地增广见闻、不断地反省思辨。有时又加上一些警惕的话（反面叙述）：不迷信、不妄言、不刚愎自用、不自以为是（天底下有人承认自己是这样子的吗？）。这些都是求真的方法，今天只是改用现代的语汇来陈述而已；可能比较详实，可是也显得比较累赘。 本文主要就是要来讨论科学的真确性问题，并且希望透过这项讨论，来增强行动研究的能力。以下是我们讨论的内容：
5、五个要项、四个注文及参考文献： 一、真金不怕火炼善（擅长）知识 二、科学 本质的意涵 三、如何增进学生对科学本质的体认 四、对科学本质的体认之评量 五、结语 注一：由各种向度去体认科学本质 注二：美国 2061 计划中的科学本质指针 注三： MSPAP科学本质指针 注四：科学本质分段能力指针 六、参考文献 一、真金不怕火炼善（擅长）知识 建立在非真的想法就是妄（它就像肥皂泡里的美景，吹弹即破，但却也迷人！）。没有人愿意把自己往后的行动寄托在一个虚妄不实的目标上。问题是：我们往往事前并不知道它是虚妄的。所以，不断地检验（或考验）科学，应是避免使自己落入迷 惘或迷信的不二法门！只是，怎么去做呢？
6、以下是经常用以考验的三个向度；由科学知识本身的确实性、一致性、逻辑性去考核，由获得科学的过程与方式的严谨度去检验，及由科学所发挥的功能去考验。 165 1.科学知识的确实性、一致性、逻辑性要不断地被考核 科学的探索，基本上是一个破除迷妄、改变观点的历程。 不管是什么现象、什么事件的发生，人们都会先在心中有一种看法或据以用来诠释现象的理论，即使是在最匆忙及暂时性的情况下也会在心中先有一个假说或预想。只是，因为科学概念能不能被接受并不是只有能完满解释目前的现象而已，实际 上它也要能够解释已往的经验，且不得与其它的想法有矛盾或冲突的情况，所以它的考验是不断地、且多面的。我们在此要来讨论这些考验，藉此
7、可了解现有的科学知识之本质。 科学家们不断地对自己所正在探索的现象作观测，已往是用五官，现在则更引用电子显微镜、赫伯望远镜、及各种先进科技研发的仪器来观测，他们所发现的现象均可以用有限的理论或想法来加以诠释、理解。若是他们发觉有一两个现象是以前所未见过的、或是现有理论所无法理解的，那更是他们最大的期待，也是他们辛勤工作最丰厚的报酬一个科学上的突破。从这些科学知识的生产 工厂 (研究室、实验室、考古工地、 ) ，科学家的努力工作态度中，我们可以体验科学的本质；它是有事实依据的、是严谨的、是理论一致的，而科学家本人必需是富想象力的、有创意的、不教条的、不固执的、 。 有的科学研究者并没有动手去做实
8、验（虽然他也知道实验室里在做些什么、做了些什么）。但是，他的逻辑思想非常严谨、细致而清晰，于是，他综合一些零散的证据建构出统一的理论（例如 亚佛加厥 提出同温、同压、同体积的气体，含有相同的分子数是依据 查理 的温度与气体体积关系的定律、 给吕萨克 的气体体积反应定律、 波以耳 的气体压力与体积关系定律等数个定律而提出的假说）、或是他重新调整一下科学概念的定义，而使各种论述得以协调一致（例如 爱因斯坦 以操作性定义时间与空间，而重建时空与坐标之间的论述，而提出特殊相对论）。 直接从事科学的研究，以严谨的、精细的、切实的、负责的态度去探索，以富想象的、创造的能力去解决问题、建构想法，而且是非教条
9、的、不管权威只顾论据的、接受众多研究者的公开批判、 如此情况下提出并为大家所接受的知识，必然先天地具有信实可靠的特质。 既使经过如此严谨的考验，我们也常可发现有些科学知识或理论仍然有被修改或废弃不 用的情况发生（例如以太的概念、宇称性的存在概念）。只是，这种情形很少发生；若是有，也总是在有新的现象被发现或一个更简单、更具涵盖性的理论被提出之后。 我们可以自己从事科学研究、或由科学家的研究活动中去体验科学，这样就更能认识科学的本质。 2.对获得科学的过程与方法要作严谨的检验 有许多学者运用他山之石，可以攻错的策略，例如从科学的发展史上去检视；人类如何经由不断地观察、实验、省思、更改、再造、 逐渐
10、获得一些信实可靠的知识。追溯科学概念发展的历程中，我们可以得知人类如何扬弃糟泊、如 何精炼出颠扑不破的理论。这一方面的史迹常可彰显人们形成科学的过程和方法方面的特质； 166 例如 亚里斯多德 （公元前 384322）藉由他观察所得的事实，发现落下的物体中，重的物体（如石块）总是比轻的物体（如鹅毛）先着地，例如生活中我们在筛一盆轻重混杂的石砾，也总是重的沉底、轻的浮面。于是他提出一个重物比轻物优先落地的想法（理论）。这个理论一直被沿用，直到 伽利略 （公元 15641642）对轻重不同的铁球之重力加速度作准确的度量之后才发现所有的物体受到地球引力的作用，落下的加速度都一样，它们之所以不同是因
11、为落下时受到空气阻力的大小不同的缘故。于是，人们重新以这个观点来诠释所有的落体现象，觉得更为合理而简单。此一概念改变的事件，显示出科学的一些特性；它是以事实的左证为依归的，所谓的事实要有确切的观测，而且能被接受的理论要能够诠释所有的事实、 。 例如星球运转轨道的发现过程；由于人们一直是立于地球表面去观测这个宇宙，所以描述各行星的运行都是以地球为中心，依观测时星球所在位置视角的变化来绘制，于是有 托勒密 的宇宙模型的想法（地球为宇宙中心，各行星、太阳分别以此为中心作圆周（或在圆周上附加周转圆）轨 道运行）。这种想法，一直到 哥白尼 （公元 1543 年）提出以太阳为中心的太阳系行星轨道的绘法时，
12、人们才发现原来事情是这么的简单！虽然这只是换一个角度来看这个世界而已，可是，这一步却是很不容易跨出呢！ 另外，由于人们对星球总是带着神秘及崇敬之心来看待，又相信圆是一种完满无缺的（人们心中的图腾），因此，有关星球运动的轨迹，大家都认为应是圆的，这个图腾一直到 刻卜勒 （公元 1619 年）利用 第谷 对行星运行轨道长期观测的资料作仔细的分析之后，才提出星球轨道可以是拋物线、椭圆及圆的。此一科学概念重建的史迹，充份表现人类 旧有图腾（信念）之影响既无形又有力，也显示仔细观测与分析的理性威力。以及运用新观点再看旧经验的拨云见日的发现之喜悦。 由科学概念发展史的追溯，再现人们如何运用科学性思维来建构
13、知识的心路历程，我们可以从中体验到建构科学的过程及方法的特质。 当然，现阶段发生在研究室、实验室里的科学探索活动，其发表出来的成果及结论是否能被接受，重点还在于形成此知识的过程及方法之严谨性考验。所以，科学也可由正在执行的科学研究活动中去检验。 能够运作形成科学的过程与方法（它不是一种制式化的、可以套用的过程 ，只可以说在处理问题中应掌握某些特质、符合某些要求 ），也可算是一种科学知识。科学的探究方法常被运用来处理一般问题，由于这种做事的过程、方法与态度获得极高的成效，发现它即合理而有效，因此而相信藉此方法获得的科学知识公信力应极高。 3.由科学所能发挥的功能去认识科学 有时候，我们要认识某一
14、事物，是从它发挥出的功能去认识。科学知识的信实可靠不是因为它是由某位有信誉的学者所提出、也不是由于科学家多么辛勤的努力所感动，而是因为它应用起来成效辉煌； 167 例如某人生了病，由病征上判断是 A型病毒感染，于是，在显 微镜（或化学药剂检验）下，果然发现病毒的踪迹！ 例如某一实验发现在低压及高电位下，真空管会有电浆产生并且会作电磁辐射，于是，另外一个实验室的研究者，只要把环境条件备齐了，同样的事件必然发生！ 这类的考验，叫科学的可验证性。许多科技的发明，就是将事件发生的必要条件设计出来，而使事件必然地发生。 有些科学知识被接受，并作为对其他现象认知的基础，即作设 A为真，则 B必亦为真、或
15、C 必伪 等等的推论，而且屡试不爽，所推测的事件必然发生（假如他的推论过程很严谨、假设的条件都成立的话）。 我们对科学知识 的各项检验；由科学知识本身、由形成科学的过程及方法、由科学发挥的功能等三个角度去讨论，发现科学知识一直处在于接受公开批判的地位，而这些批判都是以确实的事件为依据的、非教条的、非个人权威的方式在进行，所以，它是可更改的、可发展的，也因此它是具有成长性的知识。虽然它是开放的、可更改的，但并不意味着它会一夕惊变，其实它是非常信实可靠的。 二、科学本质的意涵 科学本质（ The Nature of Science）指的是什么？ 这是一个什么样的问题！它有什么意义？ 假如有人问 莫
16、奈 （ Claude Monet 1840-1926，法国印象派画家），印象派的画风有什么特质？我想 莫奈 可能会茫然不知这是个什么问题，也无法作答！可是，作为一个绘画的鉴赏者、享用者或画商，则如何去辨识印象派的特质，就成为一个重要的课题。 科学家从事研究工作，自然有他的一套行事准则及研判资料的方法，可是，他未必能够说出什么才是科学？。不过，这并不意味着去鉴别科学或非科学是一件没有意义的事。至少，在这种科学威力盛行的时代，许多虚妄的、假借科学之名的说词必然会混迹于科学之间，故科学本质的体认成为一项很重要的科学素养 。 面对着科学，我们要来认识它、体验它，也就是要洞察它的本质，那得怎样来进行呢？
17、 在本节中我们着重在科学本质意涵的界定；要界定一个广泛的概念（如科学本质），最安全的办法是用列举的方法或引用正负面陈述的方法，说一些什么是科学什么不是科学的论述，而留下模糊的地带不予处理，我们就是打算这么做。 国内外有许多学者（郑涌泾、周美雪、张丽珠（ 1989）、林显辉（ 1991）、蒋佳伶、郭重吉（ 1994）、林陈涌（ 1995， 1996）、洪文东（ 1996）、翁秀玉、段晓林（ 1997）、陈文静、洪振方（ 2000）、黄万居、李悦美（ 2003）、巫俊明（ 2002）曾对科学本质作了很深刻的探讨。本文是一种说明性的文章，所以将引用他们的经验及论述来当基础。 1.说文解字话科学知识本
18、质： 168 在探讨科学本质的意涵之前，我们得先进行一段简短的说文解字，以便确定所谈论的词汇； 知识一词的意涵，不仅包括文字、语言、符号所能记述的（我们常称为陈述性知识（ Declarative knowledge）如概念、定律、想法、理论 等这类知识），也应包括有如何观察、抉择、判断、归纳、推理等心智运作的能力（我们常称为 程序性知识（ Procedural knowledge），有的学者还是认为以上二分法尚且不够完备，加上一种对整个事件前后发展脉络的认识及事件意涵的诠释及价值的判断等这种知识（称之为插曲性知识 Episodic knowledge）。 科学知识也应如是观！故它不只限于教科书
19、上所记述的知识，应也包括如何解决问题、如何规划实验、如何操作仪器、分析资料 等等知识（或称能力）。 本质是某群成员所共通具有的特性，可用以区辨不同群之间的差异。因此，要能显现出科学特殊性质，应在科学、非科学、准 科学之间多加比较，而且比较的向度也可能因为有了新的发现而增加。故科学本质的内涵是一个没有明确边界的范畴。因此，我们运用例举的方法（集思法）来描绘。 169 对科学意涵的审思 林陈涌（ 1995）在他的了解科学本质量表之发展与效化一文中（ P.33P.34）有一段论述（以下有的内文均为原文直接引用）： 自笛卡尔三百多年来以机械论为中心哲学的科学思潮，将自然宇宙比喻成一个精准的机械，相信自
20、然世界的运行是依照其内在定律即自然律的规范。Whitehead(1967)认为这个信仰源自中世纪对于 上帝理性的坚持，而且自然律的每一个运行细节都被上帝监督着和命令着。科学家的工作就是运用科学方法观察与实验去探讨发现存在于宇宙中的自然律。这样的科学呈现的影像主要有三点，首先，科学方法的客观及理性；其次，科学知识的绝对性；最后是，个人在整个科学的过程是可忽略的。 Berman(1981)认为接受这种去人性的客观与绝对性的真理之科学影像，是人类解除对宗教着魔后的再一次着魔。 本世纪初以来的实证主义以逻辑分析为方法研究静态的科学知识，其企图与结果正是反映上述三个传统影像。然而近三、四十年来以科学史个
21、案研究法的科 学哲学及科学社会学，提供人类对科学更丰富的看法及了解。科学历史个案的经验（ Empirical）研究及成绩披露了科学事业的实然，给予传统的科学哲学只重思辨的应然产物一个强烈的挑战。 Abimbola（ 1983）将近年来科学哲学的研究成果称为新科学哲学以别于传统以逻辑实证主义的科学哲学，他整理出六个很清楚的表现出科学本质的新科学哲学的特点： 1 我们已经具有的知识、理念、和学说会很大程度的决定我们的观察结果，因此观察本身就是理论负载（ Theory-laden）的。 2 科学家在已接受的典范、假设、或研究架构内进行科学活动。典范本身决定了甚么问题该被处理、甚么设备该被使用、及甚么
22、推论技术与模式该被应用。 3 正式的逻辑已不再被认为是研究分析科学的主要工具，取而代之的是，倚赖详细的分析科学史。科学问题的最后仲裁是科学社群。 4 科学的核心在于不断的研究与批判，不是在于被接受的知识。 5 科学有两个面相：常规科学与革命科学。常规科学在一个共同的典范下进行，并导致科学 革命。科学史上最重要的事件是科学典范的革命，因此科学的进步不是累积性的。科学革命代表典范的改变，新旧典范之间没有共量性。 6 新旧典范之间没有共量性，所以观察所得的数据在新旧典范中不代表相同的意义。 170 这六点正好与前述三点传统科学影像截然不同，首先，科学的观察过程与实验设计已被个别科学家所服膺的典范所浸
23、润，客观与理性的科学方法是不存在的。其次，科学知识的权威不是绝对而是暂时的与局部的；不同典范之间由于评估准则不同，科学知识的意义有了不同的认识。最后，科学家与科学社群在科学知识的取 舍过程占有相当重要的地位，其所接受的典范或其它信念正是指导科学活动的准则。 我们想一想，一个充满理性主义色彩、一个禀承建构主义的哲学观两种观点来看科学这门知识，竟然会有如此的不同，科学本质之不易确定，可见一斑。所幸我们在辨析科学或非科学之际，仍未到如此词穷匕见的地步（要来确定这些科学知识是事先存在于大自然之中，或是人类自我建构的认知体系，以目前的科学发展状况，两者都可以说得通，所以，可以把它当成是个人所持的一种信念
24、而已，影响不到取舍、分辨的地步），所以我们可以把这种知识论的 争论，暂且搁置。 2.科学本质的内涵 科学是一门具有特殊性质的知识； 我们由林陈涌（ 1995）、邱明富和高慧莲（ 2004）及黄万居和李悦美（ 2003）在他们的论文所搜寻相关的文献中（见注一：由各种向度去体认科学本质），可以把人们如何去鉴别科学大致上分成几个向度（见注一之表三：科学本质的内涵）；科学知识的特质、科学性探索活动的特性，以及科学所发挥的功能等，兹分叙于下： 1 由人类研究科学的原始动机去体认科学本质 人类研究科学的原始动机应是一种基于免 于困惑的心理要求。科学性的探究原本崇尚唯真的、价值中立的，藉此摆脱迷惘的、困惑的
25、、权威性的、独断的因素之影响。 改用列举的、条目式的陈述： 科学的探索是人类的一种求知活动，是人类心理成长的本能。 科学探索的基本驱力为人们对外在世界的好奇心，研究的领域是开放的，即不受宗教、政治等的限制。 相信这个世界是可以被理解的（或是相信人有能力可以理解这个世界）。 科学探索中基本的信念是事物的演变有其因果，而且因果有其必然性。 171 2 由科学知识呈现的特质去体认科学本质 科学是人们创造出来的、建构出来的；它虽然是有经由确切发生的事实之考验、也有逻辑上的论证，算是比较信实可靠的知识，但是，基本上它仍是至目前为止，人们所能想出来最能诠释现象的理论，至于未来由于改变新的观点、或有新的论据
26、出现而提出新的理论，也是有可能的！科学知识的可信度可以由它的论据确实性、可验证性、逻辑性、理论间的协调一致性、开明性、可调整性等来考验。 改用列举的、条目式的陈述： 科学是具有逻辑性及协调一致性的知识体系。 科学知识（包括物质科学、生命科学、 ）其基本理论、定律间均应具有逻辑性及协 调一致性。 科学知识可以运用来推测可能发生的事物。 科学知识可以用来解释或诠释发生的事物。 当新的观点出现时，旧有的事物会获得不同的解释，人们则选择最能圆满诠释的理论。 科学知识因其具有推测力及可重现性而获得信任。 科学知识乃须经由不断地观察、确实论据的支持、理性的辩证之考验。 因此科学概念的发展是动态的、有机性的
27、，而不是信息的累积。 科学知识的极限是仅能表示该概念的有用及无误，而无法保证它永远正确。 科学知识的演化，其本质上是在追求包容性更大、更简洁、更能精准诠释事物的概念。 尽管科学知 识是较信实可靠的，但它却也是开明的、可更动的。 规则性、法则、定律、原理等是指依据论据所归纳出来的规则，有其适用的范围。假说、想法、理论、模型是人们臆想创造出来的，运用演绎推理可以圆满的诠释各种现象，即被接受（信以为真）。 科学知识并非代表真理；常有其适用的范围之限制，而且也可能因为新的论据之发现或以新的观点来解释而产生不同的知识。 科学理论或模型仅是某些现象表征的代表，未必完全吻合其真实的实况。 科学是人类思想的产
28、物，应是文化的一部份。 3 由获得科学知识的 过程与方法之特性去体认科学本质 经由科学性的探索所获得的认知及见解，称为科学知识。那么，所谓的科学性的探索究竟所指为何？ 首先科学概念是建立在发生的事实上，所以确实而有效的观察（或观测、或设计实验）是首要的第一步（只是，大半的观察是有所为而为的、有目的的，所以它总是事先蕴含有想法或理论的，故常有没有那种概念，就看不到那种现象的情形）。观察得以使我们发现事实、获得讯息。但是，在获得科学概念的过程中重要的是解释172 讯息，它使讯息成为有意义的资料（在解释的过程中，已含有个人先前的 经验和偏好，所以资料并非完全的中立）。紧接着将诸多资料加以分类、归纳及
29、研判它的规则性或察觉其显示的特质。这些整理及分析的工作其实都是在个人的旧经验、固有的认知体系下操作的，所以，必然含具有个人文化惯性与主观意念，不过，它仍需要具有实证性（这个实证性原则在物质科学中是必要的、做得到的，可是在社会科学中常常只是一种伦理性的、道德上的呼吁）。 我们常称科学的方法，有归纳法与演绎法。其实，究其根本仍只有演绎法。在演绎法中，需先于心中设定一为真的理论，再依逻辑推理去诠释、预测应有的结果，若是所呈的 现象符合此推测，即表示理论已受到验证。在归纳法中，表面上是由诸多资料中去作分类，找出规则性，其实，在进行分类、推断及研判的活动时，必须在心中先建立一些看法，才能够进行下去。 虽
30、然这些看法可能是暂时性的、未周全稳固的，但是，仍然需要事先建构的。因此来推想，归纳法的心理活动，实际上也是一种预设看法为真的后续逻辑推理的活动，应也是演绎法。 只是，如何先在心中建立一些看法、理论、模型呢？其根本在于人的想象力与创造力。也即是在心中建构这些设以为真的概念、理论等，其实都是个人顿悟的结 果，也是一种心智上的创造。 总结言之，所谓科学性的探究，基本上它是实证性的（可是它却仍含有个人想法和观念的，即蕴含有理论因素）。在如何获得确切的论据中，它并非循一个固定模式就可以达成的。由其心智上的活动来说，在建构想法、概念、理论时是具有想象力、创造力的，在应用推广时是具有逻辑性的、是演绎的，在研
31、判结果、作决定时是具有决断性、冒险性的。 改用列举的、条目式的陈述： 科学性探索是探究自然界的一种思考方式。 在做科学性的探索时，研究者需要具有批判及质疑的态度去考验既有的想法、理论才能够察觉问题 。 在科学探索过程中，有创设假说及实地验证的过程。 论据是发生的事物与心中的理论间建立逻辑性的呼应。 在收集及解释资料中，人们心中预先已有对此事的概念。 科学探索的过程中步步需要研究者的直觉、灵感及想象力来处理正在发生的事物，尤其是在提出研判结果、理论的时候更需要想象力与创造力。 科学理论（或假说）的提出需要想象力与创造力，只是具有丰富的资料及事实记述。未必能形成理论（或假说）。 科学的观察既已隐含观察者内心的想法，不可能中立。但是，仍然要与客观的事实当论据。
