開發科學史課程資源,促進科學素養提升

摘 要: 科學史的教育價值和功能被教育工作者所認同。科學給人以知識，科學史給人以智慧。利用科學史料，激發起學生的求知欲望;沿著科學發現的足跡，啟迪學生的思維方法，開發學生的智慧;再現科學研究時所采用的思想和方法，領略到科學教育的本質;在鮮活生動的事例中領悟科學精神。

關鍵詞: 科學史 課程資源 科學素養 科學本質

培根說:“讀史使人明智。”科學史在科學教育中的價值，得到了全世界科學教育工作者中的認同。科學史獨特的教育教學價值在于:科學史可以促進學生對科學本質的理解，促進學生對科學知識的建構，激發學生學習科學的興趣，提升學生的人文素養，培養學生的批判精神。將科學史融入科學課堂教學，是教學的重要的方向。但目前教科書的編制沒能有效地反映科學史的真實情況，教材中的科學史多是科學家的姓名、生卒年月，以及一些簡單的故事，這并不能給學生學習科學帶來多少實質性幫助。要真正理解、領會科學內涵及科學思想，必須從科學家如何思考這個問題上分析引入，也就是沿著科學發現的足跡從思維角度重新進行展現，這樣的學習方式有利于學生思維品質的發展和科學素養的提升。

科學教學的基本理念是全面提高每個學生的科學素養，科學素養一個重要的組成部分就是對科學本質的理解。科學素養是指人們在認識自然和應用科學知識的過程中表現出來的內稟特質，指人們對知識的識記、了解、理解、掌握和應用科學知識的能力，以及發現新的自然規律的能力。因此，科學素養是人們能夠認識自然和應用自然規律的特質。學生的科學素養包括知識與技能，過程、方法與能力，科學態度、情感與價值觀，科學、技術與社會的關系這四方面。

科學史除了能提供科學知識與技能外，在科學方法、科學思維、科學思想、科學精神等各個方面都提供很好的載體。科學教育的目的是使學生理解科學的本質，并培養學生的科學素養和人文素養，這也是科學教育的最高境界。

一、挖掘史料資源，激發探究欲望

良好的開端是成功的一半，回溯科學發展的歷史，發掘與課堂內容相關的史料導入新課，能增加科學的故事情節和人文韻味，增強學生探究欲望，提高學生的強烈求知興趣。科學史料內容豐富，而且有許多膾炙人口的故事，但由于人們缺乏科學的思維，往往給科學故事增添了許多的神秘色彩，如牛頓因蘋果落地發現了萬有引力定律，這樣的故事實質是對科學思維的誤導。科學教學必須從現象到本質進行深度的思維分析，借學生對科學故事好感激發其原始的求知欲望。

上課開始，直接演示某一科學現象或針對某一現象介紹科學史上不同科學家的觀點，產生需要解決的問題。當然，向學生揭示這些科學現象最好是利用科學家在歷史上的經歷。這樣既能引起學生的好奇心，又能促使學生了解科學史實，利用科學史料進行探究學習，感受科學發現的過程。

在講授力是改變物體運動狀態的原因時，直接利用羽毛和小球進行落體實驗，從小球運動的比較快的事實中，引出亞里士多德的觀點:物體的質量越大，下落的速度越快。這一觀點延續了兩千多年，直到伽利略用邏輯推理的方法發現這是錯誤觀點。推理過程是，他用一根繩子把質量不同的石頭聯系起來，那它們將以什么速度下落呢?按照亞里士多德的觀點，它們的質量是兩塊石頭之和，所以下落的速度也是兩塊石頭之和。可是用繩子聯系起來的兩塊石頭又畢竟不是一塊石頭，大石塊下落速度快，被小石塊拖了后腿，所以速度減慢，而小石塊下落的速度有所增加，很快兩塊石頭都以相同的速度下落，這個速度是兩個石塊速度的平均值。兩個大相徑庭的結論都是從亞里士多德的落體觀念中推導出來的，可見這種觀點是不足信的。

科學史中的許多事例可以為課堂教學提供生動的資源，在大氣壓強中可以介紹托里拆利請教老師伽利略對“自然界害怕真空”的觀點;達爾文對植物向光性的思考，發現植物的尖端可能存在著影響植物生長的物質;巴斯德對傷口感染引起的對微生物的思考。通過各種生動的科學史例，激起學生的強烈求知欲望。

二、發掘科學史料，強化科學思維過程

科學給人以知識，而科學史給人以智慧，科學史料能啟迪學生的思維方法，開發學生的智慧。正如布魯納說，“知識是過程，不是結果”。對于相關的科學史料直接向學生介紹:(1)歷史上科學家對這一現象研究觀點;(2)同時期不同科學家的不同觀點，以及能說明的實驗事實;(3)引導學生討論這些觀點產生的背景、實驗的條件，使學生認識到科學認識的歷史制約性。科學的發展史是曲折的螺旋式上升的過程，是在不斷總結前人基礎上的發展，是通過一次又一次的實驗事實—理論假設—實驗(提供新的事實)—理論修正(建立新的假設)不斷完善。在課堂教學中傳授知識的同時，更要注重科學的思維過程，發掘科學史中的思維深度，建立完善的課程資源，如讓學生理清原子結構的發展史的知識脈絡:道爾頓的實心模型—湯姆生棗糕式原子模型—盧瑟福有核模型—玻爾電子云模型。

1.道爾頓的實心模型

道爾頓在思考物質組成時，提出物質是由原子構成的。用他的話來說，“我是選擇用原子這個字來表示這些終極質點，而沒有用質點、分子或者任何其他小的稱號。因為它更容易表達出它的意思，它本身有不可再分的含意，這是其他名稱所不具有的”。實際上在這里道爾頓提出了原子是一個不能再分的原子模型。

2.湯姆生棗糕式原子模型

實驗事實:由于科學實驗的技術進步，湯姆生在1897年發現了任何物質和原子中都有帶負電荷的電子。

思維過程:原子是呈電中性的，既然任何物質的原子都有帶負電荷的電子，顯然原子內部肯定還有帶正電荷的一種微粒。這和道爾頓提出的原子不可分的觀點是矛盾的，通過這一實驗事實說明原子實心模型是錯誤的。

新的假設:提出了面包葡萄干(西瓜模型)結構的原子模型。

電子的發現是科學史上一次革命性的事件。從電子的發現入手，打破了原子不可分的傳統觀念，標志著人類對物質微觀結構認識的開始，證明道爾頓的實心不可分的原子模型是錯誤的。讓學生像科學家一樣思考，在探索過程中體驗到學習科學知識的方法和樂趣，然后給出通過探究將“湯姆生的發現”轉換變成“湯姆生的原子模型”。

3.盧瑟福有核模型

由于實驗技術進步，對微觀世界的認識越來越深入，1909年，盧瑟福做了α粒子散射實驗。

實驗事實:1909年，盧瑟福用α粒子來轟擊原子內部，大部分沿原來的方向前進，少數發生了較大偏轉，極少數發生超過90的大角度偏轉，甚至被完全反彈。

思維過程:如果用α粒子去轟擊湯姆生模型，是不可能出現反彈現象。從質量上分析電子和α粒子分別類比于泡沫球和膠木球。用膠木球撞擊泡沫球路徑不會改變，要使路徑發生改變只能是撞擊質量較大的鉛球，從實驗的結果看，原子內部可能存在著質量較大的微粒。由于大部分的α粒子直線前進，只有少數的發生偏轉，說明質量大的微粒所占的空間比較小。依據這樣推理，原子中間有一個質量很大、所占的體積卻很小的微粒，而電子在周圍環繞著。這樣的模型和太陽系的模型有著類似之處，于是提出了原子的核式結構模型。

用盧瑟福的原話說:“這是我一生中最不可思議的事件，這就像你對著卷煙紙射出一顆15英寸的炮彈，卻被反彈回來的炮彈擊中一樣不可思議。”一邊是恩師的理論，一邊是千真萬確的實驗事實，經過長時的思考，懷著“吾愛吾師，吾更愛真理”的批判精神，1910年底，盧瑟福終于作出決斷，放棄湯姆生模型，承認原子有核的核式結構模型。

新的假設:原子有核模型(太陽系模型)。如單純從知識傳授角度，這一知識可能幾分鐘就可以解決，但分析科學觀點的形成過程，思維解決方案，可能在課堂上花費45分鐘，學生也難以領悟。科學課堂教學的目標是傳授學生學習科學的方法，重視科學知識的形成過程，這樣的教學是長期的、潛移默化的，不能急于求成。

目前對科學史的教學往往有急功近利的思想。如在學習電流的磁效應時，往往通過用奧斯特實驗就馬上知道電流周圍存在著磁場。其實1820年7月，奧斯特公布了電流周圍存在著磁場是一個非常嚴密的思維過程。他用一根白金絲把伏打電池的兩極連接起來，當導線通電時，旁邊的小磁針就轉動了。當時他認為這可能是由于電流產生的熱量使周圍的空氣流動造成的干擾，于是在電流和小磁針之間用紙片隔開，發現小磁針還能轉動，排除了空氣流動的原因，讓導線轉動180°小磁針也會轉動180°。當導線放在小磁針的下方時，小磁針的方向發生了改變，由此說明小磁針的轉動的確是由導線中的電流引起的。

從奧斯特的思考的過程中不難發現，科學課堂教學中對實驗現象的分析，存在著只強調得出的實驗結果的弊端，缺乏思維的嚴密性，對過程的分析沒有有效地發掘。發掘科學史中的思維資源，是對科學思想最好的詮釋。讓學生在認知思維上深刻認同科學家們的思維方法和技巧，如果學生思維活動不能得到足夠的關注，就將導致教學活動的表面化，缺乏深刻性。科學教育的目的就是提升學生的科學素養，促進其對科學本質的理解。

三、拓展史料情境，充實科學方法內涵

1.阿基米德的轉換法

在分析阿基米德定律時，除了注重講解浮力發現史外，還要從科學方法上進行拓展。2000多年前，古希臘學者阿基米德在思考如何鑒別王冠的含金量時，從洗澡浴缸向外溢水的現象中受到啟發。質量相同金和銀的體積不同，當將它們放入水中時，溢出水的體積也不相同，由此歸納出液體中物體受到浮力的規律，把物體受到的浮力轉換為物體排開水的重力。從阿基米德的思維方法中，我們可以悟出一個解決問題的方法，即如果直接處理或解決某一問題而感到困難時，可以將問題等價地變換為我們熟悉的另一個問題去解決，我們把這種方法叫轉換法。

“轉換法”，主要是指在保證效果相同的前提下，將不可見、不易見的現象轉換成可見、易見的現象;將陌生、復雜的問題轉換成熟悉、簡單的問題;將難以測量或測準的量轉換為能夠測量或測準的量的方法。在科學教學過程中，不能被測量的量例溫度、電流、電壓、磁性的強弱、壓強都是通過這種方法測出的。溫度不可以直接測量，將溫度轉換成液體受熱膨脹來觀察，根據液體液面的高度變化來衡量溫度的高低;磁性的強弱不能被直接觀察，但可以借助磁性的作用效果來反映，通過磁鐵吸引小鐵釘的多少來確定磁鐵的磁性強弱;空氣看不到，摸不著，可以根據空氣流動(風)所產生的作用來認識它;分子是微觀世界，不能確定它的運動狀況，可以通過研究墨水的擴散現象去認識它。

2.伽利略的理想化法

亞里士多德認為“力是維持物體運動的原因”，這一認識統治了人們的思維觀念兩千年，這一憑直覺的生活經驗，被看成天經地義、不證自明的結論。伽利略提出了質疑，為什么木塊在水平面上運動，停止推力作用后，表面越光滑木塊向前滑動的距離越大。假設所有的摩擦力都被理想化地消除，木塊就會沿著直線永遠不停地運動下去。由此得出一個極其重要的物理原理，即維持物體的運動速度不需要力，而力是改變物體運動狀態的原因。這不僅是一個概念的產生，更是一個觀念性的思想突破，是理想實驗這一科學思維方法在科學探究上的真正開始，是人類思想史上最偉大的成就之一，是人類智慧史上的重大飛躍。

初中科學中除了牛頓第一定律用到了這一理想化方法外，在探究聲音在真空中的傳播時也用到了這一方法。在做真空不能傳聲的實驗時，我們發現空氣越少，傳出的聲音越低，由此推理，若空氣越稀薄，則聲音更低，沒有空氣則不能傳聲。而為了描述磁場中的磁性強弱和方向，則引入磁感線概念。

3.法拉第的逆向思維法

1820年，奧斯特發現了電流的磁效應，善于思考的法拉第就意識到，既然電能生磁，那么磁能否產生電呢?經歷了多次的失敗，他并沒有退縮，堅信“電和磁是一對和諧的對稱和統一現象，既然電能產生磁，那么磁也一定能生電”。在1822年法拉第的日記中有這樣的記載:“我因為對產生電的方法感到不滿意，因此急于想發現電磁及感應電流的關系，覺得電學在這一條路上一定可以有充分的發展。”他做了各種的實驗，把磁鐵靜置在線圈內，沒有電流產生。他又改用大的磁鐵，多次改變導線與磁鐵的位置，仍然沒有電流產生。又不斷替換各種形狀的磁鐵，一直都未能成功。實驗斷斷續續地經歷了10年時間，不知經受過多少挫折，他終于在1831年10月17日，獲得了成功。

科學史中除了以上提到的方法外，還有假設法、發散思維法、創新法、建模法、實驗法。再現科學家進行科學研究時所采用的思想和方法，可以讓學生領略到科學的本質，掌握科學學習的策略和科學的思維方法，促進學生的科學素養的提升。

四、引入科學史實，滲透科學精神

科學精神難以從單純講授中理解，需要不斷體驗、內化并在潛移默化中領悟。科學史中的鮮活生動的素材為這一教學提供了大量資源。科學進步與社會的發展密切相關，科學發展史不僅記載著科學知識的一步步重大進展，而且反映著每一進展中人類為之所做的努力，歷經艱辛付出的代價、獲得的經驗和教訓等。

法拉第為發現電磁感應現象花費了十年時間。同時，在英國皇家學院實驗室，沃拉斯頓也在緊張地做著相同的實驗，但他卻沒有能成功。用法拉第老師戴維的話說:“僅僅是因為儀器出了點故障，實驗失敗了。他沒有繼續探索，否則沃拉斯頓將成為電磁感應現象的最早發現者。”而在1822年，安培做過這樣的實驗:把銅質多匝線圈A固定在絕緣支架上，把另一單匝線圈B用細線懸掛起來，兩者在同一平面內。在實驗過程中，有一個重要的異常現象被安培忽略:A線圈接通電流的瞬間B線圈動了。遺憾的是，安培沒有對這一細微的現象進行觀察，錯過了發現電磁感應的機會。

機會是給有準備的、時刻努力、鍥而不舍的人的。用活生生的事例去感染學生，用科學家的精神同化學生的心靈。用巴斯德的話說即是:“意志、工作、成功，是人生的三大要素。意志將為你打開事業的大門;工作是入室的路徑;這條路徑的盡頭，有個成功來慶賀你努力的結果……只要有堅強的意志，努力的工作，必定有成功的那一天。”

科學精神就是敢于追求真理，對科學事業的執著和頑強，尊重客觀世界，具有懷疑的態度、批判性的思維和創造能力。科學精神是探索知識的理性精神、實事求是的嚴謹精神、批判創新的進取精神、互助共進的協作精神。

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