科學史資源的開發(fā)運用

科學史資源與科學教學——以物體運動規(guī)律的發(fā)現(xiàn)史為例張國定

教授（2010年12月）一、科學教育中的科學史資源1、科學史資源在理科教學中的作用在《全日制義務(wù)教育科學（3-6年級）課程標準》的情感態(tài)度與價值觀目標中，培養(yǎng)小學生如何“對待科學，對待科學、技術(shù)與社會的關(guān)系，對待自然”，應(yīng)重視科學史資源在教學中的運用。該《標準》建議，讓同學搜集科學技術(shù)發(fā)展史上的故事，與大家分享。關(guān)于理科教學和科學史的關(guān)系，我國理科教育工作者廖正衡曾結(jié)合化學教學發(fā)表了頗有見地的見解：化學教學同化學史的結(jié)合，就可以使教學不只局限于形成知識的結(jié)論，還可以追溯它的來源和演變；不只局限于知識的本身，還可以反映出人們在確定知識中的思想和方法。這樣，在教學中就可以把化學理論的邏輯展開和人類認識化學運動的過程聯(lián)系起來，實現(xiàn)邏輯與歷史的統(tǒng)一。美國“2061計劃”的《科學為所

有的美國人》報告，在“歷史的觀點”一章中寫到，科學教育中包含科學史

內(nèi)容主要基于兩個方面的原因：其一，從科學學習考慮，“離開了具體事例

談科學發(fā)展，就會很空泛”。沒有歷

史事例，不論記憶多少一般概念，最

多也只不過是一些口號”。其二，從文化意義來考慮，“一些科學史實為人類文化發(fā)展做出過

卓越貢獻。按照報告設(shè)計者的說法，科學史實選擇的標準是“既要能夠

說明歷史論題，也要具有顯著的文

化特色。從實際教學看，努力幫助學生實現(xiàn)必要的觀念轉(zhuǎn)變，應(yīng)成為科學教學的一項主要任務(wù)。而在科學教學設(shè)計中，如何選擇科學史資源，合理組織科學教學活動，對于促進學生實現(xiàn)科學觀念的轉(zhuǎn)變，則具有重要的作用。二、學生科學學習中的觀念轉(zhuǎn)變1、“觀念轉(zhuǎn)變”：科學學習的主要特征就科學教育而言，學生學習中的“觀念轉(zhuǎn)變”

不是將學生的頭腦看成是一個“空的容器”或“一

塊白板”，教師只要往里面裝知識、在上面寫字即

可。恰恰相反，學生是帶著各種關(guān)于自然界的事物

和現(xiàn)象的素樸見解，其中有些是相當確定的看法，

開始了在學校中的科學學習的。而有些見解和看法

是與相應(yīng)的科學觀念直接相沖突的。從這個意義上

講，學生的科學學習應(yīng)該被看成是一個“觀念轉(zhuǎn)變”的過程，或者說是科學教學的一個基本目標，即努

力幫助學生較好地實現(xiàn)由“先有觀念”（素樸觀念）向“科學觀念”的轉(zhuǎn)變。十多年來，人們對學生“先有觀念”及其對于科學學習影響的研究，獲得了普遍重視。格林在他主編的《科學學習心理學》中指出，“這種研究指出，在學生正式學習之前，有關(guān)自然界的個人理論已存在他們腦中了。這種情形影響了學生理解科學教學內(nèi)容，學生甚至到該學科學期結(jié)束時仍不放棄自己原有的解釋?！庇擅鞔幕热怂骶幍摹洞龠M理解之科學教學》一書中，對學生中所存在的關(guān)于物質(zhì)存在與運動方式的諸多錯誤觀念與相應(yīng)的科學觀念做了一個對照。發(fā)人深思的是，其中涉及到了本體論和認識論方面的一些深層次觀念和信念。學生的錯誤觀念

相應(yīng)的科學觀念只是一種短暫的、人工制真空”。物質(zhì)在本質(zhì)上是連續(xù)的。物質(zhì)是一群小的、不可空間填充在物質(zhì)間。真空變的、看不見的粒子。粒造的狀態(tài)?！按笞匀粎拹鹤又g及其周圍的空間稱為“真空”。真空是自然的真實的狀態(tài)。休息和靜止是每一種物質(zhì)自然的狀態(tài)，運動則是物質(zhì)暫時的人工狀態(tài)。粒子經(jīng)常處在運動狀態(tài)。學生的錯誤觀念相應(yīng)的科學觀念物質(zhì)的改變可能產(chǎn)生另類的“盲目”的物理因果關(guān)系，或由于目的導向的移動（目的論），或由于兩者的組合。有效的解釋可能是因果的、目的的或僅僅是每一物質(zhì)的變化出現(xiàn)在物理的因果關(guān)系中。因此，在每一種現(xiàn)象中都存在一些根本的機制。有效的解釋必須指明現(xiàn)象背后隱藏著的機制。學生的錯誤觀念相應(yīng)的科學觀念真實的實體是那些可以被真實的實體是看不到的。直接感知的對象。微觀的宏觀提供說明。感覺是最有效的工具，透感覺是不可靠的并會導致過感覺我們可以發(fā)現(xiàn)真錯誤，因此，懷疑與深度實，因此，直接經(jīng)驗是認的思考是認識和知識的主識和知識的主要工具。要工具。學生的錯誤觀念相應(yīng)的科學觀念物理現(xiàn)象的出現(xiàn)，部分是物理現(xiàn)象起因于隨機的偶由于自然規(guī)律，部分是由然（起因于粒子的運動）于非物質(zhì)的實體或因素的和機制（起因于粒子的結(jié)影響。構(gòu)和力）。物理的世界呈現(xiàn)了先前存物理的世界不能呈現(xiàn)所有在的所有設(shè)計，因此它是的設(shè)計，因此它是沒有目有目的的。的的。上述認識和研究表明，觀念的沖突被看成是學生科學學習的主要困難所在：“科學學習對學生而言，在未來也將是一件困難的課業(yè)，很多問題都是因為科學知識的“本質(zhì)”問題——科學學習常常意味著學習一個全新的觀點?！保ǜ窳值龋骸犊茖W學習心理學》）不少學者認為，這里的“觀念轉(zhuǎn)變”可以看成是科學學習活動的一個主要特征。2、“觀念轉(zhuǎn)變”：科學教學活動的主要困難科學教學活動面臨的主要困難也是源于學生對“先有觀念”的依戀。在活動中他們自覺或不自覺地表現(xiàn)出對科學觀念的抵制或反抗。格林形象地指出：學生的個人理論和模式在他們?nèi)粘Ｉ钪羞\用自如，惟有在上科學課時，教師才指出他們

觀念的問題，而學生卻不愿意放棄他

們的錯誤觀念，他們寧可相信自己那

些在現(xiàn)實世界中解釋得通的理論。即使他們在課堂上暫時接受了一些新的科學觀念，如果他所遇到的是日常生活中的熟悉情境，原有的素樸觀念又會被重新“激活”。這就足以表明“觀念轉(zhuǎn)變”的艱難性。由于學生在學校中所學到的科學觀念

往往只是在課堂這一特定情境得到了應(yīng)用，并主要的就是為了能在課堂上得到老師的表揚或在考試中獲得高分。因此，如果說在一段時間內(nèi)，學生主要表現(xiàn)為在“先有觀念”與科學觀念之間搖擺，那么，從更長遠看，特別是學生離開學校以后，所表現(xiàn)出來的很可能是原有的“素樸觀念”對

在學校中學到的科學觀念的徹底排斥。觀念的轉(zhuǎn)變事實上不僅僅涉及了學生在入學前已形成的“先有觀念”。

即使在入學以后學生也可能由于種種原因，如不恰當?shù)慕虒W、媒體誤導等，形成一些新的與科學觀念相矛盾的錯誤認識或觀念。因此，我們在教學過程中就必須對此保持足夠的警惕，并及時作出必要的糾正。三、科學教學中科學史資源的運用——以物體運動規(guī)律的發(fā)現(xiàn)史為例1、從一個教學實驗說起學生所具有的“素樸觀念”還可能在很多方面對新的學習造成嚴重的消極影響。在一次實驗中，學生被要求對等重的鋁磚和塑料磚的下落情況作出預(yù)測和實際觀察。有兩個學生預(yù)測鋁磚會比塑料磚下落得快。盡管這一預(yù)測后來被發(fā)現(xiàn)與實際觀察的結(jié)果并不符合。但學生這時并沒有因此而對自己的這一“先有觀念”產(chǎn)生懷疑，而是用如下推理來解決這一矛盾：他們認為，這兩塊磚事實上不是同時落下的，只是演示的時間太短、落下的距離太短，從而就不足以看出兩者的差異。這樣，在實驗中最終出現(xiàn)了如下情況：一位學生站到了桌子上去重做剛才的實驗，另一位學生則將頭放在地板上，以更為準確地去判斷究竟是何者首先落下。在問及學生為何重物比輕物下落的速度快時，學生以書上的內(nèi)容作為直接答案。因為教科書上確實提及了伽利略的如下結(jié)論：在空氣中，重物（金幣）落下的速度比輕物（羽毛）快。學生這一點的記憶是沒錯的。但他們忘記了伽利略在書中的主要結(jié)論：在真空中，重物（金幣）和輕物（羽毛）下落的速度一樣快。對伽利略的第一個結(jié)論，學生記憶準確，是因為它與學生先有觀念相吻合；而對他的主要結(jié)論卻忽視了，則表明“先有觀念”對科學觀念的抵制。2、“蘋果落地”、“塔上拋物”的故事及其相關(guān)史實以上實驗表明，在科學教學中我們應(yīng)努力幫助學生很好地實現(xiàn)由“素樸觀念”向科學觀念的重要轉(zhuǎn)變。作為教師把握和運用好科學史資源就顯得十分重要。關(guān)于“蘋果落地”牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力故事我看到的至少有三個版本（少年的、青

年的和老年的）。我傾向于第二個版本，

也是許多科學史書中采用最多的一個版本。該故事的關(guān)鍵詞：1665年（夏天、秋天？），老家，蘋果樹…“…天體運動的問題正困擾著他。一只被夕陽照得通紅的蘋果落下來了。牛頓眼中放出光芒。蘋果下落了，月球為什么不下落呢？這就是牛頓思考問題的出發(fā)點。牛頓是第一個思考蘋果下落原因的人嗎？把這個問題抽象成一般問題，即“為什么重物在脫離支撐（或懸掛）后總是往下掉？”其實，早在公元前4世紀時，亞里士多德就對這個問題有了極為簡明的回答：自然運動運動人為運動天體運動屬自然運動，其完美形式：圓周活動。地面物體：直線運動，趨向自己在宇宙中的自然位置，如重物下落；汽體、火焰上飄。對自由下落的物體來說，重的落得快，輕的落得慢。亞里士多德把自然運動分為天上

的和地上的兩種，由于一個“高貴”，一個“低下”，它們不可比。而地上

的運動他又分為人為的和自然的，它

們又是截然不同的兩種運動。這樣，

他就從思想方法上切斷了天上運動和

地上運動、人為運動和自然運動之間

的聯(lián)系。一塊石頭用手投出去是人為運動，從高處掉下來是自然運動，這兩者難道真的不可比嗎？伽利略就懷疑這一點。要解決這一問題，最簡單的辦法是，到比薩斜塔上將一個鉛球和木球同時拋下，看其是否同時落地就行。據(jù)說，伽利略就是這么做的。伽利略在比薩斜塔上公開做的實驗，是他晚年的學生維維安尼在《伽利略生平的歷史和故事》中寫的。這個說法很流行，很多科學史書都是這么講的。實際上，這個故事還是引起一些科學

史家的懷疑。20世紀30年代，，如美國的庫珀、法國的考義萊，對這一說法提出了質(zhì)疑，引起了科學史上的一次論戰(zhàn)。幾乎所有著名的科學史家，如庫恩、丹皮爾、梅森、柯恩等都卷入了這場論戰(zhàn)。有人把它稱為“科學史上99個謎中的第一個謎”。甚至有不少科學史研究者用模擬實驗的方法，企圖再現(xiàn)當年伽利略的實驗狀況。以下是這些實驗獲得的數(shù)據(jù)：當代外國科學史研究中對自由落體實驗的模擬姓

名國別年代實驗地點落

體高度（m）落地差(m)G.Feinbeg美1964劍橋同直徑鐵球和木球24.380.305C.G.AdlerB.L.Coulter美1978年前同直徑鐵球和軟橡皮球307G.Feinberg美1964直徑10厘米的鉛球和黑檀木球1005B.M.Casper美1975年左右卡爾萊頓學院16磅炮彈和軟棒球60.966.1-9.6（炮彈入土0.457）上述實驗表明，不同落體在同高同時下落時，由于空氣阻力和其它種種不可控的干擾因素，必然有相當大的落地差。其中，同直徑鐵球和軟橡皮球在30米的高度下落時落地差竟達

7米，任何人用眼睛都可以明顯地區(qū)別出來。比薩斜塔高54．8米，伽利略是能在這個斜塔上做不同材料的落體實驗嗎？我最近在《影響世界的大科學家》（北京婦女兒童出版社）書中看到，伽利略還是在比薩斜塔上做了同質(zhì)不同重物體的自由落體實驗。

1591年，伽利略和他的兩個學生帶著兩個不同重量的鉛球（一個是另一個重量的10倍）登上了比薩斜塔的頂部，在好奇心的驅(qū)動下，塔底下站滿了前來觀看的人。在同一時刻，伽利略讓他的兩個學生從同一高度放下這兩個球。結(jié)果，人們清楚地看到這兩個球在同一時刻落到地面。這個實驗成功地證明了亞里士多德的“重的物體落得快，輕的物體落得慢”的結(jié)論是錯誤的，從而使統(tǒng)治人們思想長達2000多年的亞里士多德的學說第一次發(fā)生動搖。其實，聰明的伽利略是不會到比薩斜塔上去做材料不同的落體實驗的，那樣不就是自己搬起石頭砸自己腳嗎？除了在比薩斜塔做了落體實驗外，伽利略還做了另外三個實驗。（1）理想實驗由于一般落體實驗總是要受到空氣的

阻力的。伽利略設(shè)想了一個實驗，用鉛、金和木做三個球。他讓這三個球在水銀、水和空氣里下落。他想，不同重量的物體，在不同介質(zhì)中下落時，介質(zhì)越稀薄，物體下落的差異越小。要是在真空中，必然是所有的物體都以相同的速度下落。這一推論，因當時的技術(shù)水平還不能得到真空而無法驗證。（2）推理實驗伽利略設(shè)問：如果把一件重的東西和

一件輕的東西捆在一起，讓它從高處下落，那它將是怎樣一種情形呢?一件重的東西和一件輕的東西捆在一起從高處下落，按照同一前提推理，會得出兩種相反的結(jié)論，這表明該前提是一悖論。聰明的伽利略，不需要在亞里士多德的理論中加任何新的條件，只要把他的論斷的前提條件聯(lián)系起來考察，就發(fā)現(xiàn)了精于邏輯的亞里士多德的理論原來是自相矛盾的。（3）“沖淡重力”的受控實驗“沖淡重力”實驗用觀察小球在斜面上的運動來代替自由落體；用調(diào)整斜面的傾角來控制小球的運動速度—“沖淡重力”。實驗結(jié)果是，在一定時間內(nèi)，小球在斜面上走過的總距離與這段時間的平方成正比。由此，伽利略得到了勻加速運動定律。尤其是他天才地引入了“加速度”這個概念，是力學史上的一個里程碑。至此，伽利略就打通了亞里士多德的地上的人為運動和自然運動的機械分割，弄清了地上運動的統(tǒng)一性和內(nèi)在規(guī)律。至于地球上物體的下落與天體運動之間有什么聯(lián)系，最終還是由牛頓揭開了謎底。蘋果為什么從樹上掉下來？牛頓在伽利略的基礎(chǔ)上思考問題。既然自由落體加速度是一樣的，對于石頭、蘋果，并不存在人為運動和自然運動的區(qū)別，為什么這一點不能推