科學史

宋金榜

“HPS教育”是將科學史（History of Science）、科學哲學（Philosophy of Science）和科學社會學（Sociology of Science）融入教學的一種教學模式的簡稱，20世紀80年代起源于以美國為代表的西方國家，強調通過學習歷史、哲學的方法使公眾了解科學的本質，逐漸成為國際科學教育改革的一種新理念。將科學史融入小學科學教學，能夠啟發學生從科學史的視角理解科學的本質，結合科學史中科學家的真實研究案例建構基本的科學知識，了解科學研究的一般過程和方法，在閱讀科學家的傳記和故事的過程中形成實事求是、樂于探究的科學態度，在認識科學技術給人類生活和社會發展帶來的影響的同時理解科學、技術、社會與環境的關系。本文以大象版小學《科學》教材的編寫和教學為例，談談科學史對于達成小學科學課程目標，全面提高學生科學素養的意義。

科學史能夠拉近師生與科學家的距離

學習基本的科學知識、了解科學研究的一般過程和基本方法是小學科學課程的重要目標。對于小學科學課程來說，這些科學知識和科學方法來源于歷史上一些著名的科學家的研究成果和經驗（小學科學課程中的科學知識很少直接來源于當代科學家的最新研究成果），這些科學知識和科學方法從科學家到學生卻經歷了多個中間環節（如圖1）：

1.科學家運用科學方法通過科學研究得出結論，形成科學知識;

2.科學史家記述科學家的生平、研究的方法和過程、取得的成就及其影響;

3.科學哲學家、科學社會學家依據科學史家的記述，概括什么是科學、科學研究的方法和過程、科學技術的影響等;

4.科學教育家根據科學哲學和科學社會學以及教育學、心理學等學科的研究成果，總結科學教育應該讓學生學習的內容，制定課程標準;

5.教材編寫者根據課程標準的要求編寫教材;

6.科學教師根據課程標準的要求和教材設計實施課堂教學;

7.最后才是學生學習。

如果小學科學教師能夠了解一些科學史，將科學史合理地融入課堂教學中，無疑將拉近師生和科學家的距離，有助于學生在真實的科學研究案例中感受科學的本質，理解科學知識的建構過程，經歷科學研究的一般過程，感受科學研究的基本方法，領略科學家的科學態度和人格魅力。

科學史能夠幫助師生更好地理解科學

1.科學史能夠幫助師生理解什么是科學

什么是科學？科學的本質是什么？科學課程標準并沒有給科學下一個明確的定義，不同的詞典、百科全書對科學的解釋也不盡相同，其主要原因在于科學在其自身的發展歷史中也在不斷變化。尼采曾經說過，只有非歷史的東西才可以定義。因此，科學史能幫助我們更全面地把握科學的本質和特征。這里嘗試從科學史的角度給科學下一個定義：

科學是人們基于認識世界和改造世界的目的，依據通過無偏見的觀察和系統的實驗等方式獲取的客觀事實，運用邏輯思維方式，以范疇、定理、定律等形式來認識和表征自然、社會和意識等現實世界各種現象的本質規律的活動，以及這一活動所建立的分科的知識體系。

我們發現，這個定義中的一些定語在某個或某些歷史語境中適用，但換成其他的歷史語境可能就不適用了，這正是科學歷史性的體現。

2.科學史能夠幫助師生認識科學的本質特征

如果讓我們歸納科學有哪些特征，或者科學精神包括哪些方面，或者我們應該具有哪些科學態度，我們肯定會想到很多贊美之詞。但是，從科學發展的歷史看，科學最本質的特征只有兩個：理性和實證。理性以柏拉圖的理念世界為代表，實證以亞里士多德的博物學為代表。前者強調抽象的概念，強調邏輯推理的嚴密性和可靠性;后者強調客觀實際，強調對客觀事物的觀察和描述。只有到了伽利略才最終將理性和實證完美地結合起來，形成了近代實驗科學傳統，理性和實證是科學的本質特征。我們把有關科學特征的常見詞語整理出來，就會發現它們大多都與理性和實證相關，或者是由兩者共同派生出來的（如圖2）。比如我們經常說的創新，其實也是理性和實證的共同體現：當科學家發現了新的科學事實（實證），以舊的理論無法進行解釋時（理性），必須修正舊理論乃至推翻舊理論、提出新理論來加以解釋（創新）。如果不是基于實證和理性的創新，就可能不是科學的創新，比如藝術的創新。

科學史能夠幫助達成科學課程目標

小學科學的課程目標分為科學知識目標、科學探究目標、科學態度目標以及科學、技術、社會與環境目標四個方面?？茖W史中，什么樣的案例和素材適合用來幫助學生達成哪些方面的課程目標？大象版小學《科學》教材在設計活動時，運用不同的科學史素材來幫助學生達成每個方面的課程目標。

1.科學史在達成科學知識目標方面的運用

科學史可分為科學思想史和科學社會史兩種編寫風格。其中，科學思想史注重追溯科學概念的歷史發展線索，科學社會史注重研究科學與社會的關系。因此，科學思想史中有大量的素材可以用來幫助學生了解科學知識的來龍去脈，從而促使他們在學習和探究過程中更好地建構科學知識。

（1）通過歷史上的科學發現、科技成就，引導學生發現其中所包含的科學事實，并與所學知識聯系起來，相互印證，加深對科學知識的遷移與理解。

比如，對于1～2年級的學習目標“知道指南針中的小磁針是磁鐵，可以用來指示南北”，教材在引導學生學習使用指南針，并通過實驗證明指南針里的小指針是磁鐵，而磁鐵都能指示南北之后，又設計了拓展活動《指南針的“家史”》，展示了指南魚、古代羅盤、現代指南針等磁性指南工具。這一活動的目的不僅在于讓學生知道指南針發展的歷史，更是為了讓學生通過分析不同的指南工具的結構，理解不同形狀的小磁針都是可以自由旋轉的磁鐵，而磁鐵可以用來指示南北，從而加深對已有探究結論的理解和遷移。

（2）引導學生重復科學史中著名的科學實驗，可以引領他們像科學家那樣進行探究，親歷科學家的探究過程，重新發現這些科學實驗所揭示的科學規律。

5～6年級學習目標“描述太陽光穿過三棱鏡后形成的彩色光帶，知道太陽光中包含有不同顏色的光”顯然來源于牛頓的三棱鏡實驗。教材在提出問題“為什么沒有顏色的陽光經過水霧后會出現很多顏色”之后，呈現出“1666年，牛頓讓一束陽光通過三棱鏡，發現陽光被分解成了多種顏色的光”的科學史故事，進而引導學生重復牛頓的三棱鏡實驗，得出結論：太陽光是由多種顏色的光組成的，太陽光通過三棱鏡后會被分解成多種顏色的光。

通過重復科學家的實驗，這一結論也就不僅是科學家的結論，不再是學生需要背誦的知識，而是成為學生通過探究活動得出的結論，成為學生自己建構的科學知識。

（3）引導學生分析科學史中的科技成就所蘊含的科學原理，幫助學生理解課程標準中的科學知識學習目標。

5～6年級學習目標“知道正午時物體影子在不同季節的有規律的變化” 是聯結地球自轉、地球公轉、陽光照射角度、地軸傾斜、氣溫變化、四季成因等概念的紐帶，也是教學中的一個重難點。為了幫助學生正確理解正午時物體影長在不同季節的變化規律并為認識四季成因做好鋪墊，教材介紹了我國古代科學家發明的度量正午時物體影長的天文儀器圭表的結構、原理和使用方法，進而又介紹了世界文化遺產、全國重點文物保護單位登封觀星臺的結構，讓學生知道圭表和觀星臺都由圭和表兩部分組成，其中表就是測量影長的物體，圭就是用來測量物體影長的尺子。普通圭表的表是一根豎直的、與圭相垂直的標桿，表的長度就是標桿的頂端高出圭的長度;觀星臺的表是觀星臺上的橫梁，表的長度是橫梁高出被稱為“量天尺”的圭的高度。教師在引導學生理解了圭表和觀星臺的結構和原理之后，就能更好地幫助他們正確理解正午時物體影長在不同季節變化的規律及其與四季成因的內在聯系。

2.科學史在達成科學探究目標方面的運用

認識科學研究對于學生獲取科學知識體系、理解科學研究的基本過程、掌握基本的科學思維方法具有重要的作用和意義，是科學探究目標的重要方面。課程標準特別重視科學研究的一般過程和方法，從提出問題、作出假設、制訂計劃、搜集證據、處理信息、得出結論、表達交流、反思評價8個要素描述科學探究的學段目標?？茖W史特別是科學思想史中有大量的科學研究案例，可以用來體現科學研究的過程和方法，是幫助學生達成科學探究目標的理想素材。

（1）利用科學家的探究故事幫助學生了解科學探究的一般過程。

課程標準將科學研究的一般過程分解為8個要素，而不是稱為科學研究的8個步驟，是因為科學研究的過程不是標準化、模式化的，不是每項科學研究都嚴格按照這8個要素依次進行的。不過，一般來說，科學研究都會經歷提出問題、作出假設、搜集證據、得出結論這幾個重要環節。

一年級上冊準備單元《吹泡泡 學科學》是整套教材的第一個單元，其目的是通過對“怎樣吹出大泡泡”這一問題的探究，讓學生領會科學探究的一般過程：

提出問題——怎樣吹出大泡泡？

猜想假設——加點洗發水（膠水），能讓泡泡吹得更大嗎？

搜集證據——實驗研究。

得出結論——加了膠水后，泡泡吹得更大了。

為了進一步加深學生對科學研究一般過程的理解，學生活動手冊中呈現了一則科學史故事《愛迪生發明電燈泡的故事》，該故事的主要內容有：

提出問題——什么材料適合做燈絲？

猜想假設——碳絲怎么樣？

搜集證據——不行，實驗發現一通電碳絲就斷了，他繼續嘗試了數千種材料。

得出結論——最后發現鎢絲適合做燈絲，從而發明了經濟耐用的燈泡。

這則故事可以引導學生將愛迪生的研究過程和自己的探究過程進行對比，發現自己的探究過程和愛迪生的研究過程是相似的。

（2）利用特定的科學史故事說明某個或某些科學探究要素對科學研究的作用和意義。

為了全面、有序地培訓學生的8個科學探究要素，大象版小學《科學》教材在每個學段，將8個科學探究要素分成4組，分布到4冊教材中進行落實和強化，每冊完成兩個要素。如一年級上冊重點培養提出問題和作出假設的能力，一年級下冊重點培養制訂計劃和搜集證據的能力：二年級上冊重點培養處理信息和得出結論的能力，二年級下冊重點培養表達交流和反思評價的能力。到了3～4年級和5～6年級再分別循環一次，從而實現探究要素培養的螺旋式上升。

在每一冊教材中，都設計了三種單元：準備單元、綜合訓練單元和反思單元。其中，反思單元是各冊的總結單元，對本冊重點落實的兩個科學探究要素的學習進行回顧和反思。這一單元首先呈現一個科學史中真實有趣的科學研究的成功案例，讓學生通過對科學家的典型探究過程進行分析與反思，進一步理解本冊重點培養的兩個科學探究要素在科學研究中的作用與意義。教材的這種設計為運用特定的科學史案例，幫助學生達成和深化不同探究要素的學段目標提供了有效載體。

比如，提出問題要素的1～2年級學段目標是“在教師指導下，能從具體現象與事物的觀察、比較中提出感興趣的問題”。教材在一年級上冊反思單元《愛提問的小朋友》中呈現了愛因斯坦小時候善于觀察、勤于思考、敢于提問，并且在一個又一個問題的激勵下，不斷學習、研究，終于成為偉大的科學家的故事，讓學生明白愛因斯坦所說的“提出一個問題往往比解決一個問題更重要”的含義，理解科學研究往往始于問題，從而激發學生提出問題的興趣。

再如，搜集證據要素3～4年級的學段目標是“在教師引導下，能運用感官和選擇恰當的工具、儀器，觀察并描述對象的外部形態特征及現象”。為達成此目標，重點落實搜集證據要素的三年級下冊反思單元《顯微鏡下的證據》，呈現了列文虎克通過顯微鏡下的證據向“自然發生說”提出挑戰的故事：17世紀之前，人們認為像貓、鳥這樣體形比較大的動物是通過生殖來繁殖新生命的，而蚊、蠅等小動物是從無生命的物質中產生的，比如臟衣服會生出跳蚤和虱子，污水會生出蚊子，這種觀點被稱為“自然發生說”。1693年，列文虎克在用顯微鏡觀察一只雄性跳蚤的時候，發現這只跳蚤竟然也長有生殖器，從而推斷這些形體微小的動物也是通過生殖來繁殖新生命的，從而向“自然發生說”提出了挑戰。這個故事不僅顯示了運用工具和儀器進行觀察的意義，也說明了事實證據對于提出、證實、質疑、修正甚至推翻科學學說的重要性，從而激發學生利用工具搜集證據的興趣。

又如，六年級上冊反思單元《門捷列夫的“撲克牌”》，講述了門捷列夫通過排列元素性質卡片并發現元素周期律的故事，說明了以統計圖表等方式記錄整理信息的意義和優勢，從而深化學生對處理信息要素5～6年級學段目標“能基于所學的知識，用科學語言、概念圖表等方式記錄整理信息，表述探究結果”的理解，激發學生用科學的數據處理方法處理信息的興趣。類似的示例還有很多，不再一一贅述。

3.科學史在達成科學態度目標方面的運用

大象版小學《科學》教材以科學知識目標和科學探究目標為兩條培養主線，以科學態度目標和科學、技術、社會與環境目標為兩條培養輔線。教材沒有刻意通過科學史來全面地培養學生的科學態度目標和科學、技術、社會與環境目標，但教材中出現的大量科學史素材可以適時地用于這兩方面目標的培養。

比如，五年級上冊反思單元《日心說的先驅》講述了兩千多年前的古希臘天文學家阿里斯塔克基于自己的觀察最早提出日心說的故事：阿里斯塔克根據半月時日、地、月構成一個直角三角形，且地球所在的頂點接近90度，推算出太陽到地球的距離大約是月球到地球的距離的19倍（實際約395倍，雖然誤差比較大，但他運用的方法是正確的）。又根據太陽和月球看上去差不多大小，利用相似三角形對應邊成比例的關系，推算出太陽的直徑應該是月球直徑的19倍左右。再根據月食時地球影子的弧度，估測出地球的直徑只有月亮直徑的3倍左右（實際約3.67倍），因此推斷太陽的直徑應該是地球直徑的6倍多（實際是109倍）。阿里斯塔克還認為應該是小的物體圍繞大的物體運轉，而不是大的物體圍繞小的物體運轉。盡管當時的學術權威都普遍相信地心說，而且公眾對地心說也深信不疑，阿里斯塔克仍然基于自己的觀察首先提出了日心說。

這個單元在科學探究方面的目標主要是讓學生嘗試從事物的結構、功能、變化及相互關系等角度提出可探究的科學問題，做出有針對性的假設，并能說明假設的依據。當然，從這個故事中，我們也可以看到阿里斯塔克的實事求是和追求創新的科學態度。

科學史中還有大量的案例可以用來激發學生的好奇心、求知欲以及進行科學探究的興趣和熱情，幫助他們形成實事求是、追求創新、樂于與他人合作分享的科學態度，培養他們的實證意識和理性精神。

4.科學史在達成科學、技術、社會與環境目標方面的運用

大象版小學《科學》教材中也有不少科學史案例可以幫助學生理解科學技術與日常生活和社會發展的聯系，以及人類與自然和諧相處的重要性。以科學史中的眾多真實故事，有針對性地引領學生從不同角度認識和理解科學、技術、社會與環境的關系，其效果要遠勝于抽象的理論分析和空洞的說教。

比如，二年級下冊第二單元《科技改變我們的生活》第1課《我們來造紙》，在學生完成手工造紙之后，提供了閱讀材料《信息的記錄與傳遞》，引導學生從信息記錄的載體、信息記錄方式、信息傳遞方式的古今發展變革，體會科技發展給人們生活帶來的巨大變化，從而達成科學技術與日常生活的聯系方面的1～2年級學段目標“了解生活中常見的科技產品及其給人類生活帶來的便利”。

再如，五年級上冊反思單元《日心說的先驅》和五年級下冊反思單元《仰望星空的人》中關于日心說從提出到最終被證實的歷史也反映了科學的發展對人類思維方式的影響。六年級上冊第三單元《浩瀚宇宙》介紹的關于人類探索宇宙的歷史，體現了人類的好奇和社會的需求是科學技術發展的動力，技術的發展和應用影響著社會發展。

科學史家薩頓說過，科學史是溝通科學與人文的橋梁。小學科學課程中的科學、技術、社會與環境目標正是科學的人文精神的體現。因此，我們在教學中要充分重視從科學史的角度，引導學生理解科學是為人服務的，科學的發展不應以損害人文精神為代價，不應以損害人類與自然的和諧相處為代價。

5.科學史功能的綜合性

雖然前面分別以不同的科學史案例來說明它們在達成課程目標某個方面的運用，但這并不是說每個科學史案例只能運用于一個特定的課程目標。事實上，有些科學史案例可以用來幫助學生達成多個方面的課程目標，我們在教學的過程中要充分發揮這些案例的功能。以前面提到的《日心說的先驅》為例：

在科學知識方面，這個案例涉及的相關科學知識學習目標包括“知道月球是地球的衛星”“知道地球是一個球體，是太陽系中的一顆行星”“知道太陽是太陽系的中心”“描述月球、地球和太陽的相對大小和相對運動方式”等。

在科學探究方面，這個案例體現了科學探究總目標中的科學探究是通過多種方法尋找證據、運用創造性思維和邏輯推理解決問題的過程，也體現了科學探究的一般過程，包括“圍繞已提出和聚焦的問題設計研究方案，通過收集和分析信息獲取證據，經過推理得出結論”，特別體現了作出假設要素的5～6年級學段目標“能基于所學知識，從事物的結構、功能、變化及相互關系等角度提出有針對性的假設，并能說明假設的依據”。它還體現了分析、綜合、推理等科學思維方法的運用，以及“初步了解通過科學探究達成共識的科學知識在一定階段是正確的，但是隨著新證據的增加，會不斷完善和深入，甚至會發展變化”。這一案例還體現了科學、技術、社會與環境目標中的“了解科學技術對人類思維方式的影響”等學段目標的要求。

附：推薦書目

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2.劉兵，江洋.科學史與教育.上海：上海交通大學出版社，2008.

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5.吳國盛.科學的故事·起源篇.南京：江蘇鳳凰文藝出版社，2020.

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7.劉兵，楊艦，戴吾三.科學技術史二十一講.北京：清華大學出版社，2006.

8.劉兵.新編科學技術史教程.北京：清華大學出版社，2011.

9.王鴻生.科學技術史.北京：中國人民大學出版社，2011.

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13.王興文，譚靜怡.圖說世界科技文化.長春：吉林人民出版社，2009.

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15.盧嘉錫，席澤宗主編.彩色插圖中國科學技術史.北京：中國科學技術出版社，1997.

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