基于化学史课堂教学设计的四个维度

孟献华，倪 娟

1.南通大学教育科学学院，江苏 南通226019；2.江苏省中小学教学研究室，江苏 南京210013

在19 世纪初开始，科学家与科学教育者重视学科发展历史对科学教育或科学研究的意义，其中最具代表性的是哲学家、历史学家威廉·惠威尔（William Whewell，1704-1866），他试图利用科学史论述自己的哲学观及其在教育中的作用，这对后来的科学教育产生了积极影响。20 世纪50 年代以来，科学的高速发展引起人们对科学自身的反思，产生了各种科学哲学流派，使得科学史、科学哲学和科学社会学（HPS）教育成为一个受到高度重视的研究领域，国内外的理科教育课程文本普遍倡导科学史在科学教学中的作用。但大量研究表明，很多教师仅仅口头承认学科史的教学价值，实践中的学科史最多起到一些点缀性质的作用。在此，笔者以化学课堂教学设计为例，对科学史融入课堂教学设计的场景进行分析，归纳出了四个教学维度。

一、记忆具体事实

科学史在教学设计中的第一种表现形式可以称为识记水平，这一维度的教学行为表现为将科学史上一些重要发明与科学家的姓名相联系，教学的目标是确定学生是否记住了一些具体的静态事实或知识内容，包括历史上的事件、人物或时间等，它所涉及的心理过程主要是回忆，学生对这类问题的回答通常是对已有信息的提取。如：

师：同学们认识这位科学家吗？他是谁？（屏幕上打出拉瓦锡头像及资料介绍）

生：（不约而同地回答）“是拉瓦锡”。

师：同学们是什么时候知道拉瓦锡的？

生：在研究空气成分时。

师：拉瓦锡首先用定量实验测定出空气的主要成分是氧气和氮气。科学探究一旦在量的方面有所发现，其研究成果必定有重大突破。

师：（引导学生阅读资料介绍后提出问题）是不是所有化学反应，反应物质量总和都等于生成物质量总和呢？我们能否仿照拉瓦锡也用定量实验来探究反应前后的质量关系？是相等？还是增加或者减少？

这种出于“为历史而历史”的教学，学生知道的科学史只是科学事件和科学家之间的偶然联系，如道尔顿提出了原子学说等。至于不同历史时代科学家们工作的前后启发、相互间的交流和传承，都被忽视了。

二、激发学习兴趣

兴趣是个人力求认识某种事物或乐于从事某种活动的倾向，这一心理倾向往往和一定的情感相联系。增强自然科学教学的趣味性是科学史的功能之一，它旨在学生学习科学或对科学本身的情感、态度、兴趣对等非智力因素的培养。科学史在这一维度的教学应用主要有以下两种形式。

第一，通过各种手段激发学生的科学学习动机，从而促进学生思想态度方面的培养，不涉及科学概念或科学本质。这一层次的教学表现，一种是呈现一些科学家的个人生活轶事或行为趣谈点缀课堂，如法国著名化学家拉瓦锡因为从事政治活动而被判决，这一事件在科学界引发的重大争议；英国化学家卡文迪许是科学家中最为害羞的一个，种种趣事反映出其离群索居的性格。另一种是展示一些科学家的卓越品质，如1892 年，英国科学家雷利在对氮气密度的测定实验中，发现从含氮化合物中制得的氮气与从空气中提取的氮气密度之间存在微小的差异，正是由于对“小数点后三位数”的反复验证、深入分析，才有了稀有气体的发现和诺贝尔奖的取得，相似的还有爱因斯坦、居里夫妇等著名科学家不为名利的精神。

第二，介绍科学史的知识增长学生社会科学方面的知识，培养学生爱国主义情感。我国是一个历史悠久的国家，古代劳动人民在生产生活中掌握了大量科学与技术方面的知识，对世界文明的进步做出了卓越的贡献。在教学中教师需要掌握大量科学知识，了解这些知识的历史发展过程以及它们对人类社会发展的功用和影响。教师在此基础上组织教学内容，引导学生领会科学发展的社会意义。如在讲到铁元素时介绍我国古代人民在春秋晚期已经掌握了炼铁技术、在战国晚期已经掌握了炼钢技术等。通过这些知识的教学使学生了解我国灿烂的历史文化，增强民族自豪感，培养学生的爱国主义精神，同时激发学生的学习兴趣。

三、转变学生概念

学习心理学认为，学生学习科学概念的过程和人类科学研究的进程之间存在一定的相似性，它认为一个人思维概念的发展成熟过程，重演整个人类认识的历史。对某一学科、某一理论历史来源的追述，有助于学生更好地理解这门学科和这个理论。正是基于这个事实，科学史被作为讲授科学知识的重要手段。这要求教师在进行某一主题教学之前，深入理解这一科学知识探究的真实过程，阐明历史上的科学家们进行研究时所遇到的种种困难和挫折，解决这些问题的方法，等等，从而设计出能够体现科学探究活动的课程，或针对关键性问题做出合理的教学安排。

这一维度的教学设计思想注重的是对学生已有知识或概念的探查，学生由于生活经验而产生的直观想象，往往和科学的概念既有联系又有很大不同，即表现为“相异概念”或“前概念”。这类直观的概念往往正是科学发展史上科学家们的早期科学认识，当学生知道过去的科学家们也曾具有这些概念时，也就更乐意参与有关问题的研讨。如在讲授高中“化学键”内容时，学生很难将宏观化学反应转化为微观粒子之间的作用力，不能够主动从电子得失角度分析原子之间的作用力。在教学设计中引入古代自然哲学家们对微粒之间作用力的原始假设，如哲学家德谟克利特的原子理论，“不同的原子具有不同形状，有些是钩状的，有些是球状的，有些是三角锥型的……”，这样，不同原子之间才能够相互结合。

需要注意的是，学生学习的部分历史发展重演不是也不可能是完整地重复历史上科学家们概念研究的所有过程，这种重演应该是摘要性的、从认识论的高度反映部分必然性的重演，只有这样，才能真正帮助学生掌握类比、外推等创造性思维。

四、理解科学方法

这一维度的教学指的是，从科学发展历史具有代表性意义的事件学习中获得科学方法论价值或对科学本质的理解。一般认为，凡是知识点的建立、引申和扩展，知识点以及知识点的连接处一定存在科学方法的因素。这在理论上阐述了科学史在促进学生理解科学方法的教学中可以起到的作用，利用科学史实帮助学生了解学科概念的形成和发展，认识实验与理论、归纳与演绎、分析与综合等方法在科学发展中的重要作用，是科学史在帮助学生掌握学科知识、过程与方法方面最为直接的作用。

科学史就是科学思想和科学理论的不断深化和更新的历史，它忠实地记录了科学的历史变迁过程，把科学发展的前因后果讲述出来，可以帮助学生理解科学的历史继承性，从而有助于形成科学的历史观。在一般的学校理科教学中，科学知识是以最终结论的形式出现在学生面前，科学学习体验不到探索和发现的喜悦，感觉不到思想形成的生动过程，也很难达到清楚地理解全部情况。科学史用历史的批判眼光看待一切科学成果，既承认科学理论的正确性，也看到其局限性；既认识到其作为人类认识成果的永久性和绝对性，也认识到其在人类认识过程中的暂时性和相对性，从而弥补专业科学教育之不足。这对于活跃思想、开阔眼界、正确把握自己的学习和研究方向是很有帮助的。

具体到课堂教学设计，教师应该通过历史上不同科学家对某一问题的相关讨论、具体事件的分析等方式，从多角度解释科学本质所涉及的一些基本观念，促进学生理解科学。在对于稀有气体发现等科学历史的真实发展过程加以研讨时，应侧重于解决的问题是：①某一科学理论的提出者是如何对自己的主张加以证明的；②围绕该理论的各种不同观点具有的性质是什么；③争论解决过程中体现的哲学议题是什么。（具体见表1）

●大量放射性矿物质中都含有氦元素，氦元素和氩元素之间应该存在相对原子质量为20的元素氖。●如果空气中还有其他与氩气性质相似的气体，就不能用化学方法除去氩气而不影响其他稀有气体，只有先将空气变成液态，再逐渐升温将每种气体分别蒸发出来，这需要极低的温度条件。●1895 年雷利宣布发现新元素，却受到科学界的普遍反对，即使当时的物理学家们都不同意这一发现——因为它与当时的化学理论不合。为了让新证据符合元素周期律，拉姆塞创造性地提出一族新元素存在的可能。问题在于如何获得其他稀有气体元素。到1898 年，雷利和拉姆塞发现了所有稀有气体并通过光谱验证，为元素周期表添上新的一族，同时还为原子结构的稳定性提出了实验基础。他们于1904 年分别获得诺贝尔物理学奖实验与分析：如何将空气中的各种成分分离开来？需借助哪些手段？科学与技术：你能举出一些推动科学学科向前发展的技术成就吗？理论与实验的关系：稀有气体的发现对元素周期表完善做出了贡献，元素周期表的理论也对稀有气体整体发现起到指导性作用。

表1 稀有气体发现的历史过程与科学方法

科学史在教学中的作用决定于教师对本学科发展史的专业知识、教师对基于学科史教学的教学性知识以及上述两种的结合。根据科学理论发展历史进行教学设计，应该综合考虑教学内容和教师的教学特点，尽量采用层次较高的教学策略。即对科学历史中某一概念或理论形成的关键时期进行分析，探索学习者在学习有关内容时可能存在的障碍，然后按照此历史发展进程，并考虑学生认知规律、教学要求，重新组织教学进程。

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