科学史融入科学教学的价值逻辑

刘琪

（陕西师范大学出版总社中学化学教学参考编辑部，西安，710062）

在很早以前人们就开始关注科学史对科学教育的作用和意义[1]。近年来兴起的HPS 教育倡导在科学教育中进行科学史、科学本质、科学方法的教学，反映了人们对科学史融入科学教学的重视。HPS教育已成为当前国际科学教育研究的前沿性课题之一，全球各国在科学教学与改革方案中也对它给予了充分的关注，并诞生了不同的融合模式[2]。不管是从打通科学与人文的角度，还是从认知发展的角度，我们都相信合理地将科学史融入科学教学可以有效地促进学生深度理解科学概念、方法及本质，关注科学理论与时代背景的关联性[3]。然而，我国教师培训体系中往往缺失科学史部分的内容，在中等教育中主要是用科学史进行简单的事实介绍和课堂引入，对科学史的利用还停留在浅表层面，而高等教育中又存在课程开发不足、不成系统、普及度低等现象[4]，以实验科学为导向的教育风气和资源配置倾斜等种种因素的限制导致科学史在教学中难以有效地被利用，发挥出其应有的内在功能。《人是如何学习的》一书中指出，我们对内容的处理水平建立在自身对内容本身的理解水平之上，建立在我们期望达成的教育目的之上[5]。因此，要想解决上述问题，在教学中用好科学史，首先需要从认识层面开始慢慢拓展、深入，从对科学史本身的认识和期望用它达到的教育目的入手，在广度和深度上做细致的挖掘，思考、探索科学史融入科学教学的路径，并让这种融入从一开始的朴素的呈现变得更具科学性、创造性、深入性、丰富性。下面具体阐述加深科学史认识并将其融入教学的启示。

一、能看到科学史中大量的人物与事件素材

从字面上理解，人们容易把科学史理解为科学的历史，许多教师结合自身学习历史的经验，认为科学史是一系列人物和事件在时间上的简单堆积，对历史的认识还停留在对基本史实的记忆层面。因此，在教学中只能是适时引入具体的科学事件和人物，进行简单的介绍和背景资料补充，吸引学生的注意力，增进其学习兴趣。然而，即使我们只是关注碎片化的事件和零星的人物（如在教学中提出一些重大的事例，分析一些简要的思想，介绍一些核心的人物），也应进行教学上的深挖。这是因为从认知科学的角度看，科学史中大量的人物与事件素材有助于我们有效组织教学，原因有二：第一，情感体验能够加深记忆和学习效果。研究表明，多感官参与和深层次的情感体验能让人对所学内容印象深刻，更快更牢固地掌握相关知识。美国著名传记作家艾萨克森曾说：“科学史是通向理解创造力和想象力的应用的唯一正确道路，它发现了个体性格的力量，历史是在这些个体互动中创造的。”[6]哈佛校长柯南特也很重视对科学史上个案的研究，他的著作《理解科学：以历史的方法》就是很好的例子。对青少年来说，意象的力量大于概念，与其对他们进行简单的说教，不如为他们呈现有血有肉的人物形象，用一些具体的事例感染他们，避免传达科学精神与态度成为空洞的教学目的。第二，故事思维有助于大脑组织对问题的理解。《为什么学生不爱上学？》一书中提到，我们的大脑倾向于用故事思维理解与掌握问题[7]，所以，科学史中多样、生动的故事在吸引学生兴趣的同时，还能帮助学生构建对具体问题的认识。

由此可见，在实际教学中，如果教师想要用好科学史中的素材，就需要关注素材能带给学生的情感体验，注重体现其中的故事思维。挖掘人物思想的演进过程及人物的曲折经历，以具体、形象的实例作为教学素材，把科学史相关教学的实施与学生兴趣、认知矛盾、时事动态、热点问题等关联起来，同时借助多媒体的生动演示，摆脱枯燥、单一的文字呈现方式，以强化学生记忆，增强教学效果。例如，北京四中靳豪老师的展示课《世纪回眸看制碱》就利用科学史中侯德榜先生的经历和相关事件组织教学，很好地体现了情感体验和故事思维对教学的促进作用，在学科教学中渗透了德育教育，给听课的学生和老师都留下了非常深刻的印象。

二、能发现科学史中动态发展的过程

能发现某一个具体科学问题解决的过程是不同观点的交锋、融合、替代过程，能看到问题的解决通常会涉及多位科学家，也伴随着认识的进阶和发展的曲折。有了这样的认识我们就能增进学生对具体科学问题的理解。

首先，动态的过程能帮助学生发现问题，并产生探究兴趣。从动态的发展过程理解科学，我们必然会追根溯源，首先关注的必然是起点，让学生了解我们思考与探究的真正问题是什么。原始的问题很重要，原因有二：第一，要想了解一套思想体系的本质到底是什么，我们必须回到思想的出发点来看，而这个出发点往往是一个原始的问题[8]。同理，我们要了解科学的本质或科学中某个具体事物的本质，一定要先在科学史中找到原始的问题；第二，发现了问题，学生才会有思考探索的动力和兴趣。例如，著名数学家罗素，从小就对数学感兴趣，经常刨根问底式地思考公理为什么无法证明，我们为什么要接受公理？这个问题促使他阅读名家名著，努力钻研并进一步推动了数学在概念和逻辑上的还原[9]。原始的问题对教学很重要，这是因为认知科学领域的研究成果已经证实问题解决模式对教学有效[10]。因此，许多教师已经在教学中用问题链、问题驱动等方式提高学生参与课堂的积极性。另外，《研究是一门艺术》一书中还提到：“解决难题最佳的时机就是发现难题的时候。”[11]可见，以科学史带领学生发现问题，不仅仅具有引发学生兴趣和提高学生学习主动性的作用，对促进学生自主解决问题也至关重要。

其次，能帮助学生获得解决问题的方法/工具百宝箱。有文献指出，带领学生像科学家一样研究与思考问题，能有效发展学生的科学思维[12]，但只是简单地提出问题让学生去解决，学生很有可能毫无头绪，甚至花费了大量的时间却收效甚微，这时方法与工具的重要性就凸显出来了，而科学史恰好能为学生提供解决问题的方法/工具百宝箱。在这里需要特别指出的是，科学史中包含的“方法”和“工具”是多样多维的：首先，是指科学家们处理科学问题的科学方法的集合，比如我们常常会用到的归纳、演绎、逻辑推理等。其次，是指其他领域（如技术、哲学）思想方法和工具的引入。在思想方法上，我们不难找到科学从其他领域借鉴新思想、新成果的例子。例如，有美国哲学家蒯因提出的还原论思想，对自然科学体系产生了深远的影响，人们试图利用它把问题拆解、还原到更基本的层面，如把生物学问题还原为分析水平的化学问题，把化学问题还原为更基本的物理原理[13]。在工具上，技术对科学的影响更加突出，望远镜对天文学发展的影响和显微镜对化学和生物学的影响不言而喻。再次，是指历史思维的探究模式和解读矛盾论点的系统方法，即从历史事件中把握规律，从历史观点中分析解释，从历史脉络中整合梳理的能力，分析与综合不同观点的逻辑推理能力。由于科学史中往往会出现人们对问题的不同看法，因此，要想从史实中梳理出头绪，形成自己的见解，需要学生学会整合、分析与综合。在科学史上，一些重大的科学成就不是简单通过一种方法解决一个问题，而是在综合分析、整理前人的认识与方法后提出的更有规律性、本质性的理论。例如，拉瓦锡对氧气性质的揭示和门捷列夫提出的元素周期律/表，他们都是在总结前人实验和理论成果的基础上，通过分析与综合的方式，提出了更有普适性、更接近事物本质的理论体系。教学中已有教师开始关注历史的视角和方法。例如，白建娥老师关于元素周期律的教学设计[14]就引导学生关注元素周期律发现和完善化学史中的逻辑联系，体现出“事实—相关人物群—主要论点的交锋—学科问题的整体把握”的历史认识线。

最后，能促进学生对概念的理解，真正实现学以致用。从理解层面看，认知科学告诉我们，记忆与理解事物的核心是建立它与已有经验的联系，而且这种联系越牢固、越丰富，记忆和理解就越持久、越深入。因此，科学史中丰富的素材和发展线索可以帮助我们建立与发展这种联系，必然会促进我们对具体问题和科学概念的理解。从应用层面看，认知科学家发现，专家更倾向于用大概念、大观点思考问题，而新手通常只是记忆、回忆、求解，进行公式运算。因此，通过大概念引导学生从问题出发，结合有效的方法处理问题，对提升学生解决问题的能力有重要意义。正如《人是如何学习》中所言：“培养对学科的整体理解，而不是只是具体学科问题的理解，对于孤立部分的强调，能够系统地训练学生的常规知识，但是没有教育学生理解知识的全貌，而掌握知识的全貌才能保证整合知识结构和了解知识应用的情境。”[15]剑桥大学的教师对物理考试的改革体现了这一思想在教学实践中的尝试：“一个老师拿到试题，想看到的不是数字，而是学生对物理的理解。不但数字不重要，而且公式也不重要，重要的是对基本物理概念的理解和对物理学原理本质的把握。理性的思路应该是从最基本的物理假定入手，首先罗列与问题相关所有的（半导体理论）假定，根据具体情况加以分析，每一个假定、每一种情况、每一次选择、每一层因素都要完整地展开讨论，从而将最终导出的正确物理公式用于计算。”[16]由此可见，要培养学生的学科思维就需要引导他们关注学科的整体脉络，关注概念在学科历史发展中的演进过程，而这一目标的达成，显然离不开科学史。

总之，恰当运用科学史，科学学习就应从对知识本身的学习，上升到思维技巧和策略的训练，再上升到对有效信息的有序组织（从对历史的解读中梳理出有意义、有价值的信息模块），最后上升为意义构建，让学生深刻地体会到学到了什么、如何深入、如何应用、学有何用。

三、能够体现出科学史是人对特定历史的研究工作

如果说前面的认识建立在我们完全相信看到的史实，对主流史料一致接纳的基础上，那么这一认识就启发我们批判地看待历史了，有了这一认识我们会认为有必要引入一些学校教育体系外的素材、第一手的历史文献资料等，跳入更广阔的历史空间去重新调整对问题和人物的认识：能够意识到历史本身不代表事实本身，能够看到教材和主流辅助材料只代表人们对问题理解的众多观点中的一种，能看到历史长河中还有许多观点和事件有待人们发现他们的价值，能看到一些被强化的事实和论断也有偏颇、夸大之处，能通过更丰富、多样的材料修正、调整曾经被我们理想化、简单化、线性化的人和事。例如，传统的教学材料中，强调爱迪生发明了电灯，让我们进入了电器时代，但了解了更多的史料内容后，就会发现如果没有特斯拉对交流电应用的研究成果，我们离大范围使用电器还有很长的路要走。通过介绍特斯拉对交流电的研究经历，学生会发现人类能使用电灯，不只是需要探索灯丝使用的材料，还需要探究如何应用电，如何在保证安全的前提下实现电的远距离传输。带着这一认识组织相关教学，一方面能拓宽学生视角，有利于激发学生的批判性思维，发展其自身对科学问题与事件的看法；另一方面能引起学生研究科学史的兴趣，认识到科学史的学术研究价值。

但这一认识本身也引起了教师新的担忧：在教学中要利用科学史，除了要考虑学生的前认知、教学时间的安排，还需要结合具体学科的特点和教学方面的知识再加以选择、修正、加工，相当于是进行二次加工，这可能会导致教师教的“科学史”并非真正的“科学史”[17]。对于这个问题，我们应该认识到科学史本身也是人类思考加工的产物，如果始终抱着怀疑的态度，将无法在科学史中开展研究，更难以推进其在教育中的应用。因此，在应用科学史组织教学时，我们需要反复考查应用的内容和所做的处理是否与学科本质一致，是否与教学目的一致，对于在现阶段能经得起考验的概念、结论进行充分利用；而对于那些原始的、有缺陷的概念需要进行甄别：判断哪些是容易让学生产生迷思概念、需要剔除的，哪些是有助于概念理解的、帮助实现教学目的的。

四、能从科学史中获得更广阔的世界图景

从科学史中获得的广阔图景能使人们发现真实问题解决的综合性和复杂性，能认识到科学史在培养多样化、个性化人才方面不可低估的作用。具体来说：首先，通过科学史看到科学与其他学科的联系，既有输入也有输出；看到真实世界中的问题往往是复杂的，它的解决依赖于多学科的互动、协作。不同的学科提供给我们不同的世界图景，按照理查德·德威特的拼图式世界观，代表不同领域知识与理解的拼图及它们之间的联系可以帮助我们形成对世界的整体认识。科学作为其中的一块拼图，其本身构成了人们对世界的部分认识，同时它与其他领域也有联系与互动。科学影响着我们对其他关联事物的判断与把握，其他领域也反过来影响科学发展的路径和方式。而这恰恰是科学史关注的内容，广义的科学史包括科学社会学、科学传播、科学与宗教等内容[18]，通过科学史我们能看到科学作为一个学科体系与其他体系（人文、社会、宗教）之间的渗透、交织、对抗、互促，进而了解不同观点形成背后的历史原因，既了解社会背景、学术环境、哲学思维等对科学活动的影响，也了解科学对哲学、技术、社会的作用。

当前，人文与科学以及纯科学与应用科学之间存在难以跨越的鸿沟，而这种问题被归结于教育，归结于因专业化而导致的割裂，这是人类智力资源的损失。现在分学科的教育模式使学生缺乏一种系统的整合能力，学生对世界的理解是被割裂的，认知难以超越学科本身，形成系统、完整的科学观、世界观。而科学史恰好可以使这一问题得到改善，我们能从历史的脉络中发现学科间的融合与细化，各学科的关系以及其与整体的关系。从专科史到关注系统整体的科学通史，了解不同学科的促进发展、科学技术的相互促进、科学社会的密切关系都需要有较为宽泛的知识。因此，在科学教育中，教师应把这一认识渗透到教学中并传达给学生，因为这一认识可以使学生对科学本身的认识实现从拼图式到熔炉式的升级，即从简单的整合、分类、梳理到重新组织信息，从单一的科学问题的解决中跳脱出来，看到世界发展的趋势与面临的问题，形成科学、多维的世界观。从科学史中看到的多学科联系能让我们意识到真实世界中的问题往往是复杂的、多因素的，问题的解决不仅需要从完善、调整抽象、理想化的科学模型，更要从多学科中借鉴思路与方法。有文献[19]通过利用科学史实施STEM 热点教育模式，反映了科学史在促进多学科融合方面的积极作用。

其次，通过科学史满足学生未来发展的需求，激发学生成为更好的自己。教育的目的是培养适应未来发展、终生成长的人，那当今学生面临怎样的发展局面呢？第一，世界处于不断的变化中，在技术呈指数发展的今天，许多领域的发展日新月异，因此未来社会对人才的需求也更多样化、复合化[20]。第二，终身专注于一个行业的人越来越少，人们越来越倾向于选择与自身兴趣相关而不是所学专业相关的职业。因此，《Range》[21]一书中提到培养专业人才的教育模式难以帮助学生适应未来发展，满足工作需要，具备多领域经验的人更容易适应这种不断变化中的世界，在真实环境中有更好的迁移能力，更容易实现自我目标。第三，学科之间的带有开放姿态的双向交流，能够诞生全新的成果或更深入的见解，因此，重大的突破往往发生于多学科交叉或学科边缘地带。所以，跨行业、交叉领域、新兴领域等有很大的人才缺口。

虽然科学的重要性已经达成共识，但从上面对世界发展格局的分析中可以看出，单一的学科是满足不了学生终身发展与成长需要的。神经学家认为，大脑中的连接能够产生协同效应，催生更快、更优的学习效果，也让我们有能力关联其他感兴趣的领域。这一结论告诉我们，像科学史这样的综合性课程能够给学生个人发展提供的最宝贵的东西，不只是具体的知识和方法，不只是在科学领域本身发挥作用，而是希望通过它刺激大脑产生协同效应，让科学、科学史与学生感兴趣的多个领域发生关联，促进学生在感兴趣的领域成才，帮助学生适应变化，深层次地实现自我。

五、能发掘科学史的文化内涵

丹纳在《艺术哲学》[22]中提到艺术的精神内核是民族性、时代性，准确生动展示民族性和时代性的作品往往会成为亘古流传的好的艺术品。同理，在科学领域，一流的科学成果也反映出了对民族性和时代性的深度把握，科学史作为人类文明历史中的一部分，其文化指向除了弘扬科学精神、培养爱国热情，更应引导科学工作者发掘我们民族的特点和优势，把握民族特色和时代特点，鼓励学生结合自己身边出现的问题运用科学文化知识有所作为，只有这样才能创造出真正有价值的科学成果。

首先，认识古典文明之美。《历史的教训》中写道：“我们今天所传承的遗产比此前任何时候都更为丰富……如果历史有进步可言，那不是因为我们生下来时比前人更健康、更美好、更聪明，而是因为我们降生于更丰厚的遗产之中，被更高的底座托起，以此前知识和艺术的全部成就为基，随着它上升。所谓历史，就是遗产的创造和记录，而所谓进步，就是它的拓展、保存、传承和使用。”[23]可见，历史是文化积累的产物，是文明生长的根基。《科学的历史研究》[24]一书中提到科学史的教学意义是“说明科学的意义，它的功能，它的方法，它的逻辑的、心理的和社会的含义，它的深刻的人性，以及它对于思想的净化和我们文化的整体化的重要意义”，这表明科学史教育的目的之一是为了让我们发现人类文明的历程，让年轻的心灵面对古代文明之美。我国的历史文化长河中蕴含着大量的科学知识，许多一线教师也在教学中开始引入和关注古代著作中的相关内容，让学生感受我国古人的智慧。

其次，认清现实使命。科学观点是在一定的时代背景下诞生的，因为社会、文化、政治等其他因素的影响，科学结论本身往往也带有时代的烙印。然而，历史不仅仅属于过去，还属于现在和未来，《罗辑思维》中提到：“读历史不是为了知道未来，而是为了理解现实，并对未来保持想象力。”[25]因此，我们学习科学史不仅是要从史实中感受古人的智慧，在新时代背景下，更要思考我们这个时代面临的问题是什么，我们国家和民族擅长什么、需要什么，我们要从科学史中找到在科学发展变化中的规律，找到解决当今问题的新办法，找到科学史对未来教育的意义，培养学生的想象力和创造力，而不是盲目跟风国外的研究方向。这不仅是增强国家科研创新实力的需要，也是提高全球科研成果质量、完善科研评价体系的大势所趋。莫顿宣言中的十大科学成果评价标准中就指出要重视区域性、民族性的研究成果[26]，说明科学评价导向也在逐步向关注民族性、解决地域性问题的研究成果倾斜。

虽然我们已经在一定程度上认识到了科学史对科学教学的意义，但我们不应只满足于模糊的印象和大致的轮廓，我们可以通过不断补充、深化对科学史的认识，逐步挖掘其对教学不同方面的具体意义和融合方式。有意识地深化对科学史的思考是突破教学困局的关键。从认知的角度来说，我们对科学史的理解程度决定了我们在教学应用中的目的和应用迁移的可能性，这样的努力为学生提供了更多元的思考维度、更丰富的学习素材，使科学学习变得既富有成效又充满乐趣。虽然多层次、有深度的认识能给我们安排组织教育教学带来更多的启示，但实际教学中仍应根据学生的实际情况与教学内容的特点灵活选取认识角度、深度，以落实对应的教学目标为准，而不是一味地求大求全。我们需要做更细致、深入的思考，而不是满足于框架式的套用；我们需要有更整体的把握，而不是局限于具体的问题；我们需要发掘更多的关联性，而不是停留在简单的因果关系上。科学史在教学上的应用从理论层面到具体落实还需要我们进行更多的实践和反思，我们依然任重而道远。