基于学科知识发展历史的论证式化学教学设计研究

孟献华 吴倩 倪娟

摘要： 论证式教学倡导将科学领域研究方法引入课堂，使学生经历类似科学家们的论证推理过程来理解学科概念。学科知识的发展历史为论证式教学设计提供了真实有效的教学资源。基于历史发展的论证式教学设计流程包括理解知识演进、分析论证结构和教学问题设计。以“空气中氧气成分测定”为例，构建基于学科知识发展历史的论证式教学的设计框架与实施。

关键词： 化学史; 教学设计; 科学论证; 空气成分

文章编号： 1005-6629（2018）11-0041-06中图分类号： G633.8文献标识码： B

1 问题提出： 知识发展与科学论证的统一

英国历史学家卡尔（Edward Hallett Carr， 1892～1982）指出： 历史“是今天的社会跟昨天的社会之间的对话……只有借助于现在，我们才能理解过去;也只有借助于过去，我们才能充分理解现在。使人理解过去的社会，使人增加掌握现在社会的能力，这就是历史的双重作用”[1]。奥苏贝尔（David Pawl Ausubel， 1918～2008）认为，教科书的编写者将科学概念或论题分割成独立的章节，没有探讨它们相互之间的关系，这样做的结果使学习者看不到新的命题和已知命题之间的因果关系。这一状况至今未变：“目前的教科书与教学方法不能帮助学生达成良好的科学素养，有时反而是一种妨碍！它们强调寻求答案更甚于问题的发现，强调记忆忽视批判思考，强调零星知识的记忆而非理解，强调精确的复述而非思考”[2]。

许多今天看来难以理解的化学知识或概念，从历史的角度看显得十分自然，如微粒观念是从早期对液体和气体物质宏观性质的研究而来，它反映了古代自然哲学家们的原始思维到现代科学家们利用各种先进仪器进行观察、实验等活动之间的连续性。如果学生能够仿照这一概念的形成方式，從液体蒸发、气体运动等日常生活现象开始对微观世界的思考，他们就会知道，任何抽象的化学概念都来源于人们对自然现象的观察及其本质的分析。

另一方面，化学教育应该培养学生深入了解化学的思想方法、化学发展的规律和自觉将化学知识应用到生活实际中的能力。因此，科学研究中的推理或论证思想已成为当下教育理论的热点议题。论证式教学追求将科学研究领域的知识推理过程带入课堂，让学生经历类似于科学家们获取知识的论证方式，理解科学概念和科学本质，促使学生“能初步学会收集各种证据，对物质的性质及其变化提出可能的假设;基于证据进行分析推理，证实或证伪假设;能解释证据与结论之间的关系，确定形成科学结论所需要的证据和寻找证据的途径”[3]。

1958年，图尔敏（Toulmin）出版了论证研究的经典之作[4]。20世纪90年代，研究者开始以论证思维的视角理解科学课堂，论证式教学也因此出现。论证式教学重视对已有证据的思考和判断，要求学生在维护或反驳某个观点或主张时，提供充足的证据或理由，这种教学方式充满了理性思维，同时与科学发展历史具有高度的一致性。

2 基于历史发展的论证式教学设计程序

基于学科知识发展历史的论证式化学教学设计的核心，是将化学史内容融入化学知识的教学中，探究每一个化学概念、观点、假说提出过程中理论和实验、假说与现象之间的逻辑关系，或者对几种历史学说、模型进行比较和研讨，学生领会到历史上化学家们严谨的论证推理、激烈的思想碰撞和丰富的学科思维，感受化学的魅力所在。

该教学设计的理论基础在于： 学生的错误概念很大程度上和早期科学家提出的错误理论具有一致性，科学教学的目标就是实现学生错误概念向科学概念的转化，这样科学史也就成为教师理解学生学科概念形成的有益资源和教学设计的理论指导（见图1）。

基于学科知识发展历史的论证式化学教学设计关注的重点是： 以科学思想和研究实践的发展历史，为学科知识教学提供有关“为什么”的解释和引导。其教学设计包含4个步骤。

2.1 学科主题概念和知识历史演进的理解

无论是将历史发展中的科学研究作为教学的论证主题，还是以科学家们提出新理论背后的支持性实验、演绎推理等作为教学素材，教师都需要对相关学科概念发展历史全面准确地掌握。以论证式教学为核心的学科历史材料梳理，应更多关注一些重要概念、规律、定理产生和发展的因果关系，这些内容可以让学生从概念、规律、定理产生的原因和发展的进程中，体会到学科知识在科学化、结构化道路上经历的种种努力。具体而言，教师应该研究：

（1） 不同时期的科学理论。

历史地看，某一阶段被当时科学界普遍承认正确的科学理论，随着人们的认识发展，这些曾经被广泛接受的理论多数都会被新的科学理论代替。但对教师教学而言，这些理论的变迁过程往往是值得重点关注的内容，因为其中必然蕴含了新的科学证据或解释推理。

（2） 科学研究的原始材料。

原始材料指的是来自过去的客观物品，科学教学中使用的原始资料包括科学家们研究的原始著作、实验记录等，阅读原始材料就是与过去的科学家进行思想交流。科学家或科学研究的原始材料呈现，能够激发学生学习现代科学理论的动机和求知欲望;同时，它使学生理解本学科知识的最早起源、它的缓慢进化和到今天的发展情况，明白哪些问题值得进一步研究。

以“空气的成分发现”为例，它的研究历史大致分为3个阶段[5， 6]。

（1） 证明空气与真空的存在。

历史上，关于“是否存在真空”的问题曾经持续争论了上千年时间，如古希腊哲学家亚里士多德（Aristotle，约公元前384年～公元前322年）否认真空存在，他认为“自然厌恶真空”，所以我们周围应该有一种没有重量的物质——空气。公元前5世纪，恩培多克勒（Empedocles，约公元前495～公元前435年）将密封的空心圆柱体浸入水中，圆柱体内的空气压强阻止水面的上升，证明了空气的存在。

17世纪初，伽利略（Galileo， 1564～1642）通过实验证明空气具有重量： 天平称量1只用气泵打足空气的玻璃球重量，然后打开玻璃球上活塞，重新称量重量，玻璃瓶变轻;托里拆利（Evangelista Torricelli， 1608～1647）进行气体压强实验： 取一端封闭、灌满水银的玻璃管，开口一端插入水银槽，发现玻璃管上方水银面下降，留出一定空间。托里拆利还发现无论玻璃管长度和倾斜度如何，玻璃管内水银柱垂直高度都是760毫米，即大气压强与水银柱产生的压强相等。1648年，法国物理学家布莱士·帕斯卡（Blaise Pascal， 1623～1662）制作了水银气压计，反驳了“自然厌恶真空”的传统观念。

（2） 氧气与氮气的发现。

1673年，英国化学家罗伯特·波义耳（Robert Boyle， 1627～1691）通过对比实验证明燃烧需要有空气： 在一个抽掉空气的容器中放入一块烧红的铁板，将硫粉洒在铁板上，观察到硫磺不燃烧只冒烟;在另一个有空气的容器中实验，硫粉燃烧起来，发出淡蓝色火焰。

1771年，英国化学家约瑟夫·普里斯特利（J. Joseph Priestley， 1733～1804）发现，蜡烛的燃烧、动物的呼吸或者腐败作用会使空气质量变差，绿色植物在光的作用下可以使空气质量恢复。同年，他通过加热硝石制得氧气，他将氧气称为“脱燃素空气”，把物体燃烧后剩余空气称为“燃素化空气”——普里斯特利发现了氧气，但因坚持燃素说而没有提出正确的理论。

1772年，英国化学家亨利·卡文迪许（Henry Cavendish， 1731～1810）发现氮气： 将空气通过红热的木炭，再用苛性钾碱溶液去掉二氧化碳，剩下的气体就是氮气。

1773年，瑞典药剂师舍勒（Carl Wilhelm Scheele， 1742～1786）用加热硝酸盐、氧化汞等方法，制得可以支持物质燃烧的“火空气”，并利用实验证明空气中也有“火空气”（即氧气）。

1777年，法国化学家拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisier， 1743～1794）受到启发，做了研究空气成分的著名实验，提出空气是由氧气和氮气两种气体混合而成的正确理论。

（3） 稀有气体发现和元素周期表。

1893年，英国物理学家瑞利（J.W.S. Rayteigh， 1842～1919）发现除去空气中其他气体得到的氮气密度，和氨气与氧化铜生成的氮气密度之间存在极小差异，从而发现惰性气体氩;1868年，法國天文学家詹森（P.J.C. Janssen， 1824～1907）通过光谱法发现元素氦;1898年，英国化学家威廉·拉姆塞（William Ramsay， 1852～1916）在蒸发液态空气的残留物中，发现了氪和氖;1908年，拉姆塞确定最后一种惰性气体元素氡，补全元素周期表中的零族元素。

2.2 对科学论证的分析

可以看出，科学家对自然现象的解释不一定是完全客观的，它是根据现有科学事实的一种猜测，对同一个事实也可以有不同种解释。所以，科学发展史涉及了不同科学团体、科学思想体系之间的碰撞交流。对化学理论发展的准确掌握与合理的教学转化，是教师教学准备的必经之路。Sampson提出一个科学论证结构与评价的模型，认为论证包括主张、证据、推理3个要素，为科学论证分析提供了理论参考（见图2）[7]。这里，对论证合理性与完整性的分析可以从3个方面考虑： （1）科学逻辑方面。哪些证据可以支持某一科学家的主张，他对证据的解释是否正确？（2）证据强度方面。哪些是支持主张的最好证据，这一结果是否有其他解释或证据？（3）心理认知方面。学生是否能够理解这一概念的论证过程，它是否具有探究的意义？

2.3 教学中的问题设计

课堂教学设计中，选取学科知识发展的关键步骤，如关键性思想、重要理论提出时遇到的困难和经典学科问题解决等内容，以此作为可供学生探究的学科问题。学生通过参与课堂研讨，形成对证据与理论之间关系的理解能力和进行科学的演绎推理、逻辑论证能力，从而将知识发展过程转化为促进学生交流对话、形成批判性思维的过程。

基于论证的问题应该具有以下特点： （1）可论证性。提出的问题应该保证学生有充分的、真实的证据来支持自己的主张，表现出明确恰当的推理过程，鼓励学生使用概念结构、认知过程和知识框架来支持、评估和完善一项主张。（2）价值性。包括两个方面： 一方面，问题应该包括丰富的学科内容，既和化学家的研究工作有关，又可以被分解为更小的探究性问题;另一方面，问题能够对学生提出足够的智力挑战，即使从学生习以为常的知识中也应该引申出需要证明的结论。（3）可持续性。一个科学问题的解决总是能够引出或发现新的问题而不是研究的结束，同样，教学中提出的问题应该能引发学生可持续、不断深入的探究内容。（4）开放性。问题应该具有多种思考方向，包括对同一主张能够提出不止一个的支持证据，或对同一证据有不同的解释方案等，这样有利于学生理解科学研究中争论的重要性。

2.4 基于历史发展的论证式教学设计

“空气中氧气成分测定”一课教学，结合历史发展的分析可以得出结论： 如何证明空气的存在、如何设计实验测定空气中氧气的含量、如何合理分析实验方案的可行性与正确性等，都属于可供学生思考的驱动性问题。同时，这些问题的开放性符合论证式教学设计要求，便于激发学生探究兴趣和教师对学生科学论证推理的引导。基于以上认识，我们将这节课的重点放在学生初步掌握论证方法、形成基于化学实验为证据的论证能力表现等方面（见表1）。

3 总结： 教学设计模型与解释

科学史成为教师教学设计的资源倡导已久，但一方面科学史融入教学实践不是一个直接简单的移植应用过程，另一方面，教学理论的不断发展赋予了基于学科历史的教学设计更新的视角。正是因为上述思考，我们将化学发展史中的科学研究作为案例，探讨其中主张、证据和推理之间的逻辑关系，进而转化为可操作的论证式教学实践（见图3）。由此构建了一个将科学史转化为学科教学实践或课程开发的双循环模型（见图4）。

该框架中，T—C1—I循环代表教师进行教学设计的思考过程，这一循环包括对科学研究的关键步骤加以改编、为关键步骤设计难度递增的系列问题，便于在课堂上使用;T—C2—I循环代表教师领会过去的科学家们通过科学现象建立理论的过程。在C1和C2间的关系上，教师可以选择不同的路径，如T—C1—I—C2—I—C1—I的路径是从教材入手，寻求可以利用的科学史，然后思考C1和C2间的联系;T—C2—I—C1—I—C2—I的路径是从科学历史发展开始，思考融入教学的合适角度，然后寻求C1和C2间的联系。

参考文献：

[1]爱德华·卡尔.吴柱存译.历史是什么[M].北京： 商务印书馆， 1981： 5.

[2]美国科学促进协会著.中国科学技术协会译.面向全体美国人的科学[M].北京： 科学普及出版社， 2001： 78.

[3]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（2017版）[S].北京： 人民教育出版社， 2018： 4.

[4]S.E. Toulmin. The uses of argument [M]. Cambridge， UK： Cambridge University Press， 1958.

[5]孟献华.科学与传承： 基于学科史的化学教学[M].北京： 科学出版社， 2015： 90～93.

[6]吴倩.化学教学中的论证设计研究[D].南通： 南通大学硕士学位论文， 2016： 32～34.

[7]Sampson V & Grooms J. Argument-Driven inquiry as a way to help students learn how to participate in scientific argumentation and craft written arguments： an exploatory study [J] . Science Education， 2011，（2）： 217～257.