科學史在初中科學教學中的價值與運用研究

葉曉霞

摘 要：“讀史使人明智”。生活中各領域都滲透科學知識，而科學史在初中科學教學中的運用，有利于培養學生的探究和創造能力，有利于培育學生的科學精神和思維，提高學生的綜合素質。本文從科學史在教學中運用的現狀、價值進行介紹，再以三種不同的教學模式介紹科學史在初中科學教學中的運用研究，層層遞進，最后總結科學史在初中科學教學的初步成果，并指出進一步研究的方向。

關鍵詞：科學史;初中教學;價值;運用

一、科學史在初中教學中的運用現狀

2019年9月，筆者有幸到杭州蕭山金惠初中參加杭州市初中科學教學展示活動，本次展示活動共有四堂展示課，分別是戴老師的《尋找真空》、徐老師的《原子結構模型》、向老師的《探索大自然的秩序-動物的分類》、俞老師的《地球的形狀和內部結構》，這四堂課科學史始終貫穿其中，環節設計巧妙，既展現老師嫻熟駕馭課堂的能力，又在探索過程中融入科學史料，完整的呈現了科學規律的發展過程，這有利于說服學生放棄錯誤概念，進而自主建構科學概念。可見，把科學史有機地融入初中科學教學課堂，是一件于教學相長的舉措。什么是科學史？筆者認為科學史是自然科學與人文科學之間的橋梁，同歷史一般，它能對史學歷程中實際發生過的事情的進行敘述，并對敘述背后起支配地位的概念進行反思和解釋。在科學教學中適當融入科學史，可以提高科學教育的質量，把握科學本質，這是當今世界科學教育界所大力提倡的，但在實施的過程中如何發揮其最大的功能值得思考和探索。

在初中《科學》課本中，我們發現科學史應用較多（見圖一），

在日常的教學中，尤其是實驗探究活動，也盡量設計環節讓學生去探究科學的本真。學生在探究過程中表現出來的思維過程與探究方法和科學家有許多相同之處，因而科學教師必須具備較高的科學史和哲學素養。在教學中融入科學史，能使學生體驗探究過程的曲折、收獲探究的樂趣，并掌握科學探究的方法。然而，目前對科學史真正了解的老師并不多。在常規教學中，教師往往將概念直接講授給學生，學生機械地記憶概念和基礎知識，這樣只能停留在知識的淺層，并不能真正理解科學的本質和內涵;在教學過程中，教師演示實驗和學生探究活動所得的結論，大部分是建立在幾組數據上，得到的證據較為單薄，不具備普遍性，甚至有時由于諸多因素造成無法得出正確結論的尷尬局面。所以課堂教學一定要追本溯源，運用恰當的方法和手段，讓學生像科學家們一樣思索和實驗。

二、科學史在初中科學教學中的價值

關于科學史在教學中的價值，許多論著中都有提到，如《美國國家科學教育標準》指出：要深刻理解科學的本質，必須理解科學發展的歷程，從科學發展的歷史中學生領悟到科學的本質[1]。

筆者認為，科學史是人類精神文明的資源寶庫，在初中科學教學中的有重要的意義和作用。

（一）科學史有助于激發學生的學習興趣和求知欲

興趣是最好的老師，科學史包含的內容較豐富有趣，是自然科學與人文學科之間的橋梁。在教學中，適當引入科學史，有助于增加科學課堂的趣味性，激發學生學習知識的興趣和求知欲。如上浮力課時，介紹阿基米德在浴缸里頓悟到如何測量不規則物體的體積，從而衍生浮力的計算;學習機械能時，引入瓦特的蒸汽機，讓學生一起感受日常燒水時壺蓋被水蒸氣掀動;讓學生知道生活現象都蘊含科學道理。

（二）科學史有助于學生理解科學本質、啟發思維

在教學中融入科學史，能加深學生對科學原理、研究過程和方法的理解，幫助學生實現知識的建構，形成正確的科學理念。在教學中，利用演示實驗、學生探究實驗、生生辯論、師生談論等手段，展現當時科學家研究過程中的質疑和錯誤，讓學生有所借鑒，同時又易于讓學生接受和理解——實驗是檢驗真理的唯一標準，對科學知識的驗證，必須建立在特定的歷史背景下去驗證，方能領悟科學的本質和啟發思維。例如學習牛頓第一定律時，引導學生了解伽利略將真實實驗和思想實驗相結合的研究方法，掌握實驗是檢驗假設是否成立的依據，理解科學的本質。

（三）科學史有助于學生理解科學、技術與社會的關系

學習科學史，能增進學生對科學、技術、社會、環境相互關系的理解，揭示科學作為一種社會活動的發展規律和推動人類歷史發展的巨大杠桿作用，使學生了解到科學創新往往要打破陳規，可能會遭遇來自傳統習慣、觀念、勢力等多方面的阻撓，一些科學家為此犧牲個人的幸福乃至生命，從而引導學生體會科學家追求真理的勇氣和科學的人文內涵[3]。同時，讓學生了解隨著科技和社會的發展，科技應用的負面效應也越來越突出，需要引導學生正確的看待科技發展帶給社會的利與弊。

（四）科學史有助于學生理解科學是不斷發展、不斷修正的過程

所有的科學觀念都不是一成不變的，在新證據出現后，需要補充或修正。比如人們對地球形狀的認識，從古至今，從中國到西方，隨著科技的發展，人類的認識是不斷變化的。從原先的簡單觀察、想象由此產生關于地球形狀的各種傳說，如渾天說、天圓地方說等，到亞里士多德、畢達哥拉斯等科學家對自然現象的分析，以及麥哲倫環球航行、一些局部測量認識到地球是球體;再借助科技力量（如衛星拍攝）認識到地球是“兩極稍扁、赤道略鼓的球體”，并進一步說明由于地球不停繞太陽運行和變化，人們對地球形狀的認識也一直在修正。

（五）科學史有助于培養學生正確的科學態度和精神

科學是系統化、嚴謹的自然知識，科學家研究科學需要持之以恒的態度，每一個科學結論的得出，都離不開科學家日復一日、年復一年的實驗與堅守，一部科學史，一生工匠精神。學生學習科學史，可以通過科學家獲得成功與挫折的案例，體會到探索自然奧秘、開展技術創新的樂趣與艱辛，引導學生正確看待學習過程中的困難，增強信心，培養為獲得真知鍥而不舍的探索精神和態度，極大提升內在人文素養[3]。

綜上，通過學習科學史，不僅能使學生感受科學是一個開放的、不斷在廣度和深度發展的系統，感受科學是一個不斷質疑、不斷探究與創新的過程，有利于提高學生的學習興趣，有利于培養學生的人文素養和嚴謹的科學態度，有利于學生直觀理解科學本質，提高學生的科學素養。

三、科學史在初中科學教學中的運用研究

（一）“情境科學史”模式，創設學習情境

情境教學，顧名思義就是感情與環境影響教學的一種方法和手段，具有生活性、形象性、學科性、問題性、情感性等特性。適宜的情境能激發學生學習科學的動機，消除心理壓力，快速進入學習狀態，充分發揮學生的主體作用，利于對知識的強化、聯想和遷移。

如，在《進化與遺傳》的教學中，引入情境：某天，天空電閃雷鳴，有個男孩出生在村莊的一個家庭，接著展示其父母的照片，讓同學猜想和畫出小男孩的外貌，并展示在黑板上，比較畫像的共同點。教師用課件展示男孩的真實照片，比一比誰畫的最像，并比對其與其父母相貌的異同——這人就是未來的遺傳學之父孟德爾，然后簡單介紹孟德爾的雜交實驗，介紹相對性狀（見圖二），繼而學習遺傳物質的傳遞等，讓學生扮演沃森和克里克，充分調動學生學習的積極性，加深學生對問題的理解。

（二）“對話科學史”模式，循序漸進入課堂

“對話科學史”模式，是以師生對話、生生對話、學生與大師間對話展開，將學生帶入了一個充滿辯證、遐想和激情的發現之旅，讓學生靈活地運用資源、經驗、知識了解實驗、假想和模型等方法在科學研究中的運用，進行新的認知建構[2]。

如生生對話，根據課本知識和史學理論，編寫對話。舉例：在《地球表面的板塊》的學習過程中，建立正反兩方，在辯論中構建歷史認知的過程。

正方：19世紀人們認為地球表面的板塊是基本固定不變的——大陸固定論，地殼只會垂直向上運動，不會水平移動。

反方：德國科學家魏格納發現非洲東海岸和南美洲西海岸輪廓吻合，是偶然巧合還是這兩塊大陸原先是一個整體，還是后來因為其他原因破裂漂移分開了？

正方：應該是偶然。

反方：反對，證據如下，一是冰山運動證據——魏格納隨丹麥探險隊到格陵蘭島進行氣象和冰川考察，發現島上巨大的冰山在緩慢運動;二是生物親緣證據——大西洋兩岸物種之間存在較大的親緣關系，如駝鳥、肺魚等;三是化石和氣候方面——舌羊齒植物化石廣泛分布在亞洲（印度）、非洲、大洋洲（澳大利亞）、南美洲、南極洲等大陸，而這些大陸卻不具備舌羊齒生活需要的溫涼氣候;四是輪廓證據——非洲東海岸和南美洲西海岸輪廓吻合;五是其他證據——大西洋兩岸的地層、皺褶的構造有許多相似性和連續性，赤道地區有冰川活動的痕跡，南北兩極地區也有熱帶沙漠的蹤影……

正方：證據挺多，請你解釋大陸漂移的動力來源？

反方：……

正方：我們不接受魏格納的假說。

反方：1950年左右，古地磁學逐漸興起，科學家借助信息技術和遙感技術，找到了大量證據，證明地球大陸確實發生過大幅度的漂移。

正方：證據還不夠硬。

反方：1969年，阿波羅11號飛行器成功測量了地球上各大陸的距離;1984年，美國航空局第一次精確測出地球各大陸緩慢漂移的數據，為“大陸漂移說”提供了強而有力的證據。

在反方強大的證據面前，正方低頭，辯論以反方勝出。以“大陸漂移說”為基石，科學家又提出了“海底擴張說”和“板塊構造說”，從而完成了地球表面的板塊教學與知識建構。

科學史的對話教學應依據不同的教材、不同年齡階段的學生，設置能引起學生思考和對話的議題，循序漸進入課堂。

（三）“質疑-重歷-探究科學史”模式，重歷科學探索歷程

科學史創設科學本質教學情境的有效途徑之一是：將人類認識原子的歷史過程以時間軸的方式呈現，學生從圖上直觀認識科學是不斷修正的，人們是在不斷地質疑和思考中推進科技發展。例如《原子結構模型》課程從古到今縱向比較、從中國到西方橫向比較不同研究者對原子的不同認識，自然引入科學史，讓學生明白每一個科學理論的誕生和發展，都有其深遠淵源和艱難的發展歷程，從而揭示“科學具有創造性和主觀性”的本質觀。

1.科學史創設學習情境，幫助激發學生創造問題

原子是構成物質的基本粒子，在科學教學中都具有重要的地位，尤其化學--原子是化學反應中的最小粒子，通過原子結構可以解釋物質的狀態、化學反應的實質、元素周期律等。

展現盲人摸象的漫畫圖——每人對大象都有不同的認知，再請學生根據經驗和想象畫出原子結構模型，并投影展示每個學生所畫的不同模型，創造問題。在漫漫歷史進程中，人類對原子的認識也不盡相同，得到的結論也不同，自然而然史料再現，每一次模型的建立與推翻，都是科學家實驗和觀點的碰撞，是人類在不斷的實驗、建模、觀點沖突、質疑討論、不斷的修正，推動社會發展。

2.科學史聚焦核心問題，讓學生產生認知沖突

古代人類就對自然現象感到好奇。隨著時代進步，科技手段更新，人們對自然現象的理解加深，并逐漸嘗試追本溯源，提出問題：天地萬物由什么構成？物質變化是怎樣變化？如今我們已知物質是由分子、原子及更小的微粒構成，然而原子內部結構是如何被人們是認識到的呢？古今中外許多仁人義士，積極探索，得出截然不同的答案。

3.科學史再現探究過程，讓學生重回歷史

歷史一：中國古代樸素原子論

中國是四大文明古國之一，對于微觀世界的探索，始于對物質能否無限分割的猜想。

先有考古學家發現的西周青銅器上的“小”的鐵證，其次戰國時期著名思想家莊子的“其小無內”，從哲學角度表達了“一尺之錘，日取其半，萬世不竭”的觀點;再到墨家提出的“端，休之無序最前者”，“端”即為組成物質的無可分割的最原始的東西;儒家《中庸》“語小，天下莫能破焉”，“莫能破”即為“不可分割”[2]。

在中國進行原子探究的同時，西方的科學家也努力對物質是否能分的問題進行探討。

歷史二：西方原子論發展

時間 代表人物 觀點 內容 貢獻和不足

古希臘時期 德謨克利 最小粒子觀 萬物的本源是原子，原子就像用磚頭砌墻一樣，不可再分割 ①首先提出原子論

②沒有人用科學實驗的方法去驗證

1803年英國 道爾頓 實心球模型 ①原子都是不能再分的粒子②原子是微小的實心球體③同種元素的原子的各種性質和質量都相同 ①發現電子

②認為所有物質都是由不可分割的原子構成

1904年 湯姆生 西瓜模型 原子是一個球體，正電荷均勻分布在整個球體內，電子像面包里的葡萄干那樣鑲嵌其中 ①發現電子

1911年 盧瑟福 核式結構模型 在原子的中心有一個很小的原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部的質量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間繞核運動，就像行星繞太陽運動那樣 ①發現原子核和粒子散射實驗②無法解釋電子繞核運動會向外輻射能量，隨著能量的損耗，為什么它不會越來越靠近原子核呢？電子在原子核外如何維持快速運動的狀態？

1913年 玻爾 分層原子模型 電子在原子核外空間的特定的穩定軌道上分層繞核做高速的圓周運動 ①成功說明原子的穩定性和解釋氫原子的線狀光譜②不適用于其它原子，具有很大的局限性

1926年奧地利 薛定諤 電子云模型 電子何時出現在原子核外的某地無法預言，只能知道它在某處出現的幾率大小。以單位體積內電子出現幾率大小，用小白點的疏密來表示，越密則幾率大，越疏則小，如同帶負電的云狀物籠罩在原子核周圍

原子結構的研究正因為有科學方法論的引領才能不斷發展，達到新高度。建立模型往往需要一個不斷完善、不斷修正的過程，電子云模型同樣要接受各種實驗的檢驗才能證明其正確性，以使模型更接近事物的本質。

4.科學史拓展學習空間，促進學生選擇性學習

融入科學課程的史學內容，可作為學生的拓展性閱讀材料，引導學生查閱相關資料，鍛煉學生分析、整理材料和形成書面報告的能力，以促進學生選擇性學習。

四、結束

為了更有效地把科學史融入到科學課堂教學中，筆者認為：重歷科學探究，讓學生像科學家一樣思考問題和進行實驗探究，從小概率進行情感教育;將科學史融入科學課堂，要順應初中生的身心發展水平，根據教材內容和學期計劃有目的有度有方法的逐步呈現和滲透，體現科學本質和教育的價值。筆者在初中科學教學中初步嘗試，將科學史逐漸融入到需要的環節，學生互動和課堂效果不錯，但有時候引入的“度”控制不夠好，還需改進，另科學史內涵豐富，需加強學習;另外不同的課型（如事實學習型課型、概念學習型課型、規律學習型課型、方法學習型課型）要采取不同的融入科學史的教學模式，設計出不同的教學方案，以達到提升學生科學素養、理解科學本質的目的。

總之，科學史是一塊蘊藏著巨大精神財富的寶地，雖然初中生對于科學的認識理解還處于初級階段，但在早期的教育中能通過科學史途徑引導學生理解科學的事實、概念和原理，領悟科學的思想和方法，培育嚴謹的科學精神，是當代教育的基本思路[3] ，科學教師都應該不斷地去嘗試將科學史融入日常教學，使它真正成為科學教與學的重要內容之一。

參考文獻

[1]戢守志.《美國國家科學教育標準》.科學技術文獻出版社

[2]王峰.在智慧對話中建構理性課堂——談“人類對于原子結構的認識”教學設計.化學教育.2013.11

[3]中華人民共和國教育部.《義務教育初中科學課程標準（2011年版）》[M].北京：北京師范大學出版社，2011