科學教學中科學史的回歸與融合

顧長明

科學教學中科學史的回歸與融合

顧長明

科學史是科學發生發展的歷史，科學史的學習對學生科學素養的養成起著重要作用。在科學教育教學中精選與整合科學史，已成為國際科學教育教學改革與發展的重要趨勢。科學教學中有效運用科學史素材可以彰顯科學本質，促進學生理解科學知識，領悟科學方法，養成科學精神。

科學教學；科學史；回歸；融合

科學史是對科學產生、形成、發展及其演替的反映，是人類認識自然和改造自然的歷史，凝聚著人類獨有的科學精神、科學思維、科學方法、人文關懷與價值取向。科學史具有多方面的教育價值，科學合理地運用科學史實，不僅可以讓學生更好地審視科學的發展脈絡，理解科學的本質，體驗科學的探索歷程，感悟科學的思維方式，而且還可以讓學生感受科學家執著追求的精神、嚴謹認真的態度和不畏艱辛的品質。因此，我們有必要在科學教學中滲透科學史，并發揮其獨特的作用，提高學生的科學素養。

一、領會探究精髓，彰顯科學本質

科學的本質反映了科學的基本特征，它回答諸如“科學是什么”“科學的相對真理性”“科學的可重復性”“科學的證偽性”“科學的預測與解釋”和“科學的優點與局限性”等一系列問題。科學的本質在于科學探究，科學探究是指個體通過自主調查和研究來認識和解釋自然現象，包括形成問題、收集數據、建立假設、檢驗假設和交流結果等環節，其核心是探索未知世界的路徑與方法。科學探究還表征為科學家群體在長期探索自然規律的過程中形成的有效的認識和實踐策略，其核心是科學思想方法。讓歷史返回現場，讓學生置身于歷史情境中，用心靈與科學家對話，通過深度學習感受科學的特定本質和豐富內涵，理解科學知識的發生發展歷程，內化科學原理的形成過程，領會科學思想和方法，這對學生形成良好的科學認知結構大有裨益。

例如：蘇教版《科學》四下《擺》的教學，教師從伽利略發現吊燈的擺動引入學習內容，啟發學生思考當時伽利略產生了怎樣的猜想，設計了怎樣的實驗，找尋了怎樣的器材，進行了怎樣的探究來驗證猜想。從史料得知，伽利略當時是利用替換物來模擬吊燈擺動進行研究的，他用自身脈搏的跳動來計時，用身邊常見的繩子、衣架、木塊、石頭、鐵球、尺子等來實驗，并反復控制變量（擺長、擺角和擺重），進行對比實驗，得出了單擺等時性的結論。通過該史實，學生明白，在缺乏相應的實驗器材時可用相似器材，同時，在探究過程中學生學會了如何操縱自變量、觀測因變量、控制無關變量，并體驗三者之間的關系。在“像科學家那樣進行探究”的過程中，學生體悟了科學探究的一般過程，這為學生以后的自主探究提供了經驗。

二、再現發生過程，促進知識理解

審視科學知識的形成和發展過程，有助于加深學生對科學概念、科學規律和基本理論的理解，進而形成對科學的整體認識。從兒童的認知發展與科學史的發展關系來看，重演科學理論的產生過程，是進行“建構”式科學探究的有效途徑之一。這里所說的“重演”，不是機械地重復，而是一種能夠反映某些科學發現的條件、意義和認識過程的教學設計。對于科學概念、規律和定理，學生只有了解了它們發生、發展和形成的過程，才能深刻理解其意義，才能在新情境下綜合運用所學知識解決現實問題。這正契合了美國心理學家斯坦利·霍爾“復演論”的觀點，他認為兒童的科學學習過程與人類認識自然界和物質世界的過程有許多相似之處，在科學教學中融入科學史，將科學概念置于“事實性知識”之上，能豐盈兒童建構科學概念的情境與素材，更符合兒童科學概念形成和發展的規律，可以使學生在學習科學概念時少走彎路。

例如：在蘇教版《科學》五上《電磁鐵》的教學中，教師同學生分享歷史上發現電與磁相互轉化的過程：人類對電和磁的關注由來已久，但最初人們普遍認為電和磁是毫無關聯的。1820年丹麥科學家奧斯特發現電可以轉化為磁，剛才課上做的實驗就與奧斯特當年做的實驗非常相似。電可以轉化為磁，那磁能不能轉化為電呢？英國科學家法拉第經過多年的研究，在1831年發現磁也能轉化為電，從此，人類進入了電氣時代。讓學生了解科學家研究電磁轉化的過程，無疑加深了學生對科學概念統一性的理解。

另外，學生在學習新的科學概念之前，頭腦中就已經有許多前概念，這些前概念對新概念的建立有的起正向作用，有的起負向作用，且負向作用一時很難從學生頭腦中清除，而用科學史實來糾正學生不正確的前概念往往會獲得事半功倍的效果。例如：學生一般會認為“重的物體比輕的物體先落地”，教學時，教師先描述亞里士多德“重物先落地”的觀點，再講述伽利略在比薩斜塔上做的自由落體實驗，接著基于實證結果對“重物先落地”進行演繹推理，最后從證實與證偽兩個角度將 “重的物體比輕的物體先落地”歸之為謬論，如此，學生不僅摒棄了先前錯誤的概念，還體驗到科學是沒有權威的道理。將科學概念的學習置于科學史中，提供概念發生的背景，呈現概念發展的演替關系，學生便可在習得與形成科學概念的同時感受科學的厚重，這比直接從科學現象出發理解科學概念要深刻、生動得多。

三、感知研究路徑，領悟科學方法

一般說來，程序性知識、經驗知識和默會知識都往往蘊含著一定的方法論，彰顯著科學方法的價值與作用，知識可以通過遷移和應用轉化為方法。從某種意義上說，科學探索與發現往往是對研究路徑和方法的探尋，選擇了正確的路徑與方法就成功了一半。為學生展現科學家尋求研究路徑、運用不同方法的具體事例，學生便能夠體驗科學發現的路徑，感悟科學家面對不同問題選擇和運用不同方法的智慧。這可以為學生自主設計實驗、進行實驗提供借鑒、參照和思路。

蘇教版《科學》教材突出了過程與方法等內容，安排了“提出問題”“觀察與測量”“排序與分類”“調查與預測”“解釋與建立模型”“交流與質疑”“假設與實驗”和“拓展與應用”等單元，每個單元大都以科學史上科學研究過程與方法的事例來強化對學生科學方法的理解。例如，蘇教版《科學》三上《盡可能多地提出問題》一課介紹了伽利略對當時流行的說法提出質疑的過程：亞里士多德認為同樣材料的物體從高處下落時，下落的快慢是由它的重量決定的。伽利略對此產生了疑問：如果把一個重的球和一個輕的球連在一起，它們下落的快慢應該是怎樣的呢？比薩斜塔上的著名實驗推翻了亞里士多德的結論。此課滲透了兩個要點：一是問題來源于觀察與質疑，二是問題的解決要考慮實證的方法、自己力所能及并和科學有關等因素。通過典型的科學史案例讓學生掌握科學探究過程和方法，無異于讓學生有了一根“點石成金的手指頭”，為其可持續發展奠定了基礎。

四、體驗探索艱辛，培養科學精神

科學對于人類的作用決不僅僅是提供物質利益，其最為寶貴的價值在于科學精神。科學精神是科學本性所要求的各種價值觀念、理性思想、行為準則及道德品質的總和。科學精神具有豐富的內涵，其表現為求實精神、實證精神、探索精神、理性精神、創造精神、革新精神、懷疑精神、獨立精神、原理精神、自由精神等等。追尋科學家的足跡，了解他們的故事，聆聽他們的心聲，感悟他們的執著，體驗他們的探索歷程，能給學生帶來很多寶貴的精神養料。

蘇教版《科學》安排了許多學生喜聞樂見的科學家的故事。如：阿基米德在浴盆里發現了浮力定律后，赤身裸體地跑到街上大喊大叫“發現了，發現了”；牛頓在一個炎熱的午間，躺在一棵樹下休息，突然一個熟透了的蘋果落在他的身上，他由此展開豐富的聯想，最終發現了萬有引力；瓦特在外祖母家度假時，燒水壺的蓋子被蒸汽頂得跳動不止，誘發他發明了蒸汽機；傅科在巴黎教堂演示了巨型擺，觀眾面對實驗的結果無不驚訝，傅科用簡單的方法證明了地球的自轉；科利奧利在浴盆里發現水總是順時針旋轉著往下水道口流淌，這使他發現了地球偏轉力……這些案例激發了學生對科學的好奇心，讓學生在科學家的質疑批判精神和對科學孜孜不倦的追求中受到了教育。毋庸置疑，科學探索與發現史上的成功案例有著教育意義，但其中的挫折乃至失敗也不乏教育價值，那些曾經努力過的科學探索者，雖然沒有獲得成功，但同樣值得尊敬，正是因為他們的探索才為后來的成功奠定了堅實的基礎。這正如喬治·薩頓所說：“向學生詳細追溯一項發現的全部歷史，向學生指明在發現者的道路上經常出現的各種各樣的困難，以及他怎樣戰勝它們、避開它們，最后又怎樣走近那從未達到的目標，再沒有比這種做法更適于啟發學生的科學精神，檢驗學生的才能了。”人文的有機統一體中，感受與體驗科學的人文魅力，完善與發展他們的科學素養。

科學帶來了經濟的高速增長以及物質財富的快速積累，同時其所產生的負面影響也日益突出，如生態失衡、氣候反常、能源危機和核戰爭威脅等。而只有科學教育與人文教育攜手，才有可能克服這些問題。例如：蘇教版《科學》六下《生態平衡》一課呈現了1906年美國亞利桑那州人為改變鹿、獅、狼的種群數量而造成的生態災難，學生體會到了生態系統中食物鏈斷裂帶來的嚴重后果。五下《建橋梁》《造房子》展示橋梁和房子從古到今的演變過程，學生欣賞古今中外的典型建筑，體會科學、技術與工程的完美結合。三上《動物·植物·人》一課介紹了珍妮·古道爾42年只身深入非洲原始叢林研究野生黑猩猩的故事，表現出人與動物的和諧相處，滲透了博愛的思想。六下《遺傳與變異》，介紹基因、基因工程和克隆技術的發展史，讓學生領會“科學技術是第一生產力”的深刻論斷，也讓學生思索“科學技術是一把雙刃劍”的兩難抉擇。另外，還有許多科學家的名言名句，介紹這些名言可以讓學生領悟科學是充滿人性的事業，體驗科學家的所感所悟，感受科學的人文魅力，進而激發學生探索科學的熱情、勇氣與欲望。

總之，科學教學因科學史而厚重，科學史因科學教學而修遠。我們應讓科學教學返回歷史的現場，讓科學與歷史同向共促，讓科學與人文相得益彰，讓歷史照亮學生的未來。

五、領略科學史實，滲透人文內涵

如果將人類文明喻為一把劃破愚昧與無知的利刃，那么，科學就是刀鋒，人文則是刀背。人類文明利刃的刀鋒與刀背同根同源，相輔相成，相得益彰，缺一不可。科學與人文是教育的兩個方面，科學求真，是立史之基，人文求善，是為人之本。科學史揭示的科學研究是一種富含人性的事業，可以有效地溝通科學教育與人文教育的這兩個方面，也正如喬治·薩頓所說“科學史是自然科學與人文科學之間的橋梁，它能幫助學生理解自然科學的整體形象和人性的形象，從而全面理解科學、理解科學與人文的關系。”教學時，教師要關注科學與人文的整合，使學生置身于科學和

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G623.6

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1005-6009（2017）41-0050-03

顧長明，江蘇省連云港市教育局教研室（江蘇連云港，222006）科學教研員，正高級教師，江蘇省科學特級教師。