科學(xué)史在初中科學(xué)教學(xué)中的價值與運用研究

葉曉霞

摘 要：“讀史使人明智”。生活中各領(lǐng)域都滲透科學(xué)知識，而科學(xué)史在初中科學(xué)教學(xué)中的運用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的探究和創(chuàng)造能力，有利于培育學(xué)生的科學(xué)精神和思維，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。本文從科學(xué)史在教學(xué)中運用的現(xiàn)狀、價值進(jìn)行介紹，再以三種不同的教學(xué)模式介紹科學(xué)史在初中科學(xué)教學(xué)中的運用研究，層層遞進(jìn)，最后總結(jié)科學(xué)史在初中科學(xué)教學(xué)的初步成果，并指出進(jìn)一步研究的方向。

關(guān)鍵詞：科學(xué)史;初中教學(xué);價值;運用

一、科學(xué)史在初中教學(xué)中的運用現(xiàn)狀

2019年9月，筆者有幸到杭州蕭山金惠初中參加杭州市初中科學(xué)教學(xué)展示活動，本次展示活動共有四堂展示課，分別是戴老師的《尋找真空》、徐老師的《原子結(jié)構(gòu)模型》、向老師的《探索大自然的秩序-動物的分類》、俞老師的《地球的形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)》，這四堂課科學(xué)史始終貫穿其中，環(huán)節(jié)設(shè)計巧妙，既展現(xiàn)老師嫻熟駕馭課堂的能力，又在探索過程中融入科學(xué)史料，完整的呈現(xiàn)了科學(xué)規(guī)律的發(fā)展過程，這有利于說服學(xué)生放棄錯誤概念，進(jìn)而自主建構(gòu)科學(xué)概念?？梢姡芽茖W(xué)史有機地融入初中科學(xué)教學(xué)課堂，是一件于教學(xué)相長的舉措。什么是科學(xué)史？筆者認(rèn)為科學(xué)史是自然科學(xué)與人文科學(xué)之間的橋梁，同歷史一般，它能對史學(xué)歷程中實際發(fā)生過的事情的進(jìn)行敘述，并對敘述背后起支配地位的概念進(jìn)行反思和解釋。在科學(xué)教學(xué)中適當(dāng)融入科學(xué)史，可以提高科學(xué)教育的質(zhì)量，把握科學(xué)本質(zhì)，這是當(dāng)今世界科學(xué)教育界所大力提倡的，但在實施的過程中如何發(fā)揮其最大的功能值得思考和探索。

在初中《科學(xué)》課本中，我們發(fā)現(xiàn)科學(xué)史應(yīng)用較多（見圖一），

在日常的教學(xué)中，尤其是實驗探究活動，也盡量設(shè)計環(huán)節(jié)讓學(xué)生去探究科學(xué)的本真。學(xué)生在探究過程中表現(xiàn)出來的思維過程與探究方法和科學(xué)家有許多相同之處，因而科學(xué)教師必須具備較高的科學(xué)史和哲學(xué)素養(yǎng)。在教學(xué)中融入科學(xué)史，能使學(xué)生體驗探究過程的曲折、收獲探究的樂趣，并掌握科學(xué)探究的方法。然而，目前對科學(xué)史真正了解的老師并不多。在常規(guī)教學(xué)中，教師往往將概念直接講授給學(xué)生，學(xué)生機械地記憶概念和基礎(chǔ)知識，這樣只能停留在知識的淺層，并不能真正理解科學(xué)的本質(zhì)和內(nèi)涵;在教學(xué)過程中，教師演示實驗和學(xué)生探究活動所得的結(jié)論，大部分是建立在幾組數(shù)據(jù)上，得到的證據(jù)較為單薄，不具備普遍性，甚至有時由于諸多因素造成無法得出正確結(jié)論的尷尬局面。所以課堂教學(xué)一定要追本溯源，運用恰當(dāng)?shù)姆椒ê褪侄?，讓學(xué)生像科學(xué)家們一樣思索和實驗。

二、科學(xué)史在初中科學(xué)教學(xué)中的價值

關(guān)于科學(xué)史在教學(xué)中的價值，許多論著中都有提到，如《美國國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》指出：要深刻理解科學(xué)的本質(zhì)，必須理解科學(xué)發(fā)展的歷程，從科學(xué)發(fā)展的歷史中學(xué)生領(lǐng)悟到科學(xué)的本質(zhì)[1]。

筆者認(rèn)為，科學(xué)史是人類精神文明的資源寶庫，在初中科學(xué)教學(xué)中的有重要的意義和作用。

（一）科學(xué)史有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲

興趣是最好的老師，科學(xué)史包含的內(nèi)容較豐富有趣，是自然科學(xué)與人文學(xué)科之間的橋梁。在教學(xué)中，適當(dāng)引入科學(xué)史，有助于增加科學(xué)課堂的趣味性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)知識的興趣和求知欲。如上浮力課時，介紹阿基米德在浴缸里頓悟到如何測量不規(guī)則物體的體積，從而衍生浮力的計算;學(xué)習(xí)機械能時，引入瓦特的蒸汽機，讓學(xué)生一起感受日常燒水時壺蓋被水蒸氣掀動;讓學(xué)生知道生活現(xiàn)象都蘊含科學(xué)道理。

（二）科學(xué)史有助于學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)、啟發(fā)思維

在教學(xué)中融入科學(xué)史，能加深學(xué)生對科學(xué)原理、研究過程和方法的理解，幫助學(xué)生實現(xiàn)知識的建構(gòu)，形成正確的科學(xué)理念。在教學(xué)中，利用演示實驗、學(xué)生探究實驗、生生辯論、師生談?wù)摰仁侄?，展現(xiàn)當(dāng)時科學(xué)家研究過程中的質(zhì)疑和錯誤，讓學(xué)生有所借鑒，同時又易于讓學(xué)生接受和理解——實驗是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，對科學(xué)知識的驗證，必須建立在特定的歷史背景下去驗證，方能領(lǐng)悟科學(xué)的本質(zhì)和啟發(fā)思維。例如學(xué)習(xí)牛頓第一定律時，引導(dǎo)學(xué)生了解伽利略將真實實驗和思想實驗相結(jié)合的研究方法，掌握實驗是檢驗假設(shè)是否成立的依據(jù)，理解科學(xué)的本質(zhì)。

（三）科學(xué)史有助于學(xué)生理解科學(xué)、技術(shù)與社會的關(guān)系

學(xué)習(xí)科學(xué)史，能增進(jìn)學(xué)生對科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境相互關(guān)系的理解，揭示科學(xué)作為一種社會活動的發(fā)展規(guī)律和推動人類歷史發(fā)展的巨大杠桿作用，使學(xué)生了解到科學(xué)創(chuàng)新往往要打破陳規(guī)，可能會遭遇來自傳統(tǒng)習(xí)慣、觀念、勢力等多方面的阻撓，一些科學(xué)家為此犧牲個人的幸福乃至生命，從而引導(dǎo)學(xué)生體會科學(xué)家追求真理的勇氣和科學(xué)的人文內(nèi)涵[3]。同時，讓學(xué)生了解隨著科技和社會的發(fā)展，科技應(yīng)用的負(fù)面效應(yīng)也越來越突出，需要引導(dǎo)學(xué)生正確的看待科技發(fā)展帶給社會的利與弊。

（四）科學(xué)史有助于學(xué)生理解科學(xué)是不斷發(fā)展、不斷修正的過程

所有的科學(xué)觀念都不是一成不變的，在新證據(jù)出現(xiàn)后，需要補充或修正。比如人們對地球形狀的認(rèn)識，從古至今，從中國到西方，隨著科技的發(fā)展，人類的認(rèn)識是不斷變化的。從原先的簡單觀察、想象由此產(chǎn)生關(guān)于地球形狀的各種傳說，如渾天說、天圓地方說等，到亞里士多德、畢達(dá)哥拉斯等科學(xué)家對自然現(xiàn)象的分析，以及麥哲倫環(huán)球航行、一些局部測量認(rèn)識到地球是球體;再借助科技力量（如衛(wèi)星拍攝）認(rèn)識到地球是“兩極稍扁、赤道略鼓的球體”，并進(jìn)一步說明由于地球不停繞太陽運行和變化，人們對地球形狀的認(rèn)識也一直在修正。

（五）科學(xué)史有助于培養(yǎng)學(xué)生正確的科學(xué)態(tài)度和精神

科學(xué)是系統(tǒng)化、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖匀恢R，科學(xué)家研究科學(xué)需要持之以恒的態(tài)度，每一個科學(xué)結(jié)論的得出，都離不開科學(xué)家日復(fù)一日、年復(fù)一年的實驗與堅守，一部科學(xué)史，一生工匠精神。學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)史，可以通過科學(xué)家獲得成功與挫折的案例，體會到探索自然奧秘、開展技術(shù)創(chuàng)新的樂趣與艱辛，引導(dǎo)學(xué)生正確看待學(xué)習(xí)過程中的困難，增強信心，培養(yǎng)為獲得真知鍥而不舍的探索精神和態(tài)度，極大提升內(nèi)在人文素養(yǎng)[3]。

綜上，通過學(xué)習(xí)科學(xué)史，不僅能使學(xué)生感受科學(xué)是一個開放的、不斷在廣度和深度發(fā)展的系統(tǒng)，感受科學(xué)是一個不斷質(zhì)疑、不斷探究與創(chuàng)新的過程，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于培養(yǎng)學(xué)生的人文素養(yǎng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，有利于學(xué)生直觀理解科學(xué)本質(zhì)，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

三、科學(xué)史在初中科學(xué)教學(xué)中的運用研究

（一）“情境科學(xué)史”模式，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境

情境教學(xué)，顧名思義就是感情與環(huán)境影響教學(xué)的一種方法和手段，具有生活性、形象性、學(xué)科性、問題性、情感性等特性。適宜的情境能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的動機，消除心理壓力，快速進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，利于對知識的強化、聯(lián)想和遷移。

如，在《進(jìn)化與遺傳》的教學(xué)中，引入情境：某天，天空電閃雷鳴，有個男孩出生在村莊的一個家庭，接著展示其父母的照片，讓同學(xué)猜想和畫出小男孩的外貌，并展示在黑板上，比較畫像的共同點。教師用課件展示男孩的真實照片，比一比誰畫的最像，并比對其與其父母相貌的異同——這人就是未來的遺傳學(xué)之父孟德爾，然后簡單介紹孟德爾的雜交實驗，介紹相對性狀（見圖二），繼而學(xué)習(xí)遺傳物質(zhì)的傳遞等，讓學(xué)生扮演沃森和克里克，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，加深學(xué)生對問題的理解。

（二）“對話科學(xué)史”模式，循序漸進(jìn)入課堂

“對話科學(xué)史”模式，是以師生對話、生生對話、學(xué)生與大師間對話展開，將學(xué)生帶入了一個充滿辯證、遐想和激情的發(fā)現(xiàn)之旅，讓學(xué)生靈活地運用資源、經(jīng)驗、知識了解實驗、假想和模型等方法在科學(xué)研究中的運用，進(jìn)行新的認(rèn)知建構(gòu)[2]。

如生生對話，根據(jù)課本知識和史學(xué)理論，編寫對話。舉例：在《地球表面的板塊》的學(xué)習(xí)過程中，建立正反兩方，在辯論中構(gòu)建歷史認(rèn)知的過程。

正方：19世紀(jì)人們認(rèn)為地球表面的板塊是基本固定不變的——大陸固定論，地殼只會垂直向上運動，不會水平移動。

反方：德國科學(xué)家魏格納發(fā)現(xiàn)非洲東海岸和南美洲西海岸輪廓吻合，是偶然巧合還是這兩塊大陸原先是一個整體，還是后來因為其他原因破裂漂移分開了？

正方：應(yīng)該是偶然。

反方：反對，證據(jù)如下，一是冰山運動證據(jù)——魏格納隨丹麥探險隊到格陵蘭島進(jìn)行氣象和冰川考察，發(fā)現(xiàn)島上巨大的冰山在緩慢運動;二是生物親緣證據(jù)——大西洋兩岸物種之間存在較大的親緣關(guān)系，如駝鳥、肺魚等;三是化石和氣候方面——舌羊齒植物化石廣泛分布在亞洲（印度）、非洲、大洋洲（澳大利亞）、南美洲、南極洲等大陸，而這些大陸卻不具備舌羊齒生活需要的溫涼氣候;四是輪廓證據(jù)——非洲東海岸和南美洲西海岸輪廓吻合;五是其他證據(jù)——大西洋兩岸的地層、皺褶的構(gòu)造有許多相似性和連續(xù)性，赤道地區(qū)有冰川活動的痕跡，南北兩極地區(qū)也有熱帶沙漠的蹤影……

正方：證據(jù)挺多，請你解釋大陸漂移的動力來源？

反方：……

正方：我們不接受魏格納的假說。

反方：1950年左右，古地磁學(xué)逐漸興起，科學(xué)家借助信息技術(shù)和遙感技術(shù)，找到了大量證據(jù)，證明地球大陸確實發(fā)生過大幅度的漂移。

正方：證據(jù)還不夠硬。

反方：1969年，阿波羅11號飛行器成功測量了地球上各大陸的距離;1984年，美國航空局第一次精確測出地球各大陸緩慢漂移的數(shù)據(jù)，為“大陸漂移說”提供了強而有力的證據(jù)。

在反方強大的證據(jù)面前，正方低頭，辯論以反方勝出。以“大陸漂移說”為基石，科學(xué)家又提出了“海底擴張說”和“板塊構(gòu)造說”，從而完成了地球表面的板塊教學(xué)與知識建構(gòu)。

科學(xué)史的對話教學(xué)應(yīng)依據(jù)不同的教材、不同年齡階段的學(xué)生，設(shè)置能引起學(xué)生思考和對話的議題，循序漸進(jìn)入課堂。

（三）“質(zhì)疑-重歷-探究科學(xué)史”模式，重歷科學(xué)探索歷程

科學(xué)史創(chuàng)設(shè)科學(xué)本質(zhì)教學(xué)情境的有效途徑之一是：將人類認(rèn)識原子的歷史過程以時間軸的方式呈現(xiàn)，學(xué)生從圖上直觀認(rèn)識科學(xué)是不斷修正的，人們是在不斷地質(zhì)疑和思考中推進(jìn)科技發(fā)展。例如《原子結(jié)構(gòu)模型》課程從古到今縱向比較、從中國到西方橫向比較不同研究者對原子的不同認(rèn)識，自然引入科學(xué)史，讓學(xué)生明白每一個科學(xué)理論的誕生和發(fā)展，都有其深遠(yuǎn)淵源和艱難的發(fā)展歷程，從而揭示“科學(xué)具有創(chuàng)造性和主觀性”的本質(zhì)觀。

1.科學(xué)史創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，幫助激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造問題

原子是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子，在科學(xué)教學(xué)中都具有重要的地位，尤其化學(xué)--原子是化學(xué)反應(yīng)中的最小粒子，通過原子結(jié)構(gòu)可以解釋物質(zhì)的狀態(tài)、化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)、元素周期律等。

展現(xiàn)盲人摸象的漫畫圖——每人對大象都有不同的認(rèn)知，再請學(xué)生根據(jù)經(jīng)驗和想象畫出原子結(jié)構(gòu)模型，并投影展示每個學(xué)生所畫的不同模型，創(chuàng)造問題。在漫漫歷史進(jìn)程中，人類對原子的認(rèn)識也不盡相同，得到的結(jié)論也不同，自然而然史料再現(xiàn)，每一次模型的建立與推翻，都是科學(xué)家實驗和觀點的碰撞，是人類在不斷的實驗、建模、觀點沖突、質(zhì)疑討論、不斷的修正，推動社會發(fā)展。

2.科學(xué)史聚焦核心問題，讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突

古代人類就對自然現(xiàn)象感到好奇。隨著時代進(jìn)步，科技手段更新，人們對自然現(xiàn)象的理解加深，并逐漸嘗試追本溯源，提出問題：天地萬物由什么構(gòu)成？物質(zhì)變化是怎樣變化？如今我們已知物質(zhì)是由分子、原子及更小的微粒構(gòu)成，然而原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)是如何被人們是認(rèn)識到的呢？古今中外許多仁人義士，積極探索，得出截然不同的答案。

3.科學(xué)史再現(xiàn)探究過程，讓學(xué)生重回歷史

歷史一：中國古代樸素原子論

中國是四大文明古國之一，對于微觀世界的探索，始于對物質(zhì)能否無限分割的猜想。

先有考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)的西周青銅器上的“小”的鐵證，其次戰(zhàn)國時期著名思想家莊子的“其小無內(nèi)”，從哲學(xué)角度表達(dá)了“一尺之錘，日取其半，萬世不竭”的觀點;再到墨家提出的“端，休之無序最前者”，“端”即為組成物質(zhì)的無可分割的最原始的東西;儒家《中庸》“語小，天下莫能破焉”，“莫能破”即為“不可分割”[2]。

在中國進(jìn)行原子探究的同時，西方的科學(xué)家也努力對物質(zhì)是否能分的問題進(jìn)行探討。

歷史二：西方原子論發(fā)展

時間 代表人物 觀點 內(nèi)容 貢獻(xiàn)和不足

古希臘時期 德謨克利 最小粒子觀 萬物的本源是原子，原子就像用磚頭砌墻一樣，不可再分割 ①首先提出原子論

②沒有人用科學(xué)實驗的方法去驗證

1803年英國 道爾頓 實心球模型 ①原子都是不能再分的粒子②原子是微小的實心球體③同種元素的原子的各種性質(zhì)和質(zhì)量都相同 ①發(fā)現(xiàn)電子

②認(rèn)為所有物質(zhì)都是由不可分割的原子構(gòu)成

1904年 湯姆生 西瓜模型 原子是一個球體，正電荷均勻分布在整個球體內(nèi)，電子像面包里的葡萄干那樣鑲嵌其中 ①發(fā)現(xiàn)電子

1911年 盧瑟福 核式結(jié)構(gòu)模型 在原子的中心有一個很小的原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部的質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間繞核運動，就像行星繞太陽運動那樣 ①發(fā)現(xiàn)原子核和粒子散射實驗②無法解釋電子繞核運動會向外輻射能量，隨著能量的損耗，為什么它不會越來越靠近原子核呢？電子在原子核外如何維持快速運動的狀態(tài)？

1913年 玻爾 分層原子模型 電子在原子核外空間的特定的穩(wěn)定軌道上分層繞核做高速的圓周運動 ①成功說明原子的穩(wěn)定性和解釋氫原子的線狀光譜②不適用于其它原子，具有很大的局限性

1926年奧地利 薛定諤 電子云模型 電子何時出現(xiàn)在原子核外的某地?zé)o法預(yù)言，只能知道它在某處出現(xiàn)的幾率大小。以單位體積內(nèi)電子出現(xiàn)幾率大小，用小白點的疏密來表示，越密則幾率大，越疏則小，如同帶負(fù)電的云狀物籠罩在原子核周圍

原子結(jié)構(gòu)的研究正因為有科學(xué)方法論的引領(lǐng)才能不斷發(fā)展，達(dá)到新高度。建立模型往往需要一個不斷完善、不斷修正的過程，電子云模型同樣要接受各種實驗的檢驗才能證明其正確性，以使模型更接近事物的本質(zhì)。

4.科學(xué)史拓展學(xué)習(xí)空間，促進(jìn)學(xué)生選擇性學(xué)習(xí)

融入科學(xué)課程的史學(xué)內(nèi)容，可作為學(xué)生的拓展性閱讀材料，引導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)資料，鍛煉學(xué)生分析、整理材料和形成書面報告的能力，以促進(jìn)學(xué)生選擇性學(xué)習(xí)。

四、結(jié)束

為了更有效地把科學(xué)史融入到科學(xué)課堂教學(xué)中，筆者認(rèn)為：重歷科學(xué)探究，讓學(xué)生像科學(xué)家一樣思考問題和進(jìn)行實驗探究，從小概率進(jìn)行情感教育;將科學(xué)史融入科學(xué)課堂，要順應(yīng)初中生的身心發(fā)展水平，根據(jù)教材內(nèi)容和學(xué)期計劃有目的有度有方法的逐步呈現(xiàn)和滲透，體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)和教育的價值。筆者在初中科學(xué)教學(xué)中初步嘗試，將科學(xué)史逐漸融入到需要的環(huán)節(jié)，學(xué)生互動和課堂效果不錯，但有時候引入的“度”控制不夠好，還需改進(jìn)，另科學(xué)史內(nèi)涵豐富，需加強學(xué)習(xí);另外不同的課型（如事實學(xué)習(xí)型課型、概念學(xué)習(xí)型課型、規(guī)律學(xué)習(xí)型課型、方法學(xué)習(xí)型課型）要采取不同的融入科學(xué)史的教學(xué)模式，設(shè)計出不同的教學(xué)方案，以達(dá)到提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、理解科學(xué)本質(zhì)的目的。

總之，科學(xué)史是一塊蘊藏著巨大精神財富的寶地，雖然初中生對于科學(xué)的認(rèn)識理解還處于初級階段，但在早期的教育中能通過科學(xué)史途徑引導(dǎo)學(xué)生理解科學(xué)的事實、概念和原理，領(lǐng)悟科學(xué)的思想和方法，培育嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神，是當(dāng)代教育的基本思路[3] ，科學(xué)教師都應(yīng)該不斷地去嘗試將科學(xué)史融入日常教學(xué)，使它真正成為科學(xué)教與學(xué)的重要內(nèi)容之一。

參考文獻(xiàn)

[1]戢守志.《美國國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》.科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社

[2]王峰.在智慧對話中建構(gòu)理性課堂——談“人類對于原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識”教學(xué)設(shè)計.化學(xué)教育.2013.11

[3]中華人民共和國教育部.《義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2011