让学生与科学家对话——科学史融入科学教学的实践，本文主要内容关键词为：科学论文,科学家论文,生与论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
科学史的教育功能已被大多数科学教师所认同和领悟，越来越多的教师能在教学中自觉地利用有关的科学史料来提高教学效果。国内外的科学教育研究者，也已开发出了一些有效的教学方法或教学模式。英国伦敦大学的科学教育学者孟克(M.Monk)和奥斯本(J.Osborne)在1997年提出将科学史融入科学课程与教学之中的“融合模式”。“融合模式”要求教师选择一个合适的课题，让学生与前辈科学家对话，从而以更接近知识产生的方式学习科学知识。
一、“融合模式”简介
“融合模式”的教学程序如图1所示。这一教学模式特别强调两点：一是学生已有的知识和经验，二是“我们如何认知”这一重要的认识论问题。“融合模式”也充分考虑到教师在课堂教学中的主要问题，即促进学生对科学概念的理解。使用这一教学模式有一个前提假设，即学生学习的课题是科学史上科学家曾经研究过的自然现象或问题。
“融合模式”的教学过程主要有六个教学环节：
1.提出问题
对于学习的课题，首先由教师演示一个实验现象，学生通过观察现象，由此产生一个需要解决的问题；或者教师根据知识间的逻辑关系直接提出需要研究的问题。在这里向学生揭示的现象必须是历史上科学家曾经进行研究过的现象，这样既能激发学生学习科学的兴趣，又能促使学生利用科学史料进行探究学习，感受科学发现的过程。
图1 “融合模式”的教学程序
2.引出学生观点
教师引导学生就需要解决的问题提出自己的观点（解释），并促使学生用各种方式表达自己观点。在这一阶段教师应尽可能鼓励学生自由地、大胆地提出各种不同的观点，鼓励他们寻找证据来支持自己的观点，而不需要对这些观点作出评判。
3.介绍历史
教师将历史上研究过这个课题的相关科学家的观点作为一种可能的观点告诉学生。在介绍相关科学史观点时，教师应做好下列三点：①介绍早期科学家关于这一现象的思考和认识，作为供学生参考的观点；②列举当时其他科学家各种不同的观点；③提供这些历史观点的相关科学家所处的时代背景情况。对历史的介绍，教师可以讲述，也可以提供参考读物等让学生自己学习。
4.研讨观点
教师在此基础上，应引导学生对各种观点（学生自己提出的观点和历史上科学家的观点）进行分析、比较、讨论，提出自己的看法，或设计出能检验各种观点正确与否的实验方案。研讨观点是教学的重点，教师尽可能创造条件，用学生提出的实验方案进行实验，引发学生的讨论。结合学生的研讨，教师介绍历史上科学家对各种观点的分析和检验。在这个过程中，教师要通过实验让学生知道通常可提出一系列可供选择的或辅助性的假说来解释实验证据，也就是在指导学生实验时，教师既要让学生掌握搜集有效证据的方法，又要揭示“我们如何认识”的证明和解释问题。
5.学习科学概念
学生学习当代的科学观念，即教科书上对所研究问题的解释或结论，并通过实验对此作出必要的检验。教师讲解的是当代的科学观念，是在学生提出的观念和历史上的观念的基础上的一个“新”的观念，学生学习这一科学观念（概念）是在前面一系列活动之后进行的，这就为学生实现由原有观念向科学观念的转变提供了条件。
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过程和本质、历史上科学家的探究过程和科学观念。
二、“光的色散”的教学
1.演示现象，提出问题
图2
如图2所示，让白光通过狭缝，射到教室的墙壁上，形成一条白色亮线；然后在光束通过的路径上放一个较大的三棱镜，让光经过这个三棱镜折射后射向墙壁，要求学生描述观察到的现象。
现象1：墙壁上光带的位置向下移动了。
现象2：白光经过三棱镜后光带变宽并且产生了色彩，从上到下的颜色依次为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。
然后，提出问题：如何用学过的知识解释观察到的现象？或者对观察到的现象给出你的解释？
2.提出解释，引出的学生观点
学生能用光的折射规律解释光带位置移动的现象。
对实验现象2，学生提出的解释有：①光通过玻璃时，被构成玻璃的颗粒散射而产生彩色；②光与玻璃中的杂质颗粒作用后产生彩色；③白光是各种颜色的光混合而成的，三棱镜把各种颜色的光分开产生了彩色；等等。
3.介绍历史，给出科学家的观点
教师介绍历史上科学家研究这个问题时提出的一些观点：①在13世纪，德国的一位传教士曾在实验中模仿了彩虹现象，认为彩虹的成因是阳光进入介质（如水）的深浅不同，其折射的光色是不一样的；②笛卡儿做了光的色散实验，他认为光折射时，光粒子的速度发生变化，加快的光导致红色的感觉，减慢的光导致蓝色的感觉；牛顿也做了光的色散实验，③牛顿想到的解释之一是，光可能由于玻璃物质的不均匀使光束被散射开来产生颜色；④牛顿想到的解释之二是，光线被折射后可能沿曲线行进了，产生颜色；⑤牛顿想到的解释之三是，白光由某些颜色的光组合而成，这些颜色的光具有原始的性质，棱镜只是把这些颜色的光分开，而并不是产生了颜色。
4.研讨观点
教师指出，对于同学们自己提出的各种观点和前辈科学家提出的各种观点，你认为哪个观点是正确？如果你是研究者，对这些观点，你将如何进一步去研究？如何证实或证伪它们？
有学生质疑，如果是介质中的颗粒产生了颜色，为什么产生的颜色是如此有规律，总是按红、橙……紫的顺序排列；有学生认为，光折射之后是否沿曲线前进可以用实验来检验；有学生说，如果如笛卡儿所说，光的颜色与速度的变化有关，那么光从介质中射回到空气中，速度与射入之前相同了，颜色应该变回到原来的颜色，怎么会有彩色呢？
也有学生提出，光射入介质中深浅不同产生不同的颜色可以用实验来检验，在图2所示实验中，把三棱镜向上平移一些，观察墙壁上产生的彩色光带是否发生变化。教师当堂实验，发现还是形成同样的彩色光带，并指出笛卡儿曾做过实验，发现彩色的产生并不是由于光进入介质的深浅不同所造成。
在讨论怎样用实验检验或证实牛顿提出的解释之三时，有学生提出，要检验光的颜色是否具有原始的性质，可以让某种颜色的光经过三棱镜，看光的颜色有没有再次发生变化。教师指出牛顿当时也是这么做的，并介绍牛顿的实验，如图3所示，牛顿把这个实验称为判决性实验。牛顿让一束光S经棱镜ABC折射穿过小孔G，各种颜色的光以不同的角度射向挡板de，穿过小孔g的光再经棱镜abc折射到达墙壁MN。牛顿缓慢绕轴旋转棱镜ABC，使de板上的不同颜色的光相继穿过g到达棱镜abc。实验结果，被第一块棱镜折射得最厉害的紫光，经第二块棱镜也偏折得最多。由此他得出，白光是由折射性能不同的光组成，一定颜色的光具有一定的折射率。白光都是由某些颜色的光组合而成的，这些颜色的光具有原始的性质，并不是棱镜的折射造成的。通过实验也否定了牛顿自己提出的解释一和解释二。
图3
教师用激光光学演示仪演示：红色激光经过玻璃三棱镜，出射光线仍然是红色。
有学生提出，还可以让不同颜色的光混合在一起，看能否重新产生白光。教师指出牛顿也这么做过的，他为了证明适当的色光仍可以复合成白光，做了如图4所示实验：三个棱镜完全相同，只是放置方式不一样。实验发现，白光经过第一个棱镜折射后的各种分散的色光，经过透镜聚焦被第二个棱镜折射后又还原成白光，再经过第三个棱镜，又分解成各种颜色的光。由此证明，棱镜的作用是使白光分解为不同成分，又可使不同成分合成为白光。实验也说明了色散现象不是由于棱镜跟阳光的相互作用，也不是由于其他原因，而是由于不同颜色的光具有不同的折射率。同时指出牛顿还从色散实验推广到大气光象的研究，认为彩虹的形成也是一种光线经折射而产生的色散现象。
图4
在学生的提议下，教师当堂进行实验演示：如图5所示，让白光射入第一个三棱镜，将射出的发散光线经凸透镜成为会聚光束再射入第二个三棱镜，适当转动凸透镜、第二个三棱镜的角度，调节光屏的距离，就能在光屏上得到白色光带。
图5
5.学习科学的概念
学生听教师讲解或通过阅读课文等方式，学习单色光、复色光和光的色散等概念，并用光的色散现象解释日常生活中的一些现象。
6.总结与评价
引导学生反思本节课的学习过程，发表有关“光的色散”学习过程中对科学概念、科学研究方法和科学探究过程等方面的感受或体会。
三、“融合模式”的教育功能
“融合模式”激活了凝固的科学史料，使历史上科学知识的创造者与今天科学知识的学习者之间进行对话，从而能较大限度地发挥科学史的教育功能。
1.把科学史与当前科学概念或理论的学习有机地融合在一起，使得教师不再像以往那样感到科学史的学习是科学课程的附加部分。国家《科学课程标准（7～9年级）》也重视科学史在科学课程中的地位与作用，在内容标准的“科学、技术与社会的关系”领域中，科学史是三大主题之一。美国科学史家、哈佛大学物理学教授杰拉德·霍尔顿曾主持“哈佛物理教学改革计划”，他以史论结合、以史带论编写《改革物理教程》，极大地影响了美国的物理教学。科学史的学习是科学课程学习不可分割的重要内容，把科学史有机地融入科学教学中，将会极大地影响科学教育的效益。
2.将科学史融入科学教学中，可以促进学生对科学本质的理解。我国科学课程标准重视科学本质的教育，并把它作为培养学生科学素养的重要目标之一。在科学教学中融入科学史是促进学生对科学本质理解的重要举措。把学生置身于真实的问题情景中，通过与前辈科学家的对话，深刻理解学习内容的本质和丰富的内涵，了解科学的发展历程，经历科学概念的形成过程，从而能加深对科学本质的理解。将科学史融入科学教育，可以将科学所蕴含的理性精神与求真意识、探索精神与创新意识渗透其中，通过科学史的再现让学生逐步领悟科学的本质、科学探究的过程与方法以及科学的精神。
3.将科学史融入科学教学中，可以借助于探索科学概念或规律的过程，促进学生对科学概念和规律的理解。从问题情境出发，让学生在原有观念的基础上通过探索形成正确的科学概念，这种建构主义的学习方式有利于学生深刻理解科学的概念。这种教学模式充分发挥了学生学习的自主性，促进了学生主动学习和建构知识。
4.将科学史融入科学教学中，可以让学生体验科学探究活动的过程和方法，发展科学探究能力。由于整个教学过程提供了一个解决问题的探究过程，在这个过程中学生就具体问题与前辈科学家对话，提出与科学家相类似或相同的观点和猜想，对科学家的观点，学生能根据自己的知识、经验对它作出分析、评判，从而使学生认识到科学研究并不神秘，并非高不可攀，当自己置身于相同的问题情景中，也会提出各种猜想和观点，也会有所发现。让学生与前辈科学家对话，能改变学生对科学家和科学研究的态度和看法，能够深入了解科学家研究问题的基本思路和一般方法，体验科学探究的过程，领悟科学家的思维过程，从而培养学生的思维能力和探究能力，促进和改善学生对科学思想和方法的理解，培养学生解决问题的能力。
5.将科学史融入科学教学中，可以激发学生学习科学知识的兴趣，激发学生学习科学的动机，引发学生对科学问题的思考，诱发学生热爱科学、向往科学事业，培养科学态度、情感与价值观，形成正确的科学观。让学生与前辈科学家对话，了解各种科学成果是很多科学家前赴后继长期研究的结果，有利于培养学生勇于探索、乐于创新的精神。
需要指出，“融合模式”并非适用于所有课题的教学，只有那些由前辈科学家进行了长期探索研究，经过了多种观点的交锋才建立起来的，并且学生对有关现象和问题有足够的知识和经验，以及能提出自己观点和猜想的基本观念、规律和理论，用“融合模式”教学才可能取得满意的效果。