科学史在初中科学教学中的价值与运用研究

叶晓霞

摘 要：“读史使人明智”。生活中各领域都渗透科学知识，而科学史在初中科学教学中的运用，有利于培养学生的探究和创造能力，有利于培育学生的科学精神和思维，提高学生的综合素质。本文从科学史在教学中运用的现状、价值进行介绍，再以三种不同的教学模式介绍科学史在初中科学教学中的运用研究，层层递进，最后总结科学史在初中科学教学的初步成果，并指出进一步研究的方向。

关键词：科学史;初中教学;价值;运用

一、科学史在初中教学中的运用现状

2019年9月，笔者有幸到杭州萧山金惠初中参加杭州市初中科学教学展示活动，本次展示活动共有四堂展示课，分别是戴老师的《寻找真空》、徐老师的《原子结构模型》、向老师的《探索大自然的秩序-动物的分类》、俞老师的《地球的形状和内部结构》，这四堂课科学史始终贯穿其中，环节设计巧妙，既展现老师娴熟驾驭课堂的能力，又在探索过程中融入科学史料，完整的呈现了科学规律的发展过程，这有利于说服学生放弃错误概念，进而自主建构科学概念。可见，把科学史有机地融入初中科学教学课堂，是一件于教学相长的举措。什么是科学史？笔者认为科学史是自然科学与人文科学之间的桥梁，同历史一般，它能对史学历程中实际发生过的事情的进行叙述，并对叙述背后起支配地位的概念进行反思和解释。在科学教学中适当融入科学史，可以提高科学教育的质量，把握科学本质，这是当今世界科学教育界所大力提倡的，但在实施的过程中如何发挥其最大的功能值得思考和探索。

在初中《科学》课本中，我们发现科学史应用较多（见图一），

在日常的教学中，尤其是实验探究活动，也尽量设计环节让学生去探究科学的本真。学生在探究过程中表现出来的思维过程与探究方法和科学家有许多相同之处，因而科学教师必须具备较高的科学史和哲学素养。在教学中融入科学史，能使学生体验探究过程的曲折、收获探究的乐趣，并掌握科学探究的方法。然而，目前对科学史真正了解的老师并不多。在常规教学中，教师往往将概念直接讲授给学生，学生机械地记忆概念和基础知识，这样只能停留在知识的浅层，并不能真正理解科学的本质和内涵;在教学过程中，教师演示实验和学生探究活动所得的结论，大部分是建立在几组数据上，得到的证据较为单薄，不具备普遍性，甚至有时由于诸多因素造成无法得出正确结论的尴尬局面。所以课堂教学一定要追本溯源，运用恰当的方法和手段，让学生像科学家们一样思索和实验。

二、科学史在初中科学教学中的价值

關于科学史在教学中的价值，许多论著中都有提到，如《美国国家科学教育标准》指出：要深刻理解科学的本质，必须理解科学发展的历程，从科学发展的历史中学生领悟到科学的本质[1]。

笔者认为，科学史是人类精神文明的资源宝库，在初中科学教学中的有重要的意义和作用。

（一）科学史有助于激发学生的学习兴趣和求知欲

兴趣是最好的老师，科学史包含的内容较丰富有趣，是自然科学与人文学科之间的桥梁。在教学中，适当引入科学史，有助于增加科学课堂的趣味性，激发学生学习知识的兴趣和求知欲。如上浮力课时，介绍阿基米德在浴缸里顿悟到如何测量不规则物体的体积，从而衍生浮力的计算;学习机械能时，引入瓦特的蒸汽机，让学生一起感受日常烧水时壶盖被水蒸气掀动;让学生知道生活现象都蕴含科学道理。

（二）科学史有助于学生理解科学本质、启发思维

在教学中融入科学史，能加深学生对科学原理、研究过程和方法的理解，帮助学生实现知识的建构，形成正确的科学理念。在教学中，利用演示实验、学生探究实验、生生辩论、师生谈论等手段，展现当时科学家研究过程中的质疑和错误，让学生有所借鉴，同时又易于让学生接受和理解——实验是检验真理的唯一标准，对科学知识的验证，必须建立在特定的历史背景下去验证，方能领悟科学的本质和启发思维。例如学习牛顿第一定律时，引导学生了解伽利略将真实实验和思想实验相结合的研究方法，掌握实验是检验假设是否成立的依据，理解科学的本质。

（三）科学史有助于学生理解科学、技术与社会的关系

学习科学史，能增进学生对科学、技术、社会、环境相互关系的理解，揭示科学作为一种社会活动的发展规律和推动人类历史发展的巨大杠杆作用，使学生了解到科学创新往往要打破陈规，可能会遭遇来自传统习惯、观念、势力等多方面的阻挠，一些科学家为此牺牲个人的幸福乃至生命，从而引导学生体会科学家追求真理的勇气和科学的人文内涵[3]。同时，让学生了解随着科技和社会的发展，科技应用的负面效应也越来越突出，需要引导学生正确的看待科技发展带给社会的利与弊。

（四）科学史有助于学生理解科学是不断发展、不断修正的过程

所有的科学观念都不是一成不变的，在新证据出现后，需要补充或修正。比如人们对地球形状的认识，从古至今，从中国到西方，随着科技的发展，人类的认识是不断变化的。从原先的简单观察、想象由此产生关于地球形状的各种传说，如浑天说、天圆地方说等，到亚里士多德、毕达哥拉斯等科学家对自然现象的分析，以及麦哲伦环球航行、一些局部测量认识到地球是球体;再借助科技力量（如卫星拍摄）认识到地球是“两极稍扁、赤道略鼓的球体”，并进一步说明由于地球不停绕太阳运行和变化，人们对地球形状的认识也一直在修正。

（五）科学史有助于培养学生正确的科学态度和精神

科学是系统化、严谨的自然知识，科学家研究科学需要持之以恒的态度，每一个科学结论的得出，都离不开科学家日复一日、年复一年的实验与坚守，一部科学史，一生工匠精神。学生学习科学史，可以通过科学家获得成功与挫折的案例，体会到探索自然奥秘、开展技术创新的乐趣与艰辛，引导学生正确看待学习过程中的困难，增强信心，培养为获得真知锲而不舍的探索精神和态度，极大提升内在人文素养[3]。

综上，通过学习科学史，不仅能使学生感受科学是一个开放的、不断在广度和深度发展的系统，感受科学是一个不断质疑、不断探究与创新的过程，有利于提高学生的学习兴趣，有利于培养学生的人文素养和严谨的科学态度，有利于学生直观理解科学本质，提高学生的科学素养。

三、科学史在初中科学教学中的运用研究

（一）“情境科学史”模式，创设学习情境

情境教学，顾名思义就是感情与环境影响教学的一种方法和手段，具有生活性、形象性、学科性、问题性、情感性等特性。适宜的情境能激发学生学习科学的动机，消除心理压力，快速进入学习状态，充分发挥学生的主体作用，利于对知识的强化、联想和迁移。

如，在《进化与遗传》的教学中，引入情境：某天，天空电闪雷鸣，有个男孩出生在村庄的一个家庭，接着展示其父母的照片，让同学猜想和画出小男孩的外貌，并展示在黑板上，比较画像的共同点。教师用课件展示男孩的真实照片，比一比谁画的最像，并比对其与其父母相貌的异同——这人就是未来的遗传学之父孟德尔，然后简单介绍孟德尔的杂交实验，介绍相对性状（见图二），继而学习遗传物质的传递等，让学生扮演沃森和克里克，充分调动学生学习的积极性，加深学生对问题的理解。

（二）“对话科学史”模式，循序渐进入课堂

“对话科学史”模式，是以师生对话、生生对话、学生与大师间对话展开，将学生带入了一个充满辩证、遐想和激情的发现之旅，让学生灵活地运用资源、经验、知识了解实验、假想和模型等方法在科学研究中的运用，进行新的认知建构[2]。

如生生对话，根据课本知识和史学理论，编写对话。举例：在《地球表面的板块》的学习过程中，建立正反两方，在辩论中构建历史认知的过程。

正方：19世纪人们认为地球表面的板块是基本固定不变的——大陆固定论，地壳只会垂直向上运动，不会水平移动。

反方：德国科学家魏格纳发现非洲东海岸和南美洲西海岸轮廓吻合，是偶然巧合还是这两块大陆原先是一个整体，还是后来因为其他原因破裂漂移分开了？

正方：应该是偶然。

反方：反对，证据如下，一是冰山运动证据——魏格纳随丹麦探险队到格陵兰岛进行气象和冰川考察，发现岛上巨大的冰山在缓慢运动;二是生物亲缘证据——大西洋两岸物种之间存在较大的亲缘关系，如驼鸟、肺鱼等;三是化石和气候方面——舌羊齿植物化石广泛分布在亚洲（印度）、非洲、大洋洲（澳大利亚）、南美洲、南极洲等大陆，而这些大陆却不具备舌羊齿生活需要的温凉气候;四是轮廓证据——非洲东海岸和南美洲西海岸轮廓吻合;五是其他证据——大西洋两岸的地层、皱褶的构造有许多相似性和连续性，赤道地区有冰川活动的痕迹，南北两极地区也有热带沙漠的踪影……

正方：证据挺多，请你解释大陆漂移的动力来源？

反方：……

正方：我们不接受魏格纳的假说。

反方：1950年左右，古地磁学逐渐兴起，科学家借助信息技术和遥感技术，找到了大量证据，证明地球大陆确实发生过大幅度的漂移。

正方：证据还不够硬。

反方：1969年，阿波罗11号飞行器成功测量了地球上各大陆的距离;1984年，美国航空局第一次精确测出地球各大陆缓慢漂移的数据，为“大陆漂移说”提供了强而有力的证据。

在反方强大的证据面前，正方低头，辩论以反方胜出。以“大陆漂移说”为基石，科学家又提出了“海底扩张说”和“板块构造说”，从而完成了地球表面的板块教学与知识建构。

科学史的对话教学应依据不同的教材、不同年龄阶段的学生，设置能引起学生思考和对话的议题，循序渐进入课堂。

（三）“质疑-重历-探究科学史”模式，重历科学探索历程

科学史创设科学本质教学情境的有效途径之一是：将人类认识原子的历史过程以时间轴的方式呈现，学生从图上直观认识科学是不断修正的，人们是在不断地质疑和思考中推进科技发展。例如《原子结构模型》课程从古到今纵向比较、从中国到西方横向比较不同研究者对原子的不同认识，自然引入科学史，让学生明白每一个科学理论的诞生和发展，都有其深远渊源和艰难的发展历程，从而揭示“科学具有创造性和主观性”的本质观。

1.科学史创设学习情境，帮助激发学生创造问题

原子是构成物质的基本粒子，在科学教学中都具有重要的地位，尤其化学--原子是化学反应中的最小粒子，通过原子结构可以解释物质的状态、化学反应的实质、元素周期律等。

展现盲人摸象的漫画图——每人对大象都有不同的认知，再请学生根据经验和想象画出原子结构模型，并投影展示每个学生所画的不同模型，创造问题。在漫漫历史进程中，人类对原子的认识也不尽相同，得到的结论也不同，自然而然史料再现，每一次模型的建立與推翻，都是科学家实验和观点的碰撞，是人类在不断的实验、建模、观点冲突、质疑讨论、不断的修正，推动社会发展。

2.科学史聚焦核心问题，让学生产生认知冲突

古代人类就对自然现象感到好奇。随着时代进步，科技手段更新，人们对自然现象的理解加深，并逐渐尝试追本溯源，提出问题：天地万物由什么构成？物质变化是怎样变化？如今我们已知物质是由分子、原子及更小的微粒构成，然而原子内部结构是如何被人们是认识到的呢？古今中外许多仁人义士，积极探索，得出截然不同的答案。

3.科学史再现探究过程，让学生重回历史

历史一：中国古代朴素原子论

中国是四大文明古国之一，对于微观世界的探索，始于对物质能否无限分割的猜想。

先有考古学家发现的西周青铜器上的“小”的铁证，其次战国时期著名思想家庄子的“其小无内”，从哲学角度表达了“一尺之锤，日取其半，万世不竭”的观点;再到墨家提出的“端，休之无序最前者”，“端”即为组成物质的无可分割的最原始的东西;儒家《中庸》“语小，天下莫能破焉”，“莫能破”即为“不可分割”[2]。

在中国进行原子探究的同时，西方的科学家也努力对物质是否能分的问题进行探讨。

历史二：西方原子论发展

时间 代表人物 观点 内容 贡献和不足

古希腊时期 德谟克利 最小粒子观 万物的本源是原子，原子就像用砖头砌墙一样，不可再分割 ①首先提出原子论

②没有人用科学实验的方法去验证

1803年英国 道尔顿 实心球模型 ①原子都是不能再分的粒子②原子是微小的实心球体③同种元素的原子的各种性质和质量都相同 ①发现电子

②认为所有物质都是由不可分割的原子构成

1904年 汤姆生 西瓜模型 原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球体内，电子像面包里的葡萄干那样镶嵌其中 ①发现电子

1911年 卢瑟福 核式结构模型 在原子的中心有一个很小的原子核，原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕核运动，就像行星绕太阳运动那样 ①发现原子核和粒子散射实验②无法解释电子绕核运动会向外辐射能量，随着能量的损耗，为什么它不会越来越靠近原子核呢？电子在原子核外如何维持快速运动的状态？

1913年 玻尔 分层原子模型 电子在原子核外空間的特定的稳定轨道上分层绕核做高速的圆周运动 ①成功说明原子的稳定性和解释氢原子的线状光谱②不适用于其它原子，具有很大的局限性

1926年奥地利 薛定谔 电子云模型 电子何时出现在原子核外的某地无法预言，只能知道它在某处出现的几率大小。以单位体积内电子出现几率大小，用小白点的疏密来表示，越密则几率大，越疏则小，如同带负电的云状物笼罩在原子核周围

原子结构的研究正因为有科学方法论的引领才能不断发展，达到新高度。建立模型往往需要一个不断完善、不断修正的过程，电子云模型同样要接受各种实验的检验才能证明其正确性，以使模型更接近事物的本质。

4.科学史拓展学习空间，促进学生选择性学习

融入科学课程的史学内容，可作为学生的拓展性阅读材料，引导学生查阅相关资料，锻炼学生分析、整理材料和形成书面报告的能力，以促进学生选择性学习。

四、结束

为了更有效地把科学史融入到科学课堂教学中，笔者认为：重历科学探究，让学生像科学家一样思考问题和进行实验探究，从小概率进行情感教育;将科学史融入科学课堂，要顺应初中生的身心发展水平，根据教材内容和学期计划有目的有度有方法的逐步呈现和渗透，体现科学本质和教育的价值。笔者在初中科学教学中初步尝试，将科学史逐渐融入到需要的环节，学生互动和课堂效果不错，但有时候引入的“度”控制不够好，还需改进，另科学史内涵丰富，需加强学习;另外不同的课型（如事实学习型课型、概念学习型课型、规律学习型课型、方法学习型课型）要采取不同的融入科学史的教学模式，设计出不同的教学方案，以达到提升学生科学素养、理解科学本质的目的。

总之，科学史是一块蕴藏着巨大精神财富的宝地，虽然初中生对于科学的认识理解还处于初级阶段，但在早期的教育中能通过科学史途径引导学生理解科学的事实、概念和原理，领悟科学的思想和方法，培育严谨的科学精神，是当代教育的基本思路[3] ，科学教师都应该不断地去尝试将科学史融入日常教学，使它真正成为科学教与学的重要内容之一。

参考文献

[1]戢守志.《美国国家科学教育标准》.科学技术文献出版社

[2]王峰.在智慧对话中建构理性课堂——谈“人类对于原子结构的认识”教学设计.化学教育.2013.11

[3]中华人民共和国教育部.《义务教育初中科学课程标准（2011年版）》[M].北京：北京师范大学出版社，2011