基于科學(xué)史的“顯性—反思性”科學(xué)本質(zhì)教學(xué)

在世界各國的科學(xué)教育改革文獻(xiàn)中，如美國的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（簡稱NGSS，2013年）和英國的《國家理科課程》（2000年）等，都將認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)作為重要的課程目標(biāo)之一。我國普通高中物理、化學(xué)、生物課程標(biāo)準(zhǔn)中提及的科學(xué)核心素養(yǎng)也涉及了科學(xué)本質(zhì)的相關(guān)內(nèi)容。要全面理解科學(xué)本質(zhì)，單純從科學(xué)內(nèi)部出發(fā)是難以實(shí)現(xiàn)的，需要與其他學(xué)科映射，如科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會(huì)學(xué)等。其中，科學(xué)史是描繪和研究人類文明歷程的寶貴素材，深入剖析科學(xué)史，有助于學(xué)生深刻理解科學(xué)本質(zhì)?；凇帮@性—反思性”科學(xué)本質(zhì)教學(xué)，探討了將科學(xué)史融入科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的模式，將其分為引入呈現(xiàn)、歷史進(jìn)程分析、提問引導(dǎo)、自主探究、分析討論、交流反思六個(gè)步驟，并以“氧化還原反應(yīng)”為例，分析了具體的教學(xué)案例。

一、科學(xué)本質(zhì)與“顯性—反思性”教學(xué)概述

科學(xué)本質(zhì)，通常定義為“融合社會(huì)學(xué)與哲學(xué)的科學(xué)認(rèn)識(shí)論，將科學(xué)視為一種認(rèn)識(shí)方式，或源于科學(xué)發(fā)展中的價(jià)值觀與信念”。科學(xué)本質(zhì)闡述了科學(xué)知識(shí)是如何生成與演進(jìn)的，揭示了科學(xué)作為一種不斷發(fā)展和自我矯正的探究過程，解答了“什么是科學(xué)”的問題。關(guān)于科學(xué)本質(zhì)的研究已有百年歷史，教育研究者對(duì)其內(nèi)涵有著不同的看法。在基礎(chǔ)教育階段（K-12），科學(xué)本質(zhì)具體可以概括為以下八個(gè)方面：暫時(shí)性，實(shí)證性，理論與定律具有區(qū)別，觀察與推理具有區(qū)別，主觀性（理論負(fù)載），社會(huì)與文化嵌入，創(chuàng)新力與想象力，科學(xué)方法多樣性。

研究表明，“顯性—反思性”教學(xué)模式能夠加深學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。這種教學(xué)模式要求教師精心設(shè)計(jì)能夠體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)內(nèi)容，并將培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀作為課堂教學(xué)的認(rèn)知目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生通過模擬科學(xué)家的活動(dòng)進(jìn)行反思。在這種模式下，“顯性”要求教師深入挖掘課程內(nèi)容中的科學(xué)本質(zhì)，通過巧妙的教學(xué)設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生探索相關(guān)的科學(xué)本質(zhì)；“反思性”則鼓勵(lì)學(xué)生從認(rèn)識(shí)論的角度審視自己的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，或?qū)⒆约旱膶W(xué)習(xí)過程與科學(xué)家的研究活動(dòng)相聯(lián)系。

二、基于科學(xué)史的“顯性—反思性”科學(xué)本質(zhì)教學(xué)

Monk和Osborne提出的“六階段模型”較為成熟，主要包括“呈現(xiàn)”（學(xué)生對(duì)教師提供的科學(xué)史料展開討論、提問與猜想）、“啟發(fā)”（針對(duì)提問進(jìn)行小組討論與交流分享）、“歷史學(xué)習(xí)”（針對(duì)問題與現(xiàn)象，教師提供歷史上的解釋或證明，并盡可能從多維度進(jìn)行全方位的闡釋）、“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”（以小組為單位進(jìn)行）、“科學(xué)觀點(diǎn)”（呈現(xiàn)當(dāng)前公認(rèn)的解釋）、“回顧和評(píng)價(jià)”（對(duì)歷史事件與自身參與的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行回顧，并進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)）六個(gè)環(huán)節(jié)。

在此基礎(chǔ)上，筆者進(jìn)行了一定的調(diào)整改進(jìn)，以凸顯“顯性—反思性”的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)特征。具體改進(jìn)如下：第一，將第一個(gè)環(huán)節(jié)調(diào)整為“引入呈現(xiàn)”，以激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性；第二，“六階段模型”未明確提及“學(xué)生反思”的環(huán)節(jié)，而“提問引導(dǎo)”“分析討論”和“交流反思”部分正是“顯性—反思性”科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的核心，因此，筆者將最后一個(gè)環(huán)節(jié)修改為“交流反思”；第三，將“歷史學(xué)習(xí)”改為“歷史進(jìn)程分析”，以強(qiáng)調(diào)針對(duì)科學(xué)發(fā)展的過程，使學(xué)生對(duì)科學(xué)發(fā)展的連貫性有深入的理解。這也體現(xiàn)了將科學(xué)史融入“顯性—反思性”科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的深度內(nèi)涵?？偟膩碚f，筆者將基于科學(xué)史的“顯性—反思性”科學(xué)本質(zhì)教學(xué)模式分為以下六個(gè)環(huán)節(jié)：引入呈現(xiàn)、歷史進(jìn)程分析、提問引導(dǎo)、自主探究、分析討論、交流反思。

三、將氧化還原史融入“顯性—反思性”科學(xué)本質(zhì)教學(xué)

“氧化還原反應(yīng)”是人教版高中化學(xué)必修教材中的內(nèi)容。教師通過闡述氧化還原反應(yīng)的發(fā)展史，可以引導(dǎo)學(xué)生初步構(gòu)建氧化還原反應(yīng)的認(rèn)識(shí)模型。然而，教材僅僅將氧化還原反應(yīng)的發(fā)展史作為一個(gè)補(bǔ)充部分，沒有明確表述其科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵。氧化還原反應(yīng)的發(fā)展歷史悠久，基于此，筆者整理了氧化還原反應(yīng)的發(fā)展史，深入剖析其背后的科學(xué)本質(zhì)，以引導(dǎo)學(xué)生探究氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)，為科學(xué)本質(zhì)教學(xué)提供實(shí)例參考。具體教學(xué)如下。

第一，在“引入呈現(xiàn)”環(huán)節(jié)，設(shè)疑引入“氧化還原”。首先，筆者通過PPT展示史實(shí)：據(jù)資料記載，距今大約180萬年前，我國最早的古人類之一西侯度人已開始使用火。遺址發(fā)掘表明，他們利用火烹飪食物、取暖、驅(qū)趕野獸等。接著，筆者向?qū)W生提出問題：“經(jīng)過以往的學(xué)習(xí)，同學(xué)們知道大部分燃燒均為氧化還原反應(yīng)。那么什么樣的化學(xué)反應(yīng)可以稱為氧化還原反應(yīng)？氧化還原反應(yīng)具有什么特點(diǎn)？”一名學(xué)生思考后回答：“氧化還原反應(yīng)總是釋放光和熱，并生成一種新物質(zhì)?！蓖ㄟ^追溯燃燒反應(yīng)的歷史源頭，筆者引導(dǎo)學(xué)生思考氧化還原反應(yīng)的定義。

第二，在“歷史進(jìn)程分析”環(huán)節(jié)，創(chuàng)設(shè)“氧化還原”情境。首先，筆者通過PPT展示了歷史進(jìn)程中多名學(xué)者在燃燒領(lǐng)域的研究成果。例如，18世紀(jì)初，醫(yī)生斯塔爾把燃素看成一種元素，他對(duì)燃燒的解釋以有機(jī)物的燃燒為基礎(chǔ)。18世紀(jì)末，拉瓦錫在實(shí)驗(yàn)室中分離出多種氣體，研究燃燒與焙燒現(xiàn)象，創(chuàng)立了以氧為核心的新燃燒學(xué)說。19世紀(jì)中葉，工業(yè)發(fā)展需要大量金屬，弗蘭克蘭提出化合價(jià)概念，通過化合價(jià)升降的外部特征定義了氧化還原反應(yīng)。20世紀(jì)初，湯姆生在前人研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)陰極射線管并發(fā)現(xiàn)“電子”，從電子轉(zhuǎn)移角度定義氧化還原反應(yīng)。接著，筆者引導(dǎo)學(xué)生深入思考“氧化還原”概念，使其了解氧化還原的定義并非某個(gè)學(xué)者提出的，而是由多名科學(xué)家經(jīng)過長期探索總結(jié)而成的。在此過程中，筆者引導(dǎo)學(xué)生代入歷史背景，體會(huì)科學(xué)家所處的時(shí)代、經(jīng)濟(jì)、文化等因素和科學(xué)家個(gè)人信仰、習(xí)慣等對(duì)其研究的影響。

第三，在“提問引導(dǎo)”環(huán)節(jié)，對(duì)科學(xué)本質(zhì)及學(xué)科知識(shí)提問。筆者向?qū)W生提出一系列問題，如“科學(xué)家們是憑空定義氧化還原反應(yīng)的嗎？關(guān)于氧化還原反應(yīng)的定義是一直不變的嗎（實(shí)證性，暫時(shí)性）”“斯塔爾的職業(yè)是醫(yī)生，對(duì)氧化還原反應(yīng)的研究有影響嗎（主觀性）”“當(dāng)時(shí)的社會(huì)對(duì)氧化還原理論的發(fā)展是否有影響？哪些方面具有影響（社會(huì)文化的嵌入）”“科學(xué)家們是怎么進(jìn)行推理的？觀察和推理是否具有區(qū)別（觀察與推理具有區(qū)別）”“科學(xué)家們可以看到氧化還原反應(yīng)的真實(shí)發(fā)生嗎？科學(xué)家在對(duì)氧化還原反應(yīng)進(jìn)行定義的過程中是否用到了想象力和創(chuàng)造力（創(chuàng)造力和想象力）”“根據(jù)以上史實(shí)，我們?cè)趺磸脑亟嵌群汀娮印嵌热フJ(rèn)識(shí)氧化還原反應(yīng)（氧化還原概念）”等。筆者通過以上六個(gè)問題引導(dǎo)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)進(jìn)行思考，幫助他們深入地理解科學(xué)本質(zhì)，從而使其認(rèn)識(shí)到，科學(xué)是一個(gè)不斷演進(jìn)的過程，科學(xué)家的認(rèn)知過程是循序漸進(jìn)的，科學(xué)知識(shí)并非固化的事實(shí)，而是持續(xù)發(fā)展的。

第四，在“自主探究”環(huán)節(jié)，通過活動(dòng)培養(yǎng)探究能力。筆者引導(dǎo)學(xué)生對(duì)加熱條件下CuO+CO=Cu+CO2反應(yīng)中涉及的氧化還原反應(yīng)原理進(jìn)行探討，并讓他們從化合價(jià)變化和電子轉(zhuǎn)移的角度出發(fā)，思考氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)。學(xué)生梳理了科學(xué)家對(duì)氧化還原反應(yīng)的認(rèn)識(shí)發(fā)展，并將氧化還原定義為化合價(jià)升降和電子轉(zhuǎn)移的過程。通過分組討論或重復(fù)重要的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以鞏固知識(shí)點(diǎn)，并增強(qiáng)實(shí)踐能力。

第五，在“分析討論”環(huán)節(jié)，開展自主學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)。在前一階段，學(xué)生圍繞如何判斷氧化還原反應(yīng)展開了熱烈的討論，提出了不同的判斷方法和觀點(diǎn)。接著，學(xué)生通過在高溫下還原CuO的實(shí)驗(yàn)，從化合價(jià)變化和電子轉(zhuǎn)移兩個(gè)角度進(jìn)行深入探究。他們發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)中化合價(jià)發(fā)生了變化，且代數(shù)和為0，說明有電子發(fā)生了轉(zhuǎn)移。通過小組討論的形式，學(xué)生積極參與其中，互相提問、解答，從而逐步完善對(duì)“氧化還原反應(yīng)”的定義。這一過程使他們深刻認(rèn)識(shí)到科學(xué)是一個(gè)不斷推翻舊觀點(diǎn)、逐步完善新觀點(diǎn)的過程。

第六，在“總結(jié)與反思”環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)反思，促進(jìn)內(nèi)化。筆者進(jìn)行如下總結(jié)：“在歷史追溯過程中，反思使我們對(duì)科學(xué)本質(zhì)的具體內(nèi)涵有了更深入的理解?！蓖ㄟ^將“氧化還原反應(yīng)”這一概念置于歷史背景中，了解其定義從模糊到精確、從錯(cuò)誤到正確、從宏觀到微觀、從殘缺到完整的演變過程，學(xué)生逐漸認(rèn)識(shí)科學(xué)具有主觀性、暫時(shí)性和實(shí)證性等。

四、啟示與建議

首先，教師需要調(diào)整對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)。其次，教學(xué)過程中要強(qiáng)調(diào)“顯性—反思性”科學(xué)本質(zhì)教學(xué)特點(diǎn)，教師應(yīng)該通過問題引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)變觀念，促使他們進(jìn)行自我反思。最后，注重多元化情境的融合，除了科學(xué)史這一情境，科學(xué)本質(zhì)教學(xué)還可以結(jié)合“社會(huì)性科學(xué)議題”和“科學(xué)探究”情境。

學(xué)習(xí)科學(xué)包括了解科學(xué)的歷史，即科學(xué)發(fā)現(xiàn)和科學(xué)理論的演變過程。然而，教科書呈現(xiàn)的往往是幾乎沒有爭議的科學(xué)結(jié)論。對(duì)于學(xué)生而言，這些結(jié)論僅僅是抽象的、靜態(tài)的定義。長久以往，這可能導(dǎo)致學(xué)生喪失懷疑和批判的能力，將課本知識(shí)視為教條。要理解科學(xué)的本質(zhì)，教師就要讓學(xué)生了解科學(xué)史的發(fā)展，領(lǐng)悟科學(xué)發(fā)展中的價(jià)值觀和信念，并培養(yǎng)他們的興趣、批判能力、創(chuàng)新精神和責(zé)任感。

（作者單位：湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院）