基于課本“史料素材”的科學學科探究之真教學

摘 要：探究求真，是我們科學教學中提高學生科學素養的重要途徑。本文針對探究性學習經常出現浮于表面，注重形式和結果，疏于過程與方法，學生的思維沒有很好參與，探究真實性不高，對科學史的學習流于說教等現實問題，結合自身的課堂實踐，采取：走進科學歷史的場景——拉回認知原點，體現情景之“真”；重現科學發現的歷程——走近古代先哲，體驗過程之“真”；領悟科學發現的邏輯——及時探究困惑，追求思維之“真”；關注科學發展的價值——深入交流評價，凸顯觀念之“真”等四大策略，研究科學史與科學探究有機結合的方法，讓初中科學課堂的探究教學更具真實性，趣味性，高效性。

關鍵詞：初中教材科學史；探究教學；科學素養培養

科學探究作為科學學習的重要方法，受到各位老師和學生的重視，但在課堂中，我們經常發現科學探究活動中，往往出現學生已知結論的探究。這種探究實際上只是改裝成探究形式的驗證性實驗，對學生的探究能力的培養效果不佳，甚至讓學生認為，科學結論或規律的發現是唾手可得的，科學的進步是一帆風順的。這樣的探究其真實性值得懷疑；為探究而探究，容易背離科學本質。

課本內的科學史可以給我們很大的幫助。科學發展史提供了重要科學的實事和研究的方法，其間不僅蘊藏著豐富的科學學科的知識，更體現了科學家的一種人文精神，體現了對人類文明進程具有巨大推動作用的科學精神。科學的發展從來就是緩慢而艱難地進行的。人類歷史發展的不同時期都反映了人類創造的特點。我們可以利用科學史帶學生進入當時的科學情境，進入當時人們的認知水平下解決實際問題。這些內容有助于啟發學生的思維，加深學生對所學科學知識的理解；使學生感受科學在人類文明的進步過程中的地位和影響，并且關注科學各領域之間的內在聯系。

一、 走進科學歷史的場景——拉回認知原點，體現情景之“真”

對于初中階段很多概念或規律，學生都有初步的認識，甚至有些有準確的認識。若把這些問題簡單地進行重復探究，是沒有多大的意義的，甚至對科學精神的培養有負面作用。成了為探究而探究，就是偽探究。所以，如何利用教材中的科學史，才能提高探究的真實性，體現探究的有效性。我認為，首先把學生的認知、思維拉回到原點，走進歷史情景，享受探究的真實。

例如“地球的形狀”認識，實際上就是一段科學史話。由于人們直接接觸的地球表面是平展的，因此“天圓地方”的說法更符合人們的認識，而地球形狀這一空間概念對古代的人們來說是比較抽象的。而對于學生恰好相反，他們認為地球是圓的是天經地義的，天圓地方那是神話，甚至是笑話。

在這樣的認知水平下，完成教材給定的活動，是沒有探究意味的。究其原因，一是所舉例子大部分是學生已知的，簡單地舉例并沒有提高學生的認知水平，學習是低效的。二是所舉的現象從頭至尾都是孤立的，沒有找到它們之間的內在聯系，這對模型建立的動態過程缺少認識。三是學生立足于地球是球形的認識來尋求證據，學生無法和歷史人物“對話”，沒有情感共鳴。

所以，課堂上把學生“穿越”到歷史，在不同認知水平的時代背景下，體驗探索科學的過程，體會地球建模的逐漸變化。讓學生認識到人們對科學的認識是漸進的，認識過程是有規律可循的。在學習過程中辯證地認識每一個“證據”的意義，理解局部和整體的關系，進而體驗建模的方法和過程。

針對這些問題，我在課堂上首先解決的提問：

1 古代人們為什么會去描述地球形狀？

（人類自古就有探索自然的欲望，他們的描述是一種原始的模型，用來解釋一些自然現象。）

2 古人會認為他們對地球的描述是神話嗎？

（古人對地球的描述并不是神話，而是對長期自然現象觀察后的一種總結。他們以為，甚至堅信地球就是這樣的。只有當對一些自然現象的解釋，出現了困惑時，就會對已有的建模產生懷疑。）

通過這樣的討論，讓學生體會到古人由于觀測工具和科技條件的限制，建立的模型往往是片面的，現代科技的發展使得地球形狀模型的建立越發得完善。讓學生走近古人的認識，從原點出發開始探究。

接著完成“為什么遠去帆船的船身比桅桿先消失？”的模擬實驗（器材自找）

在交流現象和結論中我們發現學生回答大多是地球是球體。而這個結論一是混淆了模擬實驗與實物探究的關系；二是夸大了實驗結論，老師應予以斧正。引導方法很簡單，就是看看有沒有其他同學不用球體做實驗的，例如用手臂、文具盒、茶杯等等。（夸大實驗結論是學生常犯的錯誤。該實驗結論得不出地球是球形的結論。航行中看到桅桿高度變化，可以作為地球是球形的這一模型的證據，但不是充分證據。老師可以引導學生進行辯論，列舉反例提出質疑。例如地球是柱形、拱形、半球形、環形。

只要這一環節討論透徹，學生會漸漸清晰，自己認為可以證明地球是球形的證據，都是局部的、微觀現象，相應的是局部的、微觀的結論。但即便是局部的結論，只要大膽想象，建立地球是球形的模型就進了一大步。

在此基礎上，討論：

1 “月食時，發現大地投射到月球上的影子是弧形的”和“麥哲倫環球航行”對地球是球形的模型建立更有說服力。為什么？

（后者更具說服力，因為月食時，月球上的影子是弧形的，只能證明某個側面是弧形。而后者的航行路線長，觀察范圍更大，通過親身經歷的事實更真實。）

2 你還能列舉地球是個球體的現象和驗證方法嗎？這些現象足以證明地球是球形的嗎？

（比如，海面上駛來的帆船，先看到桅桿再看到船體；登高望遠；這些現象都只能證明觀測處所處的形狀為球形，可以作為證據，但不能充分證明地球是一個球體。）

3 你能舉出能直接證明地球是球形的直接證據嗎？

（直接很少，可以證明地球是球形的證據就是太空中連續拍攝到的地球錄像。）

4 從人類認識地球形狀的過程中，你能感悟到什么？

（從人類認識地球形狀的過程中，可以感悟到，科學模型的建立不是一蹴而就的，當時的科技條件會限制人們對事物的認識，對某一事物模型的建立是從片面到完整，局部到整體的。人類認識客觀世界的過程總是遵循：實踐——認識——再實踐——再認識的規律。）

本堂課首先解決了學生既定的認識——地球是圓的，回到思維的原點。從建模的角度認識天圓地方的原因，而后分析每個地球是圓的證據局部特點，最后由局部到整體的認識。這樣的學習過程充滿了探究意味，體會我們對自然的認識是從現象到本質，從粗淺到深入，從局部到整體的過程。充分認識科學的本質。

二、 重現科學發現的歷程——走近古代先哲，體驗過程之“真”

科學的發展往往從經驗出發，通過大量的觀察，歸納出結論。但自然觀察存在很大的缺陷，就是對一些未知的因素缺乏認識，這些因素帶來的干擾就被忽略。這樣獲得的結論往往是片面的，甚至是完全錯誤的，這就是錯誤前概念形成的原因之一。當我們把古代先哲的錯誤理論展示給學生時，恰恰與學生的認識是一致的，會產生情感共鳴。此時，引導學生探究，得出的結論否定了自己的認識，會產生強烈的思維沖突，在“破而后立”的過程中提高元認知水平。

例如，在大氣壓教學中，采取如下程序：

介紹史實1：2300多年前的古希臘學者亞里士多德認為，“自然界害怕真空”。

實驗展示1：活塞式抽水管。用帶活塞的玻璃管吸水，讓學生注意觀察水位的變化。同時用亞里士多德理論對“抽水”進行解釋：活塞向上抽動時會留下一段空隙，這就是真空。而自然界是不允許真空出現的，所以必須馬上被水填滿，于是水就上升了。

思考1：如果這支玻璃管足夠長，當活塞一直往上提，結果會怎樣呢？按照上述理論，水能否一直往上升？

設計意圖 大氣壓強的知識源于人們對“真空”的研究。所以，本節課設計以“真空”問題為教學起點，并重點討論兩個問題。旨在讓學生認識到“真空吸力”在一定程度上的合理性和局限性，為下面的矛盾沖突打下基礎，也培養了學生的推理能力。從學習目標到亞里士多德理論，通過自己設計的實驗來佐證亞氏理論，而后又設置問題引發學生思考。

呈現史實2：1640年，在古老的意大利城市佛羅倫薩，人們造了一臺抽水機，準備把深礦坑里的水抽走。抽水機建成后，人們大失所望，因為他們發現，水被抽到離礦井中水面約10米時，無論活塞向上提多高，水面都不再上升了。技師們千方百計改進抽水機，以保證活塞不漏氣，但結果依舊如此。由于水面上方“頑強”地存在著一段真空，使得“自然界害怕真空”的說法不攻自破，“真空吸力”在這個現象面前顯得無能為力。伽利略聽到這件事時也非常奇怪，由于條件的限制，他也沒有能給予合理解釋。在去世之前，他把這個問題留給了他的學生——托里拆利。

設計意圖 通過進一步的史料呈現，兩段史料，一對矛盾，讓學生注意到“真空吸力”觀點與現實的矛盾，從而催生學生新的思考。這樣體現“科學課堂的教學過程就是濃縮的人類認識客觀世界的過程”的哲學思想，可以激勵學生繼續前進，為后面教學做好鋪墊。

實驗展示2：演示托里拆利實驗，并同時闡釋托里拆利在實驗中控制了大氣這一變量。即容器內部不與大氣相通，只在容器外承受大氣，也為我們設計驗證大氣壓存在的實驗提供了思路。

思考2 我們現在利用這一思路，能否利用玻璃杯、硬紙片和水驗證大氣壓的存在？

實驗展示4：覆杯實驗，并展示傾斜杯子向各個方向。

思考3 杯子向各個方向時紙片均不下落，說明什么？還有沒有其他生活現象也能證明大氣壓的存在？

設計意圖 本環節的設計，一方面是讓學生對問題本身進行思考，另一方面還有培養學生不要迷信科學家的意識的意圖。且讓學生知道猜想是需要實驗來驗證的，即科學是建立在實驗的基礎上。而教師的闡述則旨在讓學生獲得一種科學的思維方式。同時讓學生對科學的研究有所感悟：科學家原來也不是神秘到遙不可及，他們也是靠不斷努力才取得最后成功的。

學生活動：利用提供器材，繼續尋找證明大氣壓存在的方法，加深對大氣壓的理解。

學生對大氣壓認識很淺，對大氣壓產生現象存在許多錯誤認識。上述設計能創造性地將科學史有機地融合到《大氣的壓強》的課堂教學中，不拘泥于教材，將科學史作為創設情景的背景材料。通過“亞里士多德的理論可行——亞里士多德的理論存疑——大氣壓的存在——大氣壓大小”的線索層層推進，解決錯誤前概念的負面影響。這使得學生的探究從問題的起點出發，理論推理和實驗探究并行。這樣的探究過程，思維上有連貫性，過程中有完整性，讓學生動腦和動手，給學生親近感和真實感，提高科學探究的真實性。

三、 領悟科學發現的邏輯——及時探究困惑，追求思維之“真”

學生遇到困惑時，對存在的疑問進行探究，就會增加探究內驅力。這樣的探究更近似科學發現的過程。而科學史恰好可以提供這樣的素材。老師及時補充各種史料信息，讓學生不再局限于狹小的認識空間。如何引導學生利用已有知識經驗，解決自己提出的問題，使課堂效率最大化，是教師需要思考的一個問題，是對教師理念與智慧的挑戰。

圖一

呈現史實：在介紹道爾頓“實心球”模型、湯姆森“西瓜”模型后，介紹盧瑟福行星結構模型：1908年，盧瑟福弄清楚了α射線就是氦原子核。為了能夠間接地“看到”原子內部的結構情況，盧瑟福采用了高速飛行的α粒子來轟擊它們（圖一）。根據α粒子飛行路徑的改變，便可算出靶原子的構造概況。結果看到極少α粒子被金屬箔彈回來，部分α粒子偏離方向，多數α粒子延直線運動！（為了防止空氣分子的干擾，該實驗在真空中進行）。老師介紹到此為止，引導學生展開討論。

提問：同學們根據以上實驗現象可以建立怎樣的原子結構模型？

學生甲：用實心球模型可以解釋。原子像一個堅硬的實心球，當α粒子正面碰撞時就被反彈回來，而傾斜相碰的則會偏離原來的方向。

老師：聽起來非常有理，其他同學有什么看法？

學生乙：如何解釋大多數α粒子沿直線運動？

學生甲：原子之間有間隙，α粒子是從原子間隙中穿過，當然沿直線運動。（得意）

（全沉沒，思考）

學生丙：α粒子被彈回的比例是多少？如果彈回來的α粒子比例較高，則以上模型有一定的價值；但如果比例很低，那么，可能性就很小了。

（面對成串的問題，學生的學習積極性一下被調動起來了。一些平時不愛學習的同學也顯得格外專注，希望盡快從教師那里得到答案。）

老師：被反彈的α粒子的具體數據我也不太清楚，我估計不會超過億分之一吧。如果按老師給的數據，大家討論并計算一下，原子直徑與間隙之間的比例是否符合你的想象？

學生甲：（計算后回答）我們算出原子之間的空隙大于原子直徑的10000倍。憑感覺好像是不可能的。

學生乙：憑感覺我也認為不可能的。但是沒有理論能說明一定不成立。

老師：同學們的思維很活躍，也有較縝密的推理。大家能否從另外角度去思考呢？

學生：湯姆生已經發現原子中存在電子，如果甲反對盧瑟福的原子模型，如何解釋電子的存在？

電子是怎樣分布在原子中的？

老師：這個問題很有意思也很有價值，請同學們都來思考討論。

學生甲：這個問題并不難解決，如果把原子看作是早餐吃的麻球，那么電子就好像是粘在麻球上的芝麻——這就是我的“麻球模型”。

老師：這個模型聽起來很誘人，又好吃、又形象。比道爾頓的實心球模型強多了！

學生：（大笑）

老師：同學們都同意“麻球模型”么？

（安靜、思考……）

給學生足夠想象空間，同學們不知道問題的結論，實驗信息的加工處理任務就落在自己的肩上。討論時，不斷解決問題，又時刻產生新的疑問，在疑問中尋找突破口，獲得科學研究的體驗。雖然，課堂氣氛時而有些嘈雜，時而有些沉悶，但嘈雜中充滿了探討，沉悶中不乏思考。學生始終處在活躍的思維之中，所有討論都圍繞著實驗現象展開，而不是跟著課本人云亦云。

四、 關注科學發展的價值——深入交流評價，凸顯觀念之“真”

交流評價是科學探究中的重要一環。由于平時教材的有關探究中，大多實驗比較理想，結論比較容易得出。導致交流評價環節缺乏深度體驗。科學史能給我們一個很好的交流平臺。在體驗科學發展規律的同時，給我們深度學習探究的機會。

在科學第五冊《幾種重要的鹽》中，有介紹制堿專家侯德榜的內容。侯德榜出身貧寒其研制生產的“紅三角堿”榮獲美國費城的萬國博覽會金質獎章。對現在的學生而言，金質獎章并不意味什么。現在從媒體中看到的“金質獎章”鋪天蓋地，對學生心靈不能產生強烈的沖擊。科學史的教育作用不能有效發揮。于是，教學中補充相關史話：

1 法國科學院懸賞10萬法郎征求可工業化的制堿方法

2 索爾維制堿法原理：

NH3+CO2+H2ONH4HCO3；

NaCl+NH4HCO3NaHCO3↓+NH4Cl；

NaHCO3Na2CO3+CO2↑+H2O；

NH4Cl+Ca（OH）2NH3↑+H2O+CaCl2。

3 侯氏制堿法原理：NaCl+CO2+NH3+H2O=NaHCO3↓+NH4Cl（可作氮肥）

2NaHCO3=Na2CO3+H2O+CO2↑（CO2循環使用）（以加熱作為反應條件）

4 先有索爾維制堿法壟斷全球，后有侯氏制堿法著作發表，全球共享。

對于介紹科學家史料，老師比較容易停留在表層說教，效果不佳，學生不能內化。所以，教學中放手讓學生討論。學生不但關注“法國科學院懸賞10萬法郎征求可工業化的制堿方法”，說明制堿法的巨大商用價值。進一步交流和討論發現，侯氏制堿法原理與索爾維制堿法并無太大差異。區別在于：索爾維制堿，在制得NaHCO3后，又將NH4Cl與Ca（OH）2反應制得NH3，重復利用，而侯氏聯合制堿則是利用NaCl與NH4Cl的溶解變化，在50℃～100℃時加入NaCl，將NH4Cl析出作化肥，為何明顯此方法更受人們的歡迎？通過進一步討論，理解了索爾維制堿法只是將NaCl中的Na+加以利用，Cl-最終變成氯化鈣成為廢渣。降低了原料的利用率，并對環境造成極大危害。而侯氏聯合制堿則是利用NaCl與NH4Cl的溶解度變化，將NH4Cl析出作化肥，NaCl的成分分別進入兩種產品，得到充分利用，保留了氨堿法的優點，消除了它的缺點，使食鹽的利用率提高到96%；NH4Cl可做氮肥，不會產生CaCl2造成的環境污染。

由于學生充分的討論，學生在多個方面對侯氏制堿法的優勢獲得了深刻理解。從物質的利用率聯系到成本；從廢棄物的轉化聯系到環境；從公開方案聯系到國際主義精神等等。每一個觀念的形成都有具體的事實依據和嚴謹的邏輯。這樣的討論，在提高了學生對探究環節中交流評價的能力的同時，深刻地體會到科學與技術的差異和科學技術的價值。

探究需要真實性，不能為探究而探究。科學史的學習也不能流于淺表，局限于閱讀史話，或局限于老師的說教。科學史在課堂上的作用除了可以提高我們的人文情懷，更為重要的是提供了豐富的探究素材，可以將我們帶入真實情景。學生不再是欣賞科學的觀眾，而成了研究科學的主角。在更真實的探究中，體驗探究的樂趣。而我們老師則成為編劇、導演，在幕后推動學生演繹科學發展的大劇。

參考文獻：

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[4] 吳國盛.科學的歷程[M].北京大學出版社，2013.

作者簡介：呂國海，浙江省杭州市，杭州市富陽區富春中學。