科學史融入教材的價值與方式

◇胡盼盼（通訊作者） 吳思瑩 諶濃琴（浙江：臺州學院醫(yī)藥化工與材料工程學院）

目前教學中存在對科學史認識不到位，教材呈現(xiàn)方式不利于教師開展科學史教學，中國科學史與黨史、新中國史脫節(jié)等問題。結合新的時代背景，本文提出，科學史是科學知識產生的背景，是準確理解科學概念的臺階，是銜接教材與經(jīng)驗、化知為行的紐帶，也是實現(xiàn)教材育人鑄魂功能的載體。教材中科學史內容的編寫應圍繞上述價值，還原知識產生的真實情境，展現(xiàn)知識發(fā)展的來龍去脈，體驗知識獲得的過程，并深度結合中國科學史、黨史、新中國史的內容。

科學史是科學教學的重要資源。最早將科學史引入科學教育的是法國社會學家孔德?？椎绿岢觯茖W史在科學教育中具有通識教育的價值。20世紀初，著名科學史家薩頓開始在高等學校傳授科學史，他主張科學史能幫助學生更好地理解科學。20世紀中期，隨著進步主義教育思潮的流行，社會中心的教材如英國的《社會中的科學和技術》開始嶄露頭角。這些教材主張從科學史、科學社會學的角度引入科學概念，加強公眾的科學素養(yǎng)。從那時起，重視科學史教育已經(jīng)成為西方科學教育改革的大趨勢。

科學史在教材中的數(shù)量、內容和呈現(xiàn)方式會影響到學習者科學知識的形成和對科學本質的理解。由于中小學教師缺乏科學史教學方面的系統(tǒng)訓練，他們往往依賴教材進行科學史內容的教學。課堂上缺乏科學史的許多原因，也可以歸結為教材對科學史有限的、簡化的或膚淺的描述。

盡管《義務教育小學科學課程標準》倡導將科學史融入科學教學，但多數(shù)相關研究還是集中在教學設計與教學方法方面，對科學教材中如何融入科學史的問題缺乏深入的研究。許多教師對教材中科學史內容的認識僅停留在“創(chuàng)設情境”“引起興趣”的層面，不能全面認識科學史的育人價值。教材對科學史的挖掘也不夠深入，存在呈現(xiàn)方式線性化、簡單化的問題。因此，有必要開展針對科學史融入教材價值與方式的研究，以引導教師領悟和開發(fā)教材中的科學史資源。

一、科學史融入教材的價值

（一）科學史是教材中科學知識產生的背景

科學知識是一定歷史條件的產物。從個體的角度看，科學知識的產生是偶然的，在特殊的條件下，在某時、某地、由某些個人創(chuàng)造出來的。然而，個體的創(chuàng)造是有條件的，離不開物質基礎、社會基礎和認識基礎。以陶器的發(fā)明為例。研究發(fā)現(xiàn)，最早的陶器源自一場失火后或土器偶然掉落在火坑中。然而仔細推敲我們可以發(fā)現(xiàn)，陶器的發(fā)現(xiàn)并不是偶然的，它的產生至少需要兩個條件。第一，需要有收儲食物的需要。一開始人類用樹枝編織物收集食物——這樣做的好處是就近取材，而且可以編制成一定形狀。后來，人類有了儲水或存儲流體食物的需要，就用黏土把樹枝糊起來曬干使用。第二，火的發(fā)明。早期的人類從自然界中獲取火源或火種，并開始有意識地推廣用火以取暖、驅趕野獸和烹飪食物。只要具備了這兩個條件，陶器的發(fā)明就順理成章了。世界各地的文化遺址普遍發(fā)現(xiàn)陶器就是一個證據(jù)。

作為教材知識背景或情境的科學史具有其他素材無法具備的特性——真實性。真實性是學習情境取材真實，來源于真實的生活經(jīng)驗、生產實際、實驗室事實、社會問題或科學家經(jīng)歷。真實就是力量?？茖W史情境具有真實的背景、真實的問題、真實的過程和真實的結果，還與真實的人物——科學家密切相關，具有很高的教學價值。第一，因為背景真實，所以科學史能貼近生活，引發(fā)情感，打動人心。第二，因為問題真實，所以科學史能激發(fā)真實的認知需求和認知沖突，讓學生投入與問題搏斗的思維場域。第三，因為過程真實，所以科學史能把教材知識轉化為學生的實驗或實踐活動，實現(xiàn)“做中學”和探究，真正培養(yǎng)學生能力。第四，因為結果真實，所以科學史能使人“棄暗投明”、吐故納新。學習理論研究表明，人的前概念、錯誤觀念有潛在性、自發(fā)性和頑固性，知道了新概念并不意味著就能主動應用新概念，還必須經(jīng)歷概念轉變的過程。讓學生在科學史學習活動中真實地經(jīng)歷轉變的過程，有助于學生深入地比較原有概念和新概念的特點，做出明智的選擇，把書本知識轉化為個人知識。最后，因為科學史情境都是來自科學家的真實經(jīng)歷，所以科學在學生心目中的形象不是線性、平面、單調的，而是生動、立體、豐富的。

（二）科學史是理解教材中科學概念的臺階

科學概念的發(fā)展是一個不斷演進、螺旋上升的過程。在概念發(fā)展的過程中，既有面對問題的困頓、科學發(fā)現(xiàn)的欣喜、堅持傳統(tǒng)觀念的偏執(zhí)，又有創(chuàng)新設計的驚喜。概念總是在曲折中前進，在矛盾中生成。從這個角度看，科學概念的直接講授雖然是正確的，但卻是低效的和不夠準確的。概念教學應該是一個發(fā)現(xiàn)、糾正、補充、完善的歷史過程。只有在科學史的語境中，學生才能獲得對科學概念發(fā)展邏輯的深入理解。

以科學教材中“原子結構的發(fā)現(xiàn)”為例。湯姆生發(fā)現(xiàn)電子并提出了原子結構的“葡萄干蛋糕模型”，這是教材中對湯姆生提出新原子結構模型的描述。這個結論并不復雜，難度也不大。但如果采用直接講解的方式，學生只能獲得一個碎片化的事實。事實上，理解這段教材需要回歸到科學史上的幾個問題。一是根據(jù)什么事實提出了該模型？二是該模型與道爾頓實心球模型有什么聯(lián)系？三是新證據(jù)和新理論之間是什么關系？只有考慮到這幾個問題，這部分內容的教學才具有高階性，學生才能獲得“科學需要想象”“新的證據(jù)導致新的理論”“科學是論證的過程”“科學概念是不斷接近真理的過程”等有意義的理解。

理解科學不僅要理解科學概念，還要理解這些概念之間的聯(lián)系，從而獲得關于科學及其演變過程的總的理解——科學本質。國內外的研究表明，科學史教育是幫助學生理解科學本質的有效途徑。

從教育價值取向來說，科學史教育與科學本質培養(yǎng)的要求是一致的。一方面，科學史關注科學的人文意義和歷史、社會、文化背景，符合科學本質觀教育的要求；另一方面，科學本質強調科學的批判性和創(chuàng)造性，這也是科學史教育的特長。因為科學的發(fā)展本身就是一個懷疑、批判、證偽的過程，它的歷史-哲學-社會問題相結合的方式也有利于打破慣性思維的牢籠，激發(fā)起學生的創(chuàng)新欲望和創(chuàng)造熱情。

從內容上來看，科學史本身就包含著對科學本質的探索。首先，歷史是文化的載體，科學史承載了千百年來科學家對科學本質的不斷探索，在這一過程中人類不斷地形成新的科學認識，不斷靠近自然界的真理。在教學中選取科學史的內容展開探索，不僅能讓學生了解知識的過去，也能讓他們明白知識演變的歷程、方法演進的邏輯以及科學精神的力量，增強學生對科學本質的理解。

（三）科學史是銜接教材與經(jīng)驗的紐帶

學科課程是圍繞著一些基本的概念或觀念——大概念組織和發(fā)展起來的。諾貝爾物理學獎獲得者費曼說過：“如果發(fā)生一場大災難，所有的科學知識都將被毀滅，只允許留下一句話給后代……我相信應該是有關原子的假定?！敝T如原子、分子、能量、生命、運動、力、結構、系統(tǒng)等就是科學教育領域的大概念。它們構成了其他概念的基礎，比其他概念能解釋更多的自然現(xiàn)象，甚至非自然現(xiàn)象（如用耗散結構理論解釋社會中的自組織現(xiàn)象）。由于大概念在學科中的基礎性作用，新課程改革提倡進行大概念教學。

科學史在大概念教學中有著重要的作用。一方面，大概念的發(fā)展是一個歷史的過程。以“原子”為例。原子最早起源于古人對于世界是由什么構成的這一根本問題的思考，東西方哲人分別從整體（五行說）和分析的視角（元素論）兩個角度進行解答。德謨克里特天才地抽象出原子的概念，并對原子與物質的關系、原子的種類和運動進行演繹，充滿了想象力和邏輯的力量。西方元素說經(jīng)歷了從四元素到七元素到多元素的演變過程，直到道爾頓才總結了各種學說和實驗現(xiàn)象，最終提出了現(xiàn)代原子學說，為化學的誕生奠定了基礎。這一過程充分展現(xiàn)了證據(jù)和理論的互動。脫離了科學史，學生就很難全面而深刻地理解原子的概念及其提出的意義。

另一方面，其他科學概念也需要與大概念聯(lián)系起來才能講清講透。舒爾曼提出了學科教學知識的概念。學科教學知識理論認為，要真正地理解一個概念，教師需要把概念的來龍去脈呈現(xiàn)在學生面前。顯然，要講清概念的來龍去脈就離不開科學史的幫助。在科學教學中，教師可以重新整合科學史上的觀點、事實、證據(jù)和討論，引導學生對概念和大概念的關系進行探究，讓學生形成整體的認識。

科學史不僅在教材內部銜接上發(fā)揮作用，在銜接教材與生活方面也發(fā)揮著重要的作用?？茖W知識具有累積性，它們是無數(shù)勞動人民和科學家智慧的結晶。小學生在一節(jié)科學課中學到的知識，可能是無數(shù)科學家經(jīng)成百上千年的時間探索而得的。因此，課本上的許多知識對學生來說是抽象的，與生活有一定距離。不僅如此，科學知識有時也會和生活經(jīng)驗產生沖突。例如，當幼年兒童看到樹葉在搖動時，他可能就認為是樹葉的運動產生了風；當他看到周圍的環(huán)境都比較平整，他會認為地球是平的；當他在晚上邊走邊觀察月亮時，他會傾向于認為月亮是跟著人走的。因此，要讓兒童真正理解知識，需要把知識還原到生活的環(huán)境中，循序漸進地形成科學的理解。這個重演的過程就是一部科學知識的發(fā)展史。在這里，科學史成了課堂中銜接生活世界和科學知識的橋梁。

（四）科學史是教材實現(xiàn)育人價值的載體

時代賦予教科書新的使命。百年大計，教育為本；教育大計，教材為基。在新的形勢下，教材應發(fā)揮育人鑄魂的重要功能?？茖W史是一部人民發(fā)展能力、利用自然，最終實現(xiàn)人與自然和諧相處的奮斗史。它飽含著人民的智慧，充滿了科學精神和人文精神，承載著中國文化和歷史唯物主義、辯證唯物主義的元素，它與黨史、新中國史、社會主義發(fā)展史也有著緊密的聯(lián)系。這些都是育人鑄魂的生動資源。

科學教育中至關重要的方面就是幫助學生發(fā)展技能，讓他（她）們像科學家那樣思考。要成為思考的人，學生就需要在科學教育中發(fā)展他們的能力：能抓住問題，考慮各種解決問題的方法，知道如何搜集證據(jù)和從證據(jù)中提煉解釋，學會評價解釋和對解釋進行修正，學會質疑、開放和表達。上述都是學生在今后工作、生活中必不可少的核心素養(yǎng)。關于這些思考的案例，在科學史中屢見不鮮。

科學史的育人作用，不僅體現(xiàn)在幫助學生掌握思考的技能上，也體現(xiàn)在思考問題的深度和廣度上。要獲得重大的突破，必須避免陷入過多的細枝末節(jié)而要聚焦于根本性問題。正如康德所言：縈繞在我心頭的，一個是頭上璀璨的星空，一個是心中的道德法則。如何才能習慣于思考根本性問題？科學史能提供生動的感悟。最先制得純凈氧氣的化學家是舍勒，最早發(fā)表氧氣發(fā)現(xiàn)的科學家是普利斯特里。遺憾的是，兩位科學家受“燃素說”思想的束縛，沒有注意到這種新的氣體和燃素學說的根本沖突，反而用歪曲的理論為燃素說辯護（舍勒認為火是氧氣和燃素的結合物，普利斯特里認為氧氣是一種“失燃素空氣”），最終“當真理碰到鼻尖上還是沒有得到真理（恩格斯語）。而拉瓦錫則敏銳地抓住了氧氣與燃素說的對立，用事實證明了權威學說——燃素說的錯誤，建立了人類化學史上第一個統(tǒng)一的科學理論——氧化學說，成了化學的奠基人和集大成者。

按照薩頓的說法，科學史是科學和人文之間的橋梁?？茖W史中既有科學精神運行其中，又有人文精神滲透其里?？茖W精神表現(xiàn)在求真、探索、批判、創(chuàng)造等方面，其本質是對理性（公正、客觀、自由）的追求。從這個角度看，科學精神也是一種以理性為基礎的人文精神。用薩頓的話說就是“新人文主義”。以理性思維為基礎的人文精神，和以人性、價值、信仰為基礎的人文精神的聯(lián)系在于：理性思維有助于產生和辨別先進的、科學的、趨善的人文精神。

為誰培養(yǎng)人？培養(yǎng)什么樣的人？是教材編寫需要思考的根本問題?？茖W史內容的編寫也是如此。著名科學史家杜克說過，何種科學史、誰的科學史、為什么利用科學史都決定著課程與教學的性質。作為中華民族的科學史、我們的教材應傳承與發(fā)揚中國文化。作為當代的科學史、我們的教材應講好當代中國的故事、人物、成績和政策。作為社會主義國家的科學史、我們應該以馬克思主義的基本觀點來看待和分析問題。這些都是我國科學史教育中的應有之義。

二、科學史融入教材的方式

（一）還原知識產生的真實情境

科學是一種理性的思維方式。黑格爾說，“凡是存在的就是合理的，凡是合理的就是現(xiàn)實的”。意思是說，凡是合乎理性的事物都有其現(xiàn)實基礎?？茖W知識的誕生，也必然有其現(xiàn)實基礎。換言之，科學知識是與社會需求、社會應用緊密相關的。如果教材能再現(xiàn)這些社會現(xiàn)實，對培養(yǎng)學生的問題意識、社會責任感和科學態(tài)度都會是非常有利的。比如，當學生知道許多著名的科學家都在觀察上犯過錯誤時，他可能會養(yǎng)成獨立觀察、不唯書不唯上只唯實的觀察態(tài)度；當學生了解到科學研究成果會給生物界和環(huán)境造成危害（如溫室效應、臭氧空洞）時，他可能會養(yǎng)成審慎的、人道主義的科學觀；當學生了解到科學家矢志不渝、追求真理的故事后，他可能會養(yǎng)成熱愛自然、堅持不懈的價值追求。

同樣的道理，我們必須反對教材中對科學史過分簡化乃至庸俗化的“失真”內容。如有的教材把萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)歸結為蘋果掉落在牛頓頭上的偶然事件。事實上，自從發(fā)現(xiàn)托勒密定律以后，萬有引力定律就已經(jīng)呼之欲出了。即使這個故事是真實的，如果教師把它當作科學發(fā)現(xiàn)的全過程，又會向學生傳遞什么樣的價值觀呢？一些學生可能會把這當成科學發(fā)現(xiàn)的典型過程，形成機會主義甚至神秘主義的科學觀。

（二）展現(xiàn)知識發(fā)展的來龍去脈

科學知識的發(fā)展具有累積性和可修正性，科學知識的發(fā)展不是一蹴而就的，往往要經(jīng)歷一個曲折的過程，這個過程不是隨意的、散漫的，而是遵循著內在的邏輯。科學史教材的編寫要展現(xiàn)知識發(fā)展的內在邏輯，把知識從哪里來，如何發(fā)展變化，要到哪里去的問題講清楚。唯有如此，學生才能真正理解知識以及知識背后的科學本質。

以化學中質量守恒定律的發(fā)現(xiàn)為例。人生活在變化的環(huán)境中，必然會被周圍的變化所吸引，進而探究變化的本質，這種對事物質的把握是定性的。隨著變化知識的積累和天平的發(fā)明，人們自然而然地思考起變化過程中的質量問題。受實驗條件的限制和燃素說（燃素說關于燃素質量的描述是混亂的，有時燃素有正質量，有時燃素有負質量）的影響，早期人們認為化學反應前后質量是不守恒的。拉瓦錫在研究燃燒的過程中發(fā)現(xiàn)，物質在空氣中燃燒的過程中吸收了空氣中的氧氣，并且物質燃燒后增加的那部分質量剛好等于它所吸收氧氣的質量。他敏銳地意識到化學反應前后質量之間可能存在某種關系。拉瓦錫重新研究了前人關于化學反應前后質量不等的證據(jù)，發(fā)現(xiàn)是否在密閉體系中測量是問題的關鍵。他用精密的定量實驗進行重新測量，終于提出了質量守恒定律?；瘜W由此進入一個定量研究的時代。

（三）讓學習者體驗科學知識獲得的過程

科學知識以一定的邏輯展現(xiàn)并不意味著要就此開展說教。一般來說，科學史教育有三種模式。第一種模式是把科學史當作教學內容直接講授或組織學生討論。第二種模式是把科學史作為知識的情境滲透到知識教學之中。第三種模式是以科學史為線索，讓學生重新體驗科學發(fā)展的歷程。在實踐中，第三種模式被證明是更具有教育價值的。因此，在編寫教材時，最好能加入科學史上曾經(jīng)出現(xiàn)的重要活動，讓學生經(jīng)歷科學家的故事，體驗科學發(fā)展的過程和科學家的智慧。

（四）與中國古代科學史和黨史、新中國史深度結合

著名史學家克羅齊有一個著名的命題：“一切歷史都是當代史”。意思是歷史的價值是潛藏在現(xiàn)實之中的，歷史要是脫離了現(xiàn)實的思考、現(xiàn)實的興趣和現(xiàn)實的心靈，就失去了價值?？茖W史也是如此。因此，科學史教育不能就史論史，就事論事，而應從現(xiàn)實出發(fā)，發(fā)揮科學史的育人鑄魂功能。

首先，與黨史、新中國史和社會主義發(fā)展史深度結合。在黨和國家發(fā)展的歷史上，涌現(xiàn)出一大批杰出的科技工作者和他們的優(yōu)秀事跡（如“兩彈一星”、探月工程、量子通信等），也凝結出諸如科學發(fā)展觀、“一帶一路”倡議、“創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念等重要理論和實踐成果。這些理論和實踐的成果，為科學史教育提供了新的養(yǎng)分。將這些成分納入科學史，可以不但有助于提升學生的科學素養(yǎng)和視野，也有助于增強學生對堅持社會主義道路的自信。

其次，與新中國史、中國文化深度結合。講好中國故事是中國教材責無旁貸之事。中華科技文明源遠流長，從公元前1世紀至公元15世紀長期處于世界領先的位置。商代甲骨文記錄有基于十進制的先進記數(shù)方法；戰(zhàn)國時期的《甘石星經(jīng)》是當時天文觀測資料的集大成者，也是世界上最早的星表；我國的青銅器冶煉和鑄造工藝，是世界工藝史上的瑰寶；中國的陶瓷文化幾千年綿延不絕，歷久彌新，在世界上可謂獨一無二；更有世界聞名的四大發(fā)明，改變了西方文明的進程。在這些發(fā)明發(fā)現(xiàn)的背后，都蘊藏著動人的故事，凝聚著中國人的智慧和汗水。把這些故事講好，是教材應該做也可以做好的事情，也是今人對古人、對傳統(tǒng)文化的尊重和責任。

第三，與馬克思主義基本理論深度結合。馬克思主義哲學把唯物論和辯證法結合在一起，建立了歷史唯物主義和辯證唯物主義的基本觀點。馬克思主義之所以先進，是因為它能科學地解釋和指導實踐。科學史的進步史，也是馬克思主義哲學觀的展開史和證明史。

以造紙術為例。文字發(fā)明以后，人民對記錄文字材料的需求日益增長。一開始，人們用石器（如鐘鼓文）、巖刻（巖畫）來記錄文字，后來又用青銅器、甲骨、竹簡來記錄文字，這些記錄方式都存在書寫效果欠佳或是過于笨重的問題。隨著紡織技術的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)用布料和絲綢這些天然纖維記錄起來更加輕便。但布帛絲綢的價格過于高昂，普通人很難負擔得起。于是人們開始思考：能不能用其他纖維代替絲帛？經(jīng)過勞動人民的多方探索，終于發(fā)明了用桑、麻、葛為原料的造紙工藝。蔡倫改進了造紙的工藝，“用樹膚麻頭及弊布漁網(wǎng)以為紙”（《后漢書·蔡倫傳》）制造出第一批性能優(yōu)良、價格低廉的“蔡侯紙”。紙張的發(fā)展史充分說明，人民需求是科技進步的最大動力，人民群眾是歷史的創(chuàng)造者。造紙術發(fā)展過程中不同材料的繼承和更替也說明，科技的發(fā)展是一個辯證的過程，事物在矛盾中發(fā)展，在揚棄中進步。

三、結束語

正如諾貝爾物理學獎得主湯川秀樹所說，“科學史可以說是一部錯誤史，大多數(shù)理論是錯誤的，只有極少數(shù)幸存下來……但如果沒有少數(shù)成功背后的失敗，知識就幾乎不可能有任何的進步”。■