[原載於《化學教學》2020年第1期]
新課標視域下化學史的科學本質教育功能研究*
嚴文法1,2**，王小梅1
（1. 陝西師範大學化學化工學院，2.北京師範大學中國基礎教育質量監測協同創新中心陝西師範大學分中心 陝西西安 710119）
摘要：科學本質是科學教育的主要目標之一。《普通高中化學課程標準（2017年版）》強調促進學生對科學本質的理解。化學史記錄了化學科學知識形成、建立和發展的全部過程，承載了科學本質的許多方面，2017年版新課標強調將化學史與促進學生對科學本質的理解相聯繫。本文通過對科學本質和化學史進行分析、整理，討論了化學史的科學本質教育功能。
關鍵詞：科學本質；化學史；新課程標準；教育功能
文章編號： 中圖分類號：633.8 文獻標識碼：B
科學本質（Nature of Science，簡稱NOS）是科學教育的重要目標之一，一直以來也是國際科學教育關注的熱點。《普通高中化學課程標準（2017年版）》在教學策略、教學提示、學業要求中多次提到：「促進學生對科學本質的理解」[1]。科學史（History of Science，簡稱HOS）是科學課程的重要內容之一，科學史能提供關於科學的概念、過程和背景等有意義觀點，在科學課程中融入科學史，可以幫助學生理解抽象的科學概念，還有助於學生對科學本質的理解[2]，化學史是科學史的分支，有效的運用化學史，可以增進學生對科學本質的理解。《普通高中化學課程標準（2017年版）》中多次將化學史與促進學生對科學本質的理解聯繫起來，比如「藉助科學史的故事和素材多角度展示人類對微觀結構的認識過程，促進學生對科學本質的理解」、「有效利用化學史的素材，幫助學生認識科學理論會隨著技術手段的進步和實驗證據的豐富而發展，通過設計角色扮演等活動引導學生理解科學理論發展過程中的爭論，從而增進對科學本質的理解」、「關注化學理論的歷史演進過程，結合理論模型發展中的重要事實和科學家的推理論證過程，引導學生認識化學理論的建立過程和思想方法，發展學生的高級思維能力及其對科學本質的認識」、「利用科學技術發展進程中的優秀案例，引導學生認識科學本質」[3]。由此可以看出，《普通高中化學課程標準（2017年版）》重視發展學生對科學本質的理解，且將化學史作為發展學生對科學本質理解的重要手段。
1.核心概念的界定
1.1 科學本質
科學本質一直是國際科學教育關注的熱點，一些國家將「科學本質」納入科學課程標準中，強調科學本質的教育。1996年，美國頒發的《國家科學教育標準》，將科學的歷史和本質作為重點內容之一，規定在5-8年級的學生應該逐步理解科學的本質和科學史，9-12年級的學生應該具備理解科學知識的本質和歷史的觀點的能力，給出了科學本質和科學史具體的內容[4]。2013年，美國頒布的《下一代科學教育標準》（NextGeneration of Science Standards，簡稱NGSS），不再單獨設立有關「科學的歷史和本質」教學內容，而是將科學本質教育內容納入科學實踐和科學教育中，標準中提到了八條科學本質的教學內容[5]。因為科學本質涉及到科學哲學、科學社會學、科學史學、科學心理學等領域，因此其具體定義一直沒有全面達成共識，但是在學校科學教育層面，對K-12年級應能理解的科學本質的內容基本達成了一致，目前主要採納的是美國科學教育家萊德曼（(N.G.，Lederman)）給出的符合K-12年級學習的科學本質的7個方面（簡稱：「LedermanSeven」）[6]，這7個方面如下：（1）科學知識的經驗性；(2)科學定律和理論的區別於聯繫；（3）科學知識的創造性和想像力；（4）科學知識的理論負載性；（5）科學知識的社會和文化嵌入性；（6）科學方法的多樣性；（7）科學知識的暫定性。萊德曼關於科學本質的7個方面應用廣泛[7-8]。科學本質教育具有重要的教育價值，研究者認為科學本質的教育價值主要有：可以幫助學生形成正確的科學觀，能區分科學和非科學；有利於學生體會、理解科學事業中的過程與方法，培養學生的科學素養；幫助學生領會科學的精神[9]。
1.2 化學史
化學史是科學史的一個分支，美國著名的科學史家薩頓認為：「科學史是描述人類在長期社會實踐中關於自然認識的歷史」。那麼，化學史也就是描述人類在長期社會實踐中關於自然的化學知識的歷史[10]。長期以來，科學史是科學課程的重要組成部分，運用科學史教學能夠幫助學生理解抽象的科學概念，對學生理解科學本質有促進作用[11]。2017年新課程標準中的情境素材建議裡提供了大量化學史素材，例如，電離理論的建立、元素周期律的發展、原電池的發現、人工合成氨、人工合成尿素、青蒿素的提取、氧化還原理論建立的史料、核外電子運動模型的歷史發展、玻爾與愛因斯坦的爭論等[12]。
2.例析化學史的科學本質教育價值
利用科學史進行科學本質教育，至少可以追溯到上個世紀50年代，美國科學教育家詹姆斯·科南特設計了大量基於科學史的教學案例，嘗試幫助非理科生理解科學本質的某些方面[13]。已有研究表明,將科學史作為一種教學策略使其與科學內容和科學本質教育相結合能幫助學生更好地理解科學本質[14-15]。化學史是科學史的一個分支，將化學史與化學知識教學相結合，能夠促進學生對科學本質各個方面的理解。
2.1 化學史能承載科學知識的經驗性
對科學知識的經驗性（The Empirical Nature of Scientific Knowledge）的恰當理解是：科學知識的產生至少在一定程度上是基於對自然界的觀察，但科學家並沒有直接接觸到大多數的自然現象，因此科學知識的產生除了需要觀察之外還需要推論。學生應該了解觀察和推論之間的關鍵區別，觀察是對自然現象的陳述性描述，而推論是對感官無法直接理解的現象進行陳述[16]。
化學史具有體現科學知識的經驗性的功能，以原電池的發現為例來進行討論。1780年，義大利醫學家伽法尼在一次偶然情況下，觀察到解剖青蛙時青蛙出現了痙攣現象，基於這一現象伽法尼推論出了「生物電」理論。1793年，義大利物理學家伏特質疑伽法尼的發現，進行了大量的試驗之後形成了結論：將捆綁在青蛙肌肉兩端的不同金屬連接成閉合迴路，這才是產生電的關鍵。伏特根據這些現象，推論出是兩種不同的金屬相互接觸時所產生的電效應，與接觸的動物無關，並基於這一推論製作了伏特電堆。但伏特電堆難以維持穩定的電流，1836年，英國的丹尼爾對「伏特電堆」進行改良，製作了第一個實用的「丹尼爾電池」[17]。從發現原電池的這一段化學史我們可以看到，化學知識的產生是建立在一系列的實驗、觀察和推論的基礎上的。教師在講授化學反應與電能這章節時，可以藉助原電池的發現史使學生理解觀察和推理的區別與聯繫，理解科學知識的產生是建立在觀察的基礎上的，但是僅僅通過觀察又往往是不夠的，還需要基於觀察的推論，觀察和推理都是產生科學知識的重要途徑。
2.2 化學史能承載科學定律和理論的區別與聯繫
對科學定律和理論（Scientific theories and laws）的恰當理解是：科學定律是指可觀察到的現象之間的關係進行陳述性描述，科學理論是對那些現象中可觀察到的現象或規律的推斷解釋。理論不能被直接檢驗，只有間接證據才能用來支持理論並建立理論的有效性。理論和定律是兩種不同的知識，一種不能轉為另外一種，都是科學的產物[18]。
化學史具有體現科學定律和理論的功能，以電離理論建立的化學史為例來進行討論。1800年，英國化學家戴維通過一系列電解實驗，為了解釋電分解作用，首次提出親合力的電理論。1832年，英國科學家法拉第根據大量的電解實驗現象得出了兩條結論，也就是法拉第定律。1887年，阿倫尼烏斯結合自己的實驗和他人的研究（克勞修斯、柯爾勞希、範霍夫等）提出了電解質稀溶液的電離理論[19]。從電離理論的建立的化學史我們可以看到，科學定律是根據大量的實驗數據和現象總結出來的相關關係，而科學理論為了解釋現象而提出的相關理論。教師在講電離與離子反應這章節時，可以藉助電離理論建立的化學史使學生理解科學定律和理論的區別，理解科學定律和理論是兩種不同的科學產物，一種不能轉化為另一種。
2.3 化學史能承載科學知識的創造性和想像力
對科學知識的創造性和想像力（The Creative and Imaginative Nature ofScientific Knowledge）的恰當理解是：科學知識的發展包括對自然的觀察，然而，產生科學知識也需要人類的想像力和創造力，科學包括解釋和理論實體的發明，這就要求科學家有很大的創造力[20]。
化學史具有體現科學知識的創造性和想像力的功能，以核外電子運動模型的歷史發展過程為例來進行討論。1897年，湯姆生在研究陰極射線時，發現了原子中電子的存在，通過想像創造出原子結構模型，稱為「葡萄乾麵包模型」。1910年盧瑟福進行α粒子散射實驗時，為解釋α粒子的散射實驗，通過想像構造出原子結構模型，稱為「盧瑟福核式模型」。1913年，丹麥物理學家玻爾在研究了氫原子光譜後，根據量子力學觀點，創造和想像出新的原子結構模型，稱為「玻爾原子結構模型」，1926年，薛丁格提出了主量子數、角量子數、磁量子數來描述核外電子運動狀態，根據想像力和創造力以及相關原理建立了「電子云模型」。[21]。從核外電子運動模型的建立以及苯環結構的發現的化學史教師可以幫助學生認識到科學知識的產生過程還需要科學家的創造力與想像力。
2.4 化學史能承載科學知識的理論負荷性
對科學知識的理論負荷性（The Theory-Laden Nature of ScientificKnowledge）的恰當理解是：科學家的理論和承諾、信念、先驗知識、經驗等實際上影響著他們的工作。所有這些背景因素形成了一種心態，這種心態會影響科學家思考的問題，以及他們如何進行思考，影響他們觀察或不觀察什麼，以及他們如何解釋他們的觀察[22]。
化學史具有體現科學知識的理論負荷的功能，以玻爾與愛因斯坦的爭論的化學史為例來進行討論。愛因斯坦和玻爾關於量子力學的爭論從1927年開始，一直持續到1955年愛因斯坦逝世。玻爾提出的對應原理和哥本哈根學派提出的波函數的機率解釋，以及1927年海森堡提出的「測不準原理」。愛因斯坦對測不準原理和量子力學的概率解釋都不認同。愛因斯坦反對量子力學是基於對實在論、因果律、決定論等哲學方面的堅定信念[23]。從愛因斯坦和玻爾的爭論的化學史我們可以看出，兩位科學家的理論負荷，導致對量子力學有不同的觀點，兩位科學家的爭論也推進了量子力學的發展。教師在講研究物質結構的方法與價值這一主題時，藉助玻爾與愛因斯坦的爭論這一化學史素材，引導學生理解科學理論發展過程中的爭論，體會科學家們的理論負荷有時會阻礙他們發現科學知識，導致科學家產生錯誤的理解，同時也可能推進科學知識的發展。
2.5 化學史能承載科學知識的社會和文化嵌入性
對科學知識的社會和文化嵌入性（The Social and Cultural Embeddedness ofScientific Knowledge）的恰當理解是：科學作為人類的事業是在更大的文化背景下實踐的，它的實踐者是這種文化的產物，科學受其所嵌入的文化的各種因素和智力領域的影響[24]。
化學史具有體現科學知識的社會和文化的嵌入性的功能，以人工合成氨的化學史和青蒿素的提取為例來進行討論。1754年，英國化學家普裡斯特利加熱氯化銨和石灰石時發現氨氣，1784年，法國化學家貝託雷確定了氨是由氮和氫組成的。19世紀以來，由於社會問題，氮的固定成為一個嚴峻的化學問題。很多著名化學家開始研究氮的固定，1900年，法國化學家勒沙特認為氮氣和氫氣在高壓條件下可以直接化合生成氨，用實驗驗證失敗。在合成氨研究屢屢受挫的情況下，直到1904年，德國物理化學家哈伯對合成氨進行了全面系統的研究和實驗，終於在1913年年底合成氨，終於從實驗室走向了工業化[25]。20世紀60年代中期，越南戰場抗藥性惡性瘧疾橫行，越南政府緊急向我國尋求援助，需要研製防治抗藥性惡性瘧疾新藥，屠呦呦一直在不停的研究，最後直到發現青蒿素的有效作用，進行青蒿素的提取研究[26]。從人工合成氨和青蒿素的提取的化學史可以看出，科學是在一個大的文化環境下進行實踐的人類事業。教師在講主題化學科學與實驗時，藉助工業合成氨以及青蒿素的提取的化學史，引導學生科學探究過程以及科學態度，讓學生自己體會科學知識的產生與社會和文化有一定的關係，理解科學知識是在一定社會和文化背景下產生的。
2.6 化學史能承載科學方法的多樣性
對科學方法的多樣性（Myth of The Scientific Method）的恰當理解是：沒有一種單一的科學方法可以保證發展可靠的知識。科學家運用觀察、比較、測量、推測、假設、創造想法和概念工具，並構建理論和解釋，沒有單一的序列的活動[27]。
化學史具有體現承載科學方法的多樣性的功能，原子結構模型的建立、氯的發現、化學電池的發展歷史以及李比希法分析碳氫元素含量等都可以用來承載科學方法的多樣性。比如舍勒在1774年研究軟錳礦時，他將軟錳礦與濃鹽酸混合併加熱時，發現了氯氣。戴維通過電解法發現了大量的元素，成為發現元素最多的化學家。教師在講化學科學與實驗探究時，藉助原子結構模型、化學電池的發現等化學史，引導學生了解實驗、假說、模型等方法在化學學科研究中的運用。讓學生自己理解科學方法的多樣性，體會到科學家運用多種方法來解決科學問題，沒有一種單一的方法來發現科學知識。
2.7 化學史能承載科學知識的暫時性
對科學知識的暫時性（The Tentative Nature of Scientific Knowledge）的恰當理解是：科學知識雖然可靠而持久，但絕不是絕對的或確定的。這種知識，包括事實、理論和法律，是可以改變的[28]。
化學史具有體現科學知識的暫時性的功能，以氧化還原理論建立的化學史為例來進行討論，對於氧化還原理論的建立分為3個階段，18世紀末，拉瓦錫提出的燃燒氧化學說，以得失氧的角度來理解氧化-還原反應理論；19世紀中期，由於化合價概念的建立，氧化還原反應理論從化合價的角度來理解；20世紀初期，由於成鍵電子理論的建立，氧化還原反應從電子的得失或偏移的角度來理解[29]。從氧化還原反應理論建立的化學史可以看出，科學知識是可靠的並且是經久的，但不是永久的、絕對的，是暫時的。教師在講氧化還原反應這章節時，藉助氧化還原反應理論的建立的化學史，讓學生了解氧化還原反應原理並不是一蹴而就的，而是通過長達百年的時間逐漸演進的。體會科學知識雖然在一段時間內可靠而持久，能解釋自然界中的很多現象，但不是絕對的或確定的，隨著時間的推移，人類的認識逐漸提高，相應的科學知識也逐漸變化。
3.討論
2017年版的新課程標準非常重視化學史和科學本質，明確提出應注重發揮化學史的作用，使學生從學科本源上把握化學核心概念發展中所蘊含的學科思想觀念，從而增進學生對科學本質的理解[30]。國外很多研究證明運用科學史能夠提升學生對科學本質的理解，化學史是科學史的分支，有效利用化學史也能增進學生對科學本質的理解。國際上對K-12年級（中學生）能夠理解的科學本質分為7個方面，也就是萊德曼的科學本質的7個方面。化學史能夠提升學生對科學本質的理解，2017年版的新課程中的情境素材建議中的相關化學史能夠承載科學本質的不同方面，例如原電池的發現能夠承載科學本質中的科學知識的經驗性；電離理論的建立能將承載科學本質中的科學定律和理論的區別；核外電子運動模型的歷史發展能夠承載科學本質中的科學知識的創造性和想像力；玻爾與愛因斯坦的爭論能夠承載科學本質中的科學知識的負荷理論；人工合成氨和青蒿素的提取能夠承載科學本質中的科學知識的社會和文化的嵌入性；原子結構模型的歷史、氯氣的發現等能夠承載科學本質中的科學方法的多樣性；氧化還原理論建立的史料能夠承載科學本質中的科學知識的暫時性。教師在藉助相關化學史講授科學本質。2017年新課標準重視「素養為本」的教學，倡導情境素材的運用，化學史是情境素材相當重要的一部分，有效的利用化學史不僅可以增進學生對科學本質的理解，還可以培養學生的化學學科核心素養。
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*本文系北京師範大學中國基礎教育質量監測協同創新中心重大成果培育性項目「中小學生科學概念學習進階研究」（項目編號：2018-05-015-BZPK01）和教育部人文社會科學研究規劃基金項目「跨學科視角下的中小學科學核心概念學習進階研究」（項目編號：18YJA880103）階段性研究成果。
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