基于學科知識發(fā)展歷史的論證式化學教學設計研究

孟獻華 吳倩 倪娟

摘要： 論證式教學倡導將科學領域研究方法引入課堂，使學生經歷類似科學家們的論證推理過程來理解學科概念。學科知識的發(fā)展歷史為論證式教學設計提供了真實有效的教學資源?；跉v史發(fā)展的論證式教學設計流程包括理解知識演進、分析論證結構和教學問題設計。以“空氣中氧氣成分測定”為例，構建基于學科知識發(fā)展歷史的論證式教學的設計框架與實施。

關鍵詞： 化學史; 教學設計; 科學論證; 空氣成分

文章編號： 1005-6629（2018）11-0041-06中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1 問題提出： 知識發(fā)展與科學論證的統(tǒng)一

英國歷史學家卡爾（Edward Hallett Carr， 1892～1982）指出： 歷史“是今天的社會跟昨天的社會之間的對話……只有借助于現(xiàn)在，我們才能理解過去;也只有借助于過去，我們才能充分理解現(xiàn)在。使人理解過去的社會，使人增加掌握現(xiàn)在社會的能力，這就是歷史的雙重作用”[1]。奧蘇貝爾（David Pawl Ausubel， 1918～2008）認為，教科書的編寫者將科學概念或論題分割成獨立的章節(jié)，沒有探討它們相互之間的關系，這樣做的結果使學習者看不到新的命題和已知命題之間的因果關系。這一狀況至今未變：“目前的教科書與教學方法不能幫助學生達成良好的科學素養(yǎng)，有時反而是一種妨礙！它們強調尋求答案更甚于問題的發(fā)現(xiàn)，強調記憶忽視批判思考，強調零星知識的記憶而非理解，強調精確的復述而非思考”[2]。

許多今天看來難以理解的化學知識或概念，從歷史的角度看顯得十分自然，如微粒觀念是從早期對液體和氣體物質宏觀性質的研究而來，它反映了古代自然哲學家們的原始思維到現(xiàn)代科學家們利用各種先進儀器進行觀察、實驗等活動之間的連續(xù)性。如果學生能夠仿照這一概念的形成方式，從液體蒸發(fā)、氣體運動等日常生活現(xiàn)象開始對微觀世界的思考，他們就會知道，任何抽象的化學概念都來源于人們對自然現(xiàn)象的觀察及其本質的分析。

另一方面，化學教育應該培養(yǎng)學生深入了解化學的思想方法、化學發(fā)展的規(guī)律和自覺將化學知識應用到生活實際中的能力。因此，科學研究中的推理或論證思想已成為當下教育理論的熱點議題。論證式教學追求將科學研究領域的知識推理過程帶入課堂，讓學生經歷類似于科學家們獲取知識的論證方式，理解科學概念和科學本質，促使學生“能初步學會收集各種證據(jù)，對物質的性質及其變化提出可能的假設;基于證據(jù)進行分析推理，證實或證偽假設;能解釋證據(jù)與結論之間的關系，確定形成科學結論所需要的證據(jù)和尋找證據(jù)的途徑”[3]。

1958年，圖爾敏（Toulmin）出版了論證研究的經典之作[4]。20世紀90年代，研究者開始以論證思維的視角理解科學課堂，論證式教學也因此出現(xiàn)。論證式教學重視對已有證據(jù)的思考和判斷，要求學生在維護或反駁某個觀點或主張時，提供充足的證據(jù)或理由，這種教學方式充滿了理性思維，同時與科學發(fā)展歷史具有高度的一致性。

2 基于歷史發(fā)展的論證式教學設計程序

基于學科知識發(fā)展歷史的論證式化學教學設計的核心，是將化學史內容融入化學知識的教學中，探究每一個化學概念、觀點、假說提出過程中理論和實驗、假說與現(xiàn)象之間的邏輯關系，或者對幾種歷史學說、模型進行比較和研討，學生領會到歷史上化學家們嚴謹?shù)恼撟C推理、激烈的思想碰撞和豐富的學科思維，感受化學的魅力所在。

該教學設計的理論基礎在于： 學生的錯誤概念很大程度上和早期科學家提出的錯誤理論具有一致性，科學教學的目標就是實現(xiàn)學生錯誤概念向科學概念的轉化，這樣科學史也就成為教師理解學生學科概念形成的有益資源和教學設計的理論指導（見圖1）。

基于學科知識發(fā)展歷史的論證式化學教學設計關注的重點是： 以科學思想和研究實踐的發(fā)展歷史，為學科知識教學提供有關“為什么”的解釋和引導。其教學設計包含4個步驟。

2.1 學科主題概念和知識歷史演進的理解

無論是將歷史發(fā)展中的科學研究作為教學的論證主題，還是以科學家們提出新理論背后的支持性實驗、演繹推理等作為教學素材，教師都需要對相關學科概念發(fā)展歷史全面準確地掌握。以論證式教學為核心的學科歷史材料梳理，應更多關注一些重要概念、規(guī)律、定理產生和發(fā)展的因果關系，這些內容可以讓學生從概念、規(guī)律、定理產生的原因和發(fā)展的進程中，體會到學科知識在科學化、結構化道路上經歷的種種努力。具體而言，教師應該研究：

（1） 不同時期的科學理論。

歷史地看，某一階段被當時科學界普遍承認正確的科學理論，隨著人們的認識發(fā)展，這些曾經被廣泛接受的理論多數(shù)都會被新的科學理論代替。但對教師教學而言，這些理論的變遷過程往往是值得重點關注的內容，因為其中必然蘊含了新的科學證據(jù)或解釋推理。

（2） 科學研究的原始材料。

原始材料指的是來自過去的客觀物品，科學教學中使用的原始資料包括科學家們研究的原始著作、實驗記錄等，閱讀原始材料就是與過去的科學家進行思想交流?？茖W家或科學研究的原始材料呈現(xiàn)，能夠激發(fā)學生學習現(xiàn)代科學理論的動機和求知欲望;同時，它使學生理解本學科知識的最早起源、它的緩慢進化和到今天的發(fā)展情況，明白哪些問題值得進一步研究。

以“空氣的成分發(fā)現(xiàn)”為例，它的研究歷史大致分為3個階段[5， 6]。

（1） 證明空氣與真空的存在。

歷史上，關于“是否存在真空”的問題曾經持續(xù)爭論了上千年時間，如古希臘哲學家亞里士多德（Aristotle，約公元前384年～公元前322年）否認真空存在，他認為“自然厭惡真空”，所以我們周圍應該有一種沒有重量的物質——空氣。公元前5世紀，恩培多克勒（Empedocles，約公元前495～公元前435年）將密封的空心圓柱體浸入水中，圓柱體內的空氣壓強阻止水面的上升，證明了空氣的存在。

17世紀初，伽利略（Galileo， 1564～1642）通過實驗證明空氣具有重量： 天平稱量1只用氣泵打足空氣的玻璃球重量，然后打開玻璃球上活塞，重新稱量重量，玻璃瓶變輕;托里拆利（Evangelista Torricelli， 1608～1647）進行氣體壓強實驗： 取一端封閉、灌滿水銀的玻璃管，開口一端插入水銀槽，發(fā)現(xiàn)玻璃管上方水銀面下降，留出一定空間。托里拆利還發(fā)現(xiàn)無論玻璃管長度和傾斜度如何，玻璃管內水銀柱垂直高度都是760毫米，即大氣壓強與水銀柱產生的壓強相等。1648年，法國物理學家布萊士·帕斯卡（Blaise Pascal， 1623～1662）制作了水銀氣壓計，反駁了“自然厭惡真空”的傳統(tǒng)觀念。

（2） 氧氣與氮氣的發(fā)現(xiàn)。

1673年，英國化學家羅伯特·波義耳（Robert Boyle， 1627～1691）通過對比實驗證明燃燒需要有空氣： 在一個抽掉空氣的容器中放入一塊燒紅的鐵板，將硫粉灑在鐵板上，觀察到硫磺不燃燒只冒煙;在另一個有空氣的容器中實驗，硫粉燃燒起來，發(fā)出淡藍色火焰。

1771年，英國化學家約瑟夫·普里斯特利（J. Joseph Priestley， 1733～1804）發(fā)現(xiàn)，蠟燭的燃燒、動物的呼吸或者腐敗作用會使空氣質量變差，綠色植物在光的作用下可以使空氣質量恢復。同年，他通過加熱硝石制得氧氣，他將氧氣稱為“脫燃素空氣”，把物體燃燒后剩余空氣稱為“燃素化空氣”——普里斯特利發(fā)現(xiàn)了氧氣，但因堅持燃素說而沒有提出正確的理論。

1772年，英國化學家亨利·卡文迪許（Henry Cavendish， 1731～1810）發(fā)現(xiàn)氮氣： 將空氣通過紅熱的木炭，再用苛性鉀堿溶液去掉二氧化碳，剩下的氣體就是氮氣。

1773年，瑞典藥劑師舍勒（Carl Wilhelm Scheele， 1742～1786）用加熱硝酸鹽、氧化汞等方法，制得可以支持物質燃燒的“火空氣”，并利用實驗證明空氣中也有“火空氣”（即氧氣）。

1777年，法國化學家拉瓦錫（Antoine-Laurent de Lavoisier， 1743～1794）受到啟發(fā)，做了研究空氣成分的著名實驗，提出空氣是由氧氣和氮氣兩種氣體混合而成的正確理論。

（3） 稀有氣體發(fā)現(xiàn)和元素周期表。

1893年，英國物理學家瑞利（J.W.S. Rayteigh， 1842～1919）發(fā)現(xiàn)除去空氣中其他氣體得到的氮氣密度，和氨氣與氧化銅生成的氮氣密度之間存在極小差異，從而發(fā)現(xiàn)惰性氣體氬;1868年，法國天文學家詹森（P.J.C. Janssen， 1824～1907）通過光譜法發(fā)現(xiàn)元素氦;1898年，英國化學家威廉·拉姆塞（William Ramsay， 1852～1916）在蒸發(fā)液態(tài)空氣的殘留物中，發(fā)現(xiàn)了氪和氖;1908年，拉姆塞確定最后一種惰性氣體元素氡，補全元素周期表中的零族元素。

2.2 對科學論證的分析

可以看出，科學家對自然現(xiàn)象的解釋不一定是完全客觀的，它是根據(jù)現(xiàn)有科學事實的一種猜測，對同一個事實也可以有不同種解釋。所以，科學發(fā)展史涉及了不同科學團體、科學思想體系之間的碰撞交流。對化學理論發(fā)展的準確掌握與合理的教學轉化，是教師教學準備的必經之路。Sampson提出一個科學論證結構與評價的模型，認為論證包括主張、證據(jù)、推理3個要素，為科學論證分析提供了理論參考（見圖2）[7]。這里，對論證合理性與完整性的分析可以從3個方面考慮： （1）科學邏輯方面。哪些證據(jù)可以支持某一科學家的主張，他對證據(jù)的解釋是否正確？（2）證據(jù)強度方面。哪些是支持主張的最好證據(jù)，這一結果是否有其他解釋或證據(jù)？（3）心理認知方面。學生是否能夠理解這一概念的論證過程，它是否具有探究的意義？

2.3 教學中的問題設計

課堂教學設計中，選取學科知識發(fā)展的關鍵步驟，如關鍵性思想、重要理論提出時遇到的困難和經典學科問題解決等內容，以此作為可供學生探究的學科問題。學生通過參與課堂研討，形成對證據(jù)與理論之間關系的理解能力和進行科學的演繹推理、邏輯論證能力，從而將知識發(fā)展過程轉化為促進學生交流對話、形成批判性思維的過程。

基于論證的問題應該具有以下特點： （1）可論證性。提出的問題應該保證學生有充分的、真實的證據(jù)來支持自己的主張，表現(xiàn)出明確恰當?shù)耐评磉^程，鼓勵學生使用概念結構、認知過程和知識框架來支持、評估和完善一項主張。（2）價值性。包括兩個方面： 一方面，問題應該包括豐富的學科內容，既和化學家的研究工作有關，又可以被分解為更小的探究性問題;另一方面，問題能夠對學生提出足夠的智力挑戰(zhàn)，即使從學生習以為常的知識中也應該引申出需要證明的結論。（3）可持續(xù)性。一個科學問題的解決總是能夠引出或發(fā)現(xiàn)新的問題而不是研究的結束，同樣，教學中提出的問題應該能引發(fā)學生可持續(xù)、不斷深入的探究內容。（4）開放性。問題應該具有多種思考方向，包括對同一主張能夠提出不止一個的支持證據(jù)，或對同一證據(jù)有不同的解釋方案等，這樣有利于學生理解科學研究中爭論的重要性。

2.4 基于歷史發(fā)展的論證式教學設計

“空氣中氧氣成分測定”一課教學，結合歷史發(fā)展的分析可以得出結論： 如何證明空氣的存在、如何設計實驗測定空氣中氧氣的含量、如何合理分析實驗方案的可行性與正確性等，都屬于可供學生思考的驅動性問題。同時，這些問題的開放性符合論證式教學設計要求，便于激發(fā)學生探究興趣和教師對學生科學論證推理的引導?；谝陨险J識，我們將這節(jié)課的重點放在學生初步掌握論證方法、形成基于化學實驗為證據(jù)的論證能力表現(xiàn)等方面（見表1）。

3 總結： 教學設計模型與解釋

科學史成為教師教學設計的資源倡導已久，但一方面科學史融入教學實踐不是一個直接簡單的移植應用過程，另一方面，教學理論的不斷發(fā)展賦予了基于學科歷史的教學設計更新的視角。正是因為上述思考，我們將化學發(fā)展史中的科學研究作為案例，探討其中主張、證據(jù)和推理之間的邏輯關系，進而轉化為可操作的論證式教學實踐（見圖3）。由此構建了一個將科學史轉化為學科教學實踐或課程開發(fā)的雙循環(huán)模型（見圖4）。

該框架中，T—C1—I循環(huán)代表教師進行教學設計的思考過程，這一循環(huán)包括對科學研究的關鍵步驟加以改編、為關鍵步驟設計難度遞增的系列問題，便于在課堂上使用;T—C2—I循環(huán)代表教師領會過去的科學家們通過科學現(xiàn)象建立理論的過程。在C1和C2間的關系上，教師可以選擇不同的路徑，如T—C1—I—C2—I—C1—I的路徑是從教材入手，尋求可以利用的科學史，然后思考C1和C2間的聯(lián)系;T—C2—I—C1—I—C2—I的路徑是從科學歷史發(fā)展開始，思考融入教學的合適角度，然后尋求C1和C2間的聯(lián)系。

參考文獻：

[1]愛德華·卡爾.吳柱存譯.歷史是什么[M].北京： 商務印書館， 1981： 5.

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[3]中華人民共和國教育部制定.普通高中化學課程標準（2017版）[S].北京： 人民教育出版社， 2018： 4.

[4]S.E. Toulmin. The uses of argument [M]. Cambridge， UK： Cambridge University Press， 1958.

[5]孟獻華.科學與傳承： 基于學科史的化學教學[M].北京： 科學出版社， 2015： 90～93.

[6]吳倩.化學教學中的論證設計研究[D].南通： 南通大學碩士學位論文， 2016： 32～34.

[7]Sampson V & Grooms J. Argument-Driven inquiry as a way to help students learn how to participate in scientific argumentation and craft written arguments： an exploatory study [J] . Science Education， 2011，（2）： 217～257.