以重演的方式實現科學史教育價值

葉寶生 曹溫慶 徐燕

摘要科學作為人類的一種特殊的實踐活動，既強調哲學家傳統，也強調工匠傳統，也就是既強調思辨的思維活動，也強調以觀察實驗為主的實踐活動。而科學史是以文本（文字和圖片）的方式呈現在教材中或用講故事的方式出現在教學中。將科學史引入科學教學，會出現閱讀史料和講解歷史的情形。這樣，科學史料的學習和觀察實驗學習，在教學實踐中會產生教學方式選擇困難——“講”科學還是“做”科學。本文以哲學重演律為基礎，探討以重演的方式，“做”科學史和“用”科學史，將科學史融入科學教學中，既發揮科學史的科學教育意義，又可以讓學生體驗科學探索過程。

關鍵詞 科學史 重演 科學實踐

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.05.027

Realizing the Educational Value of the History of Science by Repeating

YE Baosheng， CAO Wenqing， XU Yan

（Elementary Education College of Capital Normal University， Beijing 100048）

Abstract： As a special practical activity of human beings， science emphasizes not only the tradition of phi？ losophers， but also the tradition of craftsmen， that is， it emphasizes not only the speculative thinking activity， but also the practical activity based on observation and experiment. The history of science is presented in text？ books in the form of text （words and pictures） or in teaching in the form of storytelling. If the history of sci？ ence is introduced into science teaching， there will be situations of reading historical materials and explaining history. In this way， the study of scientific historical materials and observation experiments will lead to difficul？ ties in the choice of teaching methods in teaching practice - "speaking" science or "doing" science. Based on the law of philosophical repetition， this paper discusses how to "do" and "use" the history of science by means of repetition， and how to integrate the history of science into the teaching of science. It can not only give play to the significance of science education in the history of science， but also enable students to experience the pro？ cess of scientific exploration.

Keywords： the history of science； repeat； scientific practice

對于科學史引入科學教育的意義和價值，科學教育工作者早已形成共識。袁維新先生總結出如下四點：理解科學本質、理解科學過程、培養人文精神和培養批判精神。吳國盛先生在《科學的歷程》中開宗明義地指出：科學史有助于理科教學；科學史有助于理解科學的批評性和統一性；科學史有助于理解科學的社會角色和人文意義。這些學者不但指出了科學史的科學教育內涵，而且指出了科學史在科學教育中的重要作用。將科學史引入科學教學成為科學教育的一種重要選擇。

科學作為人類的一種特殊的實踐活動，既強調哲學家傳統，也強調工匠傳統，也就是既強調思辨的思維活動，也強調以觀察實驗為主的實踐活動。而科學史是以文本（文字和圖片）的方式呈現在教材中或用講故事的方式出現在教學中。將科學史引入科學教學，會出現閱讀史料和講解歷史的情形。這樣，科學史料的學習和觀察實驗學習，在教學實踐中會產生教學方式選擇困難——“講”科學還是“做”科學。如何將科學史融入科學教學中，既發揮科學史的科學教育意義，又可以讓學生體驗科學探索過程？本文以哲學重演律為基礎，探討以重演的方式，“做”科學史和“用”科學史，解決科學史融入科學教學所面臨的問題。

科學學習的重演律特征

重演律最早是赫克爾提出的，即“個體發育是系統發育的簡短而迅速的重演”，也稱為生物發生律。后演化發展為哲學重演律，包括三個推論：第一重演律又稱胚胎發育重演律，即高等生物在胚胎階段的發育過程，重演生物進化史；第二重演律又稱個體發育重演律，即個體一生的發育重演群體發展的歷史；第三重演律又稱思維發展重演律，即一個人思維概念的發展、思想情感的發展成熟過程，重演整個人類的認識歷史。

重演，就是簡要重復發展過程的關鍵成功點，這樣，重演就使發展過程大大縮短。人個體的思維發展，重演人類的思維發展史。可以推論，個人對世界認識的發展，重演人類的認識歷史。科學是人類對自然世界的認識，是人類整體認識的組成部分。又可以推論，個人科學認識過程，重演人類科學認識過程。現在強調科學學習的過程性，就是視科學學習過程為科學認識過程。這樣，學生以重演的方式進行科學學習，就是一種自然的選擇。也就是說，學生的科學學習具有重演律特征。

人類科學認識過程，包括科學實踐、理論思維、探索精神以及科學家個人的情感態度。科學史中記載科學家群體豐富的科學思想、巧妙的實驗設計、堅韌的探索精神、個人的科學信仰和對世界與人類的關懷等。如何在教學中重演科學史呢？首先，根據所傳授的科學內容，考慮“做”科學史，就是在課堂上或實驗室，創設類似科學家面臨的問題情境，重復相關內容的經典實驗，理解科學結論是怎樣獲得的。其次是“用”科學史。因為課堂教學（包括實驗室）不是實際的科學研究，很多實驗無法重復。這時，將可重復的實驗和科學家歷史上的實驗結合使用，理解科學認識過程。最后，是針對“做科學史”和“用科學史”，引出對應科學家的探索故事，體現科學認識過程中人的信仰、精神、態度和思維，將“講故事”和“做”科學結合在一起。

總體來看，以“做”科學史的方式，隱性地重演科學史；以“用”科學史方式，隱性與顯性相結合地重演科學史；以“講故事”的方式，顯性地重演科學史。以此為指導，尋找將科學史融合到科學教學中的實踐路徑。

在科學教學中重演科學史的路徑

1.以“做”的方式重演科學史，突出科學的實踐性

“電”已經是我們熟悉的科學概念，但是“電現象”的發現，起源于摩擦起電。物體經過摩擦可以吸引其他輕小的物體，這種現象區別于磁作用現象和重力作用現象，稱為電現象。電現象又區分為“琥珀電”和“玻璃電”兩類，這兩類相互吸引，各自同類卻相互排斥，后來區分為“正電”和“負電”。在教學中，提供給學生橡膠棒、有機玻璃棒、絲綢、皮毛，體會這種靜電現象——用絲綢摩擦有機玻璃棒，用皮毛摩擦橡膠棒，都可以吸引像紙屑這樣的輕小物體；體會兩種電性及其相互作用——帶電的玻璃棒（帶電的橡膠棒）之間相互排斥，帶電的玻璃棒、帶電的橡膠棒之間相互吸引，這就是以“做”的方式重演科學史。再結合杜菲、富蘭克林進行電現象探索的歷史故事，能讓學生在“做”科學的基礎上，理解人類探索電現象的旨趣和進取精神。

2.遵從科學認識邏輯，突出科學的歷史探究性

幾乎所有小學生都知道，地球是球體，但人類認識到地球是球狀的，卻經歷了漫長的過程。從“天圓地方”到觀看海面船只的桅桿先看到頂端后看到整體，亞里士多德看到月食的邊緣總是圓弧狀，哥倫布環球旅行，得到地球是球體的推斷。當人類發射衛星和空間探測器，跳出地球看地球，則證實了地球是球體。在教學中，教師引導學生認識到我們腳踩大地、頭頂著天，大地一望無垠，天包圍著我們，很容易得到“天圓地方”的認識。但如果大地是“方”的，它的邊緣在何處？人們沒有發現大地邊緣，則對“地方”產生疑問。若疊一只小紙船，船上粘一根直立小棍，從籃球的一端向另一端移動，對面觀察者先看到小棍，后看到船身。再結合科學史觀看大海上“船的桅桿”的故事，通過類比的方式得出海面（地面）應該是弧面。教師提供學生圓錐體、圓柱體、球，用手電筒從不同方向照射，會看到只有球在任何方向上的投影都是圓形的。再呈現月食的照片，月食是地球遮擋陽光在月球上的投影，這些投影（陰影）邊緣總是弧形的，還是通過類比得到判斷，地球是球體。如果地球是球體，那么從一點出發向一個方向行走，就一定能回到出發點。這就是歷史上哥倫布的環球探險。當人類跳出地球束縛，再看地球，則清晰地看到蔚藍色的星球。這個教學過程，就是將科學的認識邏輯或說科學認識過程與科學史結合起來，讓學生充分體驗人類的科學探索過程。

3.將科學史資料與科學活動相結合，深化對科學性質的理解

伽利略在教堂做禮拜時，看到吊燈在風的作用下擺動，但不管擺動幅度大還是小，擺動一次的時間總是相等的，從而發現“擺”的等時性。后來惠更斯用一個重錘的重力作為驅動力，經多個齒輪的傳動向單擺施加周期性的、瞬時沖力，制作出第一臺“有擺落地大座鐘”。告別了沙漏、水鐘等弱周期計時，開啟了精確計時時代。正是科學發現導致技術發明，科學認識通過技術實現成為在現實世界應用的工具。教學中，通過講述伽利略發現“擺”等時性的故事，激發學生的探究欲望。教師再準備實驗器材，利用鐵架臺、絲線、擺錘制成“擺”，讓學生測量在不同擺角、不同擺錘質量、不同擺長情況下的擺動周期。知道了當一個“擺”做好后，其擺動周期是確定的，調節擺長又可以調節擺動周期。最關鍵的是利用所制成的“擺”測量時間間隔，體會“擺”作為技術產品的功能。如測一段音樂的播放時間，體會“擺”等時性的應用。理解科學對技術發展的作用，即科學是對自然規律的認識，通過技術成為實用工具或設備。

4.以科學史資料為證據，深化科學認識活動

學習人體的“血液循環系統”時，充分利用科學史資料，加深學生的認識。人類由流血、出血，早就認識到血液的存在。許多國家的古文化都相信，青春、膽量、陽剛之氣和性格等均可通過血液傳遞，科學家和哲學家都把血液看成是力量的源泉。直到解剖學的建立和發展，以哈維為代表的科學家發現心臟結構與血液流動的關系。與心臟連接的大血管，結扎某根，會發現有的是結扎點上端隆起、心臟膨脹，有的是下端隆起、心臟癟小，說明有的是流入心臟的，有的是流出心臟的。初步提出血液流動是循環的。同時發現與肺連通的血管血液流入心臟和從心臟流入肺，提出血液的肺循環（小循環），且流入的顏色暗一些，流出肺的血液顏色更鮮紅，提出靜脈血管和動脈血管觀點。另外大血管中血液也有流入和流出，且也區分為動脈血管和靜脈血管。但是如何構成循環的？直到顯微鏡發明后，發現毛細血管是在肺、腎、大腦皮層、植物輸導組織系統和無脊椎動物中廣泛分布的微細結構。特別是研究人和哺乳動物紅細胞的移動，證明毛細血管連接了動脈和靜脈，建立了血液循環理論。這時，對應肺循環，建立了體循環（大循環）。可以看到，對血液循環的認識是一個艱苦的、復雜的探索過程，特別是涉及解剖學，在課堂教學中肯定是不可重復的。這時我們要充分利用科學史料，體會科學探索的艱難和困苦，理解人類的批判質疑和探究的勇氣。在探究科學史學習的基礎上，學生可以體會心臟（脈搏）的跳動，理解心臟作為推動血液循環的“泵”的功能。同時要結合“呼吸系統”的學習，理解肺部毛細血管進行著氧氣和二氧化碳的交換；結合“消化系統”學習，理解小腸絨毛將食物營養送入毛細血管；正是毛細血管將氧氣和營養輸送到人體全身的組織和細胞，進行物質和能量的新陳代謝。心臟的“泵”動力功能和毛細血管的網狀結構功能，協調作用，保證人體正常的生理活動。學生深入認識到有機體各個組成部分互為存在條件，由各自結構，實現各自的功能，達到有機體生長發育存活的目的。

總的來看，以人類的科學認識過程為依據，以“做”的方式重演科學史，將科學史料與科學活動相結合，使科學史料成為科學認識的證據，據此解決科學實踐和學習科學史之間的矛盾，達到有效發揮科學史教育價值的目的。