摘要：利用学科发展史进行教育由来已久，但也受到多方面的质疑。针对提出的普遍性问题，回顾或建立了５种化学史教学模型：历史探究模型、科学故事模型、概念转变模型、科学论证模型和课程开发模型，结合具体案例阐述了化学史教学的操作策略，指出今后发展方向。
关键词：化学史；科学哲学；科学教育；教学设计；理论模型
ＤＯＩ：１０．１３８８４／ｊ．１００３－３８０７ｈｘｊｙ．２０１５０６０１０２
将科学发展历史融入理科教学的主张可以追溯到１９世纪中叶的哲学家、历史学家威廉•惠威尔（ＷｉｌｌｉａｍＷｈｅｗｅｌｌ，１７０４－１８６６），他利用科学史论述自己的科学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［１］。２０世纪中期以来，科学哲学家们越来越多地关注科学教育领域，大大促进了这一研究的发展。但关于在教学中“为什么以及如何使用科学史”的争议从未停止，不同学科背景的研究人员激烈论争，其核心观点随时代变迁也在不断变化。科学哲学家认为，理科教师普遍没有接受过正规的科学哲学学习，他们不了解科学本质方面的内容，在教学实践中常常传播一些错误的观点：理科教学中教师都会强调科学研究的规范性，但许多研究表明，科学的发现并没有一套严格的科学方法或操作程序，相反，科学家们常常以主观的方式进行工作。如门捷列夫（ДмйтрийИвáновичМенделéев，１８３４－１９０７）一生都坚持认为，原子是构成物质的最小微粒，它不可再分［２］。所以，要通过化学发现的历史，解释“什么是科学方法”或者“哪些理论是科学的”，是十分困难的。科学史研究者认为，科学研究方法和历史研究方法完全不同：科学研究的目的在于探究自然现象发生的本质原因，一般不需要考虑科学发展过程中的偶然因素或科学家个人特质；历史研究则恰恰相反，只有详细记录考查事件的所有细节，才能从历史中得出有价值的结论。一些研究者进一步指出，科学教育中使用的科学史根本不可能是真正的历史：由于为了达到科学教育的目标或说明科学理论的正确，理科教师会从大量科学历史中选取符合现代科学规范的实验数据、现象解释或标准步骤，有意地忽略不符合当代科学理论的实验现象。所以，理科课堂中的科学史只能是教师按照主观意愿“虚构”的准科学史或虚假的科学史［３］。学习心理研究者认为，有趣的历史轶事和偶发性事件，或许能够吸引学生暂时的兴趣，但不能帮助学生理解复杂的科学知识。例如，历史上化学家们遇到的问题，今天的学生未必感兴趣或无法理解：古代学者为了证明空气的存在耗费了近６００年时间，今天的学生已经不会对这一问题产生疑问［４］。可以看出，在化学教学中融入本学科发展的历史不是一件容易的事情。一方面，它要求化学教师能够以历史唯物主义的观点审视学科的发展过程、学科方法的演变和思想观念的进步———门捷列夫在从事科学活动之初就接受了原子论，但没有受传统经验论和形而上学的束缚，而是注重理论与实验的辩证统一，找到了化学过程的合理解释［５］。另一方面，教师需要研究化学史在教材中的地位、呈现方式、学生的认知结构等要素，以此为基础选择或形成有效的教学模型。从而提高教学设计和课堂活动有效性，实现化学史的教学价值。近年来国内对基于化学史的教学研究关注较多，但多数局限于化学史教学功能与价值的说明，而实践层面关注较少［６］，更缺乏从哲学层面对“化学学科方法”“学科思想发展”和“化学与社会之间的关系”等相关问题的反思，也就难以通过化学史的教学使学生真正理解科学本质。正因为此，呈现基于化学史进行教学的常见模型，以期为这一研究领域提供一个值得参考的发展方向。
１历史－探究模型：展示科学方法
自从施瓦布（ＪｏｓｅｐｈＪ．Ｓｃｈｗａｂ）１９６２年发表其代表作《作为探究的教学》以来，“探究教学”已成为科学教育改革的重要标志。但当时的理科教学普遍存在“科学探究形式化”的倾向：一种形式是探究过程被设计成对科学理论的验证过程，学生遵照“测量数据－计算结果－与标准进行比较－验证理论”的固定步骤学习，科学教育变成了技能训练和公式记忆；另一种是缺乏指导的课堂教学，即完全由学生提出假说，设计实验，至于这种开放性的学习对学生的发展价值，部分教师甚至认为无论探究结果正确与否，学生都能学会科学研究的方法。科普尼斯（Ｋｉｐｎｉｓ）认为，这２种方式既不符合科学发现的真实情况，也无法满足学生发展的需要，即使学生体验了整个科学的学习步骤，却无法解决简单的实际问题。为了真正达到理科教学的目标，他提出“历史－探究”（Ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ－Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｖｅ）教学模式（图１）。复演科学史中的著名实验，学生可以体验科学发现的实际过程。如波义尔（Ｂｏｙｌｅ，１６２７－１６９１）将浓盐酸溅到紫罗兰上，发现紫罗兰变成了红色。其后波义尔将药草、牵牛花、苔藓、月季花、树皮和各种植物根作为变量１，不同的酸、碱溶液作为变量２，通过实验提出了酸碱指示剂测定溶液酸碱性的理论。历史－探究教学模型展示了科学发现的以下特点：（１）实验与理论之间的关系。很多时候，科学家提出多种假说并实验验证，归纳出科学理论，这一特点在２０世纪前尤为明显。常见的课堂教学却体现出理论在前的特点：教师先告诉学生酸碱指示剂的概念，学生以实验的形式证明理论的正确，这种做法不利于学生形成良好的科学观。（２）归纳和演绎法的关系。“历史－探究”的教学设计中，学生利用简单的材料模拟历史上的经典实验，形成科学概念。这样的学习是通过实验发现各种变量之间的关系，积累足够的感性经验，避免早早进入抽象的理论学习。表１是初中化学“质量守恒定律”教学中，基于化学史材料的教学设计分析。
２科学故事模型：体现科学发现背景
将科学史改编为戏剧或故事进行教学的实践由来已久，它能够提供学科知识整合的应用背景，促使学生思考现实情境中的问题。早在１８５９年英国皇家学会（ＲｏｙａｌＳｏｃｉｅｔｙ）的圣诞讲座上，法拉第（Ｆａｒａｄａｙ，１７９１－１８６７）就表演了化学剧《蜡烛的化学历史》，形象生动地阐释了化学反应基本原理，特别适合孩子和初学者［９］。万德斯（Ｗａｎｄｅｒｓｅｅ）等开发和使用互动历史故事（ＩｎｔｅｒａｃｔｉｖｅＨｉｓｔｏｒｉｃａｌＶｉｇｎｅｔｔｅｓ，简称ＩＨＶ）技术：围绕化学课程每一单元核心概念，搜集历史资源，精心设计一系列互动历史故事视频短片（大约１５ｍｉｎ），并将这些材料融入正式的化学教学（图２）。ＩＨＶ的制作包括以下步骤：（１）选择一个合适的ＩＨＶ事件，准备一系列问题，这些问题将在故事呈现后由教师提出，引导学生有意义地讨论；（２）精心撰写一段有“情节背景”的、符合科学概念发展的纪实电视剧本，它提供了理解科学知识所需要的问题情境；（３）撰写科学发展关键点的“事件脚本”，在课堂教学中，教师应该在此处打断故事，要求学生对科学研究的结果加以预测和探讨；（４）编写呈现“事件结果的脚本”，即在这里将由教师以合适的方式揭示科学故事的真实结果；（５）搜集原始资料，包括历史图片、科学家手稿、影视作品等，编辑制作成录像片或视频材料。原则上，整件ＩＨＶ（包括在选择点的停顿和学生讨论）所花的课堂时间不要超过７ｍｉｎ，也不要连续介绍３个以上的故事。为了保证学习的有效性，这种方法要求教师本人撰写科学历史故事：选择自己最感兴趣并与所教学科课程相关的内容；阅读文献资料，寻找科学史中最引人入胜、具有关键作用的事件，包括科学家面临的难题，运用已有知识解决问题或提出新的科学理论；将科学发现的关键问题转化为学生可以参与研究的问题（表２）。
３概念转变模型：引导学生思维
概念转变理论认为，学生带着不同概念进入课堂，其中包括大量的错误概念或朴素概念，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。心理学家皮亚杰（Ｐｉａｇｅｔ，１８９６－１９８０）提出，学生的错误概念很大程度上和古代科学家提出的错误理论一致，科学史是理解学生科学思维形成过程的有益资源［１２］。诺曼（Ｎｏｒｍａｎ）利用社会建构主义理论和科学模型的方法，建立了科学知识发展史中科学模型演变和课堂教学中学生认识发展阶段之间的类比（图３）。（１）智力模型。科学家个人或某个科学团体在研究中提出的概念模型。（２）表述模型。科学家通过演讲、出版等形式，将智力模型转变为供其他群体认知的模型。（３）一致性模型。一致性模型分为２种：①一定时期内被多数科学家认为正确的概念；②学生通过学习形成的新概念。（４）历史模型。随着科学认识发展，大多数曾经被接受的模型会被新的科学模型代替，从而成为历史模型。（５）教师模型。教师在课堂上提供给学生的概念模型。（６）学生模型。随着学生科学认识水平的提高，头脑中逐渐形成更为科学的概念模型。探究每一种历史模型提出过程中理论和实验之间的逻辑关系，或者对几种历史模型进行比较和研讨，是在化学教学中融入化学史行之有效的教学策略（图４）。以化学微粒观的形成为例，抽象的化学概念是导致学生感到化学学习困难的主要原因。与之对应的是，人类对微观世界的探索也经历了数千年。微粒概念形成历史能够体现学生概念形成特点，为教学设计提供有益启示（表３）。概念转化的教学设计中，教师要做好３方面工作：（１）研究具体科学概念形成的历史条件，如当时的认识困难、社会文化观念、语言特征、科学知识的结构与体系等；（２）分析学生思维的特点，如预测他们的认知困难、学习的能力起点、思维论证特点等；（３）把这些条件改造并融入到课堂活动中，如分析历史情境与课堂情境的异同，选择适当的教学策略，采用恰当的元认知水平指导等。
４科学论证模型：形成批判思维
奥斯本（Ｏｓｂｏｒｎ）提出，应该让学生参与历史上科学家的问题解决过程，以此体会科学方法。具体教学实施流程见表４。这一教学模式适用于物理、化学、生物等不同学科，它强调实验证据对科学解释的支持性。课堂上，教师的工作就是鼓励学生提出尽可能多的、不同于他人的观点，并适时提供其他的解释参与讨论；对学生而言，这种讨论能力是他们未来参与社会决策、做出合理判断所必需的。具体到化学学科，这一教学模型能够体现当代教育关注的科学本质内容，促使学生批判思维的形成：（１）同样的化学实验有不同的理论解释或支持不同理论，如过渡态理论和碰撞理论都能够解释化学反应中的能量变化，杂化轨道理论和价层电子互斥理论也都可用于解释物质的结构。（２）历史表明，即使后来被普遍接受的科学理论，至少在开始阶段并不是很容易被人接受。化学发展史上电离理论建立之初就受到水合理论的质疑，双方围绕氯化钠等电解质溶于水中是否发生电离、溶液中存在的是离子还是分子等问题，不断提出新的实验数据和解释［１６］。
５课程开发模型：提供教师发展
科学史融入教学实践不是一个直接简单的移植应用过程，它还包括教师的解释过程。尼尔斯（Ｎｉｅｌｓ）给出了一个将科学史转化为教学实践或课程开发的双循环模型，又称为双循环解释学模型［１７］（图６）。在教师的教学解释模型中，Ｔ－Ｃ１－Ｉ循环是一般教师教学所经历的思考过程，即由教材内容向教学实践的转化过程。当教师考虑在教学中使用科学史的内容时，必须经历Ｃ２循环，此时教师有２个方面的工作：（１）领会过去的科学家们通过科学现象建立理论的过程，并经过教学加工，呈现于教学之中；（２）考虑Ｃ１和Ｃ２间的联系，避免陷入琐碎的历史细节，影响科学知识的形成和教学目标的实现。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。这一模型重要的是以科学思想的发展历史提供有关“为什么”的解释和引导。教学设计包含４个步骤：（１）教师掌握教材中有关主题的学科概念体系和知识的历史演进；（２）选取学科知识发展的关键步骤，如关键性思想、理论遇到的困难和重要性问题解决等；（３）对这些关键步骤加以改编，便于在课堂上使用；（４）为关键性步骤配备难度递增的系列问题。４个步骤中，教师和学生都要很好地理解教材内容要求和科学史材料：第（２）（３）步要求教师熟悉科学发展中的困难以及学生理解上的障碍，在历史的启发下选择驱动性问题，激发学习动机。第（３）（４）步中，科学史融入有２种方式，显性融入：按照历史事件组织教学，描述不同时期的科学，展示科学的演化和发展的主要阶段；隐性融入：不必考虑历史顺序，目标始终放在现代形式的科学理解上，对科学史材料的考察也只要运用现代的概念和逻辑。这一解释学模型以学科知识教学与课程开发为目标，重视科学的知识学习和方法论意义。把科学史作为有意义学习的支撑，具体给出了将学科史融入实际教学的途径和方法，体现出化学史教学对教师专业发展的价值（表５）教学设计模型能够沟通理论与实践２个方面，就进一步发展而言，这些教学模型给我们以下启示：（１）充分发挥化学史的教育教学价值化学史在化学教学中的应用模型演化，明显体现出的特征是：①将化学史内容整合到化学课程或教学过程中，而不是作为一项额外的任务；②教学突出对科学方法的重视、教学的探究性和学生理性思维能力的养成；③突出以学生为中心的思想，在展现科学知识形成过程中，促进学生积极思考，参与知识的建构和问题解决，形成动态的、变化的知识观，理解科学与哲学，提升问题解决能力。（２）探讨化学史教学模式的有效性多角度分析教学策略是学科史融入化学教学的关键，基于化学史的教学设计需要考虑多方面的因素。包括：①化学发展史的本体研究，如化学理论发展与实验之间的关系，科学家进行问题解决时的推理过程，与其他科学家相互交流、启发形成新观点的过程，只有对化学发展历史本身的深入掌握，才能科学地对其使用；②化学史教学问题研究，如化学教材选择化学历史内容的标准、呈现的方式等，以此为基础，选择或制定有效的教学模型。（３）化学史应成为学科教师教育的重要内容学科发展历史融入化学教育，不仅有益于教学方法和教学模式创新，还是理科教师专业发展的一个途径。一般的理科教师教育不太重视科学史，职前职后教育也缺乏这一部分内容，导致教师对本学科发展历史重视程度不够，应用学科史教学的自觉意识不强［１８］。科学史、科学哲学与科学社会学等内容应作为教师教育的组成部分，加强学科史的教育，开展基于学科史的教学研究，能够有效促进化学教师的专业发展。
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作者：孟献华 倪娟 单位：南通大学教育科学学院 江苏省中小学教学研究室
