科学史融入教材的价值与方式

2022-11-01胡盼盼通讯作者吴思莹谌浓琴浙江台州学院医药化工与材料工程学院

小学科学 2022年3期

◇胡盼盼（通讯作者）吴思莹谌浓琴（浙江：台州学院医药化工与材料工程学院）

目前教学中存在对科学史认识不到位，教材呈现方式不利于教师开展科学史教学，中国科学史与党史、新中国史脱节等问题。结合新的时代背景，本文提出，科学史是科学知识产生的背景，是准确理解科学概念的台阶，是衔接教材与经验、化知为行的纽带，也是实现教材育人铸魂功能的载体。教材中科学史内容的编写应围绕上述价值，还原知识产生的真实情境，展现知识发展的来龙去脉，体验知识获得的过程，并深度结合中国科学史、党史、新中国史的内容。

科学史是科学教学的重要资源。最早将科学史引入科学教育的是法国社会学家孔德。孔德提出，科学史在科学教育中具有通识教育的价值。20世纪初，著名科学史家萨顿开始在高等学校传授科学史，他主张科学史能帮助学生更好地理解科学。20世纪中期，随着进步主义教育思潮的流行，社会中心的教材如英国的《社会中的科学和技术》开始崭露头角。这些教材主张从科学史、科学社会学的角度引入科学概念，加强公众的科学素养。从那时起，重视科学史教育已经成为西方科学教育改革的大趋势。

科学史在教材中的数量、内容和呈现方式会影响到学习者科学知识的形成和对科学本质的理解。由于中小学教师缺乏科学史教学方面的系统训练，他们往往依赖教材进行科学史内容的教学。课堂上缺乏科学史的许多原因，也可以归结为教材对科学史有限的、简化的或肤浅的描述。

尽管《义务教育小学科学课程标准》倡导将科学史融入科学教学，但多数相关研究还是集中在教学设计与教学方法方面，对科学教材中如何融入科学史的问题缺乏深入的研究。许多教师对教材中科学史内容的认识仅停留在“创设情境”“引起兴趣”的层面，不能全面认识科学史的育人价值。教材对科学史的挖掘也不够深入，存在呈现方式线性化、简单化的问题。因此，有必要开展针对科学史融入教材价值与方式的研究，以引导教师领悟和开发教材中的科学史资源。

一、科学史融入教材的价值

（一）科学史是教材中科学知识产生的背景

科学知识是一定历史条件的产物。从个体的角度看，科学知识的产生是偶然的，在特殊的条件下，在某时、某地、由某些个人创造出来的。然而，个体的创造是有条件的，离不开物质基础、社会基础和认识基础。以陶器的发明为例。研究发现，最早的陶器源自一场失火后或土器偶然掉落在火坑中。然而仔细推敲我们可以发现，陶器的发现并不是偶然的，它的产生至少需要两个条件。第一，需要有收储食物的需要。一开始人类用树枝编织物收集食物——这样做的好处是就近取材，而且可以编制成一定形状。后来，人类有了储水或存储流体食物的需要，就用黏土把树枝糊起来晒干使用。第二，火的发明。早期的人类从自然界中获取火源或火种，并开始有意识地推广用火以取暖、驱赶野兽和烹饪食物。只要具备了这两个条件，陶器的发明就顺理成章了。世界各地的文化遗址普遍发现陶器就是一个证据。

作为教材知识背景或情境的科学史具有其他素材无法具备的特性——真实性。真实性是学习情境取材真实，来源于真实的生活经验、生产实际、实验室事实、社会问题或科学家经历。真实就是力量。科学史情境具有真实的背景、真实的问题、真实的过程和真实的结果，还与真实的人物——科学家密切相关，具有很高的教学价值。第一，因为背景真实，所以科学史能贴近生活，引发情感，打动人心。第二，因为问题真实，所以科学史能激发真实的认知需求和认知冲突，让学生投入与问题搏斗的思维场域。第三，因为过程真实，所以科学史能把教材知识转化为学生的实验或实践活动，实现“做中学”和探究，真正培养学生能力。第四，因为结果真实，所以科学史能使人“弃暗投明”、吐故纳新。学习理论研究表明，人的前概念、错误观念有潜在性、自发性和顽固性，知道了新概念并不意味着就能主动应用新概念，还必须经历概念转变的过程。让学生在科学史学习活动中真实地经历转变的过程，有助于学生深入地比较原有概念和新概念的特点，做出明智的选择，把书本知识转化为个人知识。最后，因为科学史情境都是来自科学家的真实经历，所以科学在学生心目中的形象不是线性、平面、单调的，而是生动、立体、丰富的。

（二）科学史是理解教材中科学概念的台阶

科学概念的发展是一个不断演进、螺旋上升的过程。在概念发展的过程中，既有面对问题的困顿、科学发现的欣喜、坚持传统观念的偏执，又有创新设计的惊喜。概念总是在曲折中前进，在矛盾中生成。从这个角度看，科学概念的直接讲授虽然是正确的，但却是低效的和不够准确的。概念教学应该是一个发现、纠正、补充、完善的历史过程。只有在科学史的语境中，学生才能获得对科学概念发展逻辑的深入理解。

以科学教材中“原子结构的发现”为例。汤姆生发现电子并提出了原子结构的“葡萄干蛋糕模型”，这是教材中对汤姆生提出新原子结构模型的描述。这个结论并不复杂，难度也不大。但如果采用直接讲解的方式，学生只能获得一个碎片化的事实。事实上，理解这段教材需要回归到科学史上的几个问题。一是根据什么事实提出了该模型？二是该模型与道尔顿实心球模型有什么联系？三是新证据和新理论之间是什么关系？只有考虑到这几个问题，这部分内容的教学才具有高阶性，学生才能获得“科学需要想象”“新的证据导致新的理论”“科学是论证的过程”“科学概念是不断接近真理的过程”等有意义的理解。

理解科学不仅要理解科学概念，还要理解这些概念之间的联系，从而获得关于科学及其演变过程的总的理解——科学本质。国内外的研究表明，科学史教育是帮助学生理解科学本质的有效途径。

从教育价值取向来说，科学史教育与科学本质培养的要求是一致的。一方面，科学史关注科学的人文意义和历史、社会、文化背景，符合科学本质观教育的要求；另一方面，科学本质强调科学的批判性和创造性，这也是科学史教育的特长。因为科学的发展本身就是一个怀疑、批判、证伪的过程，它的历史-哲学-社会问题相结合的方式也有利于打破惯性思维的牢笼，激发起学生的创新欲望和创造热情。

从内容上来看，科学史本身就包含着对科学本质的探索。首先，历史是文化的载体，科学史承载了千百年来科学家对科学本质的不断探索，在这一过程中人类不断地形成新的科学认识，不断靠近自然界的真理。在教学中选取科学史的内容展开探索，不仅能让学生了解知识的过去，也能让他们明白知识演变的历程、方法演进的逻辑以及科学精神的力量，增强学生对科学本质的理解。

（三）科学史是衔接教材与经验的纽带

学科课程是围绕着一些基本的概念或观念——大概念组织和发展起来的。诺贝尔物理学奖获得者费曼说过：“如果发生一场大灾难，所有的科学知识都将被毁灭，只允许留下一句话给后代……我相信应该是有关原子的假定。”诸如原子、分子、能量、生命、运动、力、结构、系统等就是科学教育领域的大概念。它们构成了其他概念的基础，比其他概念能解释更多的自然现象，甚至非自然现象（如用耗散结构理论解释社会中的自组织现象）。由于大概念在学科中的基础性作用，新课程改革提倡进行大概念教学。

科学史在大概念教学中有着重要的作用。一方面，大概念的发展是一个历史的过程。以“原子”为例。原子最早起源于古人对于世界是由什么构成的这一根本问题的思考，东西方哲人分别从整体（五行说）和分析的视角（元素论）两个角度进行解答。德谟克里特天才地抽象出原子的概念，并对原子与物质的关系、原子的种类和运动进行演绎，充满了想象力和逻辑的力量。西方元素说经历了从四元素到七元素到多元素的演变过程，直到道尔顿才总结了各种学说和实验现象，最终提出了现代原子学说，为化学的诞生奠定了基础。这一过程充分展现了证据和理论的互动。脱离了科学史，学生就很难全面而深刻地理解原子的概念及其提出的意义。

另一方面，其他科学概念也需要与大概念联系起来才能讲清讲透。舒尔曼提出了学科教学知识的概念。学科教学知识理论认为，要真正地理解一个概念，教师需要把概念的来龙去脉呈现在学生面前。显然，要讲清概念的来龙去脉就离不开科学史的帮助。在科学教学中，教师可以重新整合科学史上的观点、事实、证据和讨论，引导学生对概念和大概念的关系进行探究，让学生形成整体的认识。

科学史不仅在教材内部衔接上发挥作用，在衔接教材与生活方面也发挥着重要的作用。科学知识具有累积性，它们是无数劳动人民和科学家智慧的结晶。小学生在一节科学课中学到的知识，可能是无数科学家经成百上千年的时间探索而得的。因此，课本上的许多知识对学生来说是抽象的，与生活有一定距离。不仅如此，科学知识有时也会和生活经验产生冲突。例如，当幼年儿童看到树叶在摇动时，他可能就认为是树叶的运动产生了风；当他看到周围的环境都比较平整，他会认为地球是平的；当他在晚上边走边观察月亮时，他会倾向于认为月亮是跟着人走的。因此，要让儿童真正理解知识，需要把知识还原到生活的环境中，循序渐进地形成科学的理解。这个重演的过程就是一部科学知识的发展史。在这里，科学史成了课堂中衔接生活世界和科学知识的桥梁。

（四）科学史是教材实现育人价值的载体

时代赋予教科书新的使命。百年大计，教育为本；教育大计，教材为基。在新的形势下，教材应发挥育人铸魂的重要功能。科学史是一部人民发展能力、利用自然，最终实现人与自然和谐相处的奋斗史。它饱含着人民的智慧，充满了科学精神和人文精神，承载着中国文化和历史唯物主义、辩证唯物主义的元素，它与党史、新中国史、社会主义发展史也有着紧密的联系。这些都是育人铸魂的生动资源。

科学教育中至关重要的方面就是帮助学生发展技能，让他（她）们像科学家那样思考。要成为思考的人，学生就需要在科学教育中发展他们的能力：能抓住问题，考虑各种解决问题的方法，知道如何搜集证据和从证据中提炼解释，学会评价解释和对解释进行修正，学会质疑、开放和表达。上述都是学生在今后工作、生活中必不可少的核心素养。关于这些思考的案例，在科学史中屡见不鲜。

科学史的育人作用，不仅体现在帮助学生掌握思考的技能上，也体现在思考问题的深度和广度上。要获得重大的突破，必须避免陷入过多的细枝末节而要聚焦于根本性问题。正如康德所言：萦绕在我心头的，一个是头上璀璨的星空，一个是心中的道德法则。如何才能习惯于思考根本性问题？科学史能提供生动的感悟。最先制得纯净氧气的化学家是舍勒，最早发表氧气发现的科学家是普利斯特里。遗憾的是，两位科学家受“燃素说”思想的束缚，没有注意到这种新的气体和燃素学说的根本冲突，反而用歪曲的理论为燃素说辩护（舍勒认为火是氧气和燃素的结合物，普利斯特里认为氧气是一种“失燃素空气”），最终“当真理碰到鼻尖上还是没有得到真理（恩格斯语）。而拉瓦锡则敏锐地抓住了氧气与燃素说的对立，用事实证明了权威学说——燃素说的错误，建立了人类化学史上第一个统一的科学理论——氧化学说，成了化学的奠基人和集大成者。

按照萨顿的说法，科学史是科学和人文之间的桥梁。科学史中既有科学精神运行其中，又有人文精神渗透其里。科学精神表现在求真、探索、批判、创造等方面，其本质是对理性（公正、客观、自由）的追求。从这个角度看，科学精神也是一种以理性为基础的人文精神。用萨顿的话说就是“新人文主义”。以理性思维为基础的人文精神，和以人性、价值、信仰为基础的人文精神的联系在于：理性思维有助于产生和辨别先进的、科学的、趋善的人文精神。

为谁培养人？培养什么样的人？是教材编写需要思考的根本问题。科学史内容的编写也是如此。著名科学史家杜克说过，何种科学史、谁的科学史、为什么利用科学史都决定着课程与教学的性质。作为中华民族的科学史、我们的教材应传承与发扬中国文化。作为当代的科学史、我们的教材应讲好当代中国的故事、人物、成绩和政策。作为社会主义国家的科学史、我们应该以马克思主义的基本观点来看待和分析问题。这些都是我国科学史教育中的应有之义。

二、科学史融入教材的方式

（一）还原知识产生的真实情境

科学是一种理性的思维方式。黑格尔说，“凡是存在的就是合理的，凡是合理的就是现实的”。意思是说，凡是合乎理性的事物都有其现实基础。科学知识的诞生，也必然有其现实基础。换言之，科学知识是与社会需求、社会应用紧密相关的。如果教材能再现这些社会现实，对培养学生的问题意识、社会责任感和科学态度都会是非常有利的。比如，当学生知道许多著名的科学家都在观察上犯过错误时，他可能会养成独立观察、不唯书不唯上只唯实的观察态度；当学生了解到科学研究成果会给生物界和环境造成危害（如温室效应、臭氧空洞）时，他可能会养成审慎的、人道主义的科学观；当学生了解到科学家矢志不渝、追求真理的故事后，他可能会养成热爱自然、坚持不懈的价值追求。

同样的道理，我们必须反对教材中对科学史过分简化乃至庸俗化的“失真”内容。如有的教材把万有引力定律的发现归结为苹果掉落在牛顿头上的偶然事件。事实上，自从发现托勒密定律以后，万有引力定律就已经呼之欲出了。即使这个故事是真实的，如果教师把它当作科学发现的全过程，又会向学生传递什么样的价值观呢？一些学生可能会把这当成科学发现的典型过程，形成机会主义甚至神秘主义的科学观。

（二）展现知识发展的来龙去脉

科学知识的发展具有累积性和可修正性，科学知识的发展不是一蹴而就的，往往要经历一个曲折的过程，这个过程不是随意的、散漫的，而是遵循着内在的逻辑。科学史教材的编写要展现知识发展的内在逻辑，把知识从哪里来，如何发展变化，要到哪里去的问题讲清楚。唯有如此，学生才能真正理解知识以及知识背后的科学本质。

以化学中质量守恒定律的发现为例。人生活在变化的环境中，必然会被周围的变化所吸引，进而探究变化的本质，这种对事物质的把握是定性的。随着变化知识的积累和天平的发明，人们自然而然地思考起变化过程中的质量问题。受实验条件的限制和燃素说（燃素说关于燃素质量的描述是混乱的，有时燃素有正质量，有时燃素有负质量）的影响，早期人们认为化学反应前后质量是不守恒的。拉瓦锡在研究燃烧的过程中发现，物质在空气中燃烧的过程中吸收了空气中的氧气，并且物质燃烧后增加的那部分质量刚好等于它所吸收氧气的质量。他敏锐地意识到化学反应前后质量之间可能存在某种关系。拉瓦锡重新研究了前人关于化学反应前后质量不等的证据，发现是否在密闭体系中测量是问题的关键。他用精密的定量实验进行重新测量，终于提出了质量守恒定律。化学由此进入一个定量研究的时代。

（三）让学习者体验科学知识获得的过程

科学知识以一定的逻辑展现并不意味着要就此开展说教。一般来说，科学史教育有三种模式。第一种模式是把科学史当作教学内容直接讲授或组织学生讨论。第二种模式是把科学史作为知识的情境渗透到知识教学之中。第三种模式是以科学史为线索，让学生重新体验科学发展的历程。在实践中，第三种模式被证明是更具有教育价值的。因此，在编写教材时，最好能加入科学史上曾经出现的重要活动，让学生经历科学家的故事，体验科学发展的过程和科学家的智慧。

（四）与中国古代科学史和党史、新中国史深度结合

著名史学家克罗齐有一个著名的命题：“一切历史都是当代史”。意思是历史的价值是潜藏在现实之中的，历史要是脱离了现实的思考、现实的兴趣和现实的心灵，就失去了价值。科学史也是如此。因此，科学史教育不能就史论史，就事论事，而应从现实出发，发挥科学史的育人铸魂功能。

首先，与党史、新中国史和社会主义发展史深度结合。在党和国家发展的历史上，涌现出一大批杰出的科技工作者和他们的优秀事迹（如“两弹一星”、探月工程、量子通信等），也凝结出诸如科学发展观、“一带一路”倡议、“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念等重要理论和实践成果。这些理论和实践的成果，为科学史教育提供了新的养分。将这些成分纳入科学史，可以不但有助于提升学生的科学素养和视野，也有助于增强学生对坚持社会主义道路的自信。

其次，与新中国史、中国文化深度结合。讲好中国故事是中国教材责无旁贷之事。中华科技文明源远流长，从公元前1世纪至公元15世纪长期处于世界领先的位置。商代甲骨文记录有基于十进制的先进记数方法；战国时期的《甘石星经》是当时天文观测资料的集大成者，也是世界上最早的星表；我国的青铜器冶炼和铸造工艺，是世界工艺史上的瑰宝；中国的陶瓷文化几千年绵延不绝，历久弥新，在世界上可谓独一无二；更有世界闻名的四大发明，改变了西方文明的进程。在这些发明发现的背后，都蕴藏着动人的故事，凝聚着中国人的智慧和汗水。把这些故事讲好，是教材应该做也可以做好的事情，也是今人对古人、对传统文化的尊重和责任。

第三，与马克思主义基本理论深度结合。马克思主义哲学把唯物论和辩证法结合在一起，建立了历史唯物主义和辩证唯物主义的基本观点。马克思主义之所以先进，是因为它能科学地解释和指导实践。科学史的进步史，也是马克思主义哲学观的展开史和证明史。

以造纸术为例。文字发明以后，人民对记录文字材料的需求日益增长。一开始，人们用石器（如钟鼓文）、岩刻（岩画）来记录文字，后来又用青铜器、甲骨、竹简来记录文字，这些记录方式都存在书写效果欠佳或是过于笨重的问题。随着纺织技术的发展，人们发现用布料和丝绸这些天然纤维记录起来更加轻便。但布帛丝绸的价格过于高昂，普通人很难负担得起。于是人们开始思考：能不能用其他纤维代替丝帛？经过劳动人民的多方探索，终于发明了用桑、麻、葛为原料的造纸工艺。蔡伦改进了造纸的工艺，“用树肤麻头及弊布渔网以为纸”（《后汉书·蔡伦传》）制造出第一批性能优良、价格低廉的“蔡侯纸”。纸张的发展史充分说明，人民需求是科技进步的最大动力，人民群众是历史的创造者。造纸术发展过程中不同材料的继承和更替也说明，科技的发展是一个辩证的过程，事物在矛盾中发展，在扬弃中进步。