开发科学史课程资源,促进科学素养提升

摘 要: 科学史的教育价值和功能被教育工作者所认同。科学给人以知识,科学史给人以智慧。利用科学史料,激发起学生的求知欲望;沿着科学发现的足迹,启迪学生的思维方法,开发学生的智慧;再现科学研究时所采用的思想和方法,领略到科学教育的本质;在鲜活生动的事例中领悟科学精神。

关键词: 科学史 课程资源 科学素养 科学本质

培根说:“读史使人明智。”科学史在科学教育中的价值,得到了全世界科学教育工作者中的认同。科学史独特的教育教学价值在于:科学史可以促进学生对科学本质的理解,促进学生对科学知识的建构,激发学生学习科学的兴趣,提升学生的人文素养,培养学生的批判精神。将科学史融入科学课堂教学,是教学的重要的方向。但目前教科书的编制没能有效地反映科学史的真实情况,教材中的科学史多是科学家的姓名、生卒年月,以及一些简单的故事,这并不能给学生学习科学带来多少实质性帮助。要真正理解、领会科学内涵及科学思想,必须从科学家如何思考这个问题上分析引入,也就是沿着科学发现的足迹从思维角度重新进行展现,这样的学习方式有利于学生思维品质的发展和科学素养的提升。

科学教学的基本理念是全面提高每个学生的科学素养,科学素养一个重要的组成部分就是对科学本质的理解。科学素养是指人们在认识自然和应用科学知识的过程中表现出来的内禀特质,指人们对知识的识记、了解、理解、掌握和应用科学知识的能力,以及发现新的自然规律的能力。因此,科学素养是人们能够认识自然和应用自然规律的特质。学生的科学素养包括知识与技能,过程、方法与能力,科学态度、情感与价值观,科学、技术与社会的关系这四方面。

科学史除了能提供科学知识与技能外,在科学方法、科学思维、科学思想、科学精神等各个方面都提供很好的载体。科学教育的目的是使学生理解科学的本质,并培养学生的科学素养和人文素养,这也是科学教育的最高境界。

一、挖掘史料资源,激发探究欲望

良好的开端是成功的一半,回溯科学发展的历史,发掘与课堂内容相关的史料导入新课,能增加科学的故事情节和人文韵味,增强学生探究欲望,提高学生的强烈求知兴趣。科学史料内容丰富,而且有许多脍炙人口的故事,但由于人们缺乏科学的思维,往往给科学故事增添了许多的神秘色彩,如牛顿因苹果落地发现了万有引力定律,这样的故事实质是对科学思维的误导。科学教学必须从现象到本质进行深度的思维分析,借学生对科学故事好感激发其原始的求知欲望。

上课开始,直接演示某一科学现象或针对某一现象介绍科学史上不同科学家的观点,产生需要解决的问题。当然,向学生揭示这些科学现象最好是利用科学家在历史上的经历。这样既能引起学生的好奇心,又能促使学生了解科学史实,利用科学史料进行探究学习,感受科学发现的过程。

在讲授力是改变物体运动状态的原因时,直接利用羽毛和小球进行落体实验,从小球运动的比较快的事实中,引出亚里士多德的观点:物体的质量越大,下落的速度越快。这一观点延续了两千多年,直到伽利略用逻辑推理的方法发现这是错误观点。推理过程是,他用一根绳子把质量不同的石头联系起来,那它们将以什么速度下落呢?按照亚里士多德的观点,它们的质量是两块石头之和,所以下落的速度也是两块石头之和。可是用绳子联系起来的两块石头又毕竟不是一块石头,大石块下落速度快,被小石块拖了后腿,所以速度减慢,而小石块下落的速度有所增加,很快两块石头都以相同的速度下落,这个速度是两个石块速度的平均值。两个大相径庭的结论都是从亚里士多德的落体观念中推导出来的,可见这种观点是不足信的。

科学史中的许多事例可以为课堂教学提供生动的资源,在大气压强中可以介绍托里拆利请教老师伽利略对“自然界害怕真空”的观点;达尔文对植物向光性的思考,发现植物的尖端可能存在着影响植物生长的物质;巴斯德对伤口感染引起的对微生物的思考。通过各种生动的科学史例,激起学生的强烈求知欲望。

二、发掘科学史料,强化科学思维过程

科学给人以知识,而科学史给人以智慧,科学史料能启迪学生的思维方法,开发学生的智慧。正如布鲁纳说,“知识是过程,不是结果”。对于相关的科学史料直接向学生介绍:(1)历史上科学家对这一现象研究观点;(2)同时期不同科学家的不同观点,以及能说明的实验事实;(3)引导学生讨论这些观点产生的背景、实验的条件,使学生认识到科学认识的历史制约性。科学的发展史是曲折的螺旋式上升的过程,是在不断总结前人基础上的发展,是通过一次又一次的实验事实―理论假设―实验(提供新的事实)―理论修正(建立新的假设)不断完善。在课堂教学中传授知识的同时,更要注重科学的思维过程,发掘科学史中的思维深度,建立完善的课程资源,如让学生理清原子结构的发展史的知识脉络:道尔顿的实心模型―汤姆生枣糕式原子模型―卢瑟福有核模型―玻尔电子云模型。

1.道尔顿的实心模型

道尔顿在思考物质组成时,提出物质是由原子构成的。用他的话来说,“我是选择用原子这个字来表示这些终极质点,而没有用质点、分子或者任何其他小的称号。因为它更容易表达出它的意思,它本身有不可再分的含意,这是其他名称所不具有的”。实际上在这里道尔顿提出了原子是一个不能再分的原子模型。

2.汤姆生枣糕式原子模型

实验事实:由于科学实验的技术进步,汤姆生在1897年发现了任何物质和原子中都有带负电荷的电子。

思维过程:原子是呈电中性的,既然任何物质的原子都有带负电荷的电子,显然原子内部肯定还有带正电荷的一种微粒。这和道尔顿提出的原子不可分的观点是矛盾的,通过这一实验事实说明原子实心模型是错误的。

新的假设:提出了面包葡萄干(西瓜模型)结构的原子模型。

电子的发现是科学史上一次革命性的事件。从电子的发现入手,打破了原子不可分的传统观念,标志着人类对物质微观结构认识的开始,证明道尔顿的实心不可分的原子模型是错误的。让学生像科学家一样思考,在探索过程中体验到学习科学知识的方法和乐趣,然后给出通过探究将“汤姆生的发现”转换变成“汤姆生的原子模型”。

3.卢瑟福有核模型

由于实验技术进步,对微观世界的认识越来越深入,1909年,卢瑟福做了α粒子散射实验。

实验事实:1909年,卢瑟福用α粒子来轰击原子内部,大部分沿原来的方向前进,少数发生了较大偏转,极少数发生超过90的大角度偏转,甚至被完全反弹。

思维过程:如果用α粒子去轰击汤姆生模型,是不可能出现反弹现象。从质量上分析电子和α粒子分别类比于泡沫球和胶木球。用胶木球撞击泡沫球路径不会改变,要使路径发生改变只能是撞击质量较大的铅球,从实验的结果看,原子内部可能存在着质量较大的微粒。由于大部分的α粒子直线前进,只有少数的发生偏转,说明质量大的微粒所占的空间比较小。依据这样推理,原子中间有一个质量很大、所占的体积却很小的微粒,而电子在周围环绕着。这样的模型和太阳系的模型有着类似之处,于是提出了原子的核式结构模型。

用卢瑟福的原话说:“这是我一生中最不可思议的事件,这就像你对着卷烟纸射出一颗15英寸的炮弹,却被反弹回来的炮弹击中一样不可思议。”一边是恩师的理论,一边是千真万确的实验事实,经过长时的思考,怀着“吾爱吾师,吾更爱真理”的批判精神,1910年底,卢瑟福终于作出决断,放弃汤姆生模型,承认原子有核的核式结构模型。

新的假设:原子有核模型(太阳系模型)。如单纯从知识传授角度,这一知识可能几分钟就可以解决,但分析科学观点的形成过程,思维解决方案,可能在课堂上花费45分钟,学生也难以领悟。科学课堂教学的目标是传授学生学习科学的方法,重视科学知识的形成过程,这样的教学是长期的、潜移默化的,不能急于求成。

目前对科学史的教学往往有急功近利的思想。如在学习电流的磁效应时,往往通过用奥斯特实验就马上知道电流周围存在着磁场。其实1820年7月,奥斯特公布了电流周围存在着磁场是一个非常严密的思维过程。他用一根白金丝把伏打电池的两极连接起来,当导线通电时,旁边的小磁针就转动了。当时他认为这可能是由于电流产生的热量使周围的空气流动造成的干扰,于是在电流和小磁针之间用纸片隔开,发现小磁针还能转动,排除了空气流动的原因,让导线转动180°小磁针也会转动180°。当导线放在小磁针的下方时,小磁针的方向发生了改变,由此说明小磁针的转动的确是由导线中的电流引起的。

从奥斯特的思考的过程中不难发现,科学课堂教学中对实验现象的分析,存在着只强调得出的实验结果的弊端,缺乏思维的严密性,对过程的分析没有有效地发掘。发掘科学史中的思维资源,是对科学思想最好的诠释。让学生在认知思维上深刻认同科学家们的思维方法和技巧,如果学生思维活动不能得到足够的关注,就将导致教学活动的表面化,缺乏深刻性。科学教育的目的就是提升学生的科学素养,促进其对科学本质的理解。

三、拓展史料情境,充实科学方法内涵

1.阿基米德的转换法

在分析阿基米德定律时,除了注重讲解浮力发现史外,还要从科学方法上进行拓展。2000多年前,古希腊学者阿基米德在思考如何鉴别王冠的含金量时,从洗澡浴缸向外溢水的现象中受到启发。质量相同金和银的体积不同,当将它们放入水中时,溢出水的体积也不相同,由此归纳出液体中物体受到浮力的规律,把物体受到的浮力转换为物体排开水的重力。从阿基米德的思维方法中,我们可以悟出一个解决问题的方法,即如果直接处理或解决某一问题而感到困难时,可以将问题等价地变换为我们熟悉的另一个问题去解决,我们把这种方法叫转换法。

“转换法”,主要是指在保证效果相同的前提下,将不可见、不易见的现象转换成可见、易见的现象;将陌生、复杂的问题转换成熟悉、简单的问题;将难以测量或测准的量转换为能够测量或测准的量的方法。在科学教学过程中,不能被测量的量例温度、电流、电压、磁性的强弱、压强都是通过这种方法测出的。温度不可以直接测量,将温度转换成液体受热膨胀来观察,根据液体液面的高度变化来衡量温度的高低;磁性的强弱不能被直接观察,但可以借助磁性的作用效果来反映,通过磁铁吸引小铁钉的多少来确定磁铁的磁性强弱;空气看不到,摸不着,可以根据空气流动(风)所产生的作用来认识它;分子是微观世界,不能确定它的运动状况,可以通过研究墨水的扩散现象去认识它。

2.伽利略的理想化法

亚里士多德认为“力是维持物体运动的原因”,这一认识统治了人们的思维观念两千年,这一凭直觉的生活经验,被看成天经地义、不证自明的结论。伽利略提出了质疑,为什么木块在水平面上运动,停止推力作用后,表面越光滑木块向前滑动的距离越大。假设所有的摩擦力都被理想化地消除,木块就会沿着直线永远不停地运动下去。由此得出一个极其重要的物理原理,即维持物体的运动速度不需要力,而力是改变物体运动状态的原因。这不仅是一个概念的产生,更是一个观念性的思想突破,是理想实验这一科学思维方法在科学探究上的真正开始,是人类思想史上最伟大的成就之一,是人类智慧史上的重大飞跃。

初中科学中除了牛顿第一定律用到了这一理想化方法外,在探究声音在真空中的传播时也用到了这一方法。在做真空不能传声的实验时,我们发现空气越少,传出的声音越低,由此推理,若空气越稀薄,则声音更低,没有空气则不能传声。而为了描述磁场中的磁性强弱和方向,则引入磁感线概念。

3.法拉第的逆向思维法

1820年,奥斯特发现了电流的磁效应,善于思考的法拉第就意识到,既然电能生磁,那么磁能否产生电呢?经历了多次的失败,他并没有退缩,坚信“电和磁是一对和谐的对称和统一现象,既然电能产生磁,那么磁也一定能生电”。在1822年法拉第的日记中有这样的记载:“我因为对产生电的方法感到不满意,因此急于想发现电磁及感应电流的关系,觉得电学在这一条路上一定可以有充分的发展。”他做了各种的实验,把磁铁静置在线圈内,没有电流产生。他又改用大的磁铁,多次改变导线与磁铁的位置,仍然没有电流产生。又不断替换各种形状的磁铁,一直都未能成功。实验断断续续地经历了10年时间,不知经受过多少挫折,他终于在1831年10月17日,获得了成功。

科学史中除了以上提到的方法外,还有假设法、发散思维法、创新法、建模法、实验法。再现科学家进行科学研究时所采用的思想和方法,可以让学生领略到科学的本质,掌握科学学习的策略和科学的思维方法,促进学生的科学素养的提升。

四、引入科学史实,渗透科学精神

科学精神难以从单纯讲授中理解,需要不断体验、内化并在潜移默化中领悟。科学史中的鲜活生动的素材为这一教学提供了大量资源。科学进步与社会的发展密切相关,科学发展史不仅记载着科学知识的一步步重大进展,而且反映着每一进展中人类为之所做的努力,历经艰辛付出的代价、获得的经验和教训等。

法拉第为发现电磁感应现象花费了十年时间。同时,在英国皇家学院实验室,沃拉斯顿也在紧张地做着相同的实验,但他却没有能成功。用法拉第老师戴维的话说:“仅仅是因为仪器出了点故障,实验失败了。他没有继续探索,否则沃拉斯顿将成为电磁感应现象的最早发现者。”而在1822年,安培做过这样的实验:把铜质多匝线圈A固定在绝缘支架上,把另一单匝线圈B用细线悬挂起来,两者在同一平面内。在实验过程中,有一个重要的异常现象被安培忽略:A线圈接通电流的瞬间B线圈动了。遗憾的是,安培没有对这一细微的现象进行观察,错过了发现电磁感应的机会。

机会是给有准备的、时刻努力、锲而不舍的人的。用活生生的事例去感染学生,用科学家的精神同化学生的心灵。用巴斯德的话说即是:“意志、工作、成功,是人生的三大要素。意志将为你打开事业的大门;工作是入室的路径;这条路径的尽头,有个成功来庆贺你努力的结果……只要有坚强的意志,努力的工作,必定有成功的那一天。”

科学精神就是敢于追求真理,对科学事业的执著和顽强,尊重客观世界,具有怀疑的态度、批判性的思维和创造能力。科学精神是探索知识的理性精神、实事求是的严谨精神、批判创新的进取精神、互助共进的协作精神。

参考文献:

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