科學史融入科學教學的價值邏輯

劉琪

（陜西師范大學出版總社中學化學教學參考編輯部，西安，710062）

在很早以前人們就開始關注科學史對科學教育的作用和意義[1]。近年來興起的HPS 教育倡導在科學教育中進行科學史、科學本質、科學方法的教學，反映了人們對科學史融入科學教學的重視。HPS教育已成為當前國際科學教育研究的前沿性課題之一，全球各國在科學教學與改革方案中也對它給予了充分的關注，并誕生了不同的融合模式[2]。不管是從打通科學與人文的角度，還是從認知發展的角度，我們都相信合理地將科學史融入科學教學可以有效地促進學生深度理解科學概念、方法及本質，關注科學理論與時代背景的關聯性[3]。然而，我國教師培訓體系中往往缺失科學史部分的內容，在中等教育中主要是用科學史進行簡單的事實介紹和課堂引入，對科學史的利用還停留在淺表層面，而高等教育中又存在課程開發不足、不成系統、普及度低等現象[4]，以實驗科學為導向的教育風氣和資源配置傾斜等種種因素的限制導致科學史在教學中難以有效地被利用，發揮出其應有的內在功能。《人是如何學習的》一書中指出，我們對內容的處理水平建立在自身對內容本身的理解水平之上，建立在我們期望達成的教育目的之上[5]。因此，要想解決上述問題，在教學中用好科學史，首先需要從認識層面開始慢慢拓展、深入，從對科學史本身的認識和期望用它達到的教育目的入手，在廣度和深度上做細致的挖掘，思考、探索科學史融入科學教學的路徑，并讓這種融入從一開始的樸素的呈現變得更具科學性、創造性、深入性、豐富性。下面具體闡述加深科學史認識并將其融入教學的啟示。

一、能看到科學史中大量的人物與事件素材

從字面上理解，人們容易把科學史理解為科學的歷史，許多教師結合自身學習歷史的經驗，認為科學史是一系列人物和事件在時間上的簡單堆積，對歷史的認識還停留在對基本史實的記憶層面。因此，在教學中只能是適時引入具體的科學事件和人物，進行簡單的介紹和背景資料補充，吸引學生的注意力，增進其學習興趣。然而，即使我們只是關注碎片化的事件和零星的人物（如在教學中提出一些重大的事例，分析一些簡要的思想，介紹一些核心的人物），也應進行教學上的深挖。這是因為從認知科學的角度看，科學史中大量的人物與事件素材有助于我們有效組織教學，原因有二：第一，情感體驗能夠加深記憶和學習效果。研究表明，多感官參與和深層次的情感體驗能讓人對所學內容印象深刻，更快更牢固地掌握相關知識。美國著名傳記作家艾薩克森曾說：“科學史是通向理解創造力和想象力的應用的唯一正確道路，它發現了個體性格的力量，歷史是在這些個體互動中創造的。”[6]哈佛校長柯南特也很重視對科學史上個案的研究，他的著作《理解科學：以歷史的方法》就是很好的例子。對青少年來說，意象的力量大于概念，與其對他們進行簡單的說教，不如為他們呈現有血有肉的人物形象，用一些具體的事例感染他們，避免傳達科學精神與態度成為空洞的教學目的。第二，故事思維有助于大腦組織對問題的理解。《為什么學生不愛上學？》一書中提到，我們的大腦傾向于用故事思維理解與掌握問題[7]，所以，科學史中多樣、生動的故事在吸引學生興趣的同時，還能幫助學生構建對具體問題的認識。

由此可見，在實際教學中，如果教師想要用好科學史中的素材，就需要關注素材能帶給學生的情感體驗，注重體現其中的故事思維。挖掘人物思想的演進過程及人物的曲折經歷，以具體、形象的實例作為教學素材，把科學史相關教學的實施與學生興趣、認知矛盾、時事動態、熱點問題等關聯起來，同時借助多媒體的生動演示，擺脫枯燥、單一的文字呈現方式，以強化學生記憶，增強教學效果。例如，北京四中靳豪老師的展示課《世紀回眸看制堿》就利用科學史中侯德榜先生的經歷和相關事件組織教學，很好地體現了情感體驗和故事思維對教學的促進作用，在學科教學中滲透了德育教育，給聽課的學生和老師都留下了非常深刻的印象。

二、能發現科學史中動態發展的過程

能發現某一個具體科學問題解決的過程是不同觀點的交鋒、融合、替代過程，能看到問題的解決通常會涉及多位科學家，也伴隨著認識的進階和發展的曲折。有了這樣的認識我們就能增進學生對具體科學問題的理解。

首先，動態的過程能幫助學生發現問題，并產生探究興趣。從動態的發展過程理解科學，我們必然會追根溯源，首先關注的必然是起點，讓學生了解我們思考與探究的真正問題是什么。原始的問題很重要，原因有二：第一，要想了解一套思想體系的本質到底是什么，我們必須回到思想的出發點來看，而這個出發點往往是一個原始的問題[8]。同理，我們要了解科學的本質或科學中某個具體事物的本質，一定要先在科學史中找到原始的問題；第二，發現了問題，學生才會有思考探索的動力和興趣。例如，著名數學家羅素，從小就對數學感興趣，經常刨根問底式地思考公理為什么無法證明，我們為什么要接受公理？這個問題促使他閱讀名家名著，努力鉆研并進一步推動了數學在概念和邏輯上的還原[9]。原始的問題對教學很重要，這是因為認知科學領域的研究成果已經證實問題解決模式對教學有效[10]。因此，許多教師已經在教學中用問題鏈、問題驅動等方式提高學生參與課堂的積極性。另外，《研究是一門藝術》一書中還提到：“解決難題最佳的時機就是發現難題的時候。”[11]可見，以科學史帶領學生發現問題，不僅僅具有引發學生興趣和提高學生學習主動性的作用，對促進學生自主解決問題也至關重要。

其次，能幫助學生獲得解決問題的方法/工具百寶箱。有文獻指出，帶領學生像科學家一樣研究與思考問題，能有效發展學生的科學思維[12]，但只是簡單地提出問題讓學生去解決，學生很有可能毫無頭緒，甚至花費了大量的時間卻收效甚微，這時方法與工具的重要性就凸顯出來了，而科學史恰好能為學生提供解決問題的方法/工具百寶箱。在這里需要特別指出的是，科學史中包含的“方法”和“工具”是多樣多維的：首先，是指科學家們處理科學問題的科學方法的集合，比如我們常常會用到的歸納、演繹、邏輯推理等。其次，是指其他領域（如技術、哲學）思想方法和工具的引入。在思想方法上，我們不難找到科學從其他領域借鑒新思想、新成果的例子。例如，有美國哲學家蒯因提出的還原論思想，對自然科學體系產生了深遠的影響，人們試圖利用它把問題拆解、還原到更基本的層面，如把生物學問題還原為分析水平的化學問題，把化學問題還原為更基本的物理原理[13]。在工具上，技術對科學的影響更加突出，望遠鏡對天文學發展的影響和顯微鏡對化學和生物學的影響不言而喻。再次，是指歷史思維的探究模式和解讀矛盾論點的系統方法，即從歷史事件中把握規律，從歷史觀點中分析解釋，從歷史脈絡中整合梳理的能力，分析與綜合不同觀點的邏輯推理能力。由于科學史中往往會出現人們對問題的不同看法，因此，要想從史實中梳理出頭緒，形成自己的見解，需要學生學會整合、分析與綜合。在科學史上，一些重大的科學成就不是簡單通過一種方法解決一個問題，而是在綜合分析、整理前人的認識與方法后提出的更有規律性、本質性的理論。例如，拉瓦錫對氧氣性質的揭示和門捷列夫提出的元素周期律/表，他們都是在總結前人實驗和理論成果的基礎上，通過分析與綜合的方式，提出了更有普適性、更接近事物本質的理論體系。教學中已有教師開始關注歷史的視角和方法。例如，白建娥老師關于元素周期律的教學設計[14]就引導學生關注元素周期律發現和完善化學史中的邏輯聯系，體現出“事實—相關人物群—主要論點的交鋒—學科問題的整體把握”的歷史認識線。

最后，能促進學生對概念的理解，真正實現學以致用。從理解層面看，認知科學告訴我們，記憶與理解事物的核心是建立它與已有經驗的聯系，而且這種聯系越牢固、越豐富，記憶和理解就越持久、越深入。因此，科學史中豐富的素材和發展線索可以幫助我們建立與發展這種聯系，必然會促進我們對具體問題和科學概念的理解。從應用層面看，認知科學家發現，專家更傾向于用大概念、大觀點思考問題，而新手通常只是記憶、回憶、求解，進行公式運算。因此，通過大概念引導學生從問題出發，結合有效的方法處理問題，對提升學生解決問題的能力有重要意義。正如《人是如何學習》中所言：“培養對學科的整體理解，而不是只是具體學科問題的理解，對于孤立部分的強調，能夠系統地訓練學生的常規知識，但是沒有教育學生理解知識的全貌，而掌握知識的全貌才能保證整合知識結構和了解知識應用的情境。”[15]劍橋大學的教師對物理考試的改革體現了這一思想在教學實踐中的嘗試：“一個老師拿到試題，想看到的不是數字，而是學生對物理的理解。不但數字不重要，而且公式也不重要，重要的是對基本物理概念的理解和對物理學原理本質的把握。理性的思路應該是從最基本的物理假定入手，首先羅列與問題相關所有的（半導體理論）假定，根據具體情況加以分析，每一個假定、每一種情況、每一次選擇、每一層因素都要完整地展開討論，從而將最終導出的正確物理公式用于計算。”[16]由此可見，要培養學生的學科思維就需要引導他們關注學科的整體脈絡，關注概念在學科歷史發展中的演進過程，而這一目標的達成，顯然離不開科學史。

總之，恰當運用科學史，科學學習就應從對知識本身的學習，上升到思維技巧和策略的訓練，再上升到對有效信息的有序組織（從對歷史的解讀中梳理出有意義、有價值的信息模塊），最后上升為意義構建，讓學生深刻地體會到學到了什么、如何深入、如何應用、學有何用。

三、能夠體現出科學史是人對特定歷史的研究工作

如果說前面的認識建立在我們完全相信看到的史實，對主流史料一致接納的基礎上，那么這一認識就啟發我們批判地看待歷史了，有了這一認識我們會認為有必要引入一些學校教育體系外的素材、第一手的歷史文獻資料等，跳入更廣闊的歷史空間去重新調整對問題和人物的認識：能夠意識到歷史本身不代表事實本身，能夠看到教材和主流輔助材料只代表人們對問題理解的眾多觀點中的一種，能看到歷史長河中還有許多觀點和事件有待人們發現他們的價值，能看到一些被強化的事實和論斷也有偏頗、夸大之處，能通過更豐富、多樣的材料修正、調整曾經被我們理想化、簡單化、線性化的人和事。例如，傳統的教學材料中，強調愛迪生發明了電燈，讓我們進入了電器時代，但了解了更多的史料內容后，就會發現如果沒有特斯拉對交流電應用的研究成果，我們離大范圍使用電器還有很長的路要走。通過介紹特斯拉對交流電的研究經歷，學生會發現人類能使用電燈，不只是需要探索燈絲使用的材料，還需要探究如何應用電，如何在保證安全的前提下實現電的遠距離傳輸。帶著這一認識組織相關教學，一方面能拓寬學生視角，有利于激發學生的批判性思維，發展其自身對科學問題與事件的看法；另一方面能引起學生研究科學史的興趣，認識到科學史的學術研究價值。

但這一認識本身也引起了教師新的擔憂：在教學中要利用科學史，除了要考慮學生的前認知、教學時間的安排，還需要結合具體學科的特點和教學方面的知識再加以選擇、修正、加工，相當于是進行二次加工，這可能會導致教師教的“科學史”并非真正的“科學史”[17]。對于這個問題，我們應該認識到科學史本身也是人類思考加工的產物，如果始終抱著懷疑的態度，將無法在科學史中開展研究，更難以推進其在教育中的應用。因此，在應用科學史組織教學時，我們需要反復考查應用的內容和所做的處理是否與學科本質一致，是否與教學目的一致，對于在現階段能經得起考驗的概念、結論進行充分利用；而對于那些原始的、有缺陷的概念需要進行甄別：判斷哪些是容易讓學生產生迷思概念、需要剔除的，哪些是有助于概念理解的、幫助實現教學目的的。

四、能從科學史中獲得更廣闊的世界圖景

從科學史中獲得的廣闊圖景能使人們發現真實問題解決的綜合性和復雜性，能認識到科學史在培養多樣化、個性化人才方面不可低估的作用。具體來說：首先，通過科學史看到科學與其他學科的聯系，既有輸入也有輸出；看到真實世界中的問題往往是復雜的，它的解決依賴于多學科的互動、協作。不同的學科提供給我們不同的世界圖景，按照理查德·德威特的拼圖式世界觀，代表不同領域知識與理解的拼圖及它們之間的聯系可以幫助我們形成對世界的整體認識。科學作為其中的一塊拼圖，其本身構成了人們對世界的部分認識，同時它與其他領域也有聯系與互動。科學影響著我們對其他關聯事物的判斷與把握，其他領域也反過來影響科學發展的路徑和方式。而這恰恰是科學史關注的內容，廣義的科學史包括科學社會學、科學傳播、科學與宗教等內容[18]，通過科學史我們能看到科學作為一個學科體系與其他體系（人文、社會、宗教）之間的滲透、交織、對抗、互促，進而了解不同觀點形成背后的歷史原因，既了解社會背景、學術環境、哲學思維等對科學活動的影響，也了解科學對哲學、技術、社會的作用。

當前，人文與科學以及純科學與應用科學之間存在難以跨越的鴻溝，而這種問題被歸結于教育，歸結于因專業化而導致的割裂，這是人類智力資源的損失。現在分學科的教育模式使學生缺乏一種系統的整合能力，學生對世界的理解是被割裂的，認知難以超越學科本身，形成系統、完整的科學觀、世界觀。而科學史恰好可以使這一問題得到改善，我們能從歷史的脈絡中發現學科間的融合與細化，各學科的關系以及其與整體的關系。從專科史到關注系統整體的科學通史，了解不同學科的促進發展、科學技術的相互促進、科學社會的密切關系都需要有較為寬泛的知識。因此，在科學教育中，教師應把這一認識滲透到教學中并傳達給學生，因為這一認識可以使學生對科學本身的認識實現從拼圖式到熔爐式的升級，即從簡單的整合、分類、梳理到重新組織信息，從單一的科學問題的解決中跳脫出來，看到世界發展的趨勢與面臨的問題，形成科學、多維的世界觀。從科學史中看到的多學科聯系能讓我們意識到真實世界中的問題往往是復雜的、多因素的，問題的解決不僅需要從完善、調整抽象、理想化的科學模型，更要從多學科中借鑒思路與方法。有文獻[19]通過利用科學史實施STEM 熱點教育模式，反映了科學史在促進多學科融合方面的積極作用。

其次，通過科學史滿足學生未來發展的需求，激發學生成為更好的自己。教育的目的是培養適應未來發展、終生成長的人，那當今學生面臨怎樣的發展局面呢？第一，世界處于不斷的變化中，在技術呈指數發展的今天，許多領域的發展日新月異，因此未來社會對人才的需求也更多樣化、復合化[20]。第二，終身專注于一個行業的人越來越少，人們越來越傾向于選擇與自身興趣相關而不是所學專業相關的職業。因此，《Range》[21]一書中提到培養專業人才的教育模式難以幫助學生適應未來發展，滿足工作需要，具備多領域經驗的人更容易適應這種不斷變化中的世界，在真實環境中有更好的遷移能力，更容易實現自我目標。第三，學科之間的帶有開放姿態的雙向交流，能夠誕生全新的成果或更深入的見解，因此，重大的突破往往發生于多學科交叉或學科邊緣地帶。所以，跨行業、交叉領域、新興領域等有很大的人才缺口。

雖然科學的重要性已經達成共識，但從上面對世界發展格局的分析中可以看出，單一的學科是滿足不了學生終身發展與成長需要的。神經學家認為，大腦中的連接能夠產生協同效應，催生更快、更優的學習效果，也讓我們有能力關聯其他感興趣的領域。這一結論告訴我們，像科學史這樣的綜合性課程能夠給學生個人發展提供的最寶貴的東西，不只是具體的知識和方法，不只是在科學領域本身發揮作用，而是希望通過它刺激大腦產生協同效應，讓科學、科學史與學生感興趣的多個領域發生關聯，促進學生在感興趣的領域成才，幫助學生適應變化，深層次地實現自我。

五、能發掘科學史的文化內涵

丹納在《藝術哲學》[22]中提到藝術的精神內核是民族性、時代性，準確生動展示民族性和時代性的作品往往會成為亙古流傳的好的藝術品。同理，在科學領域，一流的科學成果也反映出了對民族性和時代性的深度把握，科學史作為人類文明歷史中的一部分，其文化指向除了弘揚科學精神、培養愛國熱情，更應引導科學工作者發掘我們民族的特點和優勢，把握民族特色和時代特點，鼓勵學生結合自己身邊出現的問題運用科學文化知識有所作為，只有這樣才能創造出真正有價值的科學成果。

首先，認識古典文明之美。《歷史的教訓》中寫道：“我們今天所傳承的遺產比此前任何時候都更為豐富……如果歷史有進步可言，那不是因為我們生下來時比前人更健康、更美好、更聰明，而是因為我們降生于更豐厚的遺產之中，被更高的底座托起，以此前知識和藝術的全部成就為基，隨著它上升。所謂歷史，就是遺產的創造和記錄，而所謂進步，就是它的拓展、保存、傳承和使用。”[23]可見，歷史是文化積累的產物，是文明生長的根基。《科學的歷史研究》[24]一書中提到科學史的教學意義是“說明科學的意義，它的功能，它的方法，它的邏輯的、心理的和社會的含義，它的深刻的人性，以及它對于思想的凈化和我們文化的整體化的重要意義”，這表明科學史教育的目的之一是為了讓我們發現人類文明的歷程，讓年輕的心靈面對古代文明之美。我國的歷史文化長河中蘊含著大量的科學知識，許多一線教師也在教學中開始引入和關注古代著作中的相關內容，讓學生感受我國古人的智慧。

其次，認清現實使命。科學觀點是在一定的時代背景下誕生的，因為社會、文化、政治等其他因素的影響，科學結論本身往往也帶有時代的烙印。然而，歷史不僅僅屬于過去，還屬于現在和未來，《羅輯思維》中提到：“讀歷史不是為了知道未來，而是為了理解現實，并對未來保持想象力。”[25]因此，我們學習科學史不僅是要從史實中感受古人的智慧，在新時代背景下，更要思考我們這個時代面臨的問題是什么，我們國家和民族擅長什么、需要什么，我們要從科學史中找到在科學發展變化中的規律，找到解決當今問題的新辦法，找到科學史對未來教育的意義，培養學生的想象力和創造力，而不是盲目跟風國外的研究方向。這不僅是增強國家科研創新實力的需要，也是提高全球科研成果質量、完善科研評價體系的大勢所趨。莫頓宣言中的十大科學成果評價標準中就指出要重視區域性、民族性的研究成果[26]，說明科學評價導向也在逐步向關注民族性、解決地域性問題的研究成果傾斜。

雖然我們已經在一定程度上認識到了科學史對科學教學的意義，但我們不應只滿足于模糊的印象和大致的輪廓，我們可以通過不斷補充、深化對科學史的認識，逐步挖掘其對教學不同方面的具體意義和融合方式。有意識地深化對科學史的思考是突破教學困局的關鍵。從認知的角度來說，我們對科學史的理解程度決定了我們在教學應用中的目的和應用遷移的可能性，這樣的努力為學生提供了更多元的思考維度、更豐富的學習素材，使科學學習變得既富有成效又充滿樂趣。雖然多層次、有深度的認識能給我們安排組織教育教學帶來更多的啟示，但實際教學中仍應根據學生的實際情況與教學內容的特點靈活選取認識角度、深度，以落實對應的教學目標為準，而不是一味地求大求全。我們需要做更細致、深入的思考，而不是滿足于框架式的套用；我們需要有更整體的把握，而不是局限于具體的問題；我們需要發掘更多的關聯性，而不是停留在簡單的因果關系上。科學史在教學上的應用從理論層面到具體落實還需要我們進行更多的實踐和反思，我們依然任重而道遠。