科學史科學教育論文

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一、科學史能夠促進學生對科學本質的理解

1.科學史與科學的動態性和發展性

科學是一種動態、不斷進步和持續變化的過程，而并非是一成不變的，即科學是一種動態過程，而不僅僅是一種產品．有了這些科學史內容，學生就容易理解教科書中所呈現出的科學不是靜態的，而是隨著社會發展不斷變化的，現在所學習的科學知識只是科學發展歷程中的特定階段的成果，在將來還有可能發生變化和得到進一步發展．因此，科學史的主要作用是為學生展示一種關于科學本質的完全不同的觀點，而不僅僅是讓學生通過學習當前的科學理論、進行實驗操作和分析實驗數據來理解科學的本質．例如，學生在學習“光合作用”時，如果沒有相關科學史的介紹，學生所獲得的知識只是該領域當前的研究成果，至于這些成果是如何獲得的，以及還有哪些有待進一步研究的問題，學生很難獲取這方面的信息，這將導致學生對“光合作用”的認識只是停留在靜態的層面，無法認識到科學的發展過程，進而限制其思維發展．經由科學史的學習，如果學生將來從事相關領域的研究，他們的研究視野在某種程度上會得到拓寬，而這反過來又會影響該學科的發展．因此，從這一點上講，科學史對學生理解科學的動態和發展性本質，以及科學的長遠發展都將是有益的．

2.科學史與科學研究方法

科學的發展過程總是依賴于研究方法的不斷更新，根據其發展的不同階段所依賴的技術及其相應的成果，可以將其視作是基于實證研究的發展過程．在科學教育中，學生不僅應該學習已知的科學知識，還應該經歷科學探究的過程．這種探究過程既包括科學家曾經實施的實驗或教師設計的類似實驗，也包括教師引導學生對科學史資料的分析．不管采用何種形式的探究，其根本宗旨是訓練學生的探究能力和解決問題的能力．當前的科學課程雖然強調科學過程技能的訓練，學生可能有機會體驗實驗設計過程并學習實驗操作能力，但是對于這些科學過程技能在科學知識的構建過程中扮演何種角色并未進行深入思考．因此，這種課程只是以脫離情境的方式教給學生科學過程技能，未能向他們提供認識和探討科學本質的機會．而強調依托特定情境的教學正說明了科學史在這方面所特有的教育價值．通過展示科學史中不同研究方法的研究成果，可以使學生感受到科學方法對于科學發展的重要性．同時，學生還可以比較各種不同的研究方法，理解各自的優點及其局限性，從而為其科學思維的發展搭建平臺．例如，在教授高中生物學中“DNA是主要遺傳物質”時，教師可以先向學生展示艾弗里的肺炎雙球菌實驗，通過問題引導學生充分理解該實驗的設計原理和目的，然后得出初步結論“R型和S型肺炎雙球菌中存在某種轉化因子”．基于這一結論，再進一步引導學生思考“這種轉化因子是什么呢?”教師可以直接呈現格里菲斯的實驗設計和赫爾希的噬菌體侵染實驗，通過討論和引導，確定遺傳物質主要是DNA．在這一教學過程中，教師通過引導學生分析相關的科學史材料，使他們逐漸理解實驗設計的基本原則．這對他們更加深刻地理解科學的本質是必不可少的．在教學中，教師還可以根據科學史設計特定的教學活動，并非將科學史內容像講述歷史故事那樣直接呈現給學生．例如，在上面的教學內容中，教師引導學生分析完艾弗里的肺炎雙球菌轉化實驗后，進一步思考“這種轉化因子是什么呢?”接下來，教師不要急于展示格里菲斯和赫爾希的實驗設計，而是讓學生以小組為單位嘗試設計實驗回答這一問題，教師為他們提供必要的教學支持，例如，通過問題串引導逐步思考解決方案．通過這種基于科學史特定設計的教學活動，既可以使學生理解科學研究的設計原則，還可以訓練他們設計實驗和解決問題的能力．

3.科學史與科學事業

科學的發展過程是不同時代諸多科學家、社會學家等多個研究群體共同努力的過程，是一項人類事業．科學史正是反映這一科學本質的重要教學媒介之一．科學史材料一方面可以呈現眾多科學家在同一研究領域的不同研究成果，例如，在細胞膜結構模型的研究過程中，至少涉及歐文頓(E.Overton)、戈特(E.Gorter)和格倫德爾(F.Grendel)、弗雷(L.D.Frye)和埃迪登(H.Edidin)、桑格(S.J.Singer)和尼克森(G.Nicolson)等科學家的重要研究貢獻．這可以使學生意識到當前的科學成果是現代科學家在前人研究的基礎上的修正和完善，這將影響他們對科學的認識．作為社會中的個體，任何科學家都需要與同行及其研究成果有直接或間接的交流，只有在這種交互作用下，才有可能取得新的科學研究成果．另一方面，科學史還能使學生意識到某些科學家對于新發現的抵制，這也是科學社會學家和科學史學家所研究的重要主題．此外，將科學史恰當地整合到科學課程中還能展示在科學發展過程中所經歷的困境和曾經受到的批評．科學研究、科學家的研究動機等相關內容，不僅可以用來解釋科學的本質和優勢，同時還應呈現其不足之處．這也是科學得以持續不斷發展的原動力所在．因此，對于科學是一項人類事業這一觀點的理解，將有助于學生更加充分地理解科學的本質，這是科學史無可替代的教育價值．

二、科學史能促進學生的概念轉變和知識建構

人們每時每刻都在通過觀察構建和重構他們對于自然界的看法，即意義建構．學生的學習也是一種類似和持續的意義建構過程．通常認為這種心理過程從本質上講與專業人員構建新知識的認知過程是相似的．知識的建構過程是人類形成共同意義的復雜過程．如果能夠很好地理解一個人是如何獲取和組織知識的，那么就能夠理解該學科領域的學者所構建的知識結構．在科學教育領域，許多研究者開始嘗試運用各種教學材料或教學策略來幫助學生認識科學知識的建構過程．例如，皮亞杰(Piaget)提出的臨床訪談研究法(clinicalinterview)、凱利(Kelly)的方格分析法(repertorygrid)和諾瓦克(Novak)的概念圖法等．后來，人們又提出運用科學史教學的方法來幫助學生構建知識．

1.科學史有利于學生基于真實情境建構知識

當前的科學教育強調科學是“辯護知識”的過程，并且驗證已知的內容，而對于科學知識是如何產生的則關注不夠．科學知識的本質包含了兩個方面，“辯護知識”是其中之一，強調我們已經知道了哪些知識;另外一個方面是“發現知識”的過程，主要突出已知的知識是如何知道的．在科學課程中融入科學史內容，能夠幫助學生認識到科學發展過程中不同事件之間的相互聯系，而學生往往容易忽視或意識不到這一點．例如，在化學課程中，在講到阿爾弗雷德•維爾納(AlfredWerner)的配位理論(co-ordinationtheory)時可以為學生提供如下科學史材料:19世紀上半葉，確定分子重量的唯一方法是測量蒸汽密度．直到后來法國化學家Raoult和荷蘭化學家Van’sHoff對溶液依數性的研究，人們才發現沒有一種可靠的方法可以用來測定非揮發性化合物的分子質量．因此，人們通過分析揮發性物質Fe2Cl6認為CoCl3含有Co2Cl6組分，瑞典化學家Blomstrand從而推測鈷氨絡合物是二聚體．直到1890年丹麥化學家S.M.Jorgensen和1892年美國化學家J.Petersen通過冰點和測量金屬氨合物(Blomstrand最初將其分子式二等分)溶液的電導率，推演出單體分子量．既然根據配位數6提出的八面體構型是Werner理論的基本假定，那么如果沒有Jorgensen對Blomstrand分子式的二等分(例如，將Co2Cl6•12NH3二分為Co2Cl6•6NH3)，也就不會產生配位理論了．通過閱讀和分析這些材料，學生可以認識到配位理論的提出并不是一蹴而就的，需要不同時代的眾多科學家不斷地修改和完善．融入科學史的科學課程能以更加真實的情境呈現科學的重要發現，學生不再將科學視作偉人創造的完全獨立的事件，而是能夠將這些事件有機地聯系在一起，從科學發展的邏輯視角認識科學發展過程，有利于其理解科學知識的構建，并將其整合到自己的認知框架中．此外，在科學課程中引入科學史不僅是介紹科學家個人或他們的研究成果，而更重要的是展示科學知識的不斷積累過程．這種真實的知識產生背景對于學生構建科學知識是一種有效的情境支持．

2.科學史有助于揭示學生的前科學概念，并促進概念轉變

科學知識可以分為果性知識(ready-madescienceknowledge)和過程知識(science-in-the-makingknowledge)．其中，果性知識是指科學事實或對客觀現實的陳述，是無可爭議的，也與產生這種知識的特定情境無關．而過程知識則是具有爭議性和不穩定性的知識．學生學習過程知識的過程是一個主動構建的過程，需要提供具有吸引力的情境，以使他們有機會參與小組討論和實驗活動，進行口頭和書面交流，解決問題，并進行持續的個人反思．學生在學習科學的過程中，他們的某些觀點與前范式時期科學家的觀點(pre-paradigmaticthinking)有可能是相似的．而學生持有的某些前科學概念或錯誤概念與歷史發展過程中某個時期的認識是類似的，這就使得科學史成為預測學生在構建概念過程中可能遇到的困難的一個有用的工具．例如，在光合作用的研究歷程中，科學家曾一度認為構成植物體的主要物質來源于土壤中的營養物質，這種觀點在現在看來是錯誤的．而低年級學生在接受正式教學之前也存在類似的觀點，這就是學生所持有的前科學概念．如果教師能夠充分理解科學概念是如何演變和發展的，那么他們就能夠預測學生在學習這些概念時可能遇到的困難，這可以幫助教師在備課時將這些因素考慮在內，設計有效的教學活動和創建有效的學習環境，以促進學生的學習．在這種情況下，這種困難不能視為學生學習真正的障礙，而應將其轉化為有意義學習的有效工具．科學史可以提供恰當的素材，以展示科學知識的修正與完善、排斥與重述，及其相對性并依賴于當時的社會等研究背景．與自我評判個人所持有的前科學概念相比，學生更容易先評判科學發展史上的科學知識或模型．這也為學生繼續意識到自己認知結構中存在的前科學概念，進而創造認知沖突奠定了良好的基礎．例如，教師可以通過提問的方式，讓學生說出自己對“構成植物體的主要物質來自于哪里?”這一問題的觀點，暴露其前科學概念．然后，再通過討論和分析科學史材料，讓他們分析歷史上科學家所持有的觀點，通過討論，逐漸理解自己原有認識是不科學的，而且還與科學家認識事物的過程是相似的，從而幫助其建立科學概念，實現概念轉變．同時，還能讓學生認識到自己的這種錯誤認識具有普遍性，通過材料分析，可以形成科學概念．由此看來，學生概念的發展過程與科學史中科學概念的演變過程是平行的，科學史教學可以幫助學生轉變觀念和構建科學概念．

三、科學史能改進學生對科學的學習興趣和態度

科學史材料涉及科學發展和有關科學家的“故事”，能夠引起學生的興趣，為學生建構知識和思考問題提供了線索．同時，學生還能從中體會到科學與個人健康和生活的緊密聯系，從而進一步認識到科學作為學校教育課程的重要意義．科學史不僅可以將抽象的科學知識通過案例的形式予以具體化，并呈現給學生;同時，融入科學史素材的教科書能以敘事的方式引導學生思考，符合學生的認知發展規律，從而創造有意義的學習情境，建立起所學內容與其前科學概念之間的聯系，這將最終有利于學生構建科學知識和概念的意義，即形成科學知識．此外，這還能幫助學生形成對待科學的積極態度，并進一步激發他們的科學學習，在以科學史為背景所進行的科學家角色扮演活動中這一優勢更加突出．例如，生物進化是一個抽象的生物學概念，可以通過科學史材料將其具體化．在生物進化理論的發展過程中，不同時期的不同科學家分別提出了不同的學說，按照時間順序可以分為三個主要階段:神創論、拉馬克“用進廢退”“獲得性狀遺傳”和達爾文自然選擇學說．通過展示不同觀點提出的背景和不同觀點互相“博弈”的過程，可以使學生認識到科學發展的過程會受到社會因素、文化因素、意識形態、科學證據等多方面因素的影響．在這種科學史材料的輔助下，學生的學習興趣不僅受到背景材料的刺激，同時，他們還能夠逐漸形成對科學發展的正確認識，即形成良好的科學態度．澄清和展示科學史的影響可將科學帶到生活中去，使學生建立起二者之間的聯系，這在傳統的去情境化教學中是無法實現的．這種教學方法可以幫助學生學會欣賞科學是植根于特定價值觀的過程，例如，客觀性、好奇心、對真理的追求、誠實、謙遜和為人類福祉獻身等．此外，學生還能意識到科學知識并非像教科書上所呈現的那樣客觀，而是人類共同努力的成果，既有成功，也充滿了失敗和挫折．那么，在教學中教師不僅要考慮學生的前科學概念，而且還應考慮學生的情感因素，例如，恐懼、焦慮、希望和期望等．

四、科學史能拓寬學生視野，促進科學與人文的交流

科學的發展同時還受到不同哲學、審美、宗教和政治觀點，以及社會實踐活動等因素的影響．從這一點上講，科學史又被看做是一種社會和文化現象，因此，科學史學家應該在當時的空間和文化背景中研究科學的發展過程．薩頓認為在舊人文主義者同科學家之間只有一座橋梁，那就是科學史．科學史教育的目的之一在于盡可能填補二者之間的鴻溝．因為即使在科學課程中，堅實的文學藝術基礎和強調歷史觀點也將會迫使具有更多科學頭腦的人更細致地考慮人生中非科學的方面．另一方面，由熟悉科學史的人解釋科學方法將會使比較有文學頭腦的人認識到現代文明精神．也可以說，“向人文科學工作者說明科學發現的內在意義不僅是外在用途，向科學家說明人文科學的深刻人性，從而使他們緊密團結起來．”通過科學史內容的學習，可以幫助學生全方位地認識科學家，科學家不再是天才，而是和他們一樣，都是既有優點也有缺點的普通人．由此，學生在學習中會發現有創造性的科學家與有創意的藝術家具有許多共同之處．因此，通過科學史使科學與人文之間建立關聯，對于學生理解科學與人文之間的關系是至關重要的．此外，學生在學習過程中會發現直覺和邏輯都是解決問題的合理方法，而且也會發現科學家的性格多種多樣，從而使得他們能夠對自己的創造力有更好的認識．學生通過科學史可以了解到沒有任何一個國家可以壟斷科學發現，這使他們能夠充分地認識到科學無國界的特征．因此，從這一點上可以看出，科學史可以在科學與人文之間搭建溝通的橋梁．例如，化學家凱庫勒研究苯分子式時，從夢境中得到啟發，提出了苯環的結構．這種類似于藝術中的想象力和人文因素促成了他的重要研究成果．他曾經說:“……我夢到有一條蛇咬住了自己的尾巴，在我眼前快速旋轉，仿佛是被一陣靈感驚醒，就是在這個晚上，我形成了苯環結構這一假說．”當然，他成功地提出重要的結構學說并不能完全歸功于夢境，這是以其科學知識為基礎的，因此并不是偶然的．凱庫勒在大學里學習的是建筑專業，后來因為聽了化學家李比希的化學課才轉而學習化學．他的建筑學修養、化學專業基礎和想象力共同促成了苯環結構理論的誕生．因此，科學史在拓寬學生視野，促進科學與人文交流方面有其獨特的價值，能使學生用多個角度(人文的視角)認識科學的發展，以全方位地理解科學．

五、結語

科學史能將科學概念、理論、自然現象、相關事件等方面與科學家及其當時生活和工作的特定社會文化背景之間建立起聯系，可使學生從多個角度全方位地認識科學，因此科學史是一種重要的課程資源，通過選取恰當的科學史材料，整合到科學課程中，為學生展示更加真實的科學全貌．但是，我們應意識到科學史的作用不僅僅是展示科學概念這一有形的成果，也不僅是在課程文本或課堂教學中增加娛樂性的小插曲，還應將人本主義因素和科學的本質整合到學生的科學學習中．因此，在選取科學史素材輔助教學時，應盡量尊重涉及的每位科學家，并以公平和公正的方式傳達給學生．在此過程中，這些科學史事實能夠幫助學生經歷好奇、探索、甚至是疑惑，進而形成充分的理解，因此，它可以幫助學生理解科學概念，進而構建科學知識．運用科學史可以幫助學生構建科學知識，這為科學教育、課程設計和研發、基礎教育和教師在職專業發展及其課堂教學實踐等方面都提供了一個新思路．如何利用科學史更加有效地促進這些領域的研究，并將研究成果應用于教學實踐，都需要系統和深入的研究。

作者：王健 單位：北京師范大學生命科學學院