科学史融入科学课程的原则、方式和策略

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科学史融入科学课程的原则、方式和策略

                          袁维新

原载《课程·教材·教法》2006年第10期

摘
要：将科学史融入科学课程与教学，已成为当代科学教育改革与发展的一大特点。科学史融入科学课程必须遵循少而精、循序渐进和价值优先原则。从形式和内容(目标)的关系角度析，将科学史融入科学课程的方式主要有三种：用故事形式引入科学史，以激发学生对科学的兴用探究型课题形式引入科学史，以展示科学探究的过程与方法；用专栏或科学史专题形式引入科学史，以促进学生对所学新知识的理解。科学史融入科学课程教学策略是多样的，主要有科学对话模式、多元化教学模式和HPS教学模式。
关键词：科学史；科学课程；融入；方式；策略



科学史是科学产生、形成和发展及其演变的规律的反映，是人类认识自然和改造自的历史，是人类思想宝库中一笔十分宝贵而丰富的精神财富，也是科学教育的重要资源。重视科学史教育，把科学的思想观念、典型事例、演变发展过程融入科学课程与教学之中，已成为当代科学教育改革与发展的一大特点。综观当代世界范围内的科学教育改革实践，人们越来越重视科学史在科学教学中的作用，科学史正在从科学教育的边缘进入科学教育的中心。因此，科学史融入科学课程的研究，已成为科学教育理论和实践研究的重要课题。本文主要探讨科学史融入科学课程的基本原则、方式和教学策略等问题。
一、科学史融入科学课程的原则
长期以来，在我国的科学教材中，虽然也包含有科学史方面的内容，但是仔细分析以后就会发现存在很多问题。在教材编写中，当涉及科学史方面的内容时，篇幅过短，有时甚至一句话带过，或者把科学史放在阅读材料里面，让学生课下自己阅读，起不到应有的作用。这些也是导致科学史内容在教师和学生中得不到关注的重要原。
当前，随着新课程改革的推进，人们越加认识到科学史教育的重要意义，并在教材编写方面得到体现，逐步把科学史的内容合理地融入到科学教科书中。只有把科学史融入到科学课程和教学过程中，而不是一个附加的额外任务，才能真正发挥科学史的教育功能。否则，科学史教育就不会有生命力，也就起不到其应有的作用。如何把科学史融入科学课程？笔者通过分析科学课程标准和现行的综合或分科科学教科书，发现多数科学教科书基于对课程标准中课程理念的分析和把握，在教材编写中采用了以下三条科学史融入教材的原则。
(一)少而精原则
教材的选编应通过有限的篇幅和精选项的科学史事例，通过学生的参与，折射出科学的全景。以高中生物教材为例，在介绍发现DNA是遗传物质的科学史实时，教材采用资料分析的方法，呈现这一发现的科学背景和大致历程，然后再引导学生从科学哲学、科学方法、科学精神、科学态度及实验技术等角度思考问题。重要的不是使所有学生都能得出标准答案，而是使学生能够从一个科学史实出发，通过不同角度的分析，从科学前辈那里汲取营养，用以提高自己的科学素养与人文素养。
(二)循序渐进原则
科学史内容的选编，应采用循序渐进原则，从初中到高中，应有不同的要求，做到逐步深入、循序渐进。一般来说，初中科学教材可能更偏重于让学生了解史实，诸如科学家的故事，旨在激发学习兴趣;而高中科学教材，则应引导学生对科学史作出理性的评价与分析。
以发现DNA是遗传物质的历史为例，初中科学教材中主要以故事形式介绍了沃森、克里克与DNA双螺旋结构的发现，以激发学生的学习兴趣。但在现行高中生物教材中，则详细地描述了肺炎双球菌转化实验与噬菌体侵染细菌的实验的历史，学生通过分析这一史实，可以获得以下方法论方面的启示： (1)可以利用模型进行科学研究的方法。艾弗里的工作是以肺炎双球菌作为研究人类传染病的模型来研究致病现象的;而赫尔希和蔡斯则是把噬菌体作为研究生命遗传现象的模型。(2)具有实验的严密性和逻辑的严谨性。艾弗里改进提纯转化因子的实验，将杂质氨基酸的含量减少到万分之二，赫尔希和蔡斯的实验中进入细菌的蛋白质的含量约百分之一，都是试图排除蛋白质对实验的干扰作用。(3)实验方法与技术的多样性。这两个实验都采用了多种方法与技术，如同位素标记、酶学方法等。
(三)价值优先原则
科学史内容的选取应遵循价值优先原则，选取那些具有较高教育价值，能给学生多方面启迪的内容，避免为写历史而写历史。人教版《义务教育课程标准实验教科书·生物学》八年级下册中有一个案例可供借鉴，教材以转基因鼠的史实展示了生物科学技术发展的前沿动态，具有强烈的时代感，而采用经典的孟德尔豌豆杂交实验的史料，则能使学生从科学方法、科学精神以及科学态度等多方面获得启迪。
二、科学史融入科学课程的基本内容、目标与方式
(一)用故事形式引入科学史，以激发学生对科学的兴趣
通过科学故事的形式介绍科学史上一些重大发现、发明过程，以激发学生对科学的兴趣，这是科学史融入科学课程的最常用的形式。例如，用林奈与生物分类的故事，引出植物分类方法;用巴甫洛夫做的关于狗的食物性反射的经典实验，引出条件反射;用胡克利用自制的显微镜观察木栓切片时，发现了细胞的故事，引出细胞内容的教学。在科学课程教学中还有很多能激发学生学习科学的兴趣的科学史材料。根据《全日制义务教育科学(7—9年级)课程标准(实验稿)》所列出的故事性科学史料内容，[1]初中科学教材编写中可以选择以下科学史内容(见表1)。
表1　科学(7—9年级)课程标准《实验稿》中相关的故事性科学史材料

(二)用探究课题形式引入科学史，以展示科学探究的过程与方法
把科学家的经典实验设计成学生课堂上能够完成的探究型的课题，让学生沿着科学家的探索思路，领悟科学家的思维过程，让这些知识成为学生再发现和再创造的过程，让学生了解科学家怎样发现问题、分析问题和解决问题，领会科学研究的一般方法，培养学生的探究能力。例如，在“生长素的发现”一节的教学设计中，首先提问：达尔文所做的实验得出的结论可靠吗？学生回答：不可靠，只是推测。这种推测应如何通过实验来验证呢？有的学生提出可以用仪器来测，有的学生提出可以用化学显色反应的方法，这时提醒学生：在当时的条件下，这些方法可操作吗？如果尖端产生了某种物质，是否有什么材料可以收集它呢？这时再引入温特实验。在温特实验中，琼脂的作用是什么？如何知道琼脂是否吸附了尖端产生的物质？在达尔文实验的基础上，学生经过讨论，认为应该设计一个对照实验：分别把接触过尖端的琼脂小块和未接触过尖端的琼脂小块放在切去尖端的胚芽鞘上，并观察实验现象，得出结论。教师把温特实验转变为学生的探究性实验，使学生领会了生物科学研究的一般方法，即发现问题、提出问题、作出假设、实验验证;并且培养了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。
在科学课程实施过程中，组织学生进行有关科学史上典型实验的教学，是学生学会科学探究的重要途径。经过引入科学史上典型实验的教学，能使学生掌握探究的过程，学会对一个问题提出相关的科学假设，并能通过自己设计实验验证假设，从而培养学生“动手”和“动脑”学科学的能力。新编的科学教科书中引入了大量有关科学史的探究材料，例如，科学(7—9年级)课程标准(实验稿)中相关的探究性科学史材料(见表2)。
表2　科学(7—9年级)课程标准(实验稿)中相关的探究性科学史材料

(三)用专栏或科学史专题形式引入科学史，以促进学生对所学新知识的理解
科学史引入科学课程的另一种形式是，在新课教学中和新课教学后，以科学史作为素材编写例题与习题，或用科学史提供重要的科学事实、概念、原理、方法以及技术发明的历史背景、现实来源和应用。这些内容有助于启发学生的思维，加深学生对所学科学知识的理解。例如，在学习了“光沿直线传播”的知识之后，又顺便向学生介绍了我国古代科学家沈括的《梦溪笔谈》中有关小孔成像的资料记载。学生听了之后，一方面了解我国古代在光学方面的成就，激发他们的民族自豪感;另一方面也可以更好地理解“光沿直线传播”这一性质。另外，插入科学史专栏，可作为拓展性阅读材料。科学史使学生了解科学发现背后的社会文化背景和人性故事，从而建立完整的科学形象，使学生进一步体会到科学的丰富的人文内涵。
三、科学史融入科学课程的教学策略
(一)科学对话模式
科学史的教学可以采取科学对话模式，即师生围绕有关科学史和科学本质问题开展对话与讨论。Loch head和Dufresne (1989应用建构主义教学策略，根据科学史上相对的理论编写对话教材，上课前一天将学生分成两组，学生选择自己代表的组别，先阅读对话稿，第二天教师引导两组学生引用证据，进行辩论。[2]马修斯(Matthews， 1998)认为，我们不可能教育所有的孩子成为科学历史学家、社会学家或哲学家，因此教学目标不宜太大，应把科学本质的问题限制在学生可以理解的适度范围内。[3]在马修斯看来，在任何一个科学课堂上，哲学问题都是无处不在的。因为任何科学课堂上都会涉及这样一些基本的科学名词(定律、理论、模型、解释、原因、真理、知识、假设、确认、观察、证据、理念、时间、空间、物种等)，学生还会问一些认识论和科学本质问题。例如学生会问：“既然没有人真正看过原子，为何我们要画原子图？”同样，科学教学中也应该提到历史上著名科学家(牛顿、达尔文、孟德尔、爱因斯坦)的故事与贡献。在提到上述各种科学名词和科学家时，就要涉及科学哲学和科学史问题，例如“我们知道什么？”“我们为什么知道？”“世界上真正存在的是什么？其中又有何关系？”“孟德尔是如何发现遗传定律的？”马修斯建议教师应鼓励学生提出哲学上基本的问题，例如“对于这个概念，你是怎么想的？”“你是怎么知道的？”这些问题可以引起学生思考概念和实证的议题，同时刺激学生进行批判性与反省性思维。
马修斯(1998)建议开展关于科学史与科学本质的对话教学宜循序渐进，正如数学教学一样，先学会加法，再学乘法。因此，在对学生进行科学本质的教学中，必须针对学生的年龄特征因材施教。一般来说，对于低年级儿童，应从简、儿童感兴趣的问题开始。如“什么是观察？”“什么是科学解释？”而对于高年级的学生，可提一些复杂的科学本质问题，例如“什么是控制实验？”“科学模型的功能是什么？”“如何建立假设？”“如何评估研究的好坏？”“牛顿的宗教信念是否影响他的科学？”等等。
(二)多元化教学模式
科学史融入科学课程的多元化教学，所强调的是针对某一个科学理论或科学概念，利用讨论、辩论、教师演示实验或学生动手做实验等多种方式，模拟当年该科学理论形成的过程，并说明当时的文化背景。通过呈现科学史中科学家们所产生过的争论、质疑、错误概念，除了可以避免学生犯以前科学家的错误之外，也可以帮助学生转变其错误概念。因为融入的科学史材料完整地呈现了以前的争论及质疑，这有利于充分说服学生放弃错误概念，进而自主建构科学概念。[4]
以大气压力概念的教学为例，要求学生记住大气压力等于1.013×105Pa并不难，问题是单纯记忆并不能使学生理解大气压力的存在。为了促进学生理解大气压力的概念，可以采用融入科学史的多元化教学模式。首先，上课时教师可以提出问题：“空气有没有重量？”并引导学生开展讨论或辩论。有的学生可能认为空气是没有重量的，因为石头拿在手上放开会往下掉，而气球拿在手上放开则会往上飞，其实这个错误概念历史上著名科学家亚里士多德(Aristotle)也曾经坚持过。在作出结论的时候，教师再一次强调空气是具有重量的，因为当学生有了这个观念以后，才能逐渐体会到大气压力的存在。为了促进学生理解因为空气的重量而产生大气压力，教师进一步演示当年托里拆利的水银柱实验(将注满水银的玻璃管垂直放置在一装有水银的盆中)。在演示实验中，引导学生对下列两个问题开展讨论： (1)玻璃管内的水银柱靠什么力量支持而不会掉下来？ (2)玻璃管内没有水银的地方，有没有某种东西存在？
经过学生的讨论及回答之后，教师再叙述当年科学家之间的争论。帕斯卡(Pascal)及波义耳(Boyle)等人认为，盆面的空气重量产生压力，而支持玻璃管内的水银柱维持一定高度，而且玻璃管内没有水银的部分是呈真空状态的。而亚里士多德学派及伽利略(Galileo)等人则持相反的看法，他们认为玻璃管内的水银之所以会下降是因为水银蒸气充满玻璃管上部而将水银压下。为了反驳这种不正确的观念，帕斯卡当着反对者的面进行了不同的实验。他以水和酒两种不同的物质进行相同的实验，并要求反对者预测是水柱还是酒柱会维持较高，反对者认为，酒较易挥发，酒的蒸气较多，所以会把酒往下压得较多，因此，酒柱较短。帕斯卡则按自己的理论预期，由于水的密度较大所以较重，因此大气压力所能支持的水柱也会较短。这个实验结果证明了帕斯卡的预测，同时也成功地反驳了其他科学家的错误概念。那些反对托里拆利水银柱实验的研究者，都深受亚里士多德的“大自然厌恶真空，宇宙应该充满物质”理论的影响。而这个错误概念由于托里拆利及帕斯卡等人的创造性研究(即提出假设并设计实验证伪了这一不合理的假设)不攻自破了。另外，帕斯卡当年还制作了压力计分别测定了山下及山上不同的空气压力，更进一步支持了他的大气压力理论。
以上的教学活动，让学生通过科学史去了解科学理论(theory)、科学假设(hypothesis)、科学实验(experiment)之间的关系，有利于学生理解科学的本质。运用这种融入科学史的多元化教学模式，一方面，因内容充实且学生本身的积极参与而能提高学生学习科学的兴趣;另一方面，通过课堂讨论或辩论，还能促使学错误概念。总之，这种融入科学史的多元化科学教学过程，有利于促进学生建构新的科学概念。
(三)HPS教学模式
传统的科学课程中，往往是把科学史作为一种知识附加在科学教学内容上，教师以讲故事的方式进行教学。实践证明，这种将科学史与科学教学内容分离的教学模式是低效的。近年来，西方一些科学教育专家以建构主义为指导思想，倡导一种新的科学教育的教学模式。这种模式要求把科学史、科学哲学和科学社会学(history， philosophy and sociology of science，缩写为HPS)的有关内容融入中小学科学课程，以期促进学生对科学本质的理解，培养他们的科学精神和创造力，这就是所谓的HPS教育。[5]如何实施HPS教育？英国科学教育学者孟克和奥斯本(Monk & Osborne， 1997)在总结科学教育的历史经验的基础上，借鉴建构主义理论，提出了把科学史内容融入科学课程与教学的策略，即HPS教学模式。[6]这一模式的一个基本前提是，所学的课题必须是科学史上某一科学家曾经研究的自然现象，如落体速度的变化、植物的向光性、食物的消化等等。这一模式的教学程序包括以下6个环节。
(1)提出问题。教师上课伊始，就给学生演示某一自然现象。学生通过观察现象，由此产生一个需要解决的问题。例如，为什么植物的茎具有向光性？必须指出的是，一开始向学生揭示的某一自然现象必须是以往科学家在历史上进行理论研究的一个现象，这既能引起学生的好奇心，又能促使学生利用科学史资源进行进一步的探究。
(2)引出观念。教师启发学生就这一自然现象提出自己的观点(解释)。为了促使学生提出各种不同的观点，可采用“头脑风暴法”(即由发散性思想产生的各种方法)，促使学生各抒己见，标新立异。
(3)学习历史。在这一环节，教师的做法是：①介绍早期科学家关于这一现象的思想与实例，作为学生研究的参照系；②举例说明当时其他科学家的不同观念；③引导学生讨论或探索这些观念产生的背景、条件，使学生认识到科学认识的历史(时代)制约性。总之，学习历史不仅可激发学生的想象力，还可以使学生以一种移情的方式，设身处地地体验以往科学家的探究与思考。
(4)设计实验。教师将学生分组，要求学生从多种观点(或观念)中选择某种观点，设计实验进行检验。这一环节也能激发学生的想象力和创造力。这一环节应使学生认识到：①对同一自然现象可能有不同的解释；②可以用实验检验这些观点(假设)。
(5)呈示科学观念和实验检验。由教师讲解当代的科学观念，即介绍教科书上对这一自然现象的解释，从而为学生实现观念转变提供契机和可能。这一环节还需要学生对自己的观念和解释进行实验检验，由实验现象的观察、资料的收集与整理，最终得出结论，形成科学观念，即实现由原有的错误观念向科学观念的转变。
(6)总结与评价。通过总结与评价，帮助学生更深刻地理解科学的探究本质、历史上科学家的探究过程和科学观念。
从上述的教学过程可以看出，这一模式有以下五个显著特点： (1)将科学史与科学哲学的学习与当前的科学概念和理论的学习有机地融合在一起；(2)整个教学程是一个问题解决的探究过程，因而有利于培养学生的解决问题能力和创新能力；(3)充分发挥了学生的主体性，促使他们主动学习和建构知识；(4)使学生认识到科学家和常人一样也会犯错误；(5)通过探究活动实现观念转变，形成正确的科学观念。
综上所述，基于学生的经验、认知与推理能力的限制，对于小学生来说，科学史融入科学课程的教学宜选择科学对话模式，到了初中或高中阶段，再逐渐延伸到采用多元化教学模式，以至HPS教学模式。



参考文献：
[1] 中华人民共和国教育部.全日制义务教育科学(7—9年级)课程标准(实验稿) [S].北京：北京师范大学出版社， 39—42.
[2] Loch head J. Dufresene R· Helping Students Under-stand Difficult Science Concepts Through the Use of Dialogues with History [A].Don Emil Herget The history and philosophy of science in since teaching[C]. Tallahassee Florida： Science Education and Department of Philosophy
Florida State University. 1989. 221—229.
[3] Matthews Michael R. In defense of modest goals when teaching about the nature of science[ J].Journal of Research in Science Teaching， 1998. 35(2)： 161—174.
[4]林焕祥.融入科学史的多元化教学[DB/OL].http://www·isst·edu·tw/s44/quarterly/45/8910v12n3-45-1.
htm /2006-03-05.
[5] 丁邦平. HPS教育与科学课程改革[J].比较教育研究， 2000， (6)： 6—12.
[6]
Monk M， Osborne J. Placing the history and philosophy of science on the curriculum： A model for the development of pedagogy[J]. Science
Education， 1997， 81 (4)： 405—424.