1900年4月，在英國皇家學(xué)會(huì)，德高望重的開爾文勛爵進(jìn)行了一場演講，他說：“十九世紀(jì)已將物理學(xué)大廈全部建成，今后物理學(xué)家的任務(wù)只是修飾和完善這座大廈。動(dòng)力學(xué)理論斷言，熱和光都是運(yùn)動(dòng)的方式，但現(xiàn)在這一理論的優(yōu)美性和明晰性卻被兩朵烏云遮蔽”“第一朵烏云出現(xiàn)在光的波動(dòng)理論上，第二朵烏云出現(xiàn)在關(guān)于能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上”。正是這“兩朵烏云”，在此后100多年來打破了經(jīng)典物理的大廈，建立起近代物理學(xué)的兩大支柱—相對論和量子力學(xué)。這件事告訴我們，科學(xué)研究無止境。

1964年，蘇聯(lián)天體物理學(xué)家尼古拉·卡爾達(dá)舍夫提出一種基于能源利用率的智慧文明等級設(shè)想。一級文明被稱為行星文明，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于0.7級。二級文明被稱為恒星文明，指的是能利用所在恒星系統(tǒng)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(jù)卡爾達(dá)舍夫的說法，科學(xué)還只是剛剛起步，有無數(shù)的未知等著去探究。

科學(xué)教育最重要的就是讓孩子知道，我們知道的所有知識(shí)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(xué)教育的核心理念和方法。

【資料圖】

萬物皆可研究，源于人類思想的不斷解放

科學(xué)對自然現(xiàn)象和規(guī)律的發(fā)現(xiàn)實(shí)際上是對自然世界運(yùn)行與進(jìn)化過程的還原，而不是在創(chuàng)造一種新的現(xiàn)象，因此自然規(guī)律被發(fā)現(xiàn)一段時(shí)間后就會(huì)讓人覺得可以被理解，甚至?xí)X得很平常。但是，如果站在規(guī)律發(fā)現(xiàn)者的時(shí)代背景去看，那就會(huì)對重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)有完全不同的感受。

望遠(yuǎn)鏡是荷蘭眼鏡商漢斯·利伯希于1608年發(fā)明的，當(dāng)時(shí)人們用它來看遠(yuǎn)處的風(fēng)景。伽利略卻用望遠(yuǎn)鏡觀察星空，先是觀測到月球的高地和環(huán)形山投下的陰影，接著又發(fā)現(xiàn)了太陽黑子，此外還發(fā)現(xiàn)了木星的4顆最大的衛(wèi)星。亞里士多德基于觀察認(rèn)為重的物體比輕的物體下降快。伽利略卻用思想實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)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(gè)大小不同的鐵球同時(shí)落地”的實(shí)驗(yàn)，糾正了“物體下落速度與重量成比例”這個(gè)持續(xù)了1900多年的錯(cuò)誤結(jié)論，更重要的是開了自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)的先例。對上千年被奉為經(jīng)典的結(jié)論進(jìn)行質(zhì)疑，又用實(shí)證的方法檢驗(yàn)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(xué)發(fā)現(xiàn)都是一次人類思想大解放的過程，是對自然現(xiàn)象全新角度的洞察，還有超越好奇心的勇氣和對真理的堅(jiān)持。反過來看，對科學(xué)發(fā)現(xiàn)的限制也來源于人類思想的局限性，如果人們的思想觀念沒有到位，經(jīng)常會(huì)對重大的發(fā)現(xiàn)視而不見。就如與伽利略同時(shí)代的知識(shí)分子拒絕透過新發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡觀察天空，因?yàn)橛行┤苏J(rèn)為望遠(yuǎn)鏡是騙人的，還有些人則認(rèn)為天是上帝的世界，去觀察上帝的世界是一種褻瀆。

科學(xué)的局限性還體現(xiàn)在技術(shù)的發(fā)展水平上，這比較容易理解。如果沒有望遠(yuǎn)鏡，第谷就不會(huì)那么清晰精準(zhǔn)地觀察和記錄行星的運(yùn)行軌跡；如果沒有圓錐曲線這個(gè)數(shù)學(xué)工具的支持，開普勒也難以從第谷記錄的浩瀚數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)行的三大規(guī)律；如果沒有微積分的發(fā)明，牛頓也很難站在第谷、開普勒等巨人的肩膀上推導(dǎo)出萬有引力定律并寫出《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。因此，一旦技術(shù)方面有所突破，又會(huì)產(chǎn)生新視角、新層次的研究機(jī)會(huì)。

科學(xué)必然永遠(yuǎn)始于問題、終于問題—愈來愈深化的問題，愈來愈能帶來新問題的問題，最終可能復(fù)雜到無法用科學(xué)的邏輯去歸納，無法用控制變量的方法去實(shí)驗(yàn)，無法用人類有限的智力去思辨……也許人工智能技術(shù)可以突破人類有限智力的限制，萬物皆可研究的大機(jī)會(huì)將再次來臨。

萬物皆可研究，源于人類對自然世界認(rèn)知與理解的復(fù)雜性

對世界認(rèn)知的復(fù)雜性包含著非常深刻的哲學(xué)問題，且存在不同層面的三種情況，這三種情況都蘊(yùn)藏著無數(shù)的可研究機(jī)會(huì)。

第一種情況是：觀察者的位置與被觀察對象之間的關(guān)系會(huì)使被觀察到的現(xiàn)象產(chǎn)生巨大差異。比如，“盲人摸象”“管中窺豹”呈現(xiàn)了在外部不同位置觀察產(chǎn)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(nèi)部，則會(huì)產(chǎn)生“只緣身在此山中”的觀察困惑。而人類總會(huì)通過各種辦法不斷解決這種由于觀察位置帶來的復(fù)雜現(xiàn)象難題。萬物皆可研究就是強(qiáng)調(diào)，可以通過視角和觀察位置的改變實(shí)現(xiàn)多角度的科學(xué)探究，每一朵鮮花、每一塊泥土、每一個(gè)晴朗夜空都是科學(xué)探究的好機(jī)會(huì)。從這個(gè)意義上說，農(nóng)村地區(qū)也富有科學(xué)教育資源。

第二種情況是：由于觀察者自身因素，觀察對象會(huì)“產(chǎn)生”不同的現(xiàn)象。這看上去有點(diǎn)唯心主義，但卻是一個(gè)無法回避的事實(shí)。實(shí)際上，人類的感覺系統(tǒng)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(jī)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(xiàn)象與觀察者沒有關(guān)系，沒有人之前宇宙照樣在演化，這當(dāng)然是事實(shí)。但下面的這種情況也是事實(shí)—所謂“科學(xué)現(xiàn)象”是客觀世界通過感覺系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為觀察者腦中認(rèn)識(shí)到的那部分意識(shí)，即人類觀察到的世界并非世界本身，而是世界的現(xiàn)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(gè)范疇。比如日常看到的花崗巖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(xué)發(fā)展的局限性與人類自身感知系統(tǒng)有關(guān)，我們感知系統(tǒng)無法接收、轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象通常就很難被發(fā)現(xiàn)和理解。

現(xiàn)代技術(shù)對于現(xiàn)代科學(xué)的重要作用，就是通過新技術(shù)設(shè)備把那些人類無法感知的現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為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(xiàn)代科學(xué)家在研究宇宙時(shí)經(jīng)常采用“多信使天文學(xué)”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(jìn)行協(xié)同研究。遙遠(yuǎn)天體在發(fā)生某種現(xiàn)象時(shí)，不同物理量會(huì)用不同的方式把相關(guān)信息帶到觀察者面前，科學(xué)家把這些信息統(tǒng)合起來，努力形成更完整的判斷。但是，“多信使天文學(xué)”實(shí)際上也隱喻了一個(gè)殘酷的事實(shí)：天體也許還有更多復(fù)雜的現(xiàn)象，有些現(xiàn)象可能更加深刻、更加本質(zhì)，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(rèn)知的天體只是我們能觀察到的樣子，而非事實(shí)的全部。因此，通過新技術(shù)涌現(xiàn)不斷拓展人類的感知局限，是萬物皆可研究源源不斷的動(dòng)力。

第三種情況是：宇宙中我們已知的物質(zhì)、能量大約只占4%，更多的物質(zhì)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(shù)發(fā)現(xiàn)，是因?yàn)樗鼈兡芘c我們已知的物質(zhì)之間發(fā)生較弱的相互作用，而暗物質(zhì)、暗能量似乎不與我們已知的物質(zhì)世界產(chǎn)生作用，這種復(fù)雜性對人類的挑戰(zhàn)是巨大的。技術(shù)雖然可以讓人類“看見”我們原本看不見的東西，但技術(shù)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(shí)會(huì)突然迸發(fā)出來。因此，萬物皆可研究蘊(yùn)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(shí)現(xiàn)的。

萬物皆可研究，對科學(xué)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(xué)研究本身的特質(zhì)和要求，更給科學(xué)教育帶來重要啟發(fā)。

第一，科學(xué)教育不是高科技，而是高思維。如果學(xué)校追求高科技實(shí)驗(yàn)條件，那么在高科技支持下，實(shí)驗(yàn)探究過程中可能只需要簡單操作幾個(gè)按鈕就能得到結(jié)論，分析、創(chuàng)造的過程就會(huì)因此減少甚至消失，那么孩子的思維能力和實(shí)踐能力可能反而會(huì)下降。科學(xué)教育的目的并非知識(shí)的結(jié)果，而是要讓孩子知道知識(shí)背后的未知，知道萬物有萬物的特性和現(xiàn)象。世界本來的多樣性是科學(xué)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(fā)現(xiàn)未知的領(lǐng)域，這才是真正的科學(xué)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(shí)又可以用同樣的方法去理解。因此，在科學(xué)教育中需要鼓勵(lì)孩子求同、求異、求通、求變。“求同”就是在不同的現(xiàn)象背后找出相似的規(guī)律，比如振蕩現(xiàn)象不僅僅在物理學(xué)科中存在，也存在于化學(xué)領(lǐng)域（振蕩溶液），甚至在生命現(xiàn)象中也存在。“求異”就是關(guān)注那些看上去一樣的東西，可能極小的差異會(huì)導(dǎo)致極大的變化，甚至遵循的規(guī)律都會(huì)完全不同。“求通”就是在不同領(lǐng)域?qū)ふ业较嗨频乃季S方法，比如物理學(xué)科中學(xué)習(xí)的閉合電路概念與方法在金融領(lǐng)域竟然也能應(yīng)用。“求變”就是通過改變條件、環(huán)境、時(shí)間跨度等主動(dòng)發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象，比如有的物理教師能夠用一個(gè)瓶子讓學(xué)生做上百個(gè)不一樣的實(shí)驗(yàn)，這種變式訓(xùn)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(chuàng)造力的時(shí)候往往比較關(guān)注個(gè)人的思維能力和性格方面的表現(xiàn)，實(shí)際上創(chuàng)造力更是人的思維與萬物之間互動(dòng)的產(chǎn)物，這個(gè)“萬物”也包括人類自己創(chuàng)造的數(shù)學(xué)世界、數(shù)字世界等，不存在脫離萬物而存在的創(chuàng)造力。

第三，萬物皆可研究，還啟發(fā)我們要珍惜出現(xiàn)錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)。利弊共生是科技發(fā)展的基本特征，研究的范圍越廣、研究的事物越多，出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率也一定越大。如果擔(dān)心犯錯(cuò)，那么科學(xué)探索和技術(shù)發(fā)展就失去了動(dòng)力。1965年12月，化學(xué)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(shí)，有中間反應(yīng)產(chǎn)物濺到了他的手上，他沒有立即洗手，后來當(dāng)他為取一張稱量紙而舔了一下手指時(shí)，頓時(shí)感到一種清爽的甜味，阿斯巴甜就這樣被發(fā)現(xiàn)了。到了2023年，根據(jù)新的評估報(bào)告，這個(gè)阿斯巴甜被世界衛(wèi)生組織等列為2B類致癌物。與發(fā)現(xiàn)阿斯巴甜類似、因錯(cuò)誤而導(dǎo)致的科學(xué)發(fā)現(xiàn)多到讓我們不得不承認(rèn)，科學(xué)真是充滿偶然性，科學(xué)包容犯錯(cuò)。所謂“包容犯錯(cuò)”，一方面指新理論的出現(xiàn)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(xiàn)象，更要能解釋所有舊理論能夠解釋的現(xiàn)象；另一方面指新理論的出現(xiàn)并不說明舊理論就沒有價(jià)值了，而是有了新的條件、新的證據(jù)和新的視角，是新思維對舊思維的包容。科學(xué)中的錯(cuò)誤從來不意味著失敗，而是成功的開始，甚至某個(gè)領(lǐng)域的失敗會(huì)在另一個(gè)領(lǐng)域大放異彩，這也是萬物皆可研究的辯證法。在科學(xué)研究過程中，某些研究者的行為錯(cuò)誤也可能導(dǎo)致新的發(fā)現(xiàn)，這也反復(fù)證明創(chuàng)新并非只與人的創(chuàng)造力有關(guān)，創(chuàng)新一直發(fā)生在人與萬物產(chǎn)生的多樣化關(guān)系之中。

翻開科學(xué)發(fā)展的歷史我們不難發(fā)現(xiàn)，科學(xué)理論的產(chǎn)生、發(fā)展和完善就是不斷犯錯(cuò)、糾錯(cuò)、再犯錯(cuò)的過程。愛因斯坦那么偉大的科學(xué)家，他犯的錯(cuò)誤現(xiàn)在算起來就有很多。比如他對量子力學(xué)頗有質(zhì)疑，因?yàn)椤吧系鄄粫?huì)擲骰子”，他認(rèn)為兩個(gè)微觀粒子無論隔多遠(yuǎn)都會(huì)立即互相影響違背了光速不可超越的規(guī)律，結(jié)果后來發(fā)現(xiàn)了“量子糾纏”。愛因斯坦得到廣義相對論引力方程后推出宇宙在膨脹，但是因?yàn)樗J(rèn)為宇宙是靜態(tài)的，所以在方程中引入了宇宙常數(shù)。直到哈勃觀測到宇宙真的在膨脹，愛因斯坦才把宇宙常數(shù)從方程中移除了。而在愛因斯坦去世后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙不僅在膨脹，而且在加速膨脹，為了解釋這一點(diǎn)又重新將宇宙常數(shù)引入方程中。愛因斯坦竟然在同一個(gè)理論中犯了兩次錯(cuò)誤！他犯的錯(cuò)誤很大，他的錯(cuò)誤價(jià)值也很大。在科學(xué)教育中，正確答案可能只有一個(gè)，而錯(cuò)誤卻是無窮多樣的，當(dāng)孩子面對萬物展開科學(xué)探索，他們出現(xiàn)的各種各樣的錯(cuò)誤既是教育契機(jī)，也是研究性學(xué)習(xí)的開始。

任何現(xiàn)象，一般只要連續(xù)深入地問三個(gè)“為什么”，就會(huì)碰到大家都不知道的情況。比如有關(guān)光速的問題：光的速度是多少？光速這么快是怎樣測量的？為什么光速是3*108米/秒？又如有關(guān)原子的問題：原子的組成是怎樣的？電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)為什么不會(huì)掉進(jìn)原子核里？原子核對電子的電磁力為什么與距離的平方成反比？這種問問題的方式反映的是科學(xué)教育的兩種教學(xué)方法，一種叫作分析性教學(xué)，就是從現(xiàn)象到理論的教學(xué)方法，重在歸納演繹和解釋；另一種叫作創(chuàng)造性教學(xué)，就是從現(xiàn)象到問題的教學(xué)方法，重在質(zhì)疑反思和追求證據(jù)。如果在科學(xué)教育中加入項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和非正式的自主學(xué)習(xí)，那么科學(xué)教育還有另一種教學(xué)方法—就是實(shí)用性教學(xué)，重在動(dòng)手實(shí)踐解決真實(shí)問題。喜好不同思維模式的學(xué)生（參見圖表2）更適合相應(yīng)的教學(xué)方式。

科學(xué)思維的價(jià)值在于追求對萬物的解釋、證據(jù)和實(shí)用模型，因此高質(zhì)量的科學(xué)教育一定是上述三種教學(xué)方式穿插進(jìn)行：分析性教學(xué)有利于形成概念和理論，創(chuàng)造性教學(xué)有利于形成問題意識(shí)和證據(jù)意識(shí)，實(shí)用性教學(xué)有利于形成實(shí)踐智慧。面對我們身邊的任何東西，在分析性教學(xué)中，可以通過觀察與描述發(fā)現(xiàn)事實(shí)，回答“是什么”；在創(chuàng)造性教學(xué)中，可以通過探究與實(shí)驗(yàn)形成因果證據(jù)，回答“為什么”；在實(shí)用性教學(xué)中，可以通過應(yīng)用與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)控制和發(fā)明，回答“有什么用”。也就是說，科學(xué)教育可以在方法上通過多樣化組合研究萬物，構(gòu)建廣闊無垠的探索空間。

參考文獻(xiàn)

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

（倪閩景作者系上海科技館館長）

《人民教育》第13-14期，原標(biāo)題為《通向科學(xué)：萬物皆可研究》