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科学史

2020-12-28宋金榜

湖北教育·科学课 2020年6期

宋金榜

“HPS教育”是将科学史（History of Science）、科学哲学（Philosophy of Science）和科学社会学（Sociology of Science）融入教学的一种教学模式的简称，20世纪80年代起源于以美国为代表的西方国家，强调通过学习历史、哲学的方法使公众了解科学的本质，逐渐成为国际科学教育改革的一种新理念。将科学史融入小学科学教学，能够启发学生从科学史的视角理解科学的本质，结合科学史中科学家的真实研究案例建构基本的科学知识，了解科学研究的一般过程和方法，在阅读科学家的传记和故事的过程中形成实事求是、乐于探究的科学态度，在认识科学技术给人类生活和社会发展带来的影响的同时理解科学、技术、社会与环境的关系。本文以大象版小学《科学》教材的编写和教学为例，谈谈科学史对于达成小学科学课程目标，全面提高学生科学素养的意义。

科学史能够拉近师生与科学家的距离

学习基本的科学知识、了解科学研究的一般过程和基本方法是小学科学课程的重要目标。对于小学科学课程来说，这些科学知识和科学方法来源于历史上一些著名的科学家的研究成果和经验（小学科学课程中的科学知识很少直接来源于当代科学家的最新研究成果），这些科学知识和科学方法从科学家到学生却经历了多个中间环节（如图1）：

1.科学家运用科学方法通过科学研究得出结论，形成科学知识;

2.科学史家记述科学家的生平、研究的方法和过程、取得的成就及其影响;

3.科学哲学家、科学社会学家依据科学史家的记述，概括什么是科学、科学研究的方法和过程、科学技术的影响等;

4.科学教育家根据科学哲学和科学社会学以及教育学、心理学等学科的研究成果，总结科学教育应该让学生学习的内容，制定课程标准;

5.教材编写者根据课程标准的要求编写教材;

6.科学教师根据课程标准的要求和教材设计实施课堂教学;

7.最后才是学生学习。

如果小学科学教师能够了解一些科学史，将科学史合理地融入课堂教学中，无疑将拉近师生和科学家的距离，有助于学生在真实的科学研究案例中感受科学的本质，理解科学知识的建构过程，经历科学研究的一般过程，感受科学研究的基本方法，领略科学家的科学态度和人格魅力。

科学史能够帮助师生更好地理解科学

1.科学史能够帮助师生理解什么是科學

什么是科学？科学的本质是什么？科学课程标准并没有给科学下一个明确的定义，不同的词典、百科全书对科学的解释也不尽相同，其主要原因在于科学在其自身的发展历史中也在不断变化。尼采曾经说过，只有非历史的东西才可以定义。因此，科学史能帮助我们更全面地把握科学的本质和特征。这里尝试从科学史的角度给科学下一个定义：

科学是人们基于认识世界和改造世界的目的，依据通过无偏见的观察和系统的实验等方式获取的客观事实，运用逻辑思维方式，以范畴、定理、定律等形式来认识和表征自然、社会和意识等现实世界各种现象的本质规律的活动，以及这一活动所建立的分科的知识体系。

我们发现，这个定义中的一些定语在某个或某些历史语境中适用，但换成其他的历史语境可能就不适用了，这正是科学历史性的体现。

2.科学史能够帮助师生认识科学的本质特征

如果让我们归纳科学有哪些特征，或者科学精神包括哪些方面，或者我们应该具有哪些科学态度，我们肯定会想到很多赞美之词。但是，从科学发展的历史看，科学最本质的特征只有两个：理性和实证。理性以柏拉图的理念世界为代表，实证以亚里士多德的博物学为代表。前者强调抽象的概念，强调逻辑推理的严密性和可靠性;后者强调客观实际，强调对客观事物的观察和描述。只有到了伽利略才最终将理性和实证完美地结合起来，形成了近代实验科学传统，理性和实证是科学的本质特征。我们把有关科学特征的常见词语整理出来，就会发现它们大多都与理性和实证相关，或者是由两者共同派生出来的（如图2）。比如我们经常说的创新，其实也是理性和实证的共同体现：当科学家发现了新的科学事实（实证），以旧的理论无法进行解释时（理性），必须修正旧理论乃至推翻旧理论、提出新理论来加以解释（创新）。如果不是基于实证和理性的创新，就可能不是科学的创新，比如艺术的创新。

科学史能够帮助达成科学课程目标

小学科学的课程目标分为科学知识目标、科学探究目标、科学态度目标以及科学、技术、社会与环境目标四个方面。科学史中，什么样的案例和素材适合用来帮助学生达成哪些方面的课程目标？大象版小学《科学》教材在设计活动时，运用不同的科学史素材来帮助学生达成每个方面的课程目标。

1.科学史在达成科学知识目标方面的运用

科学史可分为科学思想史和科学社会史两种编写风格。其中，科学思想史注重追溯科学概念的历史发展线索，科学社会史注重研究科学与社会的关系。因此，科学思想史中有大量的素材可以用来帮助学生了解科学知识的来龙去脉，从而促使他们在学习和探究过程中更好地建构科学知识。

（1）通过历史上的科学发现、科技成就，引导学生发现其中所包含的科学事实，并与所学知识联系起来，相互印证，加深对科学知识的迁移与理解。

比如，对于1～2年级的学习目标“知道指南针中的小磁针是磁铁，可以用来指示南北”，教材在引导学生学习使用指南针，并通过实验证明指南针里的小指针是磁铁，而磁铁都能指示南北之后，又设计了拓展活动《指南针的“家史”》，展示了指南鱼、古代罗盘、现代指南针等磁性指南工具。这一活动的目的不仅在于让学生知道指南针发展的历史，更是为了让学生通过分析不同的指南工具的结构，理解不同形状的小磁针都是可以自由旋转的磁铁，而磁铁可以用来指示南北，从而加深对已有探究结论的理解和迁移。

（2）引导学生重复科学史中著名的科学实验，可以引领他们像科学家那样进行探究，亲历科学家的探究过程，重新发现这些科学实验所揭示的科学规律。

5～6年级学习目标“描述太阳光穿过三棱镜后形成的彩色光带，知道太阳光中包含有不同颜色的光”显然来源于牛顿的三棱镜实验。教材在提出问题“为什么没有颜色的阳光经过水雾后会出现很多颜色”之后，呈现出“1666年，牛顿让一束阳光通过三棱镜，发现阳光被分解成了多種颜色的光”的科学史故事，进而引导学生重复牛顿的三棱镜实验，得出结论：太阳光是由多种颜色的光组成的，太阳光通过三棱镜后会被分解成多种颜色的光。

通过重复科学家的实验，这一结论也就不仅是科学家的结论，不再是学生需要背诵的知识，而是成为学生通过探究活动得出的结论，成为学生自己建构的科学知识。

（3）引导学生分析科学史中的科技成就所蕴含的科学原理，帮助学生理解课程标准中的科学知识学习目标。

5～6年级学习目标“知道正午时物体影子在不同季节的有规律的变化” 是联结地球自转、地球公转、阳光照射角度、地轴倾斜、气温变化、四季成因等概念的纽带，也是教学中的一个重难点。为了帮助学生正确理解正午时物体影长在不同季节的变化规律并为认识四季成因做好铺垫，教材介绍了我国古代科学家发明的度量正午时物体影长的天文仪器圭表的结构、原理和使用方法，进而又介绍了世界文化遗产、全国重点文物保护单位登封观星台的结构，让学生知道圭表和观星台都由圭和表两部分组成，其中表就是测量影长的物体，圭就是用来测量物体影长的尺子。普通圭表的表是一根竖直的、与圭相垂直的标杆，表的长度就是标杆的顶端高出圭的长度;观星台的表是观星台上的横梁，表的长度是横梁高出被称为“量天尺”的圭的高度。教师在引导学生理解了圭表和观星台的结构和原理之后，就能更好地帮助他们正确理解正午时物体影长在不同季节变化的规律及其与四季成因的内在联系。

2.科学史在达成科学探究目标方面的运用

认识科学研究对于学生获取科学知识体系、理解科学研究的基本过程、掌握基本的科学思维方法具有重要的作用和意义，是科学探究目标的重要方面。课程标准特别重视科学研究的一般过程和方法，从提出问题、作出假设、制订计划、搜集证据、处理信息、得出结论、表达交流、反思评价8个要素描述科学探究的学段目标。科学史特别是科学思想史中有大量的科学研究案例，可以用来体现科学研究的过程和方法，是帮助学生达成科学探究目标的理想素材。

（1）利用科学家的探究故事帮助学生了解科学探究的一般过程。

课程标准将科学研究的一般过程分解为8个要素，而不是称为科学研究的8个步骤，是因为科学研究的过程不是标准化、模式化的，不是每项科学研究都严格按照这8个要素依次进行的。不过，一般来说，科学研究都会经历提出问题、作出假设、搜集证据、得出结论这几个重要环节。

一年级上册准备单元《吹泡泡学科学》是整套教材的第一个单元，其目的是通过对“怎样吹出大泡泡”这一问题的探究，让学生领会科学探究的一般过程：

提出问题——怎样吹出大泡泡？

猜想假设——加点洗发水（胶水），能让泡泡吹得更大吗？

搜集证据——实验研究。

得出结论——加了胶水后，泡泡吹得更大了。

为了进一步加深学生对科学研究一般过程的理解，学生活动手册中呈现了一则科学史故事《爱迪生发明电灯泡的故事》，该故事的主要内容有：

提出问题——什么材料适合做灯丝？

猜想假设——碳丝怎么样？

搜集证据——不行，实验发现一通电碳丝就断了，他继续尝试了数千种材料。

得出结论——最后发现钨丝适合做灯丝，从而发明了经济耐用的灯泡。

这则故事可以引导学生将爱迪生的研究过程和自己的探究过程进行对比，发现自己的探究过程和爱迪生的研究过程是相似的。

（2）利用特定的科学史故事说明某个或某些科学探究要素对科学研究的作用和意义。

为了全面、有序地培训学生的8个科学探究要素，大象版小学《科学》教材在每个学段，将8个科学探究要素分成4组，分布到4册教材中进行落实和强化，每册完成两个要素。如一年级上册重点培养提出问题和作出假设的能力，一年级下册重点培养制订计划和搜集证据的能力：二年级上册重点培养处理信息和得出结论的能力，二年级下册重点培养表达交流和反思评价的能力。到了3～4年级和5～6年级再分别循环一次，从而实现探究要素培养的螺旋式上升。

在每一册教材中，都设计了三种单元：准备单元、综合训练单元和反思单元。其中，反思单元是各册的总结单元，对本册重点落实的两个科学探究要素的学习进行回顾和反思。这一单元首先呈现一个科学史中真实有趣的科学研究的成功案例，让学生通过对科学家的典型探究过程进行分析与反思，进一步理解本册重点培养的两个科学探究要素在科学研究中的作用与意义。教材的这种设计为运用特定的科学史案例，帮助学生达成和深化不同探究要素的学段目标提供了有效载体。

比如，提出问题要素的1～2年级学段目标是“在教师指导下，能从具体现象与事物的观察、比较中提出感兴趣的问题”。教材在一年级上册反思单元《爱提问的小朋友》中呈现了爱因斯坦小时候善于观察、勤于思考、敢于提问，并且在一个又一个问题的激励下，不断学习、研究，终于成为伟大的科学家的故事，让学生明白爱因斯坦所说的“提出一个问题往往比解决一个问题更重要”的含义，理解科学研究往往始于问题，从而激发学生提出问题的兴趣。

再如，搜集证据要素3～4年级的学段目标是“在教师引导下，能运用感官和选择恰当的工具、仪器，观察并描述对象的外部形态特征及现象”。为达成此目标，重点落实搜集证据要素的三年级下册反思单元《显微镜下的证据》，呈现了列文虎克通过显微镜下的证据向“自然发生说”提出挑战的故事：17世纪之前，人们认为像猫、鸟这样体形比较大的动物是通过生殖来繁殖新生命的，而蚊、蝇等小动物是从无生命的物质中产生的，比如脏衣服会生出跳蚤和虱子，污水会生出蚊子，这种观点被称为“自然发生说”。1693年，列文虎克在用显微镜观察一只雄性跳蚤的时候，发现这只跳蚤竟然也长有生殖器，从而推断这些形体微小的动物也是通过生殖来繁殖新生命的，从而向“自然发生说”提出了挑战。这个故事不仅显示了运用工具和仪器进行观察的意义，也说明了事实证据对于提出、证实、质疑、修正甚至推翻科学学说的重要性，从而激发学生利用工具搜集证据的兴趣。

又如，六年级上册反思单元《门捷列夫的“扑克牌”》，讲述了门捷列夫通过排列元素性质卡片并发现元素周期律的故事，说明了以统计图表等方式记录整理信息的意义和优势，从而深化学生对处理信息要素5～6年级学段目标“能基于所学的知识，用科学语言、概念图表等方式记录整理信息，表述探究结果”的理解，激发学生用科学的数据处理方法处理信息的兴趣。类似的示例还有很多，不再一一赘述。

3.科学史在达成科学态度目标方面的运用

大象版小学《科学》教材以科学知识目标和科学探究目标为两条培养主线，以科学态度目标和科学、技术、社会与环境目标为两条培养辅线。教材没有刻意通过科学史来全面地培养学生的科学态度目标和科学、技术、社会与环境目标，但教材中出现的大量科学史素材可以适时地用于这两方面目标的培养。

比如，五年级上册反思单元《日心说的先驱》讲述了两千多年前的古希腊天文学家阿里斯塔克基于自己的观察最早提出日心说的故事：阿里斯塔克根据半月时日、地、月构成一个直角三角形，且地球所在的顶点接近90度，推算出太阳到地球的距离大约是月球到地球的距离的19倍（实际约395倍，虽然误差比较大，但他运用的方法是正确的）。又根据太阳和月球看上去差不多大小，利用相似三角形对应边成比例的关系，推算出太阳的直径应该是月球直径的19倍左右。再根据月食时地球影子的弧度，估测出地球的直径只有月亮直径的3倍左右（实际约3.67倍），因此推断太阳的直径应该是地球直徑的6倍多（实际是109倍）。阿里斯塔克还认为应该是小的物体围绕大的物体运转，而不是大的物体围绕小的物体运转。尽管当时的学术权威都普遍相信地心说，而且公众对地心说也深信不疑，阿里斯塔克仍然基于自己的观察首先提出了日心说。

这个单元在科学探究方面的目标主要是让学生尝试从事物的结构、功能、变化及相互关系等角度提出可探究的科学问题，做出有针对性的假设，并能说明假设的依据。当然，从这个故事中，我们也可以看到阿里斯塔克的实事求是和追求创新的科学态度。

科学史中还有大量的案例可以用来激发学生的好奇心、求知欲以及进行科学探究的兴趣和热情，帮助他们形成实事求是、追求创新、乐于与他人合作分享的科学态度，培养他们的实证意识和理性精神。

4.科学史在达成科学、技术、社会与环境目标方面的运用

大象版小学《科学》教材中也有不少科学史案例可以帮助学生理解科学技术与日常生活和社会发展的联系，以及人类与自然和谐相处的重要性。以科学史中的众多真实故事，有针对性地引领学生从不同角度认识和理解科学、技术、社会与环境的关系，其效果要远胜于抽象的理论分析和空洞的说教。

比如，二年级下册第二单元《科技改变我们的生活》第1课《我们来造纸》，在学生完成手工造纸之后，提供了阅读材料《信息的记录与传递》，引导学生从信息记录的载体、信息记录方式、信息传递方式的古今发展变革，体会科技发展给人们生活带来的巨大变化，从而达成科学技术与日常生活的联系方面的1～2年级学段目标“了解生活中常见的科技产品及其给人类生活带来的便利”。

再如，五年级上册反思单元《日心说的先驱》和五年级下册反思单元《仰望星空的人》中关于日心说从提出到最终被证实的历史也反映了科学的发展对人类思维方式的影响。六年级上册第三单元《浩瀚宇宙》介绍的关于人类探索宇宙的历史，体现了人类的好奇和社会的需求是科学技术发展的动力，技术的发展和应用影响着社会发展。

科学史家萨顿说过，科学史是沟通科学与人文的桥梁。小学科学课程中的科学、技术、社会与环境目标正是科学的人文精神的体现。因此，我们在教学中要充分重视从科学史的角度，引导学生理解科学是为人服务的，科学的发展不应以损害人文精神为代价，不应以损害人类与自然的和谐相处为代价。

5.科学史功能的综合性

虽然前面分别以不同的科学史案例来说明它们在达成课程目标某个方面的运用，但这并不是说每个科学史案例只能运用于一个特定的课程目标。事实上，有些科学史案例可以用来帮助学生达成多个方面的课程目标，我们在教学的过程中要充分发挥这些案例的功能。以前面提到的《日心说的先驱》为例：

在科学知识方面，这个案例涉及的相关科学知识学习目标包括“知道月球是地球的卫星”“知道地球是一个球体，是太阳系中的一颗行星”“知道太阳是太阳系的中心”“描述月球、地球和太阳的相对大小和相对运动方式”等。

在科学探究方面，这个案例体现了科学探究总目标中的科学探究是通过多种方法寻找证据、运用创造性思维和逻辑推理解决问题的过程，也体现了科学探究的一般过程，包括“围绕已提出和聚焦的问题设计研究方案，通过收集和分析信息获取证据，经过推理得出结论”，特别体现了作出假设要素的5～6年级学段目标“能基于所学知识，从事物的结构、功能、变化及相互关系等角度提出有针对性的假设，并能说明假设的依据”。它还体现了分析、综合、推理等科学思维方法的运用，以及“初步了解通过科学探究达成共识的科学知识在一定阶段是正确的，但是随着新证据的增加，会不断完善和深入，甚至会发展变化”。这一案例还体现了科学、技术、社会与环境目标中的“了解科学技术对人类思维方式的影响”等学段目标的要求。

附：推荐书目

1.[澳]迈克尔·马修斯著.科学教学——科学史和科学哲学的贡献.刘恩山等译.北京：外语教学与研究出版社，2017.

2.刘兵，江洋.科学史与教育.上海：上海交通大学出版社，2008.

3.吴国盛.科学的历程（全新修订版）.长沙：湖南科学技术出版社，2018.

4.吴国盛.什么是科学.广州：广东人民出版社，2016.

5.吴国盛.科学的故事·起源篇.南京：江苏凤凰文艺出版社，2020.

6.江晓原.科学史十五讲（第二版）.北京：北京大学出版社，2016.

7.刘兵，杨舰，戴吾三.科学技术史二十一讲.北京：清华大学出版社，2006.

8.刘兵.新编科学技术史教程.北京：清华大学出版社，2011.

9.王鸿生.科学技术史.北京：中国人民大学出版社，2011.

10.[英]W. C. 丹皮尔著，李珩译.科学史及其与哲学和宗教的关系.北京：中国人民大学出版社，2010.

11.[美]詹姆斯·E.麦克莱伦第三，哈罗德·多恩著，王鸣阳译.世界科学技术通史.上海：上海科技教育出版社，2007.