科學(xué)故事在科學(xué)教育中的利與弊

汪曉辰

摘 要 科學(xué)家的奇聞?shì)W事已經(jīng)成為科學(xué)傳播中的重要部分，很多人通過科學(xué)故事了解到許多科學(xué)家的生平以及他們的科學(xué)成果，對(duì)公眾認(rèn)識(shí)和理解科學(xué)起到了一定的促進(jìn)作用。另一方面，過度夸大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的戲劇性使科學(xué)故事被歪曲成了科學(xué)神話，對(duì)受眾造成了“科學(xué)家故事就是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的事實(shí)”的錯(cuò)誤影響。

關(guān)鍵詞 科學(xué)故事；阿基米德；科學(xué)教育

中圖分類號(hào) G2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2017）195-0100-03

在科學(xué)史的傳播過程中，有關(guān)科學(xué)家以及科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程中的奇聞?shì)W事逐漸成為科學(xué)教育中必不可少的內(nèi)容與素材。牛頓由蘋果落地的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力的故事，阿基米德在鑒定王冠真?zhèn)蔚倪^程中發(fā)現(xiàn)浮力定律，伽利略用比薩斜塔實(shí)驗(yàn)證明物體下落速度與重量無(wú)關(guān)，瓦特觀察了冒氣的茶壺發(fā)明了蒸汽機(jī)，凱庫(kù)勒夢(mèng)到咬著尾巴的蛇從而發(fā)現(xiàn)苯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)模型等。從小學(xué)時(shí)的科普讀物到初中、高中上課時(shí)教材與老師的講解，這些科學(xué)故事伴隨著我們的學(xué)習(xí)和成長(zhǎng)過程中。然而在真正的歷史中，故事中所講的內(nèi)容和歷史事實(shí)便有了很大的出入，需要我們運(yùn)用所學(xué)之知識(shí)去分辨一番。

1 以阿基米德的故事為例

1.1 最早記載及現(xiàn)在的傳播

阿基米德鑒定王冠真假的故事首先被記載于公元前1世紀(jì)維特魯威的著作《建筑十書》中，第九書的序言部分介紹了阿基米德為國(guó)王鑒別金王冠中是否摻加了銀的起因以及實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果。阿基米德制造出與王冠等重的金塊和銀塊。做好這些以后，在盆中盛滿水，將銀塊沉入水中，與銀塊等重的水便溢流出來(lái)。然后將銀塊撈起來(lái)，用塞克斯塔里俄斯量斗測(cè)出水的減少量，再將水倒?jié)M。按此方法，接著便把金塊同樣浸入盛滿了水的盆里，用同樣的方法加水并測(cè)量減少的水量，就知道減少的水不是等量而是少量的。這就符合同重量的金塊比同重量的銀塊的減少量。然后，又同樣把盆盛滿了水，并把王冠浸入，就發(fā)現(xiàn)由于王冠比同重量的金塊溢出的水較多，因而確認(rèn)在金里摻加了銀，承做的工匠顯然是一個(gè)詐

騙犯[1]。

現(xiàn)在我們依舊能在中學(xué)物理教材和各類科普讀物中見到阿基米德鑒定王冠真假的故事，如人教版物理課本（八年級(jí)下）第10章，介紹阿基米德原理時(shí)，用這個(gè)故事作為本章節(jié)引言。在宋恩永（韓）的《科學(xué)家講的科學(xué)故事-阿基米德講的浮力的故事》、崔鐘雷主編《青少年美繪版經(jīng)典名著書庫(kù)：科學(xué)家的故事》和萬(wàn)瑩的《“小科學(xué)家”系列：課本上讀不到的物理故事》等科普讀物中，在介紹浮力和阿基米德的內(nèi)容時(shí)，這個(gè)故事是必不可少的。

1.2 傳說(shuō)的真實(shí)性

在《阿基米德全集》中，阿基米德本人在《論浮體》只是給出了“假設(shè)流體具有這樣的特征，它的各部分處子平滑均勻和連續(xù)狀態(tài)，受到推力較小的部分會(huì)被受到推力較大的部分所推動(dòng)；如果流體被滲入任何物體并受到任何其他物體的壓縮，那么流體的各部分將受到在它上面的流體的垂直方向的推力”的公設(shè)，以及“如果把一個(gè)比流體重的固體放入流體中，它將沉至流體底部，若在流體中稱固體，其重量等于其真實(shí)重量與排開流體重量的差”的命題[2]。阿基米德既沒有在命題后的數(shù)學(xué)證明中用檢驗(yàn)王冠一事舉例，也從未提及他本人曾經(jīng)進(jìn)行過檢驗(yàn)王冠是否摻假的

工作。

《阿基米德全集》的編者T.L.希思在書中第一章“阿基米德”中也并未將描寫阿基米德鑒別王冠真?zhèn)蔚臍w于有關(guān)阿基米德生平的史實(shí)，認(rèn)為這只是“可以幫助我們了解這位古代最偉大的數(shù)學(xué)家的個(gè)性”的故事之一。并且在《論浮體》中的命題7“如果把一個(gè)比流體重的固體放入流體中，它將沉至流體底部。若在流體中稱固體，其重量等于其真實(shí)重量與排開流體重量的差”，提出了通過求與王冠等重的純金和純銀在水中的重量和在水中失去的重量的關(guān)系，最終求出王冠中金與銀的比例的方法；以及按維特魯威在《建筑十書》記載的內(nèi)容提出的求王冠以及等重的純金和純銀排開水的體積最終求出王冠中金銀比例的方法。檢驗(yàn)阿基米德鑒定王冠真假的故事的首選的方法是通過重建故事中實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這個(gè)傳說(shuō)是否是真實(shí)的，如果故事的結(jié)果與現(xiàn)代知識(shí)或者重建的實(shí)驗(yàn)相沖突，該實(shí)驗(yàn)實(shí)際上就不是像所描述的那樣做的[3]。

1.3 檢驗(yàn)與結(jié)論

由于條件所限，我們無(wú)法按照故事中所描述的那樣使用金和銀制成王冠來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不過我們可以通過查找文獻(xiàn)，將文獻(xiàn)中所記載的阿基米德使用的方法數(shù)學(xué)化并加以計(jì)算，最終將計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況進(jìn)行比較以鑒別這個(gè)故事的真?zhèn)巍?/p>

為方便計(jì)算，假設(shè)王冠重1kg，水桶和王冠的半徑r=10cm，已知金的密度為19.3g/cm?，銀的密度為10.5g/cm?，則與王冠等重的純金的體積為，純銀的體積為。假設(shè)工匠在制作王冠時(shí)摻入30%的銀子，則王冠中含金質(zhì)量為700g，銀質(zhì)量為00g，王冠體積為，由于王冠和金塊會(huì)完全浸沒在水中，因此排出水的體積可視為王冠和金塊的體積。則王冠放入水中后水面的上升高度為0.207cm，等質(zhì)量純金塊造成的水位變化為0.166cm，兩者差距僅為0.04cm，即0.4mm。排出水的體積之差為13 cm?。

經(jīng)過計(jì)算得出王冠與等質(zhì)量純金塊造成的水位變化差距為0.4mm的結(jié)果，在阿基米德生活的時(shí)代所使用的長(zhǎng)度測(cè)量工具顯然無(wú)法達(dá)到這樣的精度，就算是使用現(xiàn)代常用的測(cè)量工具，都很難測(cè)出這樣一個(gè)差值，而且不排除有其他因素可以造成同等的誤差的可能性。在維特魯威所的記載中，阿基米德使用“塞克斯塔里俄斯量斗”衡量溢出的水量，而測(cè)出13cm?的差距在當(dāng)時(shí)同樣也是無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)出的，那么《論浮體》中T.L.希思按《建筑十書》記載的內(nèi)容提出的求王冠以及等重的純金和純銀排開水的體積最終求出王冠中金銀比例的方法也是不可行的了。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明了維特魯威的《建筑十書》中所記載的所謂阿基米德使用的鑒別一個(gè)應(yīng)當(dāng)由純金制成的王冠是否摻入了一定比例的銀的方法實(shí)際上是不可行的。

2 科學(xué)故事在科學(xué)教育中的正面效果

2.1 增加了科學(xué)教育的趣味性endprint

常見的科學(xué)教育按地點(diǎn)劃分可分為校內(nèi)科學(xué)教育與校外科學(xué)教育，校外科學(xué)教育通過科技館、博物館、報(bào)紙雜志、廣播電視、網(wǎng)絡(luò)等媒介向?qū)W生傳播科學(xué)知識(shí)；校內(nèi)科學(xué)教育一般指我們?cè)趯W(xué)校所學(xué)的物理、化學(xué)、生物等與科學(xué)有關(guān)之課程?？茖W(xué)教育已經(jīng)成為提高公眾科學(xué)素養(yǎng)的基本途徑，和公眾理解和學(xué)習(xí)科學(xué)技術(shù)的重要渠道。與校外科學(xué)教育利用數(shù)字、網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)技術(shù)，通過互聯(lián)網(wǎng)、電腦、數(shù)字電視、手機(jī)等渠道，生動(dòng)形象地進(jìn)行各類科學(xué)教育相比。校內(nèi)的科學(xué)教育往往很難讓受眾（學(xué)生）們產(chǎn)生興趣。在課堂上，老師通常會(huì)以生活中常見的各種現(xiàn)象來(lái)引出所講的內(nèi)容，并對(duì)教科書中所寫的公式、定律等內(nèi)容進(jìn)行講解。在這個(gè)過程中，學(xué)生往往是處于被動(dòng)的接收知識(shí)而非主動(dòng)學(xué)習(xí)；另一方面，在應(yīng)試教育思想影響下，學(xué)習(xí)只是為了在考試中取得好成績(jī)，因此學(xué)生往往是將教科書中的公式、定律等死記硬背，造成學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的一知半解。在這種模式下，學(xué)生對(duì)科學(xué)本身產(chǎn)生興趣的可能性不大。

在科學(xué)教育中引入科學(xué)故事可以讓學(xué)生通過故事的內(nèi)容發(fā)現(xiàn)或推斷出其中所含的科學(xué)道理或定律。以阿基米德鑒定王冠真假的故事為例，當(dāng)阿基米德偶然在進(jìn)入浴池洗澡時(shí)觀察到和沉入其中的身體同量的水溢流到浴池外面，這一事實(shí)讓他找到了如何鑒定王冠的方法，通過對(duì)比王冠和同重量的金塊和銀塊沒入水中后溢出的水量，最終確認(rèn)承做的工匠在金王冠中摻入了銀。通過這個(gè)故事使學(xué)生發(fā)現(xiàn)浸入靜止流體中的物體所受到的浮力大小等于該物體所排開的流體重量，這種教學(xué)方法要比直接對(duì)學(xué)生灌輸浮力定律的內(nèi)容更容易讓學(xué)生接受，科學(xué)道理和定律在學(xué)生眼中不再是一個(gè)個(gè)冷冰冰的公式和定律，而是與有趣的故事相結(jié)合。提高了學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣，進(jìn)而對(duì)學(xué)生理解所學(xué)知識(shí)有促進(jìn)作用。

2.2 消除科學(xué)的神秘感

在大部分人的眼中，科學(xué)家和科學(xué)往往是充滿了神秘感的，科學(xué)家在人們心中的形象大多數(shù)是戴著眼鏡，知識(shí)淵博，身穿白大褂，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行常人無(wú)法理解的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。而科學(xué)也常常被人們看作是深?yuàn)W的、難懂的、探索研究自然和宇宙萬(wàn)物規(guī)律的學(xué)問，這樣的理解將科學(xué)和科學(xué)家神秘化了。而在校內(nèi)科學(xué)教育與校外科學(xué)教育中，也有不少科普工作者和教師持此看法。這種觀念對(duì)科學(xué)教育和科普活動(dòng)的進(jìn)行是弊大于利的，會(huì)使受眾產(chǎn)生科學(xué)是高高在上、晦澀難懂的負(fù)面印象。如果我們的科學(xué)教育用像《量子力學(xué)》《時(shí)間簡(jiǎn)史》一樣高深的理論和厚重的書本向受眾去傳播、普及科學(xué)知識(shí)，只會(huì)讓他們望而卻步，繼而使受眾對(duì)科學(xué)產(chǎn)生畏懼感和距離感，削弱了受眾學(xué)習(xí)科學(xué)技術(shù)知識(shí)和提高科學(xué)素養(yǎng)的主動(dòng)性和積極性。而利用科學(xué)故事進(jìn)行科學(xué)教育可以有效縮短科學(xué)與受眾間的距離，讓科學(xué)在受眾的眼中不在是那么神秘莫測(cè)，而是更加接地氣、通俗化的東西，也讓受眾對(duì)科學(xué)更加感興趣，從而更主動(dòng)地去理解科學(xué)進(jìn)而學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)。

3 科學(xué)故事在科學(xué)教育中的負(fù)面效果

3.1 過分夸大了科學(xué)發(fā)現(xiàn)的戲劇性

科學(xué)發(fā)現(xiàn)是一個(gè)漫長(zhǎng)、艱苦的摸索過程。有的發(fā)現(xiàn)雖然具有偶然的因素，但是這也是科學(xué)家長(zhǎng)期奮斗的結(jié)果，同時(shí)所有的發(fā)現(xiàn)都必須具有發(fā)現(xiàn)所必備的社會(huì)條件和文化背景，而不是孤零零的單獨(dú)事件[4]。發(fā)現(xiàn)并證明了浮力定律的是阿基米德，這是千真萬(wàn)確，毋庸置疑的。然而浮力定律的發(fā)現(xiàn)并非故事中所描述的，阿基米德為了鑒定王冠真?zhèn)?，偶然在洗澡的時(shí)候過程發(fā)現(xiàn)了鑒定王冠是否摻假的方法并據(jù)此總結(jié)出浮力定律。是阿基米德通過自己的研究和證明，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間多次的實(shí)驗(yàn)和推理，最終在《論浮體》中提出了著名的浮力定律，對(duì)物體的在液體中的沉浮進(jìn)行了科學(xué)的解釋，奠定了流體靜力學(xué)的

基礎(chǔ)。

和阿基米德鑒定王冠的故事一樣，許多科學(xué)發(fā)現(xiàn)的實(shí)際情況并非像我們所知的科學(xué)故事中所描寫的那樣，如凱庫(kù)勒做夢(mèng)發(fā)現(xiàn)了苯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的故事是凱庫(kù)勒本人編造的，而且最早提出苯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的科學(xué)家不是凱庫(kù)勒，在他之前就有羅朗（A·Lauernt）、庫(kù)帕（A·Couper）和勞斯密特（J·Loschoidt）三位化學(xué)家提出了苯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)[5]。而伽利略的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)也由于只有他的學(xué)生維維安尼所撰寫的傳記這一孤證而飽受質(zhì)疑[6]?？茖W(xué)故事相比于傳統(tǒng)的科學(xué)教育模式以其通俗性、戲劇性和趣味性使得學(xué)生及其他受眾對(duì)科學(xué)的印象不在是枯燥乏味的，使他們自身對(duì)科學(xué)產(chǎn)生了興趣，為他們進(jìn)一步的學(xué)習(xí)提供了動(dòng)力。另一方面，科學(xué)故事為了由于依靠其通俗性、戲劇性和趣味性以吸引受眾，往往將科學(xué)研究過程中的偶然因素過分夸大，將偶然變成了科學(xué)研究成功的決定性因素。將科學(xué)發(fā)現(xiàn)和科學(xué)研究的過程與結(jié)果描述的過于戲劇性，在進(jìn)行科學(xué)教育和傳播的過程中同時(shí)造成了一些不當(dāng)影響。

3.2 將科學(xué)家形象過度神化和臉譜化

科學(xué)故事進(jìn)行夸大描寫的目的一方面是為了吸引讀者，另一方面是為了宣揚(yáng)故事主人公的成就，如維特魯威在《建筑十書》中所記載的阿基米德的故事本意在于頌揚(yáng)阿基米德的天才成就，他認(rèn)為阿基米德以及書中記載的其他著述家們的思想“不僅對(duì)于矯正風(fēng)俗，而且對(duì)于便利生活都是永遠(yuǎn)具備的。有學(xué)識(shí)的著述家們，雖然他們失去了肉體，但是他們的思想在漫長(zhǎng)的歲月里是常新的?！痹趥鞑ミ^程中，科學(xué)發(fā)現(xiàn)大多被戲劇化、被簡(jiǎn)單化，而科學(xué)家在此過程中其中的艱辛和努力卻被忽視了。這種過度夸大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的戲劇性的方法使科學(xué)故事被歪曲，科學(xué)故事最終變成了神話，對(duì)正在學(xué)校接受教育的學(xué)生來(lái)說(shuō)，是弊大于益的，首先對(duì)他們和其他受眾造成了“科學(xué)家故事就是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的事實(shí)”的錯(cuò)誤影響；其次，這些被神話化了的科學(xué)故事給他們以“科學(xué)研究不必腳踏實(shí)地認(rèn)真鉆研，也無(wú)須什么思考與創(chuàng)新，只要運(yùn)氣好就能得出結(jié)果，學(xué)習(xí)和做研究并非什么難事”的不良印象；最后，科學(xué)故事的過度戲劇化同樣也造成了歷史上科學(xué)家們的臉譜化，在我們常見的科學(xué)故事中，牛頓、哥白尼、伽利略這些科學(xué)家大多是以正面人物的形象出現(xiàn)，而與“正面人物”持相反觀點(diǎn)的科學(xué)家，如日心說(shuō)的代表托勒密、提出三靈氣學(xué)說(shuō)的蓋倫等，常常被當(dāng)作“錯(cuò)誤觀點(diǎn)的權(quán)威”，以反面人物的形象示人。然而作為正面人物的牛頓在與萊布尼茨爭(zhēng)奪微積分的發(fā)現(xiàn)權(quán)的過程中，利用自己皇家學(xué)會(huì)成員的身份，對(duì)萊布尼茲進(jìn)行了打擊和誣陷，指責(zé)萊布尼茲是個(gè)騙子，最終導(dǎo)致英國(guó)和歐洲數(shù)學(xué)家之間的隔閡。因此不能受科學(xué)故事的影響，將科學(xué)史上的科學(xué)家們單純地分為正面和反面人物來(lái)看待，他們的言行及思想與他們所處年代的社會(huì)條件、思想趨勢(shì)、民族性格有很大的關(guān)系。如果用“好人一切都好，壞人一切都?jí)摹钡念A(yù)設(shè)立場(chǎng)去理解科學(xué)的話，得到的印象也只是被科學(xué)故事的描寫所誤導(dǎo)和固化的。

4 結(jié)論

我們對(duì)許多科學(xué)家的生平以及他們的科學(xué)成果了解大多來(lái)源于小時(shí)候及上學(xué)時(shí)在科普讀物和教材中讀到的科學(xué)故事，這些科學(xué)故事使得科學(xué)在我們眼中不再是枯燥的公式和定律，讓我們開始對(duì)科學(xué)產(chǎn)生興趣，提高了我們對(duì)學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的積極性，對(duì)我們認(rèn)識(shí)和理解科學(xué)起到了促進(jìn)作用。另一方面，過度夸大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的戲劇性使科學(xué)故事被歪曲成了科學(xué)神話，對(duì)我們?cè)斐闪艘恍┎划?dāng)影響，變得浮躁，希望能和科學(xué)故事中的科學(xué)家們一樣“靈光一閃”?？梢娫诳茖W(xué)教育中，如何正確地發(fā)揮科學(xué)故事的正面效果已成為科學(xué)教育人員必須思考的問題。以學(xué)習(xí)阿基米德定律為例，結(jié)合阿基米德鑒定王冠是否摻假的故事，使學(xué)生更生動(dòng)地理解浮力定律的內(nèi)容、公式和

應(yīng)用。

在使用科學(xué)故事來(lái)提高學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性的同時(shí)，作為科學(xué)教育人員，也應(yīng)利用身邊可用的教學(xué)資源及可行之實(shí)驗(yàn)方法，引導(dǎo)學(xué)生使用實(shí)驗(yàn)或計(jì)算方法，驗(yàn)證阿基米德鑒定王冠故事的真實(shí)性。在將科學(xué)教育趣味化、通俗化的同時(shí)，讓學(xué)生使用所學(xué)知識(shí)去驗(yàn)證科學(xué)故事中的故事內(nèi)容，全面理解科學(xué)家的研究過程及發(fā)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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[4]顧江鴻.科學(xué)教育中“科學(xué)神話”的危害[J].阜陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（1）.

[5]顧江鴻.科學(xué)教育中“科學(xué)神話”的危害[J].阜陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（1）.

[6]余建剛，肖城輝.這是否只是一種“美麗的傳說(shuō)”——關(guān)于伽利略比薩斜塔實(shí)驗(yàn)的爭(zhēng)議[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2010（8）：53-56.endprint