基于化學史課堂教學設計的四個維度

孟獻華，倪 娟

1.南通大學教育科學學院，江蘇 南通226019；2.江蘇省中小學教學研究室，江蘇 南京210013

在19 世紀初開始，科學家與科學教育者重視學科發展歷史對科學教育或科學研究的意義，其中最具代表性的是哲學家、歷史學家威廉·惠威爾（William Whewell，1704-1866），他試圖利用科學史論述自己的哲學觀及其在教育中的作用，這對后來的科學教育產生了積極影響。20 世紀50 年代以來，科學的高速發展引起人們對科學自身的反思，產生了各種科學哲學流派，使得科學史、科學哲學和科學社會學（HPS）教育成為一個受到高度重視的研究領域，國內外的理科教育課程文本普遍倡導科學史在科學教學中的作用。但大量研究表明，很多教師僅僅口頭承認學科史的教學價值，實踐中的學科史最多起到一些點綴性質的作用。在此，筆者以化學課堂教學設計為例，對科學史融入課堂教學設計的場景進行分析，歸納出了四個教學維度。

一、記憶具體事實

科學史在教學設計中的第一種表現形式可以稱為識記水平，這一維度的教學行為表現為將科學史上一些重要發明與科學家的姓名相聯系，教學的目標是確定學生是否記住了一些具體的靜態事實或知識內容，包括歷史上的事件、人物或時間等，它所涉及的心理過程主要是回憶，學生對這類問題的回答通常是對已有信息的提取。如：

師：同學們認識這位科學家嗎？他是誰？（屏幕上打出拉瓦錫頭像及資料介紹）

生：（不約而同地回答）“是拉瓦錫”。

師：同學們是什么時候知道拉瓦錫的？

生：在研究空氣成分時。

師：拉瓦錫首先用定量實驗測定出空氣的主要成分是氧氣和氮氣。科學探究一旦在量的方面有所發現，其研究成果必定有重大突破。

師：（引導學生閱讀資料介紹后提出問題）是不是所有化學反應，反應物質量總和都等于生成物質量總和呢？我們能否仿照拉瓦錫也用定量實驗來探究反應前后的質量關系？是相等？還是增加或者減少？

這種出于“為歷史而歷史”的教學，學生知道的科學史只是科學事件和科學家之間的偶然聯系，如道爾頓提出了原子學說等。至于不同歷史時代科學家們工作的前后啟發、相互間的交流和傳承，都被忽視了。

二、激發學習興趣

興趣是個人力求認識某種事物或樂于從事某種活動的傾向，這一心理傾向往往和一定的情感相聯系。增強自然科學教學的趣味性是科學史的功能之一，它旨在學生學習科學或對科學本身的情感、態度、興趣對等非智力因素的培養。科學史在這一維度的教學應用主要有以下兩種形式。

第一，通過各種手段激發學生的科學學習動機，從而促進學生思想態度方面的培養，不涉及科學概念或科學本質。這一層次的教學表現，一種是呈現一些科學家的個人生活軼事或行為趣談點綴課堂，如法國著名化學家拉瓦錫因為從事政治活動而被判決，這一事件在科學界引發的重大爭議；英國化學家卡文迪許是科學家中最為害羞的一個，種種趣事反映出其離群索居的性格。另一種是展示一些科學家的卓越品質，如1892 年，英國科學家雷利在對氮氣密度的測定實驗中，發現從含氮化合物中制得的氮氣與從空氣中提取的氮氣密度之間存在微小的差異，正是由于對“小數點后三位數”的反復驗證、深入分析，才有了稀有氣體的發現和諾貝爾獎的取得，相似的還有愛因斯坦、居里夫婦等著名科學家不為名利的精神。

第二，介紹科學史的知識增長學生社會科學方面的知識，培養學生愛國主義情感。我國是一個歷史悠久的國家，古代勞動人民在生產生活中掌握了大量科學與技術方面的知識，對世界文明的進步做出了卓越的貢獻。在教學中教師需要掌握大量科學知識，了解這些知識的歷史發展過程以及它們對人類社會發展的功用和影響。教師在此基礎上組織教學內容，引導學生領會科學發展的社會意義。如在講到鐵元素時介紹我國古代人民在春秋晚期已經掌握了煉鐵技術、在戰國晚期已經掌握了煉鋼技術等。通過這些知識的教學使學生了解我國燦爛的歷史文化，增強民族自豪感，培養學生的愛國主義精神，同時激發學生的學習興趣。

三、轉變學生概念

學習心理學認為，學生學習科學概念的過程和人類科學研究的進程之間存在一定的相似性，它認為一個人思維概念的發展成熟過程，重演整個人類認識的歷史。對某一學科、某一理論歷史來源的追述，有助于學生更好地理解這門學科和這個理論。正是基于這個事實，科學史被作為講授科學知識的重要手段。這要求教師在進行某一主題教學之前，深入理解這一科學知識探究的真實過程，闡明歷史上的科學家們進行研究時所遇到的種種困難和挫折，解決這些問題的方法，等等，從而設計出能夠體現科學探究活動的課程，或針對關鍵性問題做出合理的教學安排。

這一維度的教學設計思想注重的是對學生已有知識或概念的探查，學生由于生活經驗而產生的直觀想象，往往和科學的概念既有聯系又有很大不同，即表現為“相異概念”或“前概念”。這類直觀的概念往往正是科學發展史上科學家們的早期科學認識，當學生知道過去的科學家們也曾具有這些概念時，也就更樂意參與有關問題的研討。如在講授高中“化學鍵”內容時，學生很難將宏觀化學反應轉化為微觀粒子之間的作用力，不能夠主動從電子得失角度分析原子之間的作用力。在教學設計中引入古代自然哲學家們對微粒之間作用力的原始假設，如哲學家德謨克利特的原子理論，“不同的原子具有不同形狀，有些是鉤狀的，有些是球狀的，有些是三角錐型的……”，這樣，不同原子之間才能夠相互結合。

需要注意的是，學生學習的部分歷史發展重演不是也不可能是完整地重復歷史上科學家們概念研究的所有過程，這種重演應該是摘要性的、從認識論的高度反映部分必然性的重演，只有這樣，才能真正幫助學生掌握類比、外推等創造性思維。

四、理解科學方法

這一維度的教學指的是，從科學發展歷史具有代表性意義的事件學習中獲得科學方法論價值或對科學本質的理解。一般認為，凡是知識點的建立、引申和擴展，知識點以及知識點的連接處一定存在科學方法的因素。這在理論上闡述了科學史在促進學生理解科學方法的教學中可以起到的作用，利用科學史實幫助學生了解學科概念的形成和發展，認識實驗與理論、歸納與演繹、分析與綜合等方法在科學發展中的重要作用，是科學史在幫助學生掌握學科知識、過程與方法方面最為直接的作用。

科學史就是科學思想和科學理論的不斷深化和更新的歷史，它忠實地記錄了科學的歷史變遷過程，把科學發展的前因后果講述出來，可以幫助學生理解科學的歷史繼承性，從而有助于形成科學的歷史觀。在一般的學校理科教學中，科學知識是以最終結論的形式出現在學生面前，科學學習體驗不到探索和發現的喜悅，感覺不到思想形成的生動過程，也很難達到清楚地理解全部情況。科學史用歷史的批判眼光看待一切科學成果，既承認科學理論的正確性，也看到其局限性；既認識到其作為人類認識成果的永久性和絕對性，也認識到其在人類認識過程中的暫時性和相對性，從而彌補專業科學教育之不足。這對于活躍思想、開闊眼界、正確把握自己的學習和研究方向是很有幫助的。

具體到課堂教學設計，教師應該通過歷史上不同科學家對某一問題的相關討論、具體事件的分析等方式，從多角度解釋科學本質所涉及的一些基本觀念，促進學生理解科學。在對于稀有氣體發現等科學歷史的真實發展過程加以研討時，應側重于解決的問題是：①某一科學理論的提出者是如何對自己的主張加以證明的；②圍繞該理論的各種不同觀點具有的性質是什么；③爭論解決過程中體現的哲學議題是什么。（具體見表1）

●大量放射性礦物質中都含有氦元素，氦元素和氬元素之間應該存在相對原子質量為20的元素氖。●如果空氣中還有其他與氬氣性質相似的氣體，就不能用化學方法除去氬氣而不影響其他稀有氣體，只有先將空氣變成液態，再逐漸升溫將每種氣體分別蒸發出來，這需要極低的溫度條件。●1895 年雷利宣布發現新元素，卻受到科學界的普遍反對，即使當時的物理學家們都不同意這一發現——因為它與當時的化學理論不合。為了讓新證據符合元素周期律，拉姆塞創造性地提出一族新元素存在的可能。問題在于如何獲得其他稀有氣體元素。到1898 年，雷利和拉姆塞發現了所有稀有氣體并通過光譜驗證，為元素周期表添上新的一族，同時還為原子結構的穩定性提出了實驗基礎。他們于1904 年分別獲得諾貝爾物理學獎實驗與分析：如何將空氣中的各種成分分離開來？需借助哪些手段？科學與技術：你能舉出一些推動科學學科向前發展的技術成就嗎？理論與實驗的關系：稀有氣體的發現對元素周期表完善做出了貢獻，元素周期表的理論也對稀有氣體整體發現起到指導性作用。

表1 稀有氣體發現的歷史過程與科學方法

科學史在教學中的作用決定于教師對本學科發展史的專業知識、教師對基于學科史教學的教學性知識以及上述兩種的結合。根據科學理論發展歷史進行教學設計，應該綜合考慮教學內容和教師的教學特點，盡量采用層次較高的教學策略。即對科學歷史中某一概念或理論形成的關鍵時期進行分析，探索學習者在學習有關內容時可能存在的障礙，然后按照此歷史發展進程，并考慮學生認知規律、教學要求，重新組織教學進程。

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