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【發表說明】
科學中，很多知識不僅抽象複雜、而且「古怪」、彆扭，
——為什麼這個知識要這樣表述，它到底想表達什麼意思？
老師為了能讓學生理解，往往費盡口舌，
效果往往不盡人意。
想要突破這一難點，
我們就需要回到人類的一般思維方式中，
去尋找答案。
當我們回溯時光，
理解人類科學家在科學探索的過程中，
是如何從尋常的思考方式，
一步一步走向「古怪」的解釋這一過程的，
學生就會獲得充足的「理解」線索，
不僅可以幫助學生理解科學知識，
提升學生的學習興趣，
同時還能有效培養學生的科學思維方式！
科學史，是科學教育的指南！
當您在教學中，發現難以講清一個知識時，
不妨回到科學史中，
去尋找如何理解這一知識的答案！
以下內容摘自北大吳國盛教授的著作《科學的歷程》，
大家可以從中進一步理解科學發展史為什麼有助於理科教學。
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1、了解科學史有助於理科教學
儘管直到20世紀，科學史才受到人們的廣泛關注，正式成為一門學科，科學史的研究卻一直受到不少科學家的重視。
他們在向學生講授專業知識時，為了增強趣味性，總是願意略微提一下這門學科的歷史。確實，了解科學史可以增強自然科學教學的趣味性，有助於理科教學。
諸如阿基米德的浴盆、砸到牛頓頭上的蘋果，這類科學傳奇故事確實誘發了學生對神奇的科學世界的嚮往。
但我們也應該看到，能夠誘發兒童熱愛科學、嚮往科學事業的傳奇故事，對於正規的理科課程學習並不見得有很大的幫助。
再說，傳奇故事往往過於強調科學發現的偶然性、隨機性，使人們容易忽略科學發現的真實歷史條件和科學工作的極端艱苦。
除了傳奇之外，科學史所能告訴人們的科學思想的邏輯行程和歷史行程，對學習科學理論肯定是有益的。
當我們開始學習物理學時，我們為那些與常識格格不入的觀念而煩惱，這時候，如果我們去了解下這些物理學觀念初步建立的源頭，它們就變得容易多了，科學家們並不是開始就這樣 「古怪」地思考問題，他們建立「古怪的「科學概念的過程極好理解、而且引人入勝。
以「運動」為例、物體為什麼會運動呢?
希臘大哲學家亞里斯多德說，運動兩種，一種是天然運動，一種是受迫運動。
輕的東西有「輕性」，如氣、火、他們天然地向上走:
重的東西有「重性」，如水、土，天然地向下跑。
這些都是天地運動，是由它們的本性決定的。俗話所說的「人往高處走，水往低處流」，表達的也是這個意思。世間萬物都嚮往它們各自的天然位置，有各歸其所的傾向，這個說法我們是容易理解的。
輕的東西天然處所在上面，重的東西天然處所在下面，在「各歸其所」的傾向支配下，它們自動地、出自本性地向上或向下運動。如果輕的東西向下運動、重的東西向上運動，那就不是出自本性的天然運動，而是受迫運動。
物體到達自己的天然位置之後，就不再有運動的傾向了，如果它這時候還在運動，那也是受迫運動。受迫運動依賴於外力，一旦外力消失，受迫運動也就停止了。
亞里斯多德關於運動的這些觀念很符合常識。比如，從其天然運動理論可以得出重的東西下落得快，而輕的東西下落得慢的結論，而這是得到經驗證實的。玻璃彈子當然比羽毛下落得快。
又比如，由其受迫運動理論可以得出，一個靜止的物體如果沒有外力推動就不會運動，推力越大運動越快，如果外力撤銷，物體就會重歸靜止狀態。這個說法也有經驗證據，比如地板上的一隻裝滿東西的重箱子就是這樣。
亞里斯多德的運動理論受到了常識的支持，但近代物理學首先要挑戰這個理論。「運動」觀念上的變革首先是由伽利略挑起的。
伽利略從一個邏輯推理（而不是眾所周知的比薩斜塔實驗）開始批評亞里斯多德的理論。
他設想一個重物 (如鐵球)與一個輕物(如紙團)同時下落。按亞里斯多德的理論，當然是鐵球落得快，紙團落得慢，因為較重物含有更多的重性。
現在，伽利略設想把重物與輕物綁在起下落會發生什麼情況。一方面， 綁在一一起的兩個物體構成了一個新的更重的物體，因此，它的速度應該比原來的鐵球還快，因為它比鐵球更重；
但另一方面、兩個不同下落速度的物體綁在一起， 快的物體必然被慢的物體拖住，不再那麼快， 同時，慢的物體也被快的物體所帶動，比之前更快些， 這樣，綁在起的兩個物體最終會達到一個平衡速度，這個速度比原來鐵球的速度小，但比原來紙團的速度大。
從同一個理論前提出發，可以推出兩個相互不一致的結論，伽利略據此推出理論前提有問題，也就是說，亞里斯多德關於落體速度與其重量有關的說法值得懷疑。
從邏輯上講，解決這個矛盾的唯一途徑是:下落速度與重量無關，所有物體的下落速度都相同。
當然，科學的進步並不完全是憑藉邏輯推理取得的。
伽利略這位真正的近代科學之父，近代實驗科學精神的締造者，並未滿足於邏輯推理，而是繼續做了斜面實驗。
他發現，落體的速度越來越快，是一種勻加速運動，而且加速度與重量無關。他還發現，斜面越陡，加速度越大，斜面越平，加速度越小。在極限情況下，斜面垂直，則相當於自由下落，所有物體的加速度都是一樣的。當斜面完全水平時，加速度為零，這時一個運動物體就應該沿直線永遠運動下去。
斜面實驗表明，物體運動的保持並不需要力，需要力的是物體運動的改變。這是一個重大的觀念更新!
伽利略沒有辦法直接對落體運動進行精確觀測，因為自由落體加速度太大，當時準確的計時裝置還未出現。只要想一想，伽利略發現擺的等時性時是用自己的脈搏計時的，就可以知道當時科學儀器何等缺乏。
斜面可以使物體下落的加速度減小，因而可以對其進行比較精確的觀測。在此基礎上，伽利略最終藉助「思想實驗」，由斜面的情形推導出自由落體和水平運動的情形。
在伽利略的手稿中談到了從塔上釋放重量不同的物體，以驗證是否重物先著地。他並沒有說明是在哪個塔上做的實驗，但許多人猜想是在著名的比薩斜塔上。這種猜想不無道理，因為記載這些實驗的手稿就是在比薩城寫下的。
值得注意的是，伽利略的實驗報告並沒有說兩個不同重量的物體完全同時落地，而是重物先於輕物「幾乎同時落地」，其差別沒有它們之間的重量差那麼大。我們知道這是空氣阻力造成的。
這個關於「運動問題」的科學史故事，對讀者深入學習牛頓力學知識是有好處的。
因為在回顧這個觀念如何更替的過程中，我們自己的觀念也不知不覺地發生了變化。這當然比直接從概念、定律和公式出發，去學習牛頓力學要生動有趣得多，而且印象深刻得多。
追究科學史的用處，使我們有必要在'知道"( Knowing )和「理解"( Undestaning)之間做出區別。
為了掌握一門科學知識，我們大多不是從閱讀這門學科的歷史開始，相反，我們從記住一一大堆陌生的符號、 公式、定律開始，然後在教師和課本的示範下，反覆做各種情形下的練習題，直至能把這些陌生的公式、定律靈活運用於處理各種情況，我們才算掌握了這些知識。
但我們真的「理解」這些知識嗎?那可不一定，理解這些定律的含義完全可以是另一回事。
我知道一位非常年輕的大學生，他高考的物理成績幾乎是滿分，但是在興高採烈地去大學報到的旅途中，他卻一直在苦苦思考一個問題：
為什麼人從輪船和火車上跳起來時，仍能落回原處，而輪船或火車在他跳離的這段時間裡居然沒有從他腳底下移動一段距離。可憐的孩子，他在輪船上試了好幾次，情況都差不多，輪船一點也沒有將他拋離的意思。
後來，他突然想起，地球時時刻刻都在轉動，而且轉速極大，也從來沒有發生過跳起來落不回原地的事情，這是怎麼回事呢?想著想著，高分的大學生睡著了。
直到後來，他讀了一本有關的科學史書，懂得了牛頓第一定律的真正含義，他才恍然大悟。
這個故事應該很恰當地說明了「知道」與「理解」的區別。
這是一個真實的故事，因為這位年輕大學生的故事正是我自己早年的經歷。
有了知識並不等於理解，會解題不意味著掌握了科學概念，在深入地理解科學定律的本質方面，科學史是有用處的。
不幸的是，教科書大多不談歷史，如果有也只是歷史知識方面的點綴，諸如牛頓的生卒年月等。
把科學史有機地揉進理科教科書中，是當代科學教育界所大力提倡的，但做起來很困難，而且效果不好。
這是可以預見的。自然科學本身技術性太強，科學教育必須把大部分精力花在訓練學生的技能方面，而科學史的引人肯定會分散精力，削弱技能訓練。
但教育界仍在努力。當代美國著名科學史家、哈佛大學物理學和科學史教授傑拉德.霍爾頓從20世紀60年代開始主持「哈佛物理教學改革計劃」，陸續編寫出版了《改革物理教程》作為新的中學物理教科書。
此外，他還寫出過供大學文科學生閱讀的物理教科書《物理科學的概念和理論導論》，這些書貫徹了史論結合的原則，而且是以史帶論，極大地影響了美國的物理學教學。
2.了解科學史有助於理解科學的批判性和統一性
也許是文化傳統的關係，中國教育界盛行的依然是分數教育、技能型教育。這種應試教育的一個消極後果是培育了不少科學神話，樹立了不正確的科學形象，形成了對科學不正確的看法。
首先是將科學理論固定化、僵化，誤使學生以為科學理論都是萬古不變的永恆真理；
其次是將科學理論神聖化、教條化，誤使學生以為科學的東西都是毋庸置疑、神聖不可侵犯的:
最後是將科學技術化、實用化、工具化，忽視了科學的文化功能和精神價值。
不用說，試圖破除種科學神話，糾正不正確的科學形象，正是本書的重要使命。
當代科學的專門化、專業化帶來了高等教育嚴重的分科化。
分科教育很顯然是為了造就專門人才，但在中學和大學低年級，通才教育是更有實際意義的。
只有少數人將來會成為科學家，但即使對於他們，狹窄的專門訓練也不利於培養創新意識和創造潛力。
大多數人真正需要的是領會科學的精神、掌握科學的方法、樹立恰如其分的科學形象，以便在這個科學時代理智地對待科學、對待社會、對待生活。
在教科書中紛至沓來的新概念、新術語、新公式、新定律面前，學生逐漸形成了這樣的觀念:
這就是真理，學習它，記住它。
久而久之，歷史性的、進化著的科學理論被神聖化、教條化。人們不知道這個理論從何而來，為什麼會是這樣。
但我們仍舊相信它是真的，因為它是科學！
這種教條的態度明顯與科學精神格格不入，但卻是目前的科學教育導致的個普遍的態度。
學生不知道個理論源於哪些問題，有多少種解決問題的方案，以及為什麼人們選擇了其中一種並稱之為科學理論。
學生也不知道這種理論是可質疑的，並非萬古不變的教條，也許自己經過思考就能對偉大科學家的解決方案提出異議。
所有這一切，在以傳輸知識為目的的教學中肯定得不到應有的反映。它不自覺地剝奪了學生的懷疑和批判精神，而懷疑和批判精神對於科學發展恰恰是不可或缺的。
科學理論不是一成不變的， 它是發展的、進化的——幾乎沒有什麼比科學史更能使人認識到這一點了。
不僅如此，自然科學各個分支領域相互聯繫，這在按學科分塊的教科書中肯定得不到體現，而科學史卻能夠給出一一個綜合。
我想舉熱力學第一定律為例，說明科學史何以能夠體現科學的統一性。這個定律又稱為能量守恆定律。
就我自己的經驗，從教科書中我始終未能獲得關於這個定律的完整理解，因為它涉及的面太廣了。
從歷史上看，它首先來自運動不滅原理，雖然古代哲學家們已經提出過運動不滅的思想，但只有給出了運動的量度，運動不滅原理才可能成為一個科學原理並訴諸應用。
有意思的是，運動的量度一開始就出現了分歧， 有人把質量與速度的乘積作為運動的量度，也有人認為運動量應由質量與速度的平方的乘積來標度。
經過長時間的爭論和力學本身的發展，人們在18世紀發現了機械能的守恆定律。
能量守恆原理的最終確立有賴於更多領域裡相關研究的出現。首先是對熱與機械運動相互轉換的研究。
當時，人們連熱究竟是怎麼一回事都不清楚。開始人們以為熱也是一種物質，一種特殊的、 看不見的、無重量的流體，仿照物質守恆原理，有人還提出了熱質守恆原理。這個原理可以用來解釋熱平衡過程。例如，熱水和冷水混合，熱水中的熱質多，跑一部分到冷水中，結果溫度降低了。
可是，美國人班傑明.湯普森(又稱倫福德伯爵)在德國從事炮膛鑽孔實驗時，發現只要不停地鑽，幾乎可以不停地放出熱。這麼多熱從哪裡來呢?若用熱質守恆說根本解釋不通，這促使人們研究熱量與做功之間的關係，並定量測定其轉化係數。這工作的最終完成，也就是能量守恆定律的正式確立。
第二是化學和生物學上的研究。德國化學家李比希設想，動物的體熱和活動的機械能可能來自食物中包含的化學能。此外，俄國化學家赫斯發現了化學反應過程中的能量守恆定律。
第三是電學和磁學的研究。德國物理學家楞次研究電流的熱效應，發現通電導體放出的熱量與電流強度的平方、導體的電阻以及通電時間成正比。這在今天被稱為焦耳-楞次定律，這一定律直接導向能量守恆定律的精確形式。
現在各路人馬都在奔向一一個偉大的定律，在提出或表述能量守恆定律的科學家中：
有德國醫生羅伯特.邁爾，他幾乎是從哲學上明確地推導出這個定律的;有德國物理學家赫爾姆霍茨;有英國物理學家焦耳，他是在測量熱功當量的過程中發現這一定律的;還有法國工程師卡諾、英國律師格羅夫、丹麥工程師柯爾丁。這麼多人大致在同一時間提出同科學定律， 真是科學史上罕見的事情。
如果不了解科學史，我們無法理解「能量」這一概念的普遍性， 它在全部自然科學中的地位，它對於人類理解自然現象的意義。
「能量」 概念提醒我們自然科學的統一性，提醒我們不要深陷在各門學科的技術細節中，忘記了自然科學的根本任務是為人類建立一個關於外在世界的統一的整體圖像。在學科分化愈演愈烈的今天，人們尤其需要這種統一的圖像。