科學故事在科學教育中的利與弊

汪曉辰

摘 要 科學家的奇聞軼事已經成為科學傳播中的重要部分，很多人通過科學故事了解到許多科學家的生平以及他們的科學成果，對公眾認識和理解科學起到了一定的促進作用。另一方面，過度夸大科學發現的戲劇性使科學故事被歪曲成了科學神話，對受眾造成了“科學家故事就是科學發現的事實”的錯誤影響。

關鍵詞 科學故事；阿基米德；科學教育

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）195-0100-03

在科學史的傳播過程中，有關科學家以及科學發現過程中的奇聞軼事逐漸成為科學教育中必不可少的內容與素材。牛頓由蘋果落地的現象發現萬有引力的故事，阿基米德在鑒定王冠真偽的過程中發現浮力定律，伽利略用比薩斜塔實驗證明物體下落速度與重量無關，瓦特觀察了冒氣的茶壺發明了蒸汽機，凱庫勒夢到咬著尾巴的蛇從而發現苯的環狀結構模型等。從小學時的科普讀物到初中、高中上課時教材與老師的講解，這些科學故事伴隨著我們的學習和成長過程中。然而在真正的歷史中，故事中所講的內容和歷史事實便有了很大的出入，需要我們運用所學之知識去分辨一番。

1 以阿基米德的故事為例

1.1 最早記載及現在的傳播

阿基米德鑒定王冠真假的故事首先被記載于公元前1世紀維特魯威的著作《建筑十書》中，第九書的序言部分介紹了阿基米德為國王鑒別金王冠中是否摻加了銀的起因以及實驗過程和結果。阿基米德制造出與王冠等重的金塊和銀塊。做好這些以后，在盆中盛滿水，將銀塊沉入水中，與銀塊等重的水便溢流出來。然后將銀塊撈起來，用塞克斯塔里俄斯量斗測出水的減少量，再將水倒滿。按此方法，接著便把金塊同樣浸入盛滿了水的盆里，用同樣的方法加水并測量減少的水量，就知道減少的水不是等量而是少量的。這就符合同重量的金塊比同重量的銀塊的減少量。然后，又同樣把盆盛滿了水，并把王冠浸入，就發現由于王冠比同重量的金塊溢出的水較多，因而確認在金里摻加了銀，承做的工匠顯然是一個詐

騙犯[1]。

現在我們依舊能在中學物理教材和各類科普讀物中見到阿基米德鑒定王冠真假的故事，如人教版物理課本（八年級下）第10章，介紹阿基米德原理時，用這個故事作為本章節引言。在宋恩永（韓）的《科學家講的科學故事-阿基米德講的浮力的故事》、崔鐘雷主編《青少年美繪版經典名著書庫：科學家的故事》和萬瑩的《“小科學家”系列：課本上讀不到的物理故事》等科普讀物中，在介紹浮力和阿基米德的內容時，這個故事是必不可少的。

1.2 傳說的真實性

在《阿基米德全集》中，阿基米德本人在《論浮體》只是給出了“假設流體具有這樣的特征，它的各部分處子平滑均勻和連續狀態，受到推力較小的部分會被受到推力較大的部分所推動；如果流體被滲入任何物體并受到任何其他物體的壓縮，那么流體的各部分將受到在它上面的流體的垂直方向的推力”的公設，以及“如果把一個比流體重的固體放入流體中，它將沉至流體底部，若在流體中稱固體，其重量等于其真實重量與排開流體重量的差”的命題[2]。阿基米德既沒有在命題后的數學證明中用檢驗王冠一事舉例，也從未提及他本人曾經進行過檢驗王冠是否摻假的

工作。

《阿基米德全集》的編者T.L.希思在書中第一章“阿基米德”中也并未將描寫阿基米德鑒別王冠真偽的歸于有關阿基米德生平的史實，認為這只是“可以幫助我們了解這位古代最偉大的數學家的個性”的故事之一。并且在《論浮體》中的命題7“如果把一個比流體重的固體放入流體中，它將沉至流體底部。若在流體中稱固體，其重量等于其真實重量與排開流體重量的差”，提出了通過求與王冠等重的純金和純銀在水中的重量和在水中失去的重量的關系，最終求出王冠中金與銀的比例的方法；以及按維特魯威在《建筑十書》記載的內容提出的求王冠以及等重的純金和純銀排開水的體積最終求出王冠中金銀比例的方法。檢驗阿基米德鑒定王冠真假的故事的首選的方法是通過重建故事中實驗來驗證這個傳說是否是真實的，如果故事的結果與現代知識或者重建的實驗相沖突，該實驗實際上就不是像所描述的那樣做的[3]。

1.3 檢驗與結論

由于條件所限，我們無法按照故事中所描述的那樣使用金和銀制成王冠來進行實驗，不過我們可以通過查找文獻，將文獻中所記載的阿基米德使用的方法數學化并加以計算，最終將計算結果和實際情況進行比較以鑒別這個故事的真偽。

為方便計算，假設王冠重1kg，水桶和王冠的半徑r=10cm，已知金的密度為19.3g/cm?，銀的密度為10.5g/cm?，則與王冠等重的純金的體積為，純銀的體積為。假設工匠在制作王冠時摻入30%的銀子，則王冠中含金質量為700g，銀質量為00g，王冠體積為，由于王冠和金塊會完全浸沒在水中，因此排出水的體積可視為王冠和金塊的體積。則王冠放入水中后水面的上升高度為0.207cm，等質量純金塊造成的水位變化為0.166cm，兩者差距僅為0.04cm，即0.4mm。排出水的體積之差為13 cm?。

經過計算得出王冠與等質量純金塊造成的水位變化差距為0.4mm的結果，在阿基米德生活的時代所使用的長度測量工具顯然無法達到這樣的精度，就算是使用現代常用的測量工具，都很難測出這樣一個差值，而且不排除有其他因素可以造成同等的誤差的可能性。在維特魯威所的記載中，阿基米德使用“塞克斯塔里俄斯量斗”衡量溢出的水量，而測出13cm?的差距在當時同樣也是無法準確測出的，那么《論浮體》中T.L.希思按《建筑十書》記載的內容提出的求王冠以及等重的純金和純銀排開水的體積最終求出王冠中金銀比例的方法也是不可行的了。這個結果說明了維特魯威的《建筑十書》中所記載的所謂阿基米德使用的鑒別一個應當由純金制成的王冠是否摻入了一定比例的銀的方法實際上是不可行的。

2 科學故事在科學教育中的正面效果

2.1 增加了科學教育的趣味性endprint

常見的科學教育按地點劃分可分為校內科學教育與校外科學教育，校外科學教育通過科技館、博物館、報紙雜志、廣播電視、網絡等媒介向學生傳播科學知識；校內科學教育一般指我們在學校所學的物理、化學、生物等與科學有關之課程。科學教育已經成為提高公眾科學素養的基本途徑，和公眾理解和學習科學技術的重要渠道。與校外科學教育利用數字、網絡、移動技術，通過互聯網、電腦、數字電視、手機等渠道，生動形象地進行各類科學教育相比。校內的科學教育往往很難讓受眾（學生）們產生興趣。在課堂上，老師通常會以生活中常見的各種現象來引出所講的內容，并對教科書中所寫的公式、定律等內容進行講解。在這個過程中，學生往往是處于被動的接收知識而非主動學習；另一方面，在應試教育思想影響下，學習只是為了在考試中取得好成績，因此學生往往是將教科書中的公式、定律等死記硬背，造成學生對所學知識的一知半解。在這種模式下，學生對科學本身產生興趣的可能性不大。

在科學教育中引入科學故事可以讓學生通過故事的內容發現或推斷出其中所含的科學道理或定律。以阿基米德鑒定王冠真假的故事為例，當阿基米德偶然在進入浴池洗澡時觀察到和沉入其中的身體同量的水溢流到浴池外面，這一事實讓他找到了如何鑒定王冠的方法，通過對比王冠和同重量的金塊和銀塊沒入水中后溢出的水量，最終確認承做的工匠在金王冠中摻入了銀。通過這個故事使學生發現浸入靜止流體中的物體所受到的浮力大小等于該物體所排開的流體重量，這種教學方法要比直接對學生灌輸浮力定律的內容更容易讓學生接受，科學道理和定律在學生眼中不再是一個個冷冰冰的公式和定律，而是與有趣的故事相結合。提高了學生對科學的興趣，進而對學生理解所學知識有促進作用。

2.2 消除科學的神秘感

在大部分人的眼中，科學家和科學往往是充滿了神秘感的，科學家在人們心中的形象大多數是戴著眼鏡，知識淵博，身穿白大褂，在實驗室進行常人無法理解的科學實驗。而科學也常常被人們看作是深奧的、難懂的、探索研究自然和宇宙萬物規律的學問，這樣的理解將科學和科學家神秘化了。而在校內科學教育與校外科學教育中，也有不少科普工作者和教師持此看法。這種觀念對科學教育和科普活動的進行是弊大于利的，會使受眾產生科學是高高在上、晦澀難懂的負面印象。如果我們的科學教育用像《量子力學》《時間簡史》一樣高深的理論和厚重的書本向受眾去傳播、普及科學知識，只會讓他們望而卻步，繼而使受眾對科學產生畏懼感和距離感，削弱了受眾學習科學技術知識和提高科學素養的主動性和積極性。而利用科學故事進行科學教育可以有效縮短科學與受眾間的距離，讓科學在受眾的眼中不在是那么神秘莫測，而是更加接地氣、通俗化的東西，也讓受眾對科學更加感興趣，從而更主動地去理解科學進而學習科學知識。

3 科學故事在科學教育中的負面效果

3.1 過分夸大了科學發現的戲劇性

科學發現是一個漫長、艱苦的摸索過程。有的發現雖然具有偶然的因素，但是這也是科學家長期奮斗的結果，同時所有的發現都必須具有發現所必備的社會條件和文化背景，而不是孤零零的單獨事件[4]。發現并證明了浮力定律的是阿基米德，這是千真萬確，毋庸置疑的。然而浮力定律的發現并非故事中所描述的，阿基米德為了鑒定王冠真偽，偶然在洗澡的時候過程發現了鑒定王冠是否摻假的方法并據此總結出浮力定律。是阿基米德通過自己的研究和證明，經過長時間多次的實驗和推理，最終在《論浮體》中提出了著名的浮力定律，對物體的在液體中的沉浮進行了科學的解釋，奠定了流體靜力學的

基礎。

和阿基米德鑒定王冠的故事一樣，許多科學發現的實際情況并非像我們所知的科學故事中所描寫的那樣，如凱庫勒做夢發現了苯的環狀結構的故事是凱庫勒本人編造的，而且最早提出苯的環狀結構的科學家不是凱庫勒，在他之前就有羅朗（A·Lauernt）、庫帕（A·Couper）和勞斯密特（J·Loschoidt）三位化學家提出了苯的環狀結構[5]。而伽利略的比薩斜塔實驗也由于只有他的學生維維安尼所撰寫的傳記這一孤證而飽受質疑[6]。科學故事相比于傳統的科學教育模式以其通俗性、戲劇性和趣味性使得學生及其他受眾對科學的印象不在是枯燥乏味的，使他們自身對科學產生了興趣，為他們進一步的學習提供了動力。另一方面，科學故事為了由于依靠其通俗性、戲劇性和趣味性以吸引受眾，往往將科學研究過程中的偶然因素過分夸大，將偶然變成了科學研究成功的決定性因素。將科學發現和科學研究的過程與結果描述的過于戲劇性，在進行科學教育和傳播的過程中同時造成了一些不當影響。

3.2 將科學家形象過度神化和臉譜化

科學故事進行夸大描寫的目的一方面是為了吸引讀者，另一方面是為了宣揚故事主人公的成就，如維特魯威在《建筑十書》中所記載的阿基米德的故事本意在于頌揚阿基米德的天才成就，他認為阿基米德以及書中記載的其他著述家們的思想“不僅對于矯正風俗，而且對于便利生活都是永遠具備的。有學識的著述家們，雖然他們失去了肉體，但是他們的思想在漫長的歲月里是常新的。”在傳播過程中，科學發現大多被戲劇化、被簡單化，而科學家在此過程中其中的艱辛和努力卻被忽視了。這種過度夸大科學發現的戲劇性的方法使科學故事被歪曲，科學故事最終變成了神話，對正在學校接受教育的學生來說，是弊大于益的，首先對他們和其他受眾造成了“科學家故事就是科學發現的事實”的錯誤影響；其次，這些被神話化了的科學故事給他們以“科學研究不必腳踏實地認真鉆研，也無須什么思考與創新，只要運氣好就能得出結果，學習和做研究并非什么難事”的不良印象；最后，科學故事的過度戲劇化同樣也造成了歷史上科學家們的臉譜化，在我們常見的科學故事中，牛頓、哥白尼、伽利略這些科學家大多是以正面人物的形象出現，而與“正面人物”持相反觀點的科學家，如日心說的代表托勒密、提出三靈氣學說的蓋倫等，常常被當作“錯誤觀點的權威”，以反面人物的形象示人。然而作為正面人物的牛頓在與萊布尼茨爭奪微積分的發現權的過程中，利用自己皇家學會成員的身份，對萊布尼茲進行了打擊和誣陷，指責萊布尼茲是個騙子，最終導致英國和歐洲數學家之間的隔閡。因此不能受科學故事的影響，將科學史上的科學家們單純地分為正面和反面人物來看待，他們的言行及思想與他們所處年代的社會條件、思想趨勢、民族性格有很大的關系。如果用“好人一切都好，壞人一切都壞”的預設立場去理解科學的話，得到的印象也只是被科學故事的描寫所誤導和固化的。

4 結論

我們對許多科學家的生平以及他們的科學成果了解大多來源于小時候及上學時在科普讀物和教材中讀到的科學故事，這些科學故事使得科學在我們眼中不再是枯燥的公式和定律，讓我們開始對科學產生興趣，提高了我們對學習科學知識的積極性，對我們認識和理解科學起到了促進作用。另一方面，過度夸大科學發現的戲劇性使科學故事被歪曲成了科學神話，對我們造成了一些不當影響，變得浮躁，希望能和科學故事中的科學家們一樣“靈光一閃”。可見在科學教育中，如何正確地發揮科學故事的正面效果已成為科學教育人員必須思考的問題。以學習阿基米德定律為例，結合阿基米德鑒定王冠是否摻假的故事，使學生更生動地理解浮力定律的內容、公式和

應用。

在使用科學故事來提高學生對科學的興趣，促進學生的學習積極性的同時，作為科學教育人員，也應利用身邊可用的教學資源及可行之實驗方法，引導學生使用實驗或計算方法，驗證阿基米德鑒定王冠故事的真實性。在將科學教育趣味化、通俗化的同時，讓學生使用所學知識去驗證科學故事中的故事內容，全面理解科學家的研究過程及發現。

參考文獻

[1]維特魯威.建筑十書[M].高履泰，譯.北京：知識產權出版社，2001.

[2]阿基米德.T. L.希思.阿基米德全集[M].朱恩寬，李文銘，等，譯.西安：陜西科學技術出版社，1998.

[3]赫爾奇·克拉夫，任定成，譯，科學史學導論[M].北京：北京大學出版社，2005.

[4]顧江鴻.科學教育中“科學神話”的危害[J].阜陽師范學院學報（自然科學版），2008（1）.

[5]顧江鴻.科學教育中“科學神話”的危害[J].阜陽師范學院學報（自然科學版），2008（1）.

[6]余建剛，肖城輝.這是否只是一種“美麗的傳說”——關于伽利略比薩斜塔實驗的爭議[J].中學物理教學參考，2010（8）：53-56.endprint