科学史在基础科学教育中的角色

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摘要:科学史在基础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,全面了解科学发生发展的过程,基本掌握科学方法,正确认识科学的价值。同时,科学史应用于基础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,推进我国的基础科学教育改革。 关键词:科学史 科学本质 科学知识 科学过程 科学方法 科学价值 科学史与基础科学教育相结合,推进基础科学教育的改革,已成为当前的世界潮流和趋向。在当前全面推进基础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基础上,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不足,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,以对我国当前的基础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叙述,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较一致的认识,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。而科学史表明,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发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“差错”,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。而科学史表明,伽利略的推理不是以实验数据为基础的,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基本的科学方法的开始,新课改强调过程与方法,是科学本质观的体现,是符合科学史所揭示的科学发展的内在规律的。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。科学史表明,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宝贵的协作、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。只有体现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?研究结果表明,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部分和由主体构成的另一个部分之间组合的产物。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,但每个人都承认能在科学史上找到一种类似的态度。[5]瓦德西(J.H.Wandersee)的研究也表明,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表明,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。科学史表明,科学的发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发展,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,物体若质量很巨大、很小、或速度很快,则牛顿理论会不适用。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佳科学史教材,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

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