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我八岁时曾听过一个故事,此后它一直留在我的脑海里。记得我的中学老师给班里讲了一个已故伟大科学家的故事。他们极其崇敬地讲到他,称他是整个人类历史上最伟大的科学家……但是他死之后,他的未完成的论文仍然摆放在他自己的办公桌上。
我被这个故事迷住了。对于一个孩子,这是很神秘的。他未完成的工作是什么?他桌上论文的内容是什么?什么问题可能会如此难以解决而又非常重要,值得如此伟大的科学家把他的有生之年花费在这种研究之中?由于好奇,我就决定学习我能学到的关于爱因斯坦的一切以及他未完成的理论。我记得,我花了好多时间静静阅读我能找到的关于这个伟人和他的理论的每一本书。这种记忆到现在仍然温暖如春。我读完当地图书馆的书之后,就开始在全市搜寻图书馆和书店,急切地查找有关线索。不久我就知道这个故事比任何神秘谋杀故事更加激动人心,也比我想象的任何事情都重要。我决定要对这一秘密刨根究底,纵然因此而必须成为一名理论物理学家也在所不辞。
(选自《一名物理学家的教育历程》)
[ 运用方向]
1. 好奇心是指对一个有序世界微小差异的敏感性。充满好奇心的人渴望寻求新奇的事物和陌生的东西,希望给一切问题找到更好的答案。
2. 科学不应该是枯燥的,而是应该充满乐趣的。探寻自然的奥秘,对真正的科学工作者来说,是乐此不疲,充满激情的。
3. 对孩子的激励教育应该是充实具体的,而不是空洞的。谁会想到加来道雄的教育历程竟源自一个中学老师所讲的爱因斯坦未完成的手稿?
4. 执着的精神和坚强的意志。这是每一个追求真理的科学家的基本素质。加淼佬邸盎了好多时间……查找有关线索”正说明了这一点。
[ 习作片段]
当一个人为了自己所喜爱的事物努力奋斗时,他是幸福的。他会十分兴奋,并充满热情,所以不会感到厌倦和疲惫。而当一个人只是一味为生存而谋生时,其中的辛酸、艰苦,只会让他越来越痛苦,越来越没有精力。这两者的区别是很明显的。抱着对生活极大热忱的人不会轻易放弃,即使遇到了过不去的坎,一时懈怠,但最终还会因为心中的爱继续坚持,并竭力寻求更加完善的解决方法,所以他们往往拥有一个充实、愉悦、成功的人生。为了活着而活着的人,他们是可悲的。坎坷的人生之路上,人需要有极大的勇气去激励自己,但是因为他们没有热情,便会计较起平常的小失败,然后怀疑自己,怀疑人生。这种不自信会折磨他们的心理,给他们一次又一次打击,直至耗尽了人生前行的勇气。
加来道雄少年时接触到爱因斯坦的“未竟事业”,激发了他的探究兴趣。他之所以感到“激动人心”,是因为他把爱因斯坦的理论当成一个“侦探故事”来阅读、探究,因为它撩拨起了他对科学探索的极大热情,“我决定要对这一秘密刨根问底”,这股热情又持续增温,进而养成了他科学研究的毅力和恒心,使他具备了成为一个科学家的基本素质。这,就是爱的力量。
下午好!
理想是灯,让你明辨方向;理想是船,载你乘风破浪;理想是天,任你展翅翱翔。每个人都应该有理想,都应该为理想而努力。今天我为大家演讲的是《放飞梦想实现自我》。
从我懂事起,我就喜欢听妈妈讲科学家的故事,后来也喜欢看有关科学家的书籍,了解了蔡伦、袁隆平、牛顿、爱迪生等科学家的事迹,对他们的敬佩之情油然而生。慢慢地我就有一个特别大的梦想,长大以后成为一名科学家。
我想,我当了科学家,可以让我们国家在经济、文化、科技、军事等方面更快地发展,成为世界强国;也可以让我们人类过上更健康更便捷更舒适的生活;还可以让我的人生价值最大化,让家人为我骄傲,母校为我骄傲,祖国为我骄傲!
学到微积分部分时,我把牛顿和莱布尼兹及追随者们的生平故事,他们发现及发展微积分理论的过程,他们在数学及其他领域内所做的研究工作与贡献,还有关于微积分发明优先权问题的争论,各个微积分符号的含义、公式的由来,微积分理论在各学科中的广泛应用等穿插在各部分内容中给学生分散讲授.下面是我的一节实验课:定积分的概念.
定积分的概念非常抽象,很难理解,并且得出概念的方式也与以往有所不同,定积分的计算及其他一些内容是本书的难点.如果这一节讲不好,会给以后的学习带来困惑.俗话说“良好的开端是成功的一半”,为了开好这个头,我下了很大的工夫,提前查资料,找寻与本节课有关的内容.本节课我是这样设置的:
大家都喜欢吃苹果吗?
同学们都笑了,不知道老师葫芦里又要卖什么药,但还是说“喜欢”.
我笑着说:“我也特别喜欢吃.”我又问:“那你们知道与苹果有关的非常有名的定理是哪一个?又是谁发明的?”
同学们异口同声地说:“万有引力定律,牛顿发明的.”这时同学们有些阴阳怪气了,是啊,大家都是从小听牛顿的故事长大的,我现在问,他们以为我把他们当小孩了.
我又问:“是啊,同学们都非常熟悉牛顿的两大成就,万有引力定律和光的分析,但他还有一个更大的成就,你们不知道吧?”
这时同学们的胃口被我吊起来了,我顿了一下说:“那就是计算定积分的基本公式——微积分基本公式.那什么是定积分?微积分的基本公式又是怎么样的?又如何运用它计算定积分?这是我们本章所要研究的内容.”我接着讲到:
定积分的概念起源于求平面图形的面积和其他一些实际问题,定积分的思想在古代数学家的工作中就已经有了萌芽,很早以前在许多人的工作中已经形成,但结果都是孤立的和零散的,直到牛顿—莱布尼兹公式,也就是我们刚刚提到的微积分基本公式建立以后,计算问题得以解决,定积分才迅速发展起来并得以广泛应用.因此牛顿和莱布尼兹被称为定积分的奠基人.牛顿和莱布尼兹都是数学史上最伟大的科学家,特别是牛顿被誉为近代科学家的开创者,在科学史上做出了巨大的贡献,他的三大成就——光的分析、万有引力定律和微积分,对现代科学的发展奠定了基础,世人给了他很高的评价.曾有一句话是这样说的:“自然和自然规则在黑暗中躲藏,主说,让人类有牛顿!于是一切被光照亮.”而牛顿却非常谦虚,有人问他成功的秘诀,他说:“如果说我有点成就,没有其他秘诀,唯有勤奋而已.”他又说:“假如我看得远点,那是我站在巨人的肩膀上.”这些话生动地道出牛顿取得巨大成就的奥秘所在,那就是在前人研究的基础上,以现身的精神,勤奋地创造科学的新天地.虽然我们不能人人成为伟人,不能人人成为科学家,但我们要学习伟人的这种精神,在学习上孜孜以求,去发现科学、学习科学并应用科学.
同学们被科学家的精神感动了,我顺势一转,那么课本是如何从两个实例出发,引出定积分的概念?定积分的概念又是怎样的?如何应用它来解决实际问题?我们一起来研究一下:
你喜欢被老师表扬吗?
废话,谁不愿意听好话!虽然常听到什么“忠言逆耳利于行”、“良药苦口利于病”,可挨批评、吃苦药,只有傻瓜才会乐呵呵的吧?
没错,要笑嘻嘻地面对“逆耳话”,得经过好多好多年的“锻炼”,使自己有了一级棒的心理素质才行。比如说,能“厚脸皮”――这儿的“厚脸皮”是好话哦。这样的“厚脸皮”,跳舞跳得不好继续学,下棋输了继续下……那些潜伏在敌人心脏里的人,心理素质很高,不管别人说他什么,在他听来,仿佛说的都是别人。
也不能怪人不愿意听“逆耳话”。科学家有新发现:人的身体里就是有这么一种基因,当你受到批评或者遭到拒绝等的时候,身体很不舒服,有时甚至“心如刀割”。
心情痛苦,叫“心理”痛苦,注意,上面说的是身体痛苦,也就是“生理”痛苦。在科学实验中,当人听到“逆耳话”时,身体里跟疼痛有关的地方,反应特别特别地厉害――嗨,我们的身体天生让人不愿接受“逆耳话”。
不是身体那么娇气,“碰不得”。其实,有这样的基因,对人有好处:让人希望得到称赞,为了得到称赞,愿意去学得更多、干得更好、对人更友好……这不是好事吗?
老师的秘密
但是,愿意听好话也不一定都是好事噢。
现在的老师经常对我们说的是“你真棒”、“你真聪明”,我们听得很舒服,而老师们也觉得自己做得对,因为他们大多听过这样的故事:
50年前,美国的一位科学家曾经到一所小学,在6个班级每班抽了3名学生,然后把这18个人的名字告诉校长和他们的老师,说:“这是你们学校中最好的学生。”因为这位科学家很有名,大家都相信他说的是真的。于是,老师对这些学生特别重视,还常常鼓励他们,让这18名学生觉得自己真的是最棒的。过了8个月,这些学生个个学习成绩有很大进步,各方面表现也非常出色。而原来这些学生,大多数都是比较一般的。
其实,这个科学家是为了科学实验去的,18个学生都是任意挑选的。
老师们从这个故事中学到了这样的道理:批评学生,会让他们觉得自己不行,对自己没信心;只有不断表扬,他们才会更加努力,不断进步。虽然有时老师并没有觉得你棒――这就是老师的秘密。
做真正最棒的
不过,这么多年下来,不少老师有点苦恼。比如,他们常常对学生说“你真棒”、“你真聪明”,一开始似乎有用,让一些学生努力学习、好好表现,可是不久就不行了。
科学家的最新研究,也发现老师说的问题确实存在。他们研究了心理,也研究了生理――脑袋。
比如,经常受到“你真聪明”表扬的学生,为了保住自己“聪明”的“宝座”,对没有把握的事情,比如一道难题,就不肯到黑板上去当场解答,唯恐自己做错,从“聪明”变成“笨蛋”。而那些没有经常受到这种表扬、但很有勇气的学生,倒是不怕“丢面子”,会勇敢地当着大伙的面去解题。如果解不出,没有关系;即使听到一些不怎么好听的话,比如“你看清题目没有”、“你有没有动过脑子”等等,也不会觉得丢脸,反正再去动动脑筋就可以了。如果解出了,非常高兴,知道自己的聪明不是天生的,是靠不断学习、不十白难题而得来的。这样的学生,长大后,面对更大、更多的“难题”,都不会害怕,而且,会真的越来越聪明。
关键词:科学史;科学课程;融入;方式;策略
科学史是科学产生、形成和发展及其演变的规律的反映,是人类认识自然和改造自然的历史,是人类思想宝库中一笔十分宝贵而丰富的精神财富,也是科学教育的重要资源。重视科学史教育,把科学的思想观念、典型事例、演变发展过程融入科学课程与教学之中,已成为当代科学教育改革与发展的一大特点。综观当代世界范围内的科学教育改革实践,人们越来越重视科学史在科学教学中的作用,科学史正在从科学教育的边缘进入科学教育的中心。因此,科学史融入科学课程的研究,已成为科学教育理论和实践研究的重要课题。本文主要探讨科学史融入科学课程的基本原则、方式和教学策略等问题。
一、科学史融入科学课程的原则
长期以来,在我国的科学教材中,虽然也包含有科学史方面的内容,但是仔细分析以后就会发现存在很多问题。在教材编写中,当涉及科学史方面的内容时,篇幅过短,有时甚至一句话带过,或者把科学史放在阅读材料里面,让学生课下自己阅读,起不到应有的作用。这些也是导致科学史内容在教师和学生中得不到关注的重要原因。
当前,随着新课程改革的推进,人们越加认识到科学史教育的重要意义,并在教材编写方面得到体现,逐步把科学史的内容合理地融入到科学教科书中。只有把科学史融入到科学课程和教学过程中,而不是一个附加的额外任务,才能真正发挥科学史的教育功能。否则,科学史教育就不会有生命力,也就起不到其应有的作用。如何把科学史融入科学课程?笔者通过分析科学课程标准和现行的综合或分科科学教科书,发现多数科学教科书基于对课程标准中课程理念的分析和把握,在教材编写中采用了以下三条科学史融入教材的原则。
(一)少而精原则
教材的选编应通过有限的篇幅和精选项的科学史事例,通过学生的参与,折射出科学的全景。以高中生物教材为例,在介绍发现DNA是遗传物质的科学史实时,教材采用资料分析的方法,呈现这一发现的科学背景和大致历程,然后再引导学生从科学哲学、科学方法、科学精神、科学态度及实验技术等角度思考问题。重要的不是使所有学生都能得出标准答案,而是使学生能够从一个科学史实出发,通过不同角度的分析,从科学前辈那里汲取营养,用以提高自己的科学素养与人文素养。
(二)循序渐进原则
科学史内容的选编,应采用循序渐进原则,从初中到高中,应有不同的要求,做到逐步深入、循序渐进。一般来说,初中科学教材可能更偏重于让学生了解史实,诸如科学家的故事,旨在激发学习兴趣;而高中科学教材,则应引导学生对科学史作出理性的评价与分析。
以发现DNA是遗传物质的历史为例,初中科学教材中主要以故事形式介绍了沃森、克里克与DNA双螺旋结构的发现,以激发学生的学习兴趣。但在现行高中生物教材中,则详细地描述了肺炎双球菌转化实验与噬菌体侵染细菌的实验的历史,学生通过分析这一史实,可以获得以下方法论方面的启示:(1)可以利用模型进行科学研究的方法。艾弗里的工作是以肺炎双球菌作为研究人类传染病的模型来研究致病现象的;而赫尔希和蔡斯则是把噬菌体作为研究生命遗传现象的模型。(2)具有实验的严密性和逻辑的严谨性。艾弗里改进提纯转化因子的实验,将杂质氨基酸的含量减少到万分之二,赫尔希和蔡斯的实验中进入细菌的蛋白质的含量约百分之一,都是试图排除蛋白质对实验的干扰作用。(3)实验方法与技术的多样性。这两个实验都采用了多种方法与技术,如同位素标记、酶学方法等。
(三)价值优先原则
科学史内容的选取应遵循价值优先原则,选取那些具有较高教育价值,能给学生多方面启迪的内容,避免为写历史而写历史。人教版《义务教育课程标准实验教科书·生物学》八年级下册中有一个案例可供借鉴,教材以转基因鼠的史实展示了生物科学技术发展的前沿动态,具有强烈的时代感,而采用经典的孟德尔豌豆杂交实验的史料,则能使学生从科学方法、科学精神以及科学态度等多方面获得启迪。
二、科学史融入科学课程的基本内容、目标与方式
(一)用故事形式引入科学史,以激发学生对科学的兴趣
通过科学故事的形式介绍科学史上一些重大发现、发明过程,以激发学生对科学的兴趣,这是科学史融入科学课程的最常用的形式。例如,用林奈与生物分类的故事,引出植物分类方法;用巴甫洛夫做的关于狗的食物性反射的经典实验,引出条件反射;用胡克利用自制的显微镜观察木栓切片时,发现了细胞的故事,引出细胞内容的教学。在科学课程教学中还有很多能激发学生学习科学的兴趣的科学史材料。根据《全日制义务教育科学(7—9年级)课程标准(实验稿)》所列出的故事性科学史料内容,[1]初中科学教材编写中可以选择以下科学史内容(见表1)。
表 1 科学(7—9年级)课程标准《实验稿》中相关的故事性科学史材料
相关的科学史材料
分领域内容目标
胡克、施莱登、施旺与细胞学说的建立
知道细胞是生命活动的基本单位
望远镜、显微镜的发明过程
感受观察工具的使用及发展对提高人类认识自然的能力的作用
巴斯德与微生物学的建立
了解细菌、真菌的主要特点
沃森、克里克与DNA双螺旋结构的发现
说出遗传物质的作用,认识DNA、基因和染色体的关系,举例说明基因工程;用彩色回形针制作DNA双螺旋结构模型
达尔文与进化论
了解达尔文进化论的主要观点
埃伊克曼、芬克与维生素B1的发现
说出七大营养素的作用,建立平衡膳食的观念
氧气的发现与拉瓦锡的燃烧理论
说明氧气、二氧化碳等重要物质的主要性质和用途
贝塞麦、西门子、托马斯
举出金属冶炼发展的历程对社会进步的作用及对环境影响的典型例子;查阅人类使用金属的历史资料
伽利略的有关工作与生平;牛顿及其《自然哲学的数学原理》
了解牛顿第一定律,能用惯性解释有关的常见现象
伟大的女性──玛丽·居里
查阅有关放射性发现的史料
奥本海默与曼哈顿工程
查阅核反应堆、原子弹、氢弹发明的史料
爱因斯坦与相对论
举办有关爱因斯坦生平的讲座(介绍质能关系等内容)
古代的著名星图国际标准星座的由来;中国古代的二十八宿
使用星图(或天球仪)观测四季的星空识别若干著名的恒星与星座
万户与中国古代火箭等;我国第一颗人造地球卫星发射成功以来在航天事业上的成就;阿波罗登月
知道人类飞向太空的历程和对月球与行星的探测
(二)用探究课题形式引入科学史,以展示科学探究的过程与方法
把科学家的经典实验设计成学生课堂上能够完成的探究型的课题,让学生沿着科学家的探索思路,领悟科学家的思维过程,让这些知识成为学生再发现和再创造的过程,让学生了解科学家怎样发现问题、分析问题和解决问题,领会科学研究的一般方法,培养学生的探究能力。
例如,在“生长素的发现”一节的教学设计中,首先提问:达尔文所做的实验得出的结论可靠吗?学生回答:不可靠,只是推测。这种推测应如何通过实验来验证呢?有的学生提出可以用仪器来测,有的学生提出可以用化学显色反应的方法,这时提醒学生:在当时的条件下,这些方法可操作吗?如果尖端产生了某种物质,是否有什么材料可以收集它呢?这时再引入温特实验。在温特实验中,琼脂的作用是什么?如何知道琼脂是否吸附了尖端产生的物质?在达尔文实验的基础上,学生经过讨论,认为应该设计一个对照实验:分别把接触过尖端的琼脂小块和未接触过尖端的琼脂小块放在切去尖端的胚芽鞘上,并观察实验现象,得出结论。教师把温特实验转变为学生的探究性实验,使学生领会了生物科学研究的一般方法,即发现问题、提出问题、作出假设、实验验证;并且培养了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。
在科学课程实施过程中,组织学生进行有关科学史上典型实验的教学,是学生学会科学探究的重要途径。经过引入科学史上典型实验的教学,能使学生掌握探究的过程,学会对一个问题提出相关的科学假设,并能通过自己设计实验验证假设,从而培养学生“动手”和“动脑”学科学的能力。新编的科学教科书中引入了大量有关科学史的探究材料,例如,科学(7—9年级)课程标准(实验稿)中相关的探究性科学史材料(见表2)。
表 2 科学(7—9年级)课程标准(实验稿)中相关的探究性科学史材料
相关的科学史材料
分领域内容目标
哈维与血液循环的发现
描述人体循环系统的结构和血液循环
弗莱明与青霉素的发现
了解细菌、传染病的特点
人类认识植物感应性现象和发现植物生长素的简要历史线索
了解植物的向光性
门捷列夫与元素周期表的发现
了解元素周期表的发现过程
欧姆、法拉第等
了解电磁感应、欧姆定律
道尔顿、卢瑟福、玻尔等
了解原子结构模型的建立与发展过程
从魏格纳的大陆漂移说到板块学说
知道板块学说的要点
能量守恒定律的发现史
了解能量转化与守恒定律
托勒密、哥白尼等
了解从地心说到日心说的发展
阿基米德定律的研究过程
了解浮力原理
(三)用专栏或科学史专题形式引入科学史,以促进学生对所学新知识的理解
科学史引入科学课程的另一种形式是,在新课教学中和新课教学后,以科学史作为素材编写例题与习题,或用科学史提供重要的科学事实、概念、原理、方法以及技术发明的历史背景、现实来源和应用。这些内容有助于启发学生的思维,加深学生对所学科学知识的理解。例如,在学习了“光沿直线传播”的知识之后,又顺便向学生介绍了我国古代科学家沈括的《梦溪笔谈》中有关小孔成像的资料记载。学生听了之后,一方面了解我国古代在光学方面的成就,激发他们的民族自豪感;另一方面也可以更好地理解“光沿直线传播”这一性质。另外,插入科学史专栏,可作为拓展性阅读材料。科学史使学生了解科学发现背后的社会文化背景和人性故事,从而建立完整的科学形象,使学生进一步体会到科学的丰富的人文内涵。
三、科学史融入科学课程的教学策略
(一)科学对话模式
科学史的教学可以采取科学对话模式,即师生围绕有关科学史和科学本质问题开展对话与讨论。Lochhead和Dufresne(1989)应用建构主义教学策略,根据科学史上相对的理论编写对话教材,上课前一天将学生分成两组,学生选择自己代表的组别,先阅读对话稿,第二天教师引导两组学生引用证据,进行辩论。[2]马修斯(Matthews,1998)认为,我们不可能教育所有的孩子成为科学历史学家、社会学家或哲学家,因此教学目标不宜太大,应把科学本质的问题限制在学生可以理解的适度范围内。[3]在马修斯看来,在任何一个科学课堂上,哲学问题都是无处不在的。因为任何科学课堂上都会涉及这样一些基本的科学名词(定律、理论、模型、解释、原因、真理、知识、假设、确认、观察、证据、理念、时间、空间、物种等),学生还会问一些认识论和科学本质问题。例如学生会问:“既然没有人真正看过原子,为何我们要画原子图?”同样,科学教学中也应该提到历史上著名科学家(牛顿、达尔文、孟德尔、爱因斯坦)的故事与贡献。在提到上述各种科学名词和科学家时,就要涉及科学哲学和科学史问题,例如“我们知道什么?”“我们为什么知道?”“世界上真正存在的是什么?其中又有何关系?”“孟德尔是如何发现遗传定律的?”马修斯建议教师应鼓励学生提出哲学上基本的问题,例如“对于这个概念,你是怎么想的?”“你是怎么知道的?”这些问题可以引起学生思考概念和实证的议题,同时刺激学生进行批判性与反省性思维。
马修斯(1998)建议开展关于科学史与科学本质的对话教学宜循序渐进,正如数学教学一样,先学会加法,再学乘法。因此,在对学生进行科学本质的教学中,必须针对学生的年龄特征因材施教。一般来说,对于低年级儿童,应从简单的、儿童感兴趣的问题开始。如“什么是观察?”“什么是科学解释?”而对于高年级的学生,可提一些复杂的科学本质问题,例如“什么是控制实验?”“科学模型的功能是什么?”“如何建立假设?”“如何评估研究的好坏?”“牛顿的宗教信念是否影响他的科学?”等等。
(二)多元化教学模式
科学史融入科学课程的多元化教学,所强调的是针对某一个科学理论或科学概念,利用讨论、辩论、教师演示实验或学生动手做实验等多种方式,模拟当年该科学理论形成的过程,并说明当时的文化背景。通过呈现科学史中科学家们所产生过的争论、质疑、错误概念,除了可以避免学生犯以前科学家的错误之外,也可以帮助学生转变其错误概念。因为融入的科学史材料完整地呈现了以前的争论及质疑,这有利于充分说服学生放弃错误概念,进而自主建构科学概念。[4]
以大气压力概念的教学为例,要求学生记住大气压力等于1.013x105Pa并不难,问题是单纯记忆并不能使学生理解大气压力的存在。为了促进学生理解大气压力的概念,可以采用融入科学史的多元化教学模式。首先,上课时教师可以提出问题:“空气有没有重量?”并引导学生开展讨论或辩论。有的学生可能认为空气是没有重量的,因为石头拿在手上放开会往下掉,而气球拿在手上放开则会往上飞,其实这个错误概念历史上著名科学家亚里士多德(Aristotle)也曾经坚持过。在作出结论的时候,教师再一次强调空气是具有重量的,因为当学生有了这个观念以后,才能逐渐体会到大气压力的存在。
为了促进学生理解因为空气的重量而产生大气压力,教师进一步演示当年托里拆利的水银柱实验(将注满水银的玻璃管垂直放置在一装有水银的盆中)。在演示实验中,引导学生对下列两个问题开展讨论:(1)玻璃管内的水银柱靠什么力量支持而不会掉下来?(2)玻璃管内没有水银的地方,有没有某种东西存在?
经过学生的讨论及回答之后,教师再叙述当年科学家之间的争论。帕斯卡(Pascal)及波义耳(Boyle)等人认为,盆面的空气重量产生压力,而支持玻璃管内的水银柱维持一定高度,而且玻璃管内没有水银的部分是呈真空状态的。而亚里士多德学派及伽利略(Galileo)等人则持相反的看法,他们认为玻璃管内的水银之所以会下降是因为水银蒸气充满玻璃管上部而将水银压下。为了反驳这种不正确的观念,帕斯卡当着反对者的面进行了不同的实验。他以水和酒两种不同的物质进行相同的实验,并要求反对者预测是水柱还是酒柱会维持较高,反对者认为,酒较易挥发,酒的蒸气较多,所以会把酒往下压得较多,因此,酒柱较短。帕斯卡则按自己的理论预期,由于水的密度较大所以较重,因此大气压力所能支持的水柱也会较短。这个实验结果证明了帕斯卡的预测,同时也成功地反驳了其他科学家的错误概念。那些反对托里拆利水银柱实验的研究者,都深受亚里士多德的“大自然厌恶真空,宇宙应该充满物质”理论的影响。而这个错误概念由于托里拆利及帕斯卡等人的创造性研究(即提出假设并设计实验证伪了这一不合理的假设)不攻自破了。另外,帕斯卡当年还制作了压力计分别测定了山下及山上不同的空气压力,更进一步支持了他的大气压力理论。
以上的教学活动,让学生通过科学史去了解科学理论(theory)、科学假设(hypothesis)、科学实验(experiment)之间的关系,有利于学生理解科学的本质。运用这种融入科学史的多元化教学模式,一方面,因为内容充实且学生本身的积极参与而能提高学生学习科学的兴趣;另一方面,通过课堂讨论或辩论,还能促使学生认识到科学家也会犯错误,从而促进学生纠正自己的错误概念。总之,这种融入科学史的多元化科学教学过程,有利于促进学生建构新的科学概念。
(三)HPS教学模式
传统的科学课程中,往往是把科学史作为一种知识附加在科学教学内容上,教师以讲故事的方式进行教学。实践证明,这种将科学史与科学教学内容分离的教学模式是低效的。近年来,西方一些科学教育专家以建构主义为指导思想,倡导一种新的科学教育的教学模式。这种模式要求把科学史、科学哲学和科学社会学(history,philosophy and sociology of science,缩写为HPS)的有关内容融入中小学科学课程,以期促进学生对科学本质的理解,培养他们的科学精神和创造力,这就是所谓的HPS教育。[5]
如何实施HPS教育?英国科学教育学者孟克和奥斯本(Monk & Osborne,1997)[6]在总结科学教育的历史经验的基础上,借鉴建构主义理论,提出了把科学史内容融入科学课程与教学的策略,即HPS教学模式。这一模式的一个基本前提是,所学的课题必须是科学史上某一科学家曾经研究的自然现象,如落体速度的变化、植物的向光性、食物的消化等等。这一模式的教学程序包括以下6个环节。
(1)提出问题。教师上课伊始,就给学生演示某一自然现象。学生通过观察现象,由此产生一个需要解决的问题。例如,为什么植物的茎具有向光性?必须指出的是,一开始向学生揭示的某一自然现象必须是以往科学家在历史上进行理论研究的一个现象,这既能引起学生的好奇心,又能促使学生利用科学史资源进行进一步的探究。
(2)引出观念。教师启发学生就这一自然现象提出自己的观点(解释)。为了促使学生提出各种不同的观点,可采用“头脑风暴法”(即由发散性思想产生的各种方法),促使学生各抒己见,标新立异。
(3)学习历史。在这一环节,教师的做法是:①介绍早期科学家关于这一现象的思想与实例,作为学生研究的参照系;②举例说明当时其他科学家的不同观念;③引导学生讨论或探索这些观念产生的背景、条件,使学生认识到科学认识的历史(时代)制约性。总之,学习历史不仅可激发学生的想象力,还可以使学生以一种移情的方式,设身处地地体验以往科学家的探究与思考。
(4)设计实验。教师将学生分组,要求学生从多种观点(或观念)中选择某种观点,设计实验进行检验。这一环节也能激发学生的想象力和创造力。这一环节应使学生认识到:①对同一自然现象可能有不同的解释;②可以用实验检验这些观点(假设)。
(5)呈示科学观念和实验检验。由教师讲解当代的科学观念,即介绍教科书上对这一自然现象的解释,从而为学生实现观念转变提供契机和可能。这一环节还需要学生对自己的观念和解释进行实验检验,由实验现象的观察、资料的收集与整理,最终得出结论,形成科学观念,即实现由原有的错误观念向科学观念的转变。
(6)总结与评价。通过总结与评价,帮助学生更深刻地理解科学的探究本质、历史上科学家的探究过程和科学观念。
从上述的教学过程可以看出,这一模式有以下五个显著特点:(1)将科学史与科学哲学的学习与当前的科学概念和理论的学习有机地融合在一起;(2)整个教学过程是一个问题解决的探究过程,因而有利于培养学生的解决问题能力和创新能力;(3)充分发挥了学生的主体性,促使他们主动学习和建构知识;(4)使学生认识到科学家和常人一样也会犯错误;(5)通过探究活动实现观念转变,形成正确的科学观念。
综上所述,基于学生的经验、认知与推理能力的限制,对于小学生来说,科学史融入科学课程的教学宜选择科学对话模式,到了初中或高中阶段,再逐渐延伸到采用多元化教学模式,以至HPS教学模式。
参考文献:
[1]中华人民共和国教育部.全日制义务教育科学(7—9年级)课程标准(实验稿)[S].北京:北京师范大学出版社,39—42.
[2]Lochhead J,Dufresene R.Helping Students Understand Difficult Science Concepts Through the Use of Dialogues with History[A].In Don Emil.Herget(Eds),The history and philosophy of science in science teaching.Tallahassee Florida:Science Education and Department of Philosophy Florida State University[C].1989.221—229.
[3]Matthews Michael R.In defense of modest goals when teaching about the nature of science[J].Journal of Research in Science Teaching,1998.35(2):161—174.
[4]林焕祥.融入科学史的多元化教学[DB/OL].isst.edutw/s44/quarterly/45/8910v12n3-45-1.htm/2006-03-05.
处处留神皆学识,不时介意多发现。像魏格纳这样长于调查、长于发现,并将这长于调查、长于发现作为一种习气的人,在科学界不计其数。请再看一个故事:
门捷列夫有一短时刻,总是喝酒、玩牌,让人难以想象。本来门捷列夫发现,各种化学元素的有关数据好像存在必定的规律性,所以将它们逐个别离写在一张张卡片上,关起房门,重复摆放,竟日揣摩,结尾制作出元素周期表。
在平常作业、学习、日子中,咱们需要向林黛玉学习“处处留神,不时介意”。科学上的许多发现、发明、发明,许多时分即是由于科学家具有“处处留神,不时介意”的名贵质量和习气。伽利略洗澡,洗出了称量金冠的奇妙办法;牛顿被苹果砸了一下,砸出了万有引力定律。
不只是科学家是这样,诗人和作家的发明也离不开“处处留神,不时介意”。
中国宋代有位诗人,叫梅尧臣。他出游访友总是带着一个布袋,想到好的语句,就写下投进布袋,被大家戏称为“布袋诗人”。俄国小说家契诃夫常常装着一个小簿本,无论走到哪里,听到生动有趣的言语,就马上记载下来。这小簿本为他的发明供给了很多名贵的资料。
像梅尧臣、契诃夫这样处处留神日子,不时记载日子的作家,古今中外,也可以说举目皆是。
【关键词】生物科学史 生物教学 教学价值
【中图分类号】G【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889(2014)09B-0111-02
生物科学史全方位地展示了生命科学产生、形成、发展、演变的历程,它包含着实验探索、理论形成的科学规律与方法,每个科研成果的背后也蕴涵着科学家伟大的科学精神与人格魅力。《普通高中生物课程标准》中提出:“学习生物科学史能使学生沿着科学家探索生物世界的道路,学习科学的本质和科学研究的方法,学习科学家献身科学的精神,这对提高学生的科学素养是很有意义的。”在生物教学过程中,教师应该重视生物科学史的教学,以趣味的科学故事激发学生的学习热情,以经典的科学实验帮助学生理解生物学知识和提高探究能力,以科学家严谨务实、一丝不苟的科学态度陶冶学生的科学精神,从而实现生物教学的目的。对此,文章从以下四个方面探讨生物科学史在生物教学中的教学价值。
一、利用生物科学史的趣味性提高学生的学习兴趣,激发其学习热情
在学习生物科学知识的过程中,很多学生会觉得枯燥乏味,甚至深奥难懂,因而对生物学习缺乏兴趣。事实上,生物科学史中不乏逸闻趣事,教师应在课堂上结合教学内容,列举一些有趣的事例,吸引学生的注意力,提高其学习兴趣。爱因斯坦说过:“兴趣是最好的老师”,学生对所学知识产生兴趣,就会提高其学习的积极性,从而提高学习效率。在生物课堂教学中,教师利用生物科学史导入新课,除了能够迅速使学生集中注意、激发认知需求外,还能促使学生形成学习期待。例如,在讲授细胞结构的知识点时,可以向学生讲述英国物理学家和天文学家罗伯特・虎克发现细胞的故事来导入;在讲解条件反射知识点时,可以向学生介绍俄国生理学家伊万・巴甫洛夫通过观察狗吃食物发现非条件反射的故事等。可见,教师应善于收集一些与生物教学有关的故事情节,在课堂上将生物科学史与生物教学巧妙融合,增加生物学知识的趣味性和故事性,从而激发学生的学习热情,促使其主动学习。
二、利用生物科学史的渐进性理解生物学知识,突破重难点
生物科学史是生命科学研究成果的发现过程,是揭示生命奥秘的过程。在生物教学的过程中,以科学史作为教学材料,能够顺理成章地展现生物科学知识的形成过程,有助于学生全面理解生物学基础知识,构建完整的知识体系,这也符合学生的认知规律。另外,层层递进的科学史知识,能够帮助学生深入地理解生物课堂上的重难点内容。
通过科学史可以全面了解生物科学的具体研究方法和思维方法,从而积累更多的知识经验,拓展学生的思维空间,提升学生突破重难点知识的综合能力。例如,在讲授高中生物《光合作用》的内容时,教师可将光合作用的发现史贯穿在课堂教学中,如讲授光合作用的产物时,可结合1864年德国科学家萨克斯的绿叶遮光实验来讲解;讲授光合作用的场所时,可通过1880年德国科学家恩吉尔曼用水绵实验来讲解;讲授光反应中氧气的来源时,可以结合1939年美国科学家鲁宾和卡门的氧同位素标记的实验来讲解。可见,不同的实验体现了不同的研究方法和思维方法,可加深学生对单一变量、对照等实验原则的理解,以及对同位素标记法等科学研究方法的掌握,从而使生物教学的重难点知识得以突破,提高学生解决问题的综合能力。
三、利用生物科学史的经典性体验科学过程,提高学生的探究能力
生物科学史中的一些经典实验,蕴涵着独特的生物学思维和科学研究方法。利用科学史上的经典实验进行教学,是培养学生探究学习能力的一个有效措施。在生物科学史课堂中,教师要灵活运用科学史,引用科学史资料来导入新课,创设探究情景、营造探究氛围,以发散学生思维,提高其科学探究能力。生物科学发展的历史就是一部科学探究的历史,在教学中可普及一些科学史的知识,让学生从中体验科学探究活动的整个过程。教师把经典的科学探究实验引入生物课堂,让学生身临其境地思考与探索,自主设计实验方案,感悟科学探究过程,理解科学家发现、探索和解决问题的科学精神。例如,在讲授“遗传定律”的内容时,可以融入奥地利生物学家格里哥・孟德尔经典豌豆实验的科学史,按照“假设――演绎法”的推理探究模式进行教学,使学生在体验遗传规律探究发现的过程中,不断深化对遗传定律基础知识的认识,掌握科学探究的基本方法,提高探究学习的能力。可见,教师在生物课堂上可以通过具体的科学史实例,让学生亲身体验科学探究的一般过程,即观察科学现象――提出科学假设――设计科学实验――假设的证实或证伪,培养学生的发散思维,提高其探究能力。
四、利用生物科学史的严谨性树立学生的科学观念,培养其科学素养
科学素养包括两个层面:一是对知识、情感和技能的掌握程度,二是在原有的基础上不断提升自身科学素养的能力。新课程改革的理念倡导转变学生的学习方式变被动为主动,提倡学生主动参与、勤于动手、乐于探究,注重培养学生搜集和处理信息的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力,全面提高学生的科学素养。学习生物科学史,就是追寻科学家探索生物奥秘的脚步,深入地理解生物科学的本质和科学研究的方法。生物科学史的故事中蕴涵了科学家的科学态度及精神,例如,青霉素的发现是1928年英国细菌学家弗莱明严谨不苟、求真务实态度的成果;自然选择学说的创立是英国生物学家达尔文合理质疑、勇于创新意识的指引;奥地利生物学家格里哥・孟德尔潜心研究了八年的植物杂交实验,最终总结出重要的孟德尔遗传规律,也体现出科学研究需要坚持不懈、一丝不苟的科学精神。在课堂教学中,教师应渗透这些生物科学史教育,有助于学生养成科学态度和科学精神,让学生在理解科学实验的发展过程中,提高学生发现、探索与解决问题的能力。因此说,科学实验的严谨性渗透在科学史中,能够帮助学生树立科学观念,培养其科学素养。
综上,生物科学史中蕴涵着科学家对生命世界探索的精彩片段,有效的生物科学史教学应选择适合的材料、运用恰当的手段,才能达到最佳的教学效果,让学生身临其境般地感受和领悟科学探索的过程。生物科学史是一部揭示生命科学发展历程的探究史,科学史的学习将知识传授、能力培养和情感态度价值观的发展等三个方面的教育融合起来,其趣味性能够激发学生的学习兴趣,使学生主动地沿着科学家探索生物奥秘的道路去发现与解决问题,真正理解生物科学的本质,感受生物科学蕴涵的精神,从而培养学生的科学思维方法和科学探究能力,促进学生科学而全面的发展,对培养学生的科学素养具有重要作用。
【参考文献】
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科学史充满了故事,这些故事展现了科学发展的轨迹。从故事的细节中我们能够深感科学方法和思想在这一过程中所起的作用。借助历史教训的做法不是新思想,也不仅仅是在化学学科上。但作为化学教学,如果它的目的不仅仅是将重点放在知识的传授上,那么和知识本身同样重要的能力也许是我们教学中追求的更高目标。而能力的获取固然与知识的积累有关(重视知识的积累与更新当然是没有错!)但从历史的角度上分析所学知识产生的过程,沿着所学知识的产生和发展过程能给予我们什么样的启示,以及在这一过程中了解有关科学家是怎样发现问题、解决问题是一件非常有意义的工作。也许就知识而言,它对我们当今科学的发展作用不是很大,但蕴藏在这些知识体系产生及发展中的科学思想、方法、理念及精神都是人类永远值得珍惜的宝贵财富。在我看来,成功的经验固然是财富,失败的教训何尝也不是一笔难得的财富。因此,从历史的教训中汲取营养恐怕在于我们少步入前人的思想误区。也许这是人类思维中某种“缺陷”特征使之易于光顾的误区。更何况这些错误是来自人们所崇拜的大科学家,这更应使我们后人引以为戒。
1错误的理论:Prestley与燃素说
理论的冲突不是灾难,而是一种幸运。下面将从科学发展的例子来说明其中的意义,“燃素”理论的化学学科中一个众所周知的错误理论,它作为一个典型事例被科学工作者及教育工作者广泛关注,用以说明科学是如何进步的。错误理论是逐渐被人们所认识的,取而代之的新理论的出现也并非自动产生。Prestley(普利斯特列)所坚持的燃素说提供了一个极好的例子。在AntoineLavoisier确定了现在被我们认为是正确的事实后,Prestley还一直相信燃素理论。众所周知,他对燃素说一直坚持到他生命的终结。为什么在证据和反燃素说观点大压力面前,他仍坚持燃素说?不是因为他在某种程度上比Lavoisier缺乏唯物和开放的头脑。从Prest-ley在18世纪末给法国化学家的信中所述,你也许会想到些什么。“没有人愿意去说服自己放弃被认为是权威的判断。”只有当来自Prestley临终时作为燃素说权威的压力变小时,反燃素说地位才能确立。Prestley在他的时代被称为“燃素说博士”。作为“燃素说”权威,他为自己所坚持的学说辨护,通过对不同证据采取不同倾向性解释(也许他自己很难意识到这一点),以获得不同的结论。例如,汞在空气中加热能产生其氧化物,再进一步加热又变为金属汞。其实对这一实验事实的解释成为反燃素说正确与否的关键。看看他对实验的解释吧。他认为金属是一种单质,燃渣是金属与空气组成的化合物。现在看来,这样的结论是符合某些实验事实的。另一方面,他又强调许多其它燃渣需要有一类试剂(如氢气、活泼碳、铁)来产生金属。他认为这些金属是燃渣与燃素组成的化合物。同时他在反驳燃素说质疑燃素质量的不确定性时,也认为这样的质疑是合理的。但他认为光、热这些不易确定量的因素也是物质。Prestley用燃素说去解释许多反燃素说作为至关重要的实验。如水的分析与合成,并报导一些利用反燃素说当时不能解释的实验。其实这些实验只是包含着当时人们还不十分清楚的副反应或杂质而已。氮的原子量是大家知道的,同时,科学上也有一条十分明确的原理说明,一定质量物质中的原子的平均重量是相等的。但已故的瑞利勋爵和已故的冉赛爵士从所做的两个试验中发现。如果用两种不同的方法获得含氮化合物,并分别测得氮的原子量,两次结果始终有一点差别。请问如果他们因为科学观察与化学理论之间发生冲突而感到失望,那么能不能说是理智的行为呢?如果将这一问题简单化,只是在相互争论中,争出你对我错,很可能就会失去了蕴涵在这种差别中的本质所在。失去揭示这种差异真正秘密的可能性。事实上他们两人都认为自己找到了某种观察途径。根据这条途径可能发现某种以往没有观察出来的精细化学理论。事实与理论之间的这种出入并不是一种灾难,反而是一种开拓化学知识领域的机会。大家都知道,这个故事的结果是什么。后来氢被发现了!这种新的化学元素不知不觉地藏在里面和氮混在一起。但故事到此还没有完。正是这一发现,使人们注意观察了用不同方法提取的化学物质之间的细致差别。接着就有人用最精密的方法进行观察。终于有另一个物理学家弗•威•阿斯顿在英国剑桥的卡文迪许实验室里诞生。甚至同一元素可能具有两三种不同的形式,叫作同位素。平均原子量不变的法则在各组同位素中是适用的。但在各同位素之间则略有差别。这一研究使得化学理论的力量大大加强了原先由氢的发现而引起的研究,获得了青出于蓝而胜于蓝的意义。这一故事的意义是一目了然的。矛盾可能是失败的标志,但在实际知识的发展中,矛盾也可能是走向胜利的第一步。这不是对不同意见必然作出最大限度容忍的充分理由。象圣经里的一句话:“容这两样一齐长,等着收割。”有些捷径只能获得表面的成功,只要你愿意抛弃一半的证据。你可以很容易找到在逻辑上是和谐的。同时,在事实的领域中也适用的理论。每个时代都出现过逻辑清晰的智者,他们能理解人类某些经验领域的意义,但惟有坚定不移地耐心考虑全部证据,才能避免象流行见解一样,在两个极端之间摇摆,这种忠言虽极平常,但却很难做到。这也许是人类思维品质中的固有缺陷所致,这种缺陷足以使我们感受到它对科学发展所带来的影响。
2富于成果在细节上有错的Dalton原子论
回顾一个成功理论的提出,我们后来者总是将精力集中于这一理论中的进步因素居多,那是很自然的事。然而作为一些教训考察某一理论中的错误,对于人们认识世界和认识自我都具有非常重要的意义。但教科书中历史上重要的科学发现很少涉及其某些错误的一面,甚至教学法中还有排除或忽略这些错误的倾向。化学教学工作者在寻求错误中学习科学成果时,JohnDalton的原子理论可作为一个例子。的确,Dalton对许多科学进展所做的贡献是众所周知的。用他的理论所描绘的不同元素原子相结合形成化合物的情形,许多还被当今人们所采用。利用他的原子论观点,得到定比例和多比例定律是很自然的事。Dalton的原子论在Newtonian原子论的基础上取得了很大的改进。他的理论成果可从元素的相对原子量和相关化合物得到展现。他的理论确实具有价值和富于成果。然而在许多方面它也存在着错误。如Dalton相信,相同元素的原子是完全一样的。因此,我们可以得出结论:所有均一实体的最终微粒具有完全相同的质量。并认为如果原子在质量上不同,它势必会以某种不同的表现反映出来,相信这种差异性在当时会被检测到。但后来同位素的发现恰恰证实了他当时不以为然的假设。当然技术上的局限性使当时的他要得到完全正确的结论也未免有点苛刻。但过于自信何尝不是人类易犯此类错误的主要根源。Dalton似乎还认为原子是不灭的,这在他的化学合成评论中很自然地到这个结论。这一点与Newton的思想(这一思想影响着Dalton)是相符合的。即原子是不可分的。这一结论被后来的原子是可以再分的实验事实所否定。Dalton提出的有关分子式也存在着一些错误。基于他的假设所提出的分子式是武断的。例如Dalton认为:如果已知两种元素仅形成一种化合物,它的分子式将是最简单的分子式。如提出HO为水的分子式;氨气的分子式为NH。根据他的推论,水、氨和氮氧化物分子式分别为HO,NH和NO。人们能以两种方法获得N和O的相对质量。直接从NO进行元素分析,或从比较分析氨中N和水中O的质量获得。依照他的分子式这两种方法所获得结果自然不相符合。这种不符合的结果自然验证了Dalton的这一错误。
江南小镇,人杰地灵。明清两代,在苏锡常地区许多“不起眼”的小镇上诞生的杰出人物数不胜数,但是,在农村小镇上出一名世界级的女科学家,吴健雄是第一人。这是与吴仲裔的开明分不开的。
父亲吴仲裔不但思想进步,而且兴趣十分广泛。他对无线电、狩猎、唱歌、弹钢琴、吟诵古典诗词等都有相当的造诣。他对子女的教育既不苛求,也不强求一律,他看出女儿吴健雄小时候聪明好学,就适当地加以引导。他经常将上海《申报》上登载的一些科学小故事、趣闻等,念给大字不识几个的吴健雄听。父亲经常看上海商务印书馆出版的“百科小丛书”,看了之后,就给吴健雄讲述其中一些有关科学家的故事。他还自己动手装一台矿石收音机,小小盒子,竟然会说说唱唱,这特别使小健雄着迷,并激起了她的遐想、神往。
吴仲裔不仅给女儿自然科学的启蒙,而且给女儿“社会科学”的启蒙。吴健雄是在浏河镇明德学校接受小学教育的,校名取“大学之道,在于明德”之意。那时候。父亲创办“明德女子职业实业学校”并自任校长,决心打破千百年来“重男轻女”的陈规陋习,用现代知识教育消除乡间愚昧和闭塞。在学校初创之际,受封建思想和经济条件的影响,学生很少,吴仲裔就带着小健雄挨家挨户说服动员,并且不论贫富,一视同仁。
为了鼓励穷苦人家的女孩来上学,父亲不仅全部免除他们的学杂费,还努力帮助创造财源,教给他们缝纫、刺绣、园艺等技术。为了帮助解决上学和家务的矛盾,父亲还特别允许一些要照顾弟妹的女孩带着弟弟、妹妹一起来上学。当吴健雄回忆起自己“美好而快乐”的童年时,动情地说,父亲的勇武、进步与开朗,教给自己不畏艰险、不断追求新知的品质,还给予了自己最初的科学启蒙。