科学史在基础科学教育中的角色

第页科学史在根底科学教育中的角色:科学史在根底科学教育中具有多重的角色和功能:可以使学生更好地理解科学本质,促进科学知识的有效建构,全面了解科学发生开展的过程,根本掌握科学方法,正确认识科学的价值。同时,科学史应用于根底科学教育时可能产生困难和危险。因此,要重视科学史教育应用的研究,提高科学教师的科学史修养,推进我国的根底科学教育改革。:科学史科学本质科学知识科学过程科学方法科学价值科学史与根底科学教育相结合,推进根底科学教育的改革,已成为当前的世界潮流和趋向。在当前全面推进根底教育课程改革的背景下,根据全面提高学生科学素养的科学教育总目标,从科学哲学的视角,重新认识科学史应用于科学教育中的角色和功能,已成为当前科学教育研究中一个重要而迫切的议题。马修斯(M.R.Matthews)在总结国外研究成果的根底上,归纳出将科学史应用于科学教育的七大功能。[1]国内学者和一线科学教师也对此做出了论述,但这种认识与国外相比还存在一定的偏差和缺乏,主要是对于科学史内在的功能关注得不够。最近,刘兵教授出版了专着?科学史与教育?,观点新颖、材料丰富。我们的研究,也试图对开发科学史内涵的价值方面做出一些阐释,以对我国当前的根底科学教育改革提供借鉴。一、理解科学本质麦克康马斯(W.F.McComas)依据8个有影响的科学教育标准中关于科学本质的表达,分析、统整出14项具高度重叠性的科学本质观点。这些观点,已成为当前对科学本质比拟一致的认识,得到了各国普遍的认同。[2]从科学史的内涵出发,对照科学本质的主要观点,可以认识到:(1)只是通过教科书学习科学,学生对科学往往持有一种非历史的观点,认为科学的理论是万古不变的永恒真理。而科学史说明,真理与谬误是相交织的,科学家在创造发现的同时,也伴随着可笑的曲解和无端的结论,科学理论无非是科学家对自然规律试图做出的解释。而且,科学像其他的人类文化一样,植根于特定的文化土壤,是由特定的文化素养和文化传统的人推动的,并依赖于特定的历史条件而产生出来。这有利于培养学生的质疑态度、谦虚宽容的品质,问题意识、探究精神和创新思想。(2)科学史同时展现出科学开展进化的及革命性的特性。学生单纯地学习教科书,会误认为知识是一种常态的、线性累积的过程。这种观点下的科学教育,认为教学可以成为知识传递的过程,科学学习是亦步亦趋的模仿,是现成知识的无条件接受。特别在科学概念发生革命性转变时,学生会变得茫然无措。因为,牛顿(I.New2ton)力学和爱因斯坦(A.Einstein)的相对论,经典原子论与量子力学之间,根本找不到两者的类似之处。(3)观察渗透理论。观察不是客观的、中性的,原有的信念、价值观,已有的知识和经验在很大程度上决定着他观察到了什么,又如何理解他所观察到的现象。科学实验中新现象的出现,并不等于科学家观察到和发现了这种新现象。对于大多数科学工作者来说,由于新现象与已有理论的不符,他们所观察到的新现象只不过是实验中的“过失〞,或是正常工作中的一种对常规的干扰和要排除的“噪音〞,这在科学史上是屡见不鲜的。“机遇偏爱有准备的头脑〞,这种准备,并不是敏锐的观察力,而是新的观念、思想与理论的武装,是对新事物、新现象的接纳与思考。在传统的科学教学中,人们往往相信自己的眼睛,“眼见为实〞的古训导致对观察到的现象确信无疑,这在今天探究学习中尤其值得警惕。培根(F.Bacon)的归纳主义认为探究从观察开始,波普尔(K.Pop2per)认为始于问题,观察来自假说。而科学史说明,伽利略的推理不是以实验数据为根底的,而是一种理性的活动,是数学化及其分析的过程,并不完全是以观察为依据的。[3](4)科学方法也和科学知识一样不是纯客观的,并不存在一种单一的万能的“科学方法〞,科学方法是多元的、丰富的。科学教学是学生掌握根本的科学方法的开始,新课改强调过程与方法,是科学本质观的表达,是符合科学史所揭示的科学开展的内在规律的。科学探究和领悟科学知识的过程,也是尝试、使用和掌握科学方法的重要途径。科学史说明,科学方法是多种多样的,几乎每项重大的科学发现总是与独特的科学方法相伴而生。(5)在科学教学中,强调动手操作和实践能力,通常认为这是主要经由“归纳资料〞的过程,这是一种实证论、经验论的观点。这种观点已经受到波普尔、库恩(T.Kuhn)和拉卡托斯(I.Lakatos)的有力批判。以实验探究活动教授科学理论,即已假设学生如果有了正确的资料,他们就会以搜集的资料修正前概念。这就容易导致混淆“做科学〞与“学科学〞。“做科学〞强调的是科学方法的学习,如观察、分类、测量等“,学科学〞强调的是科学理论或知识的建构过程,这是两种不同层面的学习。在科学教学中,应让学生在运用或学习过程技能时,也能了解在建构科学理论时这些过程技能的本质。而且必须强调科学教学要与特定的“语境〞(context)相联结,这才能真正理解过程技能(实验与动手做科学)在建构科学知识中的作用。[4](6)科学家是有创造力的。在科学历史上,伟大的科学家不仅增长人类的自然知识,也传承独立思考,追求自由的科学精神,传播在人类生活中相当珍贵的协作、友爱、同情和宽容精神。单纯地学习科学教科书,常常会扭曲科学家的真实的形象,甚至造成对科学家的误解,认为科学家都是神奇的天才,科学的创造常常是神来之笔或科学家的灵机一动。科学家成为思维怪异、行为乖戾的非常人。而某种极端的专业科学训练,又有可能把学生培养成只在某一专门领域有着熟练技巧的人,而不关心社会、他人,造成人格残缺。科学史的重要教育功能之一就是理解科学本质,几乎科学本质的每个方面,都可以在科学史中找到佐证,运用科学史作为手段,可以实施科学本质的有效教育。只有表达科学本质的科学教育,才能保证科学教育不致落入非科学、伪科学的陷阱。二、建构科学知识儿童如何学科学?儿童眼中的科学世界是怎么样的?研究结果说明,儿童的心理发生与科学史具有十分类似的机制,这为我们在科学教学中如何实现知识的建构提供了依据和启示。皮亚杰(J.Piaget)认为:一个事实也始终是由客体提供的一个局部和由主体构成的另一个局部之间组合的产物。主体的作用十分重要,甚至主体的作用能造成可观察事实的变形和抑制,这使解释能歪曲事实。例如,为使系在以大圆圈旋转的绳子一端的一块石头到达一个盒子,儿童很快就知道在成切线时投出石头,但是,当人们问儿童做了什么时,儿童却以为是在面对盒子时投出抛射物的:因此,有一种根据解释的可观察事实的变形,这种错误解释认为只有当运动物体被垂直投出时才能到达目标。在心理发生方面,能援引许多别的例子,但每个人都成认能在科学史上找到一种类似的态度。[5]瓦德西(J.H.Wandersee)的研究也说明,学生关于光合作用的迷思概念,历史上着名的科学家也产生过,学生对光合作用理解的过程,与科学史上光合作用概念的演变有密切的关系。[6]从这样的观点看科学史与科学知识的建构,可以认为:(1)以教师讲解或教科书写明的方式,权威地认为某事是真实的,尤其在以“定义〞的方式呈现科学理论时,导致学生学习科学理论如同学习语言一般,只是记忆与复述。并且误认为只要能用公式解答问题,就是能理解甚至运用科学理论了。因此,要说明科学家是如何发现一个科学理论的,科学家是如何思考问题的,或说明某个科学理论(知识)之所以产生的情境。科学理论的理解不是以记诵为目的,更不是解题战术的落实。而是在一定的情境中,遵照科学理论形成的过程和规律,在儿童自己的科学世界中,经由学习共同体建构而成的。知识一旦剥离了产生它的过程,思考被记忆替代,理解被背诵置换。(2)强调必须让学生了解科学学习是新旧范式的转变,包括概念及方法学的转变,惟有让学生了解这种转变,才能真正了解科学知识的建构本质。从科学哲学的意义上讲知识的建构,学生在学习科学概念时,可能发生的情形是:如果学生已经具有正确的概念框架,但是并不充分,此时的教学应强调“弱重建〞;如果学生的概念框架是不对的,或是与科学理论不兼容,此时的教学应强调如何引发学生的“根本重建〞。然而,理论研究和教学实践说明,了解和改变学生的前概念是不容易的。而引入科学史,可以帮助学生了解自己的前概念,以提供与之相矛盾的新概念学习的情境,也可以为我们科学概念的学习顺序提供参照,以助于更适当的教学设计。基于当代建构主义理论的概念转变(con2ceptualchange)学习,就是一种具体的实施方式。科学史说明,科学的开展表示着范式的转变。如物理学,从亚里士多德(Aristotle)到相对论和量子力学的开展,需要在概念上有实质性的改变,例如力、重力、质量、行星、波和粒子等等概念。相对论和量子理论显示,物体假设质量很巨大、很小、或速度很快,那么牛顿理论会不适用。新的物理学理论都比它所取代的更具有解释的协调性。[7](3)从认知历史分析法看,这种分析法是结合实际科学实践的案例研究,以认知科学的分析工具和理论去创造一个新的、范围广泛的理论,说明在科学中的概念结构如何建构和改变。认知历史分析法在认知方面也反映出我们所理解的科学知识必须是心理上实际可行的,显示出具有创造力的科学家不仅是极有天赋的人类,其实他们也像所有人一样,是具有生理和社会特质的人类。就某种重要意义而言,科学是人类心智与这世界,以及人与人交互作用的一种产物,科学理论并不是先验所决定的,因此,我们应该找出人类如何以认知能力形成科学理论。以认知历史分析法探勘科学史所蕴藏的丰富认知内涵,正是用来启发学生思考的最正确科学史教材,由此,根据科学概念的历史根源,以根本重建立场的方式,让学生可以在一个身置其中的情境来学习科学课程,透过新的科学表征的建构和传达,使学生能够深刻体会科学家如何从事研究工作,进而让学生了解科学家在认知过程中所运用的思考模式和认知能力。[8]知识是如何形成的,儿童又如何习得知识,学习的本质是什么,科学教学的本质是什么等等问题,都需要重新加以考虑和认识。当然,并非要一概摒弃传统的科学哲学观点和学习理论,但基于建构主义的理念,充分利用科学史的丰富材料,用更宽广、更开放的心态,做更深入的探讨和展望是必需的。三、了解科学过程人类对事物的认识历史和儿童对事物的认知过程具有相似处。科学史为我们更好地理解儿童的认知规律和儿童认知科学世界的过程、儿童如何构建他们心目中的科学图像提供了依据。皮亚杰的研究也说明,儿童知识的增长与科学知识的增长遵循相同的机制,并以此探寻儿童思维的心理发生和科学概念的历史开展之间的连续性。德国教育学家戚勒(J.Ziller)受到生物学家海克尔(E.Haeckel)的“生物重演律〞的影响,即“个体发生就是种系发生的短暂而迅速的重演〞,提出教育的重演理论。从科学史看,经典物理大体经历了三个时期,渐进期、高原期、突变期。学生物理概念形成过程中心理开展的进程和走向的研究结果,说明人类探究经典物理学的进程与学生物理概念的学习进程有着内在的相似性。学习者在学习新的物理概念、规律过程中,随着学习活动的逐步开展,掌握物理概念、规律的水平也在提高(渐进期);但是学习到某一阶段,总感觉无法进步,物理概念、规律的掌握水平停滞不前(高原期);随着学习活动的进一步深入,“顿悟〞、“融会贯穿〞的现象迟早会出现(突变期),从而准确掌握物理概念、规律。可以说学习者物理概念学习的进程是人类研究物理学进程的“复演〞,是作为学习者的人在学习物理学的过程中“重演〞着人类探索物理学的历史过程。一些科学教科书往往把科学研究的历程过于简化了。牛顿万有引力定律的发现过程,有的描写成是牛顿看到苹果落地后联想出来的;有的只是把开普勒(J.Kepler)第三定律和牛顿第三定律代入圆周运动向心力公式推演出来的。学生误认为万有引力定律就是这样冥思苦想或公式推演的结果,既误解了科学研究的过程,也误解了科学家。门捷列夫(D.Mendeleev)的元素周期律,认为只要根据元素的原子量,按照大小顺序排列就可以得到。这其中的科学思想,艰辛的探索过程和巧妙的方法,全都荡然无存,生动的、丰富多彩的科学开展过程变成了元素符号的排列组合,留下的只是枯燥乏味的机械记忆。科学史引入科学教育正是可以改变概念化地讲授科学,使干巴巴的表达变得生动,并使学生“科学地〞和“直觉地〞思考,而不是与枯燥的最终结果打交道。当前根底教育课程改革强调学生的学习应经历过程,在体验、参与中学习。各种科学课程标准都要求让学习者通过探究去获取知识,就是要让学习者经历科学家研究科学的过程,了解科学知识形成的历史,从而到达真正理解科学知识。不但知道作为结果和结论形态的知识,而且懂得这样的结论是怎么来的,这正是提高科学素养,理解科学本质所不可缺少的内容。四、掌握科学方法在科学家举不胜举的创造性工作中显示出来的种种绝妙的方法,对学生都会有极其深刻的思维上的启示。在一般的教学中,教师讲授的是已得到的成果和经过纯化了的推理步骤,而对于研究方法却提到不多。而且,大多数科学教科书和科学教学中所强调的往往是研究中理性的、逻辑的方法,而实际研究中,科学家们却常常使用带有浓厚的非理性、非逻辑色彩的方法,如科学想像、理想实验、试探猜想、大胆假设、直觉与灵感等等。科学方法在科学教学中是一种渗透和融合,不是贴标签或强行说教,科学方法也随着科学技术的开展而不断开展,科学哲学的研究也将使我们重新认识科学方法的功能和科学方法的合理运用。科学史上的案例可以帮助学生了解科学方法的本质,理解科学家在建构科学理论时,在特定的技术背景、概念架构中所选择或创立的研究方法。布拉什(S.G.Brush)在?Science?上发表论文,曾对科学方法有一段精妙的论述:今天科学史与科学哲学的研究,极大地瓦解了传统的科学形象,科学不再被仅仅看成是对客观事实的发现,“客观性〞不再是科学开展中的唯一主题,传统教科书给出的“假说—演绎〞方法论(理论应该与实验事实相符合),也被许多伟大的科学家亲口否认。爱因斯坦拒绝让实验“事实〞动摇他的相对论的根本假设,而是以洛仑兹(H.A.Lorentz)的理论作支持。狄拉克(P.Dirac)那么说:“一个理论家宁可要一个美的方程,也不要一个丑的但结果与实验数据更一致的方程。〞普朗克更有一个在科学界所传诵的“普朗克原理〞:“科学的重大革新很少通过说服反对者并使他们转变立场来实现,索耳是难以变成保耳的。事实上倒是,反对者逐渐死去,新生的一代一开始就熟悉新思想。〞[9]五、认识科学价值我国传统科学教育的价值取向主要在于:强调经典的学科科学体系,重现学科系统知识的习得,理解学科的根本结构、概念和符号系统,能运用这些知识解释和解决一些学科的问题,特别是运用于解题。突出根本知识和根本技能的教学。根底科学教育的主要目标,是为了培养学科专业人才和科学家,着眼于少数精英学生,对全体学生科学素养的提高比拟无视。科学教育呈学科化、精英化的倾向,无视全体学生科学素质的提高。根底科学教育中应试教育比拟严重,题海战术占有相当大的市场。不少科学教师甚至认为,科学教学就是学科知识的教学,而且是传递—接受式的灌输教学。学生开展的空间被大大压缩,思想受到严重限制。新课改三维目标的提出,是对目前根底科学教育存在弊端的拨乱反正。在根底科学教育中运用科学史,对培养学生的科学态度、情感和价值观,具有特别的意义:(1)激发学生对科学的好奇心和求知欲。很多科学家认为好奇心是科学家的重要素质,诺贝尔物理学奖获得者劳夫林(R.B.Laughlin)在答复清华学子的提问时,对好奇心特别关注,他认为“每个人从小孩起就有好奇心,但这种好奇心到成年后就减少了,要注意这种变化。如果把儿童时的好奇心全丢了,成年后就没有创造力了。所以保持儿童时的好奇心非常重要。〞没有好奇心,就没有热情。没有好奇心,就没有正确的科学态度。[10]学生只有具有对科学的好奇心,才会产生科学学习的求知欲和内在动机,才可能对科学学习产生兴趣,克服学习中的困难,勤奋地学习科学。科学史中大量的科学世界的奇妙、科学发现的奇妙、科学家创造活动的伟大,将激起学生探索自然的热情,科学家献身科学,孜孜不倦追求科学真理的精神,为学生树立了光芒的典范,将激起学生强烈的求知欲。(2)科学态度是现代公民的根本素质,是从事任何工作的根本条件。从根底科学教育的角度看,可以认为有:严谨求实、实事求是、尊重事实、勇于实践,一丝不苟、精益求精、敢于求真,谦虚宽容、善于合作、独立思考、追求自由,崇尚科学、反对迷信、勇于批判、大胆创新,关心环境、关心社会等。科学史中有大量的范例,丰富的内容,使学生受到潜移默化的浸染,并内化为学生的科学精神。(3)如何认识科学的价值,科学史揭示了科学技术被滥用或恶用的情况下,对社会、对人类所造成的危害,既要认识到科学技术与社会之间的复杂的相依关系(STS研究),也要正确地看待科学技术广泛应用后出现的负面效应,从而培养学生的社会责任感。后现代科学史中所提出的一些观点还影响到对科学技术与意识形态关系的重新认识。科学与人文的关系也是十分复杂的,尤其在科学大战(ScienceWar)以后,争论显得十分剧烈,但科学史是连通两者之间的桥梁这一点,却是众所公认的。六、结论运用当代科学哲学的观点,在新课改的背景下,重新审视科学史在根底科学教育中的角色和功能。力求改变原来思维的定势,冲破固有的束缚,使这一研究变得柳暗花明,出现一片新的天地。而且,得到的研究成果,又可反作用于科学教育改革,更深刻地理解根底科学教育改革。科学史应用于根底科学教育,也存在着一定的困难和危险。前国际物理教育委员会(ICPE)主席,国际知名的物理学教育家弗伦奇(A.P.French)指出,把历史和科学结合在一起是棘手的事情。他引证了马丁·克莱因(M.Klein)的话:在试图借助于物理学史或至少是利用物理学史来教物理学时,我们都冒着使物理学或物理学史或两者受委屈的风险。[11]科亨(I.B.Cohen)也指出,许多科学教师喜欢讲一些趣闻,如科学史中最着名的轶事,即牛顿和苹果与伽利略和比萨斜塔的故事,而不会去考证这种说法的历史依据。科学教师所需要和感兴趣的常常是科学的辉格史。[12]毫无疑问,科学教科书的编写,是要照顾到学科本身的知识逻辑的,也要根据儿童的认知规律,教科书的顺序是经过纯化和处理了的知识体系。但是,学生学习科学,以为科学就是按照教科书的顺序严格依照逻辑规律开展的,这样获得的科学开展过程只会是一种被歪曲了的历史和错觉。而科学自身的开展,却是十分复杂和无确定方向的,就像汪洋大海中航行的一叶扁舟,即使最终到达了目的地,航行的轨迹也是完全无序的。科学教育是不能以这种真实的历史过程来进行的,甚至定律和公式的推演过程和表达方式也常常与历史不符,因为那样会让学生漫无头绪、莫衷一是,或冗长繁复、无法理解,找不到根本的知识内在的线索。科学教学中应用的科学史和科学史家研究的科学史是性质不同的两种科学史。科学教育中,在科学与科学史两极之间,极需保持适当的张力,在将科学史应用于科学教学之中时,必须谨慎从事。因此,要力戒科学史在根底科学教育应用中的庸俗化、技巧化的倾向。要防止引发学生对科学和科学史产生不应有的误解,不要只是在枝节上下功夫,而忘掉科学史在根底科学教育中应有的功能和承当的正当角色。目前,我国根底科学教育的大多数教师,科学史的修养还较低,对科学史的教育功能认识缺乏,科学史应用于根底科学教育的研究成果较少,这些都是亟待引起重视的。:[1]MatthewsMR.ScienceTeaching:TheRoleofHistoryandPhi2losophyofSci