科學(xué)教學(xué)中科學(xué)史的回歸與融合

顧長明

科學(xué)教學(xué)中科學(xué)史的回歸與融合

顧長明

科學(xué)史是科學(xué)發(fā)生發(fā)展的歷史，科學(xué)史的學(xué)習(xí)對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成起著重要作用。在科學(xué)教育教學(xué)中精選與整合科學(xué)史，已成為國際科學(xué)教育教學(xué)改革與發(fā)展的重要趨勢?？茖W(xué)教學(xué)中有效運用科學(xué)史素材可以彰顯科學(xué)本質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)知識，領(lǐng)悟科學(xué)方法，養(yǎng)成科學(xué)精神。

科學(xué)教學(xué)；科學(xué)史；回歸；融合

科學(xué)史是對科學(xué)產(chǎn)生、形成、發(fā)展及其演替的反映，是人類認(rèn)識自然和改造自然的歷史，凝聚著人類獨有的科學(xué)精神、科學(xué)思維、科學(xué)方法、人文關(guān)懷與價值取向?？茖W(xué)史具有多方面的教育價值，科學(xué)合理地運用科學(xué)史實，不僅可以讓學(xué)生更好地審視科學(xué)的發(fā)展脈絡(luò)，理解科學(xué)的本質(zhì)，體驗科學(xué)的探索歷程，感悟科學(xué)的思維方式，而且還可以讓學(xué)生感受科學(xué)家執(zhí)著追求的精神、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度和不畏艱辛的品質(zhì)。因此，我們有必要在科學(xué)教學(xué)中滲透科學(xué)史，并發(fā)揮其獨特的作用，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

一、領(lǐng)會探究精髓，彰顯科學(xué)本質(zhì)

科學(xué)的本質(zhì)反映了科學(xué)的基本特征，它回答諸如“科學(xué)是什么”“科學(xué)的相對真理性”“科學(xué)的可重復(fù)性”“科學(xué)的證偽性”“科學(xué)的預(yù)測與解釋”和“科學(xué)的優(yōu)點與局限性”等一系列問題。科學(xué)的本質(zhì)在于科學(xué)探究，科學(xué)探究是指個體通過自主調(diào)查和研究來認(rèn)識和解釋自然現(xiàn)象，包括形成問題、收集數(shù)據(jù)、建立假設(shè)、檢驗假設(shè)和交流結(jié)果等環(huán)節(jié)，其核心是探索未知世界的路徑與方法?？茖W(xué)探究還表征為科學(xué)家群體在長期探索自然規(guī)律的過程中形成的有效的認(rèn)識和實踐策略，其核心是科學(xué)思想方法。讓歷史返回現(xiàn)場，讓學(xué)生置身于歷史情境中，用心靈與科學(xué)家對話，通過深度學(xué)習(xí)感受科學(xué)的特定本質(zhì)和豐富內(nèi)涵，理解科學(xué)知識的發(fā)生發(fā)展歷程，內(nèi)化科學(xué)原理的形成過程，領(lǐng)會科學(xué)思想和方法，這對學(xué)生形成良好的科學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)大有裨益。

例如：蘇教版《科學(xué)》四下《擺》的教學(xué)，教師從伽利略發(fā)現(xiàn)吊燈的擺動引入學(xué)習(xí)內(nèi)容，啟發(fā)學(xué)生思考當(dāng)時伽利略產(chǎn)生了怎樣的猜想，設(shè)計了怎樣的實驗，找尋了怎樣的器材，進(jìn)行了怎樣的探究來驗證猜想。從史料得知，伽利略當(dāng)時是利用替換物來模擬吊燈擺動進(jìn)行研究的，他用自身脈搏的跳動來計時，用身邊常見的繩子、衣架、木塊、石頭、鐵球、尺子等來實驗，并反復(fù)控制變量（擺長、擺角和擺重），進(jìn)行對比實驗，得出了單擺等時性的結(jié)論。通過該史實，學(xué)生明白，在缺乏相應(yīng)的實驗器材時可用相似器材，同時，在探究過程中學(xué)生學(xué)會了如何操縱自變量、觀測因變量、控制無關(guān)變量，并體驗三者之間的關(guān)系。在“像科學(xué)家那樣進(jìn)行探究”的過程中，學(xué)生體悟了科學(xué)探究的一般過程，這為學(xué)生以后的自主探究提供了經(jīng)驗。

二、再現(xiàn)發(fā)生過程，促進(jìn)知識理解

審視科學(xué)知識的形成和發(fā)展過程，有助于加深學(xué)生對科學(xué)概念、科學(xué)規(guī)律和基本理論的理解，進(jìn)而形成對科學(xué)的整體認(rèn)識。從兒童的認(rèn)知發(fā)展與科學(xué)史的發(fā)展關(guān)系來看，重演科學(xué)理論的產(chǎn)生過程，是進(jìn)行“建構(gòu)”式科學(xué)探究的有效途徑之一。這里所說的“重演”，不是機(jī)械地重復(fù)，而是一種能夠反映某些科學(xué)發(fā)現(xiàn)的條件、意義和認(rèn)識過程的教學(xué)設(shè)計。對于科學(xué)概念、規(guī)律和定理，學(xué)生只有了解了它們發(fā)生、發(fā)展和形成的過程，才能深刻理解其意義，才能在新情境下綜合運用所學(xué)知識解決現(xiàn)實問題。這正契合了美國心理學(xué)家斯坦利·霍爾“復(fù)演論”的觀點，他認(rèn)為兒童的科學(xué)學(xué)習(xí)過程與人類認(rèn)識自然界和物質(zhì)世界的過程有許多相似之處，在科學(xué)教學(xué)中融入科學(xué)史，將科學(xué)概念置于“事實性知識”之上，能豐盈兒童建構(gòu)科學(xué)概念的情境與素材，更符合兒童科學(xué)概念形成和發(fā)展的規(guī)律，可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)概念時少走彎路。

例如：在蘇教版《科學(xué)》五上《電磁鐵》的教學(xué)中，教師同學(xué)生分享歷史上發(fā)現(xiàn)電與磁相互轉(zhuǎn)化的過程：人類對電和磁的關(guān)注由來已久，但最初人們普遍認(rèn)為電和磁是毫無關(guān)聯(lián)的。1820年丹麥科學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)電可以轉(zhuǎn)化為磁，剛才課上做的實驗就與奧斯特當(dāng)年做的實驗非常相似。電可以轉(zhuǎn)化為磁，那磁能不能轉(zhuǎn)化為電呢？英國科學(xué)家法拉第經(jīng)過多年的研究，在1831年發(fā)現(xiàn)磁也能轉(zhuǎn)化為電，從此，人類進(jìn)入了電氣時代。讓學(xué)生了解科學(xué)家研究電磁轉(zhuǎn)化的過程，無疑加深了學(xué)生對科學(xué)概念統(tǒng)一性的理解。

另外，學(xué)生在學(xué)習(xí)新的科學(xué)概念之前，頭腦中就已經(jīng)有許多前概念，這些前概念對新概念的建立有的起正向作用，有的起負(fù)向作用，且負(fù)向作用一時很難從學(xué)生頭腦中清除，而用科學(xué)史實來糾正學(xué)生不正確的前概念往往會獲得事半功倍的效果。例如：學(xué)生一般會認(rèn)為“重的物體比輕的物體先落地”，教學(xué)時，教師先描述亞里士多德“重物先落地”的觀點，再講述伽利略在比薩斜塔上做的自由落體實驗，接著基于實證結(jié)果對“重物先落地”進(jìn)行演繹推理，最后從證實與證偽兩個角度將 “重的物體比輕的物體先落地”歸之為謬論，如此，學(xué)生不僅摒棄了先前錯誤的概念，還體驗到科學(xué)是沒有權(quán)威的道理。將科學(xué)概念的學(xué)習(xí)置于科學(xué)史中，提供概念發(fā)生的背景，呈現(xiàn)概念發(fā)展的演替關(guān)系，學(xué)生便可在習(xí)得與形成科學(xué)概念的同時感受科學(xué)的厚重，這比直接從科學(xué)現(xiàn)象出發(fā)理解科學(xué)概念要深刻、生動得多。

三、感知研究路徑，領(lǐng)悟科學(xué)方法

一般說來，程序性知識、經(jīng)驗知識和默會知識都往往蘊(yùn)含著一定的方法論，彰顯著科學(xué)方法的價值與作用，知識可以通過遷移和應(yīng)用轉(zhuǎn)化為方法。從某種意義上說，科學(xué)探索與發(fā)現(xiàn)往往是對研究路徑和方法的探尋，選擇了正確的路徑與方法就成功了一半。為學(xué)生展現(xiàn)科學(xué)家尋求研究路徑、運用不同方法的具體事例，學(xué)生便能夠體驗科學(xué)發(fā)現(xiàn)的路徑，感悟科學(xué)家面對不同問題選擇和運用不同方法的智慧。這可以為學(xué)生自主設(shè)計實驗、進(jìn)行實驗提供借鑒、參照和思路。

蘇教版《科學(xué)》教材突出了過程與方法等內(nèi)容，安排了“提出問題”“觀察與測量”“排序與分類”“調(diào)查與預(yù)測”“解釋與建立模型”“交流與質(zhì)疑”“假設(shè)與實驗”和“拓展與應(yīng)用”等單元，每個單元大都以科學(xué)史上科學(xué)研究過程與方法的事例來強(qiáng)化對學(xué)生科學(xué)方法的理解。例如，蘇教版《科學(xué)》三上《盡可能多地提出問題》一課介紹了伽利略對當(dāng)時流行的說法提出質(zhì)疑的過程：亞里士多德認(rèn)為同樣材料的物體從高處下落時，下落的快慢是由它的重量決定的。伽利略對此產(chǎn)生了疑問：如果把一個重的球和一個輕的球連在一起，它們下落的快慢應(yīng)該是怎樣的呢？比薩斜塔上的著名實驗推翻了亞里士多德的結(jié)論。此課滲透了兩個要點：一是問題來源于觀察與質(zhì)疑，二是問題的解決要考慮實證的方法、自己力所能及并和科學(xué)有關(guān)等因素。通過典型的科學(xué)史案例讓學(xué)生掌握科學(xué)探究過程和方法，無異于讓學(xué)生有了一根“點石成金的手指頭”，為其可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

四、體驗探索艱辛，培養(yǎng)科學(xué)精神

科學(xué)對于人類的作用決不僅僅是提供物質(zhì)利益，其最為寶貴的價值在于科學(xué)精神?？茖W(xué)精神是科學(xué)本性所要求的各種價值觀念、理性思想、行為準(zhǔn)則及道德品質(zhì)的總和?？茖W(xué)精神具有豐富的內(nèi)涵，其表現(xiàn)為求實精神、實證精神、探索精神、理性精神、創(chuàng)造精神、革新精神、懷疑精神、獨立精神、原理精神、自由精神等等。追尋科學(xué)家的足跡，了解他們的故事，聆聽他們的心聲，感悟他們的執(zhí)著，體驗他們的探索歷程，能給學(xué)生帶來很多寶貴的精神養(yǎng)料。

蘇教版《科學(xué)》安排了許多學(xué)生喜聞樂見的科學(xué)家的故事。如：阿基米德在浴盆里發(fā)現(xiàn)了浮力定律后，赤身裸體地跑到街上大喊大叫“發(fā)現(xiàn)了，發(fā)現(xiàn)了”；牛頓在一個炎熱的午間，躺在一棵樹下休息，突然一個熟透了的蘋果落在他的身上，他由此展開豐富的聯(lián)想，最終發(fā)現(xiàn)了萬有引力；瓦特在外祖母家度假時，燒水壺的蓋子被蒸汽頂?shù)锰鴦硬恢?，誘發(fā)他發(fā)明了蒸汽機(jī)；傅科在巴黎教堂演示了巨型擺，觀眾面對實驗的結(jié)果無不驚訝，傅科用簡單的方法證明了地球的自轉(zhuǎn)；科利奧利在浴盆里發(fā)現(xiàn)水總是順時針旋轉(zhuǎn)著往下水道口流淌，這使他發(fā)現(xiàn)了地球偏轉(zhuǎn)力……這些案例激發(fā)了學(xué)生對科學(xué)的好奇心，讓學(xué)生在科學(xué)家的質(zhì)疑批判精神和對科學(xué)孜孜不倦的追求中受到了教育。毋庸置疑，科學(xué)探索與發(fā)現(xiàn)史上的成功案例有著教育意義，但其中的挫折乃至失敗也不乏教育價值，那些曾經(jīng)努力過的科學(xué)探索者，雖然沒有獲得成功，但同樣值得尊敬，正是因為他們的探索才為后來的成功奠定了堅實的基礎(chǔ)。這正如喬治·薩頓所說：“向?qū)W生詳細(xì)追溯一項發(fā)現(xiàn)的全部歷史，向?qū)W生指明在發(fā)現(xiàn)者的道路上經(jīng)常出現(xiàn)的各種各樣的困難，以及他怎樣戰(zhàn)勝它們、避開它們，最后又怎樣走近那從未達(dá)到的目標(biāo)，再沒有比這種做法更適于啟發(fā)學(xué)生的科學(xué)精神，檢驗學(xué)生的才能了?！比宋牡挠袡C(jī)統(tǒng)一體中，感受與體驗科學(xué)的人文魅力，完善與發(fā)展他們的科學(xué)素養(yǎng)。

科學(xué)帶來了經(jīng)濟(jì)的高速增長以及物質(zhì)財富的快速積累，同時其所產(chǎn)生的負(fù)面影響也日益突出，如生態(tài)失衡、氣候反常、能源危機(jī)和核戰(zhàn)爭威脅等。而只有科學(xué)教育與人文教育攜手，才有可能克服這些問題。例如：蘇教版《科學(xué)》六下《生態(tài)平衡》一課呈現(xiàn)了1906年美國亞利桑那州人為改變鹿、獅、狼的種群數(shù)量而造成的生態(tài)災(zāi)難，學(xué)生體會到了生態(tài)系統(tǒng)中食物鏈斷裂帶來的嚴(yán)重后果。五下《建橋梁》《造房子》展示橋梁和房子從古到今的演變過程，學(xué)生欣賞古今中外的典型建筑，體會科學(xué)、技術(shù)與工程的完美結(jié)合。三上《動物·植物·人》一課介紹了珍妮·古道爾42年只身深入非洲原始叢林研究野生黑猩猩的故事，表現(xiàn)出人與動物的和諧相處，滲透了博愛的思想。六下《遺傳與變異》，介紹基因、基因工程和克隆技術(shù)的發(fā)展史，讓學(xué)生領(lǐng)會“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”的深刻論斷，也讓學(xué)生思索“科學(xué)技術(shù)是一把雙刃劍”的兩難抉擇。另外，還有許多科學(xué)家的名言名句，介紹這些名言可以讓學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)是充滿人性的事業(yè)，體驗科學(xué)家的所感所悟，感受科學(xué)的人文魅力，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生探索科學(xué)的熱情、勇氣與欲望。

總之，科學(xué)教學(xué)因科學(xué)史而厚重，科學(xué)史因科學(xué)教學(xué)而修遠(yuǎn)。我們應(yīng)讓科學(xué)教學(xué)返回歷史的現(xiàn)場，讓科學(xué)與歷史同向共促，讓科學(xué)與人文相得益彰，讓歷史照亮學(xué)生的未來。

五、領(lǐng)略科學(xué)史實，滲透人文內(nèi)涵

如果將人類文明喻為一把劃破愚昧與無知的利刃，那么，科學(xué)就是刀鋒，人文則是刀背。人類文明利刃的刀鋒與刀背同根同源，相輔相成，相得益彰，缺一不可。科學(xué)與人文是教育的兩個方面，科學(xué)求真，是立史之基，人文求善，是為人之本?？茖W(xué)史揭示的科學(xué)研究是一種富含人性的事業(yè)，可以有效地溝通科學(xué)教育與人文教育的這兩個方面，也正如喬治·薩頓所說“科學(xué)史是自然科學(xué)與人文科學(xué)之間的橋梁，它能幫助學(xué)生理解自然科學(xué)的整體形象和人性的形象，從而全面理解科學(xué)、理解科學(xué)與人文的關(guān)系?！苯虒W(xué)時，教師要關(guān)注科學(xué)與人文的整合，使學(xué)生置身于科學(xué)和

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G623.6

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1005-6009（2017）41-0050-03

顧長明，江蘇省連云港市教育局教研室（江蘇連云港，222006）科學(xué)教研員，正高級教師，江蘇省科學(xué)特級教師。