物理教材引入科学史的新观点，本文主要内容关键词为：观点论文,物理论文,教材论文,科学论文，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。
一、问题的提出
在物理教材编写中引入科学史，是教材编写理论与实践中的一个老议题。时至今日，已经有不少有识之士对此做过探索与努力，尽管当前我国物理教材中科学史的介入水平已经有了大大提高，然而物理教育缺乏历史厚重感的缺陷依然存在。
新课改以来，在物理教材中强调STSE（科学、技术、社会、环境）等内涵已颇见成效。但是我们并不能满足于此，仍需注意“增强我国物理教学历史感”的任务还未取得真正令人满意的效果。[1]近来有学者指出，在当前物理教材建设中，大家常常见到的只是一些缺少研究积累的编写者为突出重点而进行章节顺序的变换，或为分散难点而进行的知识点的移动等。[2]对此，笔者认为，产生这一现象的根本原因在于缺乏对物理教材编写理论的深入研究。
二、教学用科学史的内涵与分级
事实上，物理教材编写是独立于科学史研究的一项专业工作，其使用的科学史与物理学史家所研究的科学史是不同的，应该以“教学用科学史”的称谓加以区分。因此，对于两者的严格区分有助于澄清混乱的认识，从而集中精力解决物理教材编写引入科学史的关键问题。
与其他教育工作一样，教材编写也要遵守教育性原则，即无论任何领域的内容、方法、结构一旦被引入教材，都应尊重教育的规律、服从教育的目标。经过“教育性”这个筛子的过滤，从而彰显其教育功能。“教学用科学史”概念的提出，就是系统地诠释这种教育性及其实现的有效途径。为此，笔者提出了对教学用科学史分级的观点。
已有研究指出：中学物理教材引入的科学史可以作如下分类：1.科学方法的介绍；2.科学家的生平；3.重要实验、规律、概念发现的过程及产生的历史背景；4.学派、假说间的争议；5.我国古代科学技术与物理文化。[3]另有论者提出科学史教育中不同学科与学段的统筹与分工的观点。认为“低学段以微观素材为主”，“高学段以宏观素材为主”。[4]
综合看来，笔者认为，前者的分类缺乏明确标准，后者则考虑了整个基础教育阶段的层次性和学生心理发展水平的阶段性。然而“宏观”与“微观”的分类总是相对的，这一提法难免会造成边界模糊，最终难以有效地对教材编写发挥指导作用。
“教学用科学史”必须体现不断递进的界限和明显的层次，对不同层次的受众也要有相对严格的限定。显然，简单的分类方法满足不了这样的要求。有鉴于此，笔者认为，只有对“教学用科学史”采用“分级”方法，才能达成这些目标，进而对教材编写和教学提供系统的、有效的理论指导。借鉴国外对媒体内容分级的思路，笔者将“教学用科学史”分为：科学史故事、科学思想史、科学史观三个级次。
（一）科学史故事
科学史故事（Story of Scientific History）就是以科学故事（Story）的形式编述的科学史（S级），是从多样的角度、丰富的侧面描述的科学史情节的系列。国外已有学者提出“科学故事”的概念，Catherine Milne将“科学故事”大致分为四类：1.科学英雄的故事：主要讲述某科学家为科学发展作出了巨大贡献；2.科学发现的故事：主要讲述某件意外事故的发生揭开了某些科学知识的神秘面纱；3.科学公示的故事：某些科学现象及其作用为人们所熟知，人们随时可以在生活里观察到，但却一直没有得到提炼，直到某科学家提炼出了相关科学概念，并为人们所开始沿用，比如，食物链、重力、湿度等科学概念；4.受政治影响的科学：主要讲述不同国度、种族、文化、宗教等背景下的人为科学发展作出的贡献，以及科学与社会之间的相互关系及其作用。[5]当然，也可以有不同的分类方式和内容。
近来兴起的教育生态学为S级科学史的使用提供了启示。教育生态学是运用生态学方法研究教育的科学，它强调在真实、自然的情境中研究教育规律、提高教育活动的可应用型和普遍适用性，建立合理的教育生态环境以提高教育的效益。[6]S级的教学用科学史有最丰富、生动的编排方式，最有助于实现物理教育的生态化。长期以来，传统物理教材中的科学家往往以不食人间烟火的形态出现，物理发现也往往被片面地描述为必然或偶然的结论。有研究者在对中美物理教材比较研究之后认为，我国的物理教育中对科学家的认识较为理想化。[7]然而，事实并非如此，例如，某科学家的成长以及他做出的科学发现，往往同他所处历史阶段的社会思潮、生活的文化传统密切相关。这些情况都反映了S级科学史在教材中的异化与缺失，这使得我们的教材在历史层面丢失了趣味与情境性。这些问题都需要在S级科学史和教育生态学的视角下，找到这些问题的解决方案。
（二）科学思想史
科学思想史（History of Scientific Thought）中的“思想（Thought）”指的是人脑对现实世界的反应。有物理学史家认为，“物理学发展的历史，本质上就是物理学基本观念演变的历史。”[8]（3）该级次的教学用科学史（T级）描述人类科学思维的来源、方法、内容及其发展，它抛开了繁杂的历史细节，以相对抽象的形式再现人类科学认识的过程和成果，与物理学知识有最直接的联系，在基础教育阶段的物理教材中应占主要地位。重要科学概念与定律的发展就是T级科学史的典型例子。再如，人类对宇宙的认识是怎样从“水晶天球”到开普勒三定律、再到万有引力定律的？这类问题无疑都需要科学思想史来回答。
除了揭示思维的内容之外，还应注意突出科学思想史中思维方法的来龙去脉。物理思维在符合一般思维规则的前提下有着自己的特色和倾向，在科学思想史上与不同的哲学思想、理性、非理性思维方式纠葛在一起，具有独特的魅力。只有领会科学思想史才能更深刻地把握科学思维的方法。例如，物理学史上电流磁效应的发现者奥斯特，早年就受到了康德批判哲学的深刻影响，形成了自然界各种现象间相互联系的观点，当他把这种思想运用到研究之中的时候，就提出了“电流纵向磁效应”的设想。[8]（187-192）这种对科学家、科学发现的思想与思路的深刻剖析，就是T级科学史的典型素材，在教材中使用它们有助于学生学会物理思维的方法。
（三）科学史观
科学史观（View of Scientific History）是对科学史的哲学（Philosophy）思考，左右着人们对科学及其发展的基本看法和态度。在科学教材中，该级次的科学史（P级）同样是不可或缺的，正如爱因斯坦所说：“如果把哲学理解为在最普通和最广泛的形式中对知识的追求，那么显然，哲学就可以被认为是全部科学研究之母。”[9]
理解“科学本质”（Nature of Science）作为提升科学素养（Scientific Literacy）的重要内容，近来成为科学教育研究的热点。其实，由于翻译的失真，这里的“本质”实际上指的是“特征”或“特性”，然而科学的“特征”也是在历史中不断流变的，在当前的教材编写中，正是对科学史层面的界定不清导致了“科学本质”教育的一些混乱。以物理教材为例，一种版本的高中物理教材第一节开始就说：“物理学是一门自然科学，它起始于伽利略和牛顿的时代。”[10]然而，另一种版本的教材却说：“亚里士多德首次提出了物理学（Physics），即有形物体的学说。”[11]这两种界定显然是不同的，壁虎的尾巴和整只壁虎显然不可等量齐观，我们先要弄清究竟要学哪一段物理学，才能言其“本质”。
事实上，有些科学史哲学家已经扬弃本质主义的视角，认为西方历史上不同形态的科学是一种“家族相似”的关系。[12]笔者认为，这一认识正是“科学史观”视角的独特优势，用“科学史观”的概括方式更便于使科学教育的目标落到实处，也更容易深入和细化，从而有助于深刻地理解科学、提升科学素养。
三、教学用科学史的编写方式
厘清了三级教学用科学史的内涵，就为物理教材编写中系统地引入科学史创造了前提。因循这一分级的思路，就可以明确三级科学史的编写方式。
（一）科学史故事：追求“丰满”，避免失实
传统物理教材引入的科学史大部分是S级的，介入位置主要在教材“序言”与章节“导言”部分，正文中则以专栏或旁批的形式散碎地出现，在呈现方式上则存在着单一化、刻板化的倾向。例如，在介绍物理学家的时候，往往只呈现“户口本式”的人物资料，缺少丰富的情节和生动变化的笔调，在某种程度上不是合格的科学故事史。
如果换一种方式，往往三言两语就能使学生头脑中的物理学家丰满起来。例如，介绍伽利略时指出：“伽利略是宫廷乐师的后代，颇有艺术家气质，说话趾高气扬。”显然，这样的描述就生动了许多，迅速地拉近了学生与科学家的距离。现行人民教育出版社的高中物理教材在“万有引力与航天”一章里，专辟了一页的篇幅介绍“牛顿的科学生涯”，其中就不乏对牛顿个性、爱好、人生经历的介绍，使牛顿这位富有传奇色彩的物理学家变得立体了，这一做法值得继承并进一步发展。[13]
教材编写实践中需要避免的是引入科学史的失实情况。有论者列举了理科教材中的“科学史谎言”，又称为“准历史”现象。例如，牛顿观察苹果落地发现万有引力、伽利略的斜塔实验、苯的环状结构模型发现者凯库勒的蛇梦、布鲁诺因捍卫哥白尼日心说而被教会在鲜花广场上焚烧……均被考证为虚假的故事。[14]然而，此类失实也并非有意为之，而是在对科学史不断研究考证的过程中才被逐渐发现的。因此，教材编写应该与时俱进地淘汰、更正被证实了是虚假的科学史故事，遵循实事求是的基本原则，并确立一种机制。
（二）科学思想史：凸显科学方法，增加宏观史料
科学思想史是科学史的主体，然而，细观目前中学物理教材不难发现，在教材编写中却缺乏有意识的选用。笔者认为，T级科学史的编写应该把凸显科学方法作为主要目标，包括科学思想史上的科学思维方法及其所“操作”的物理方法。由于科学是一个不同于逻辑推演的历史过程，是偶然与必然的辩证统一，这就造成了学生不可能重演科学思想的全部过程。一个不落地理解不同科学家、不同历史阶段对某个科学概念或规律的认识显然是不经济的，也是做不到的，甚至还有“副作用”。物理史学家杨仲耆认为：“物理学思想史并不把整理描绘物理学具体知识本身的发展线索作为主要任务，而是着重考察物理学发展中的中心思想。”[15]因此，在编写中凸显科学思想史上思维方法与学科方法的来龙去脉理所当然就成了主要任务。例如，库仑定律“平方反比”关系的发现，科学家们就使用了与万有引力定律相类比的思维方法、扭秤放大的实验方法。其中的类比思维就在物理学史上多次出现，法拉第提出电力线的概念时就类比了流体场，“放大法”更是科学史上典型的物理学科方法。[8]（181—186）然而，虽然现行的多种物理教材都写到了这段历史，但是对其中蕴含的思维方法和物理方法都未能加以显化。
长期以来，物理教材使用科学思想史出现的另一个问题是：重微观、轻宏观，重片段、轻整体。一方面，如伽利略的“理想实验”等个别科学发现的思想史被详细地揭示；另一方面，如动力学观点到能量观点的“阶跃”、古代物理到现代物理的“过渡”、培根传统与数理传统的“碰撞”等科学思想史上的宏观问题则鲜有提及。其实，个别科学发现的思想史毫无疑问是重要的，然而把握科学思想史的宏观脉络也不可或缺。教材编写应该做到精选“个别”、凸显“宏观”，充实并优化T级科学史的分量。
（三）科学史观：以“渗透”为主，立足于教师培训
P级科学史对理科教材的介入应该在发挥“统领”作用的前提下，采用“渗透”的方式编写，这是由中学教育的“基础性”决定的。在这方面，国外一些物理教材已经做了有益的尝试。例如，美国《哈佛物理教程》（Harvard Project Physics，简称HPP）不仅结合了相当数量的史料，并且把最基本的物理学史、科学哲学和概念、规律融为一体，成为美国最有影响力的物理教材之一。[16]（8）而事实上，HPP教材整体的编写顺序就是以历史发展为主线，这是其得以“融合”科学史观内容的前提条件。[17]
对于采用逻辑顺序的主流物理教材而言，如果在课文中直陈科学史观的内容，则不免有喧宾夺主、凌节而施之虞。对于正在学习基础物理的中学生，物理知识结构与思维发展还远未完善，所以也就很难保证能对各种科学史观有全面的、恰当的理解，某种程度上，这种“直陈”显得空洞并易滋生虚妄。因此，采用“渗透式”以求循序渐进地形成某种科学史观，就成为一种恰当的选择。至于对不同学段、不同地区的学生，究竟采用何种取向最为合适？是否有些取向是某学段的教材绝对不能采用的？以及究竟如何在整个教材体系中保持三级科学史内容的一致性？这些问题都要在细致的研究中找到根据。
采用“渗透性”的编写方式应首先探索在教材配套的教师用书中阐明该教材体系所持的科学史观，并进一步说明这一科学史观在整个教材体系中是如何被贯彻、支持和保持一致的。如果能采用这样的方式，则能使整个教材体系拥有一种自我批判、自我恰适的机制。例如，如果某教材在教师用书中直言该教材的科学史观是反对辉格史的，那么这就为教材抵制各种辉格史料提供了合法性批判的基础与前提，使整个教材体系拥有了一种“自净”和保持“自我同一性”的能力。由此也便于学校、师生对教材的甄选，同时也是对物理教师群体开展“科学史观”教育的需要。事实上，HPP教材的施用效果之所以不够理想，正是因为没有考虑到对教师的相关培训。[18]（25）应当清醒地认识到，“渗透”方法有效性的发挥，主体在于教师。面对物理教师群体科学史哲素养普遍不高的现状，教材体系应该把教师培训明确作为编写的任务之一，以提高教师用书编写水平，加大教师培训的力度。
四、教学用科学史的教育功能
教材作为连接课程与教学的载体、教师与学生的桥梁，在课程资源中占有重要地位，扮演着课程标准实施保障者的角色。“分级”思路为理科教材编写水平的提高找到了契机和着力点，并可在教学中彰显如下教育功能。
（一）科学史故事：全面促进物理教材的生态化
生态学在心理学、教育学领域的影响已经演变成了一场“生态化运动”，意在使教育心理研究从实验室的精密控制条件下解放出来，走向真实、自然的情境，从而提高普遍性和可应用性。在物理教材编写中增强生态性已经有了可贵的尝试，例如，增加STSE的内容。然而，笔者认为，仅仅联系生产和学生的生活经验还不足以诠释物理教育的情境性与生态化，这是因为科学是一个历史的过程，只有置之于纷繁复杂、丰富多彩的历史长河中才能真正体现生态性。科学史家吴国盛认为，科学史有助于理科教学，增加自然科学教学的趣味性，诱发儿童对神奇的科学世界的向往。[18]（43）只有充分实现教材的生态化才能凸显这种“趣味”。因此，在科学史故事的分级框架内，可以有意识地研究其对教材生态化影响的具体方式。例如，呈现科学史故事的时候，是以较生动的笔调还是说明性的文风？是采用人物传记多一点还是采用科学发现故事多一点？诸如此类，都可以做具体的研究，甚至可以探索量化的方式。
（二）科学思想史：为科学方法教育开辟新途径
在理科教材编写中增强科学方法的教育力度，已是科学教育界的一个共识。科学思想史介入教材，在传授学科方法、训练思维方法之外，为方法教育找到了新途径。即通过有意识地引入科学思想史，使学生历史地把握物理学科方法的来龙去脉以及物理思维方法的特色与倾向。
对于物理方法教育，在以逻辑思路传授之外，思想史又开辟了历史线索的新途径；对于物理思维方法教育，科学思想史则有更大功用。近年来的物理教学心理研究显示，物理思维是物理学科能力的重要组成部分，然而其具体内涵却尚未明了。[19]长期以来，我们在物理思维训练目标同相邻学科界限不清，也是这一缺失的反映。例如，物理教学过分追求严密的推理训练而忽视抽象与概括思维，实际上把物理课上成了数学课，物理与数学“合并”，真正的物理教育落空了。其实，逻辑思维同物理思维仅仅是交集关系，通过引入科学思想史，就可以从历史的视角归纳出“物理思维”不同于其他学科的特色与倾向，进而确定物理思维方法教育的内容。例如，强调抽象与概括思维是物理思维区别于数学的重要方面，类比推理、直觉思维则是物理学思想史上大量存在的。诸如此类方法，都可以做更加细致的考察并用量化的方式加以确定。在历史中揭示物理思维方法与物理学科方法，也有助于增强方法教育的生态效度，使学生感受到思维方法的特色以及不同学科方法的有效性并感受到亲和感。由此，也能更深刻地把握它们。
（三）科学史观：保障学生的科学观健康发展
针对科学教育领域激进与后现代思潮涌动的现状，笔者认为，物理教材中学科史观级次的缺失和放任在某种程度上纵容了这一问题。同样基于对教学用科学史“教育性”的认识，有些科学哲学的确是“少儿不宜”的。正如有学者指出的那样，“基础科学教育的目标要定位在经典科学认识论的基础上”“那些否认科学知识客观真理性的后现代主义科学观，至少不适合基础教育阶段的学习者的认知能力，包括批判性思维能力，因而可能滋生不理性、不严谨甚至反科学的态度”。[20]
实际上，近年来哲学界也出现了对后现代主义的批判和“超越后现代主义”的呼声。有学者指出，“尽管后现代主义在20世纪60年代以来在西方哲学界曾轰动一时，但是因为后现代主义所暴露出的主观主义、相对主义、虚无主义，近几年来受到了越来越多的批评而有冷落之势。”[21]“在‘索克尔事件’之后，后现代主义更是沦为了自然科学家嘲笑的对象”。[22]笔者认为，理解后现代的科学观不是一蹴而就的，儿童的认识与思维发展有其自有的规律。正如还没掌握牛顿力学的儿童不能深刻理解相对论、没有机械唯物论的充分发展也难有成熟的辩证唯物论一样，不理解科学主义则也无法正确认识后现代科学哲学。相反，若不分阶段地用后现代的科学观教育不同学段的儿童，则也难免不是一种机械灌输，本质上是一种一刀切，恰恰是忽视儿童的行为。
因此，基础教育阶段的教材编写应该谨防此类不良思潮的影响，基于经典的科学史观编写教材。在教学用科学史分级中明确地提出“科学史观”的级次，明确了科学史观在物理教材中的地位，要求物理教材告别对历史观的模糊处理以及有意无意地兜售有害史观的做法，并明确表达该教材体系所持的科学史观且做到自洽，从而为学生筑起了一道保障性的“滤网”，在一定程度上也提醒人们注意培养学生健康的科学观。
（四）分级方法：为建设特色教材提供了思路
我国的物理教材建设已经走过六十余年，从全面学习苏联经验到更加开放的教材建设时期，广大师生对教材编出特色、凸显风格的需求日益增强。然而近来有论者认为：“人们可见的所谓的教材的多样化，事实上并未能从根本上解决问题。”[2]对此，笔者认为，完成物理教育“增强历史感”的任务不宜再延宕了，要突破目前建设特色物理教材的瓶颈，“走进历史”就成为了一种必然的选择。教学用科学史分级方法恰恰是这一思路下的一种有益尝试。在当前课程改革的背景下，通过教材实验研究三级科学史的配比、用量、取向、类别等参数对教材特色的影响，就可能为编写不同特色的教材找到一种切实可行的实现途径。