科學史融入教材的價值與方式

◇胡盼盼（通訊作者） 吳思瑩 諶濃琴（浙江：臺州學院醫藥化工與材料工程學院）

目前教學中存在對科學史認識不到位，教材呈現方式不利于教師開展科學史教學，中國科學史與黨史、新中國史脫節等問題。結合新的時代背景，本文提出，科學史是科學知識產生的背景，是準確理解科學概念的臺階，是銜接教材與經驗、化知為行的紐帶，也是實現教材育人鑄魂功能的載體。教材中科學史內容的編寫應圍繞上述價值，還原知識產生的真實情境，展現知識發展的來龍去脈，體驗知識獲得的過程，并深度結合中國科學史、黨史、新中國史的內容。

科學史是科學教學的重要資源。最早將科學史引入科學教育的是法國社會學家孔德。孔德提出，科學史在科學教育中具有通識教育的價值。20世紀初，著名科學史家薩頓開始在高等學校傳授科學史，他主張科學史能幫助學生更好地理解科學。20世紀中期，隨著進步主義教育思潮的流行，社會中心的教材如英國的《社會中的科學和技術》開始嶄露頭角。這些教材主張從科學史、科學社會學的角度引入科學概念，加強公眾的科學素養。從那時起，重視科學史教育已經成為西方科學教育改革的大趨勢。

科學史在教材中的數量、內容和呈現方式會影響到學習者科學知識的形成和對科學本質的理解。由于中小學教師缺乏科學史教學方面的系統訓練，他們往往依賴教材進行科學史內容的教學。課堂上缺乏科學史的許多原因，也可以歸結為教材對科學史有限的、簡化的或膚淺的描述。

盡管《義務教育小學科學課程標準》倡導將科學史融入科學教學，但多數相關研究還是集中在教學設計與教學方法方面，對科學教材中如何融入科學史的問題缺乏深入的研究。許多教師對教材中科學史內容的認識僅停留在“創設情境”“引起興趣”的層面，不能全面認識科學史的育人價值。教材對科學史的挖掘也不夠深入，存在呈現方式線性化、簡單化的問題。因此，有必要開展針對科學史融入教材價值與方式的研究，以引導教師領悟和開發教材中的科學史資源。

一、科學史融入教材的價值

（一）科學史是教材中科學知識產生的背景

科學知識是一定歷史條件的產物。從個體的角度看，科學知識的產生是偶然的，在特殊的條件下，在某時、某地、由某些個人創造出來的。然而，個體的創造是有條件的，離不開物質基礎、社會基礎和認識基礎。以陶器的發明為例。研究發現，最早的陶器源自一場失火后或土器偶然掉落在火坑中。然而仔細推敲我們可以發現，陶器的發現并不是偶然的，它的產生至少需要兩個條件。第一，需要有收儲食物的需要。一開始人類用樹枝編織物收集食物——這樣做的好處是就近取材，而且可以編制成一定形狀。后來，人類有了儲水或存儲流體食物的需要，就用黏土把樹枝糊起來曬干使用。第二，火的發明。早期的人類從自然界中獲取火源或火種，并開始有意識地推廣用火以取暖、驅趕野獸和烹飪食物。只要具備了這兩個條件，陶器的發明就順理成章了。世界各地的文化遺址普遍發現陶器就是一個證據。

作為教材知識背景或情境的科學史具有其他素材無法具備的特性——真實性。真實性是學習情境取材真實，來源于真實的生活經驗、生產實際、實驗室事實、社會問題或科學家經歷。真實就是力量。科學史情境具有真實的背景、真實的問題、真實的過程和真實的結果，還與真實的人物——科學家密切相關，具有很高的教學價值。第一，因為背景真實，所以科學史能貼近生活，引發情感，打動人心。第二，因為問題真實，所以科學史能激發真實的認知需求和認知沖突，讓學生投入與問題搏斗的思維場域。第三，因為過程真實，所以科學史能把教材知識轉化為學生的實驗或實踐活動，實現“做中學”和探究，真正培養學生能力。第四，因為結果真實，所以科學史能使人“棄暗投明”、吐故納新。學習理論研究表明，人的前概念、錯誤觀念有潛在性、自發性和頑固性，知道了新概念并不意味著就能主動應用新概念，還必須經歷概念轉變的過程。讓學生在科學史學習活動中真實地經歷轉變的過程，有助于學生深入地比較原有概念和新概念的特點，做出明智的選擇，把書本知識轉化為個人知識。最后，因為科學史情境都是來自科學家的真實經歷，所以科學在學生心目中的形象不是線性、平面、單調的，而是生動、立體、豐富的。

（二）科學史是理解教材中科學概念的臺階

科學概念的發展是一個不斷演進、螺旋上升的過程。在概念發展的過程中，既有面對問題的困頓、科學發現的欣喜、堅持傳統觀念的偏執，又有創新設計的驚喜。概念總是在曲折中前進，在矛盾中生成。從這個角度看，科學概念的直接講授雖然是正確的，但卻是低效的和不夠準確的。概念教學應該是一個發現、糾正、補充、完善的歷史過程。只有在科學史的語境中，學生才能獲得對科學概念發展邏輯的深入理解。

以科學教材中“原子結構的發現”為例。湯姆生發現電子并提出了原子結構的“葡萄干蛋糕模型”，這是教材中對湯姆生提出新原子結構模型的描述。這個結論并不復雜，難度也不大。但如果采用直接講解的方式，學生只能獲得一個碎片化的事實。事實上，理解這段教材需要回歸到科學史上的幾個問題。一是根據什么事實提出了該模型？二是該模型與道爾頓實心球模型有什么聯系？三是新證據和新理論之間是什么關系？只有考慮到這幾個問題，這部分內容的教學才具有高階性，學生才能獲得“科學需要想象”“新的證據導致新的理論”“科學是論證的過程”“科學概念是不斷接近真理的過程”等有意義的理解。

理解科學不僅要理解科學概念，還要理解這些概念之間的聯系，從而獲得關于科學及其演變過程的總的理解——科學本質。國內外的研究表明，科學史教育是幫助學生理解科學本質的有效途徑。

從教育價值取向來說，科學史教育與科學本質培養的要求是一致的。一方面，科學史關注科學的人文意義和歷史、社會、文化背景，符合科學本質觀教育的要求；另一方面，科學本質強調科學的批判性和創造性，這也是科學史教育的特長。因為科學的發展本身就是一個懷疑、批判、證偽的過程，它的歷史-哲學-社會問題相結合的方式也有利于打破慣性思維的牢籠，激發起學生的創新欲望和創造熱情。

從內容上來看，科學史本身就包含著對科學本質的探索。首先，歷史是文化的載體，科學史承載了千百年來科學家對科學本質的不斷探索，在這一過程中人類不斷地形成新的科學認識，不斷靠近自然界的真理。在教學中選取科學史的內容展開探索，不僅能讓學生了解知識的過去，也能讓他們明白知識演變的歷程、方法演進的邏輯以及科學精神的力量，增強學生對科學本質的理解。

（三）科學史是銜接教材與經驗的紐帶

學科課程是圍繞著一些基本的概念或觀念——大概念組織和發展起來的。諾貝爾物理學獎獲得者費曼說過：“如果發生一場大災難，所有的科學知識都將被毀滅，只允許留下一句話給后代……我相信應該是有關原子的假定。”諸如原子、分子、能量、生命、運動、力、結構、系統等就是科學教育領域的大概念。它們構成了其他概念的基礎，比其他概念能解釋更多的自然現象，甚至非自然現象（如用耗散結構理論解釋社會中的自組織現象）。由于大概念在學科中的基礎性作用，新課程改革提倡進行大概念教學。

科學史在大概念教學中有著重要的作用。一方面，大概念的發展是一個歷史的過程。以“原子”為例。原子最早起源于古人對于世界是由什么構成的這一根本問題的思考，東西方哲人分別從整體（五行說）和分析的視角（元素論）兩個角度進行解答。德謨克里特天才地抽象出原子的概念，并對原子與物質的關系、原子的種類和運動進行演繹，充滿了想象力和邏輯的力量。西方元素說經歷了從四元素到七元素到多元素的演變過程，直到道爾頓才總結了各種學說和實驗現象，最終提出了現代原子學說，為化學的誕生奠定了基礎。這一過程充分展現了證據和理論的互動。脫離了科學史，學生就很難全面而深刻地理解原子的概念及其提出的意義。

另一方面，其他科學概念也需要與大概念聯系起來才能講清講透。舒爾曼提出了學科教學知識的概念。學科教學知識理論認為，要真正地理解一個概念，教師需要把概念的來龍去脈呈現在學生面前。顯然，要講清概念的來龍去脈就離不開科學史的幫助。在科學教學中，教師可以重新整合科學史上的觀點、事實、證據和討論，引導學生對概念和大概念的關系進行探究，讓學生形成整體的認識。

科學史不僅在教材內部銜接上發揮作用，在銜接教材與生活方面也發揮著重要的作用。科學知識具有累積性，它們是無數勞動人民和科學家智慧的結晶。小學生在一節科學課中學到的知識，可能是無數科學家經成百上千年的時間探索而得的。因此，課本上的許多知識對學生來說是抽象的，與生活有一定距離。不僅如此，科學知識有時也會和生活經驗產生沖突。例如，當幼年兒童看到樹葉在搖動時，他可能就認為是樹葉的運動產生了風；當他看到周圍的環境都比較平整，他會認為地球是平的；當他在晚上邊走邊觀察月亮時，他會傾向于認為月亮是跟著人走的。因此，要讓兒童真正理解知識，需要把知識還原到生活的環境中，循序漸進地形成科學的理解。這個重演的過程就是一部科學知識的發展史。在這里，科學史成了課堂中銜接生活世界和科學知識的橋梁。

（四）科學史是教材實現育人價值的載體

時代賦予教科書新的使命。百年大計，教育為本；教育大計，教材為基。在新的形勢下，教材應發揮育人鑄魂的重要功能。科學史是一部人民發展能力、利用自然，最終實現人與自然和諧相處的奮斗史。它飽含著人民的智慧，充滿了科學精神和人文精神，承載著中國文化和歷史唯物主義、辯證唯物主義的元素，它與黨史、新中國史、社會主義發展史也有著緊密的聯系。這些都是育人鑄魂的生動資源。

科學教育中至關重要的方面就是幫助學生發展技能，讓他（她）們像科學家那樣思考。要成為思考的人，學生就需要在科學教育中發展他們的能力：能抓住問題，考慮各種解決問題的方法，知道如何搜集證據和從證據中提煉解釋，學會評價解釋和對解釋進行修正，學會質疑、開放和表達。上述都是學生在今后工作、生活中必不可少的核心素養。關于這些思考的案例，在科學史中屢見不鮮。

科學史的育人作用，不僅體現在幫助學生掌握思考的技能上，也體現在思考問題的深度和廣度上。要獲得重大的突破，必須避免陷入過多的細枝末節而要聚焦于根本性問題。正如康德所言：縈繞在我心頭的，一個是頭上璀璨的星空，一個是心中的道德法則。如何才能習慣于思考根本性問題？科學史能提供生動的感悟。最先制得純凈氧氣的化學家是舍勒，最早發表氧氣發現的科學家是普利斯特里。遺憾的是，兩位科學家受“燃素說”思想的束縛，沒有注意到這種新的氣體和燃素學說的根本沖突，反而用歪曲的理論為燃素說辯護（舍勒認為火是氧氣和燃素的結合物，普利斯特里認為氧氣是一種“失燃素空氣”），最終“當真理碰到鼻尖上還是沒有得到真理（恩格斯語）。而拉瓦錫則敏銳地抓住了氧氣與燃素說的對立，用事實證明了權威學說——燃素說的錯誤，建立了人類化學史上第一個統一的科學理論——氧化學說，成了化學的奠基人和集大成者。

按照薩頓的說法，科學史是科學和人文之間的橋梁。科學史中既有科學精神運行其中，又有人文精神滲透其里。科學精神表現在求真、探索、批判、創造等方面，其本質是對理性（公正、客觀、自由）的追求。從這個角度看，科學精神也是一種以理性為基礎的人文精神。用薩頓的話說就是“新人文主義”。以理性思維為基礎的人文精神，和以人性、價值、信仰為基礎的人文精神的聯系在于：理性思維有助于產生和辨別先進的、科學的、趨善的人文精神。

為誰培養人？培養什么樣的人？是教材編寫需要思考的根本問題。科學史內容的編寫也是如此。著名科學史家杜克說過，何種科學史、誰的科學史、為什么利用科學史都決定著課程與教學的性質。作為中華民族的科學史、我們的教材應傳承與發揚中國文化。作為當代的科學史、我們的教材應講好當代中國的故事、人物、成績和政策。作為社會主義國家的科學史、我們應該以馬克思主義的基本觀點來看待和分析問題。這些都是我國科學史教育中的應有之義。

二、科學史融入教材的方式

（一）還原知識產生的真實情境

科學是一種理性的思維方式。黑格爾說，“凡是存在的就是合理的，凡是合理的就是現實的”。意思是說，凡是合乎理性的事物都有其現實基礎。科學知識的誕生，也必然有其現實基礎。換言之，科學知識是與社會需求、社會應用緊密相關的。如果教材能再現這些社會現實，對培養學生的問題意識、社會責任感和科學態度都會是非常有利的。比如，當學生知道許多著名的科學家都在觀察上犯過錯誤時，他可能會養成獨立觀察、不唯書不唯上只唯實的觀察態度；當學生了解到科學研究成果會給生物界和環境造成危害（如溫室效應、臭氧空洞）時，他可能會養成審慎的、人道主義的科學觀；當學生了解到科學家矢志不渝、追求真理的故事后，他可能會養成熱愛自然、堅持不懈的價值追求。

同樣的道理，我們必須反對教材中對科學史過分簡化乃至庸俗化的“失真”內容。如有的教材把萬有引力定律的發現歸結為蘋果掉落在牛頓頭上的偶然事件。事實上，自從發現托勒密定律以后，萬有引力定律就已經呼之欲出了。即使這個故事是真實的，如果教師把它當作科學發現的全過程，又會向學生傳遞什么樣的價值觀呢？一些學生可能會把這當成科學發現的典型過程，形成機會主義甚至神秘主義的科學觀。

（二）展現知識發展的來龍去脈

科學知識的發展具有累積性和可修正性，科學知識的發展不是一蹴而就的，往往要經歷一個曲折的過程，這個過程不是隨意的、散漫的，而是遵循著內在的邏輯。科學史教材的編寫要展現知識發展的內在邏輯，把知識從哪里來，如何發展變化，要到哪里去的問題講清楚。唯有如此，學生才能真正理解知識以及知識背后的科學本質。

以化學中質量守恒定律的發現為例。人生活在變化的環境中，必然會被周圍的變化所吸引，進而探究變化的本質，這種對事物質的把握是定性的。隨著變化知識的積累和天平的發明，人們自然而然地思考起變化過程中的質量問題。受實驗條件的限制和燃素說（燃素說關于燃素質量的描述是混亂的，有時燃素有正質量，有時燃素有負質量）的影響，早期人們認為化學反應前后質量是不守恒的。拉瓦錫在研究燃燒的過程中發現，物質在空氣中燃燒的過程中吸收了空氣中的氧氣，并且物質燃燒后增加的那部分質量剛好等于它所吸收氧氣的質量。他敏銳地意識到化學反應前后質量之間可能存在某種關系。拉瓦錫重新研究了前人關于化學反應前后質量不等的證據，發現是否在密閉體系中測量是問題的關鍵。他用精密的定量實驗進行重新測量，終于提出了質量守恒定律。化學由此進入一個定量研究的時代。

（三）讓學習者體驗科學知識獲得的過程

科學知識以一定的邏輯展現并不意味著要就此開展說教。一般來說，科學史教育有三種模式。第一種模式是把科學史當作教學內容直接講授或組織學生討論。第二種模式是把科學史作為知識的情境滲透到知識教學之中。第三種模式是以科學史為線索，讓學生重新體驗科學發展的歷程。在實踐中，第三種模式被證明是更具有教育價值的。因此，在編寫教材時，最好能加入科學史上曾經出現的重要活動，讓學生經歷科學家的故事，體驗科學發展的過程和科學家的智慧。

（四）與中國古代科學史和黨史、新中國史深度結合

著名史學家克羅齊有一個著名的命題：“一切歷史都是當代史”。意思是歷史的價值是潛藏在現實之中的，歷史要是脫離了現實的思考、現實的興趣和現實的心靈，就失去了價值。科學史也是如此。因此，科學史教育不能就史論史，就事論事，而應從現實出發，發揮科學史的育人鑄魂功能。

首先，與黨史、新中國史和社會主義發展史深度結合。在黨和國家發展的歷史上，涌現出一大批杰出的科技工作者和他們的優秀事跡（如“兩彈一星”、探月工程、量子通信等），也凝結出諸如科學發展觀、“一帶一路”倡議、“創新、協調、綠色、開放、共享”五大發展理念等重要理論和實踐成果。這些理論和實踐的成果，為科學史教育提供了新的養分。將這些成分納入科學史，可以不但有助于提升學生的科學素養和視野，也有助于增強學生對堅持社會主義道路的自信。

其次，與新中國史、中國文化深度結合。講好中國故事是中國教材責無旁貸之事。中華科技文明源遠流長，從公元前1世紀至公元15世紀長期處于世界領先的位置。商代甲骨文記錄有基于十進制的先進記數方法；戰國時期的《甘石星經》是當時天文觀測資料的集大成者，也是世界上最早的星表；我國的青銅器冶煉和鑄造工藝，是世界工藝史上的瑰寶；中國的陶瓷文化幾千年綿延不絕，歷久彌新，在世界上可謂獨一無二；更有世界聞名的四大發明，改變了西方文明的進程。在這些發明發現的背后，都蘊藏著動人的故事，凝聚著中國人的智慧和汗水。把這些故事講好，是教材應該做也可以做好的事情，也是今人對古人、對傳統文化的尊重和責任。

第三，與馬克思主義基本理論深度結合。馬克思主義哲學把唯物論和辯證法結合在一起，建立了歷史唯物主義和辯證唯物主義的基本觀點。馬克思主義之所以先進，是因為它能科學地解釋和指導實踐。科學史的進步史，也是馬克思主義哲學觀的展開史和證明史。

以造紙術為例。文字發明以后，人民對記錄文字材料的需求日益增長。一開始，人們用石器（如鐘鼓文）、巖刻（巖畫）來記錄文字，后來又用青銅器、甲骨、竹簡來記錄文字，這些記錄方式都存在書寫效果欠佳或是過于笨重的問題。隨著紡織技術的發展，人們發現用布料和絲綢這些天然纖維記錄起來更加輕便。但布帛絲綢的價格過于高昂，普通人很難負擔得起。于是人們開始思考：能不能用其他纖維代替絲帛？經過勞動人民的多方探索，終于發明了用桑、麻、葛為原料的造紙工藝。蔡倫改進了造紙的工藝，“用樹膚麻頭及弊布漁網以為紙”（《后漢書·蔡倫傳》）制造出第一批性能優良、價格低廉的“蔡侯紙”。紙張的發展史充分說明，人民需求是科技進步的最大動力，人民群眾是歷史的創造者。造紙術發展過程中不同材料的繼承和更替也說明，科技的發展是一個辯證的過程，事物在矛盾中發展，在揚棄中進步。

三、結束語

正如諾貝爾物理學獎得主湯川秀樹所說，“科學史可以說是一部錯誤史，大多數理論是錯誤的，只有極少數幸存下來……但如果沒有少數成功背后的失敗，知識就幾乎不可能有任何的進步”。■