新课标视域下化学史的科学本质教育功能研究

严文法　王小梅　李彦花

摘要： 科学本质是科学教育的主要目标之一。《普通高中化学课程标准（2017年版）》强调促进学生对科学本质的理解。化学史记录了化学科学知识形成、建立和发展的全部过程，承载了科学本质的许多方面，2017年版新课标强调将化学史与促进学生对科学本质的理解相联系。通过对科学本质和化学史进行分析、整理，讨论了化学史的科学本质教育功能。

关键词： 科学本质; 化学史; 新课程标准; 教育功能

文章编号： 10056629（2020）01000305

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

科学本质（Nature of Science，简称NOS）是科学教育的重要目标之一，一直以来也是国际科学教育关注的热点。《普通高中化学课程标准（2017年版）》在教学策略、教学提示、学业要求中多次提到“促进学生对科学本质的理解”[1]。科学史（History of Science，简称HOS）是科学课程的重要内容之一，科学史能提供关于科学的概念、过程和背景等有意义的观点，在科学课程中融入科学史，可以帮助学生理解抽象的科学概念，还有助于学生对科学本质的理解[2]，化学史是科学史的分支，有效地运用化学史，可以增进学生对科学本质的理解。《普通高中化学课程标准（2017年版）》中多次将化学史与促进学生对科学本质的理解联系起来，比如“借助科学史的故事和素材多角度展示人类对微观结构的认识过程，促进学生对科学本质的理解”“有效利用化学史的素材，帮助学生认识科学理论会随着技术手段的进步和实验证据的丰富而发展，通过设计角色扮演等活动引导学生理解科学理论发展过程中的争论，从而增进对科学本质的理解”“关注化学理论的历史演进过程，结合理论模型发展中的重要事实和科学家的推理论证过程，引导学生认识化学理论的建立过程和思想方法，发展学生的高级思维能力及其对科学本质的认识”“利用科学技术发展进程中的优秀案例，引导学生认识科学本质”[3]。由此可以看出，《普通高中化学课程标准（2017年版）》重视发展学生对科学本质的理解，且将化学史作为发展学生对科学本质理解的重要手段。

1 核心概念的界定

1.1 科学本质

科学本质一直是国际科学教育关注的热点，一些国家将“科学本质”纳入科学课程标准中，强调科学本质的教育。1996年，美国颁发的《国家科学教育标准》，将科学的历史和本质作为重点内容之一，规定5～8年级的学生应该逐步理解科学的本质和科学史，9～12年级的学生应该具备理解科学知识的本质和历史观点的能力，给出了科学本质和科学史的具体内容[4]。2013年，美国颁布的《下一代科学教育标准》（Next Generation of Science Standards，简称NGSS），不再单独设立有关“科学的历史和本质”教学内容，而是将科学本质教育内容纳入科学实践和科学教育中，标准中提到了八条科学本质的教学内容[5]。因为科学本质涉及到科学哲学、科学社会学、科学史学、科学心理学等领域，因此对其具体定义一直没有全面达成共识，但是在学校科学教育层面，对K12年级应能理解的科学本质的内容基本达成了一致，目前主要采纳的是美国科学教育家莱德曼（N.G.， Lederman）给出的符合K12年级学习的科学本质的7个方面（简称“Lederman Seven”）[6]，这7个方面如下： （1）科学知识的经验性;（2）科学定律和理论的区别与联系;（3）科学知识的创造性和想象力;（4）科学知识的理论负载性;（5）科学知识的社会和文化嵌入性;（6）科学方法的多样性;（7）科学知识的暂定性。莱德曼关于科学本质的7个方面应用广泛[7，8]。科学本质教育具有重要的教育价值，研究者认为科学本质的教育价值主要有： 可以帮助学生形成正确的科学观，能区分科学和非科学;有利于学生体会、理解科学事业中的过程与方法，培养学生的科学素养;帮助学生领会科学的精神[9]。

1.2 化学史

化学史是科学史的一个分支，美国著名的科学史家萨顿认为：“科学史是描述人类在长期社会实践中关于自然认识的历史”。那么，化学史也就是描述人类在长期社会实践中关于自然的化学知识的历史[10]。长期以来，科学史是科学课程的重要组成部分，运用科学史教学能够帮助学生理解抽象的科学概念，对学生理解科学本质有促进作用[11]。2017年版新课程标准中的情境素材建议里提供了大量化学史素材，例如电离理论的建立、元素周期律的发展、原电池的发现、人工合成氨、人工合成尿素、青蒿素的提取、氧化还原理论建立的史料、核外电子运动模型的历史发展、玻尔与爱因斯坦的争论等[12]。

2 例析化学史的科学本质教育价值

利用科学史进行科学本质教育，至少可以追溯到上个世纪50年代，美国科学教育家詹姆斯·科南特设计了大量基于科学史的教学案例，尝试帮助非理科生理解科学本质的某些方面[13]。已有研究表明，将科学史作为一种教学策略使其与科学内容和科学本质教育相结合能帮助学生更好地理解科学本质[14，15]。化学史是科学史的一个分支，将化学史与化学知识教学相结合，能够促进学生对科学本质各个方面的理解。

2.1 化学史能承载科学知识的经验性

对科学知识的经验性（The Empirical Nature of Scientific Knowledge）的恰当理解是： 科学知识的产生至少在一定程度上是基于对自然界的观察，但科学家并没有直接接触到大多数的自然现象，因此科学知识的产生除了需要观察之外还需要推论。学生应该了解观察和推论之间的关键区别，观察是对自然现象的陈述性描述，而推论是对感官无法直接理解的现象进行陈述[16]。

化学史具有体现科学知识的经验性的功能，以原电池的发现为例来进行讨论。1780年，意大利医学家伽法尼在一次偶然情况下，观察到解剖青蛙时青蛙出现了痉挛现象，基于这一现象伽伐尼推论出了“生物电”理論。1793年，意大利物理学家伏特质疑伽伐尼的发现，进行了大量的试验之后形成了结论： 将捆绑在青蛙肌肉两端的不同金属连接成闭合回路，这才是产生电的关键。伏特根据这些现象，推论出是两种不同的金属相互接触时所产生的电效应，与接触的动物无关，并基于这一推论制作了伏特电堆。但伏特电堆难以维持稳定的电流，1836年，英国的丹尼尔对“伏特电堆”进行改良，制作了第一个实用的“丹尼尔电池”[17]。从发现原电池的这一段化学史我们可以看到，化学知识的产生是建立在一系列的实验、观察和推论的基础上的。教师在讲授化学反应与电能这章节时，可以借助原电池的发现史使学生理解观察和推理的区别与联系，理解科学知识的产生是建立在观察的基础上的，但是仅仅通过观察往往是不够的，还需要基于观察的推论，观察和推理都是产生科学知识的重要途径。

2.2 化学史能承载科学定律和理论的区别与联系

对科学定律和理论（Scientific theories and laws）的恰当理解是： 科学定律是指对可观察到的现象之间的关系进行陳述性描述，科学理论是对那些现象中可观察到的现象或规律的推断解释。理论不能被直接检验，只有间接证据才能用来支持理论并建立理论的有效性。理论和定律是两种不同的知识，一种不能转为另外一种，都是科学的产物[18]。

化学史具有体现科学定律和理论的功能，以电离理论建立的化学史为例来进行讨论。1800年，英国化学家戴维通过一系列电解实验，为了解释电分解作用，首次提出亲合力的电理论。1832年，英国科学家法拉第根据大量的电解实验现象得出了两条结论，也就是法拉第定律。1887年，阿伦尼乌斯结合自己的实验和他人的研究（克劳修斯、柯尔劳希、范霍夫等）提出了电解质稀溶液的电离理论[19]。从电离理论建立的化学史我们可以看到，科学定律是根据大量的实验数据和现象总结出来的相关关系，而科学理论是为了解释现象而提出的相关理论。教师在讲电离与离子反应这章节时，可以借助电离理论建立的化学史使学生理解科学定律和理论的区别，理解科学定律和理论是两种不同的科学产物，一种不能转化为另一种。

2.3 化学史能承载科学知识的创造力和想象力

对科学知识的创造力和想象力（The Creative and Imaginative Nature of Scientific Knowledge）的恰当理解是： 科学知识的发展包括对自然的观察，然而，产生科学知识也需要人类的想象力和创造力，科学包括解释和理论实体的发明，这就要求科学家有很大的创造力[20]。

化学史具有体现科学知识的创造性和想象力的功能，以核外电子运动模型的历史发展过程为例来进行讨论。1897年，汤姆生在研究阴极射线时，发现了原子中电子的存在，通过想象创造出原子结构模型，称为“葡萄干面包模型”。1910年卢瑟福进行α粒子散射实验时，为解释α粒子的散射实验，通过想象构造出原子结构模型，称为“卢瑟福核式模型”。1913年，丹麦物理学家玻尔在研究了氢原子光谱后，根据量子力学观点，创造和想象出新的原子结构模型，称为“玻尔原子结构模型”，1926年，薛定谔提出了主量子数、角量子数、磁量子数来描述核外电子运动状态，根据想象力和创造力以及相关原理建立了“电子云模型”[21]。借助核外电子运动模型的建立以及苯环结构发现的史实，教师可以帮助学生认识到科学知识的产生过程还需要科学家的创造力与想象力。

2.4 化学史能承载科学知识的理论负荷性

对科学知识的理论负荷性（The TheoryLaden Nature of Scientific Knowledge）的恰当理解是： 科学家的理论和承诺、信念、先验知识、经验等实际上影响着他们的工作。所有这些背景因素形成了一种心态，这种心态会影响科学家思考的问题，以及他们如何进行思考，影响他们观察或不观察什么，以及他们如何解释他们的观察[22]。

化学史具有体现科学知识的理论负荷的功能，以玻尔与爱因斯坦争论的化学史为例来进行讨论。爱因斯坦和玻尔关于量子力学的争论从1927年开始，一直持续到1955年爱因斯坦逝世。玻尔提出的对应原理和哥本哈根学派提出的波函数的几率解释，以及1927年海森堡提出的“测不准原理”。爱因斯坦对测不准原理和量子力学的概率解释都不认同。爱因斯坦反对量子力学是基于对实在论、因果律、决定论等哲学方面的坚定信念[23]。从爱因斯坦和玻尔争论的化学史我们可以看出，两位科学家的理论负荷，导致对量子力学有不同的观点，两位科学家的争论也推进了量子力学的发展。教师在讲研究物质结构的方法与价值这一主题时，借助玻尔与爱因斯坦的争论这一化学史素材，引导学生理解科学理论发展过程中的争论，体会科学家们的理论负荷有时会阻碍他们发现科学知识，导致科学家产生错误的理解，同时也可能推进科学知识的发展。

2.5 化学史能承载科学知识的社会和文化嵌入性

对科学知识的社会和文化嵌入性（The Social and Cultural Embeddedness of Scientific Knowledge）的恰当理解是： 科学作为人类的事业是在更大的文化背景下实践的，它的实践者是这种文化的产物，科学受其所嵌入的文化的各种因素和智力领域的影响[24]。

化学史具有体现科学知识的社会和文化的嵌入性的功能，以人工合成氨的化学史和青蒿素的提取历程为例来进行讨论。1754年，英国化学家普里斯特利加热氯化铵和石灰石时发现氨气，1784年，法国化学家贝托雷确定了氨是由氮和氢组成的。19世纪以来，由于社会发展需求，氮的固定成为一个严峻而迫切的问题。很多著名化学家开始研究氮的固定，1900年，法国化学家勒沙特认为氮气和氢气在高压条件下可以直接化合生成氨，但实验失败了。在合成氨研究屡屡受挫的情况下，直到1904年，德国物理化学家哈伯对合成氨进行了全面系统的研究和实验，终于在1913年年底合成氨，终于从实验室走向了工业化[25]。20世纪60年代中期，越南战场抗药性恶性疟疾横行，越南政府紧急向我国寻求援助，需要研制防治抗药性恶性疟疾新药，屠呦呦及其团队一直在不停地研究，最后直到发现青蒿素的有效作用，进行青蒿素的提取研究[26]。从人工合成氨和青蒿素的提取的化学史可以看出，科学是在一个大的文化环境下进行实践的人类事业。教师在讲主题化学科学与实验时，借助工业合成氨以及青蒿素提取的化学史，引导学生进行科学探究以及培养学生严谨的科学态度，让学生自己体会科学知识的产生与社会和文化有一定的关系，理解科学知识是在一定社会和文化背景下产生的。

2.6 化学史能承载科学方法的多样性

对科学方法的多样性（Myth of The Scientific Method）的恰当理解是： 没有一种单一的科学方法可以保证发展可靠的知识。科学家运用观察、比较、测量、推测、假设、创造想法和概念工具，并构建理论和解释，没有单一的序列的活动[27]。

化学史具有体现承载科学方法的多样性的功能，原子结构模型的建立、氯气的发现、化学电池的发展历史以及李比希法分析碳氢元素含量等都可以用来承载科学方法的多样性。比如舍勒在1774年研究软锰矿时，他將软锰矿与浓盐酸混合并加热时，发现了氯气。戴维通过电解法发现了大量的元素，成为发现元素最多的化学家。教师在讲化学科学与实验探究时，借助原子结构模型、化学电池的发现等化学史，引导学生了解实验、假说、模型等方法在化学学科研究中的运用。让学生自己理解科学方法的多样性，体会到科学家运用多种方法来解决科学问题，而不是一种单一的方法来发现科学知识。

2.7 化学史能承载科学知识的暂时性

对科学知识的暂时性（The Tentative Nature of Scientific Knowledge）的恰当理解是： 科学知识虽然可靠而持久，但绝不是绝对的或确定的。这种知识，包括事实、理论和法律，是可以改变的[28]。

化学史具有体现科学知识的暂时性的功能，以氧化还原理论建立的化学史为例来进行讨论，对于氧化还原理论的建立分为3个阶段，18世纪末，拉瓦锡提出的燃烧氧化学说，以得失氧的角度来理解氧化还原反应理论;19世纪中期，由于化合价概念的建立，氧化还原反应理论从化合价的角度来理解;20世纪初期，由于成键电子理论的建立，氧化还原反应从电子的得失或偏移的角度来理解[29]。从氧化还原反应理论建立的化学史可以看出，科学知识是可靠的并且是经久的，但不是永久的、绝对的，而是暂时的。教师在讲氧化还原反应这章节时，借助氧化还原反应理论建立的化学史，让学生了解氧化还原反应原理并不是一蹴而就的，而是通过长达百年的时间逐渐演进的。体会科学知识虽然在一段时间内可靠而持久，能解释自然界中的很多现象，但不是绝对的或确定的，随着时间的推移，人类的认识逐渐提高，相应的科学知识也逐渐变化。

3 讨论

国外很多研究证明运用科学史能够提升学生对科学本质的理解，化学史是科学史的分支，有效利用化学史也能增进学生对科学本质的理解。2017年版的新课程标准非常重视化学史和科学本质，明确提出应注重发挥化学史的作用，使学生从学科本源上把握化学核心概念发展中所蕴含的学科思想观念，从而增进学生对科学本质的理解[30]。2017年版的新课标情境素材建议中的相关化学史能够承载科学本质的不同方面，例如原电池的发现能够承载科学本质中的科学知识的经验性;电离理论的建立能够承载科学本质中的科学定律和理论的区别;核外电子运动模型的历史发展能够承载科学本质中的科学知识的创造力和想象力;玻尔与爱因斯坦的争论能够承载科学本质中的科学知识的理论负荷;人工合成氨和青蒿素的提取能够承载科学本质中的科学知识的社会和文化的嵌入性;原子结构模型的历史、氯气的发现等能够承载科学本质中的科学方法的多样性;氧化还原理论建立的史料能够承载科学本质中的科学知识的暂时性。2017年新课标重视“素养为本”的教学，倡导情境素材的运用，化学史是情境素材相当重要的一部分，有效地利用化学史不仅可以增进学生对科学本质的理解，还可以培养学生的化学学科核心素养。

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*本文系北京师范大学中国基础教育质量监测协同创新中心重大成果培育性项目“中小学生科学概念学习进阶研究”（项目编号： 201805015BZPK01）和教育部人文社会科学研究规划基金项目“跨学科视角下的中小学科学核心概念学习进阶研究”（项目编号： 18YJA880103）阶段性研究成果。