欧美物理教学中的科学历史哲学方法管窥

姜 涛 李富强（．台州学院物理与电子工程学院，浙江台州38000；．西南大学科教中心，重庆40075）

欧美物理教学中的科学历史哲学方法管窥

姜 涛1李富强2
（1．台州学院物理与电子工程学院，浙江台州318000；2．西南大学科教中心，重庆400715）

科学教育研究者倡导把科学史和科学哲学（简称HPS）融入科学课程，并开发了历史仪器复制品方法、角色扮演、反思角、创造性写作等教学策略。欧美物理教学中的HPS方法，可广泛应用于科学、数学、技术以至人文与社会学习领域，使学生在学习中的知、情、意、行相结合，促进其对科学内容与科学本质的深刻理解。认真研究欧美物理教学中的历史哲学方法，可为我国科学教学提供诸多有益启示。

科学史和科学哲学；共生策略；角色扮演；反思角；创造性写作

科学教育研究者倡导把科学史和科学哲学（简称HPS）融入科学课程，但是，HPS在科学课程中的实施水平实际上相当低。这主要是因为教师把HPS视为科学课程的额外负载，并且缺乏实施HPS的课程资源及教学策略。为促进HPS的实践应用，欧美等国科学教育研究者从教学策略、课程资源以及科学教师合作等方面对HPS课程进行了系统开发，逐步使HPS走出了教学实践的低谷。

一、HPS教学策略

HPS的四种典型教学策略都具有学生中心的特征，并从不同方面促进学生的科学学习及其对科学本质的理解。

1．历史仪器复制品方法［1］

历史仪器复制品方法（replications of historical apparatus，简称RHA）中的仪器以非常接近历史器材的方式制作，并按照与历史记载一致的实验程序操作。这种复制品往往是科学史上广为人知的有缺陷的器材，但也正因为如此，它提供给学生丰富的素材以考虑如何改进仪器、如何评价仪器质量、如何看待由它提供的实验证据等问题，从而强化了学生科学概念与科学本质的理解。尤为重要的是，RHA把仪器看做是一种研究工具而不是验证科学概念或规律的工具，这更符合科学家“做科学”的本来面目。

2．角色扮演

该策略服务于多重目的。其一，通过角色扮演，学生探索科学家间的冲突，了解科学争论的原因或解决争论的方式，以更好地理解科学本质；［2］其二，学生在角色扮演中物质的、情感的、认知的浸入增强了他们对复杂科学概念的理解。［3］随着研究的深入，角色扮演逐渐发展出类比、隐喻、模拟三种类型。［4］

类比式角色扮演∶指学生通过扮演物质实体来学习科学概念。如学生分别扮作“原子”“电子”和“中子”，依次展示留基伯、汤姆逊、卢瑟福等的原子模型，领悟科学知识是如何随着时间的推移而改变的。通过类比扮演，他们既学习了现在所承认的科学概念，又认识到科学知识暂定性与发展性的本质特征。

隐喻式角色扮演∶指学生通过创建有关情境的人物塑造来重构科学史上的事件，从而表现科学家的心智状态、他们的想法和社会关系。如欧盟“科学教学中的历史和哲学”（History and Philosophy in Science Teaching，简称HIPST）项目组开发的利希滕贝格（Lichtenberg）与贝尔施兹（Berschitz）论战的隐喻式角色扮演，利希滕贝格代表科学，贝尔施兹代表非科学，两人之间的轶事突出了区分科学与非科学这一普遍问题的意义。［1］通过角色扮演，学生发展了他们准确评价各种信息并做出决策的能力，有助于发展其科学素养。

模拟式角色扮演∶指学生通过在课堂上演出科学中的场景来模拟科学。科学探究可被视为它的一种典型表现形式。

角色扮演作为一种高度发展的HPS教学策略，注重使学生通过承担一定的角色，探索科学在认知、情感、社会等方面的性质，展示并思考作为一种文化和一项事业的科学。

3．创造性写作［1］

创造性写作指学生从一个虚拟人物的观点出发，通过写信、写日志、评论或简短的传记来表达对科学术语、概念或科学家的认识。该策略重视学生的想法、信念和态度，因为这是他们有意义学习及概念发展的一个必要起点。如欧盟HIPST项目组开发的“杜费——描述和解释电现象”案例中，“杜费”总结了他对电吸引和排斥的研究，但他不知道其发现究竟命名为“定律”还是“定理”好。学生则要以“杜费同行”的身份，给“杜费”写信，就此提出建议。

4．反思角［1］

反思角被用于促进学生反思科学本质，通常设在教室后部。处于该区域的学生关注的是高度概括的某个科学本质问题，如∶科学家是怎样工作的？科学有特殊性吗？在整个学习过程中，学生依据他们所学习的科学、科学史和科学哲学，以不同的视角，多次对该问题做出回答。为避免学生回答科学本质问题时的紧张情绪，往往会采取“配对思考分享”和“明确回溯反思材料”两种策略。

配对思考分享∶首先，每个学生单独对该问题阐述自己的观点；接着，他与其同伴分享及修正看法；最后，同伴小组参与到班级讨论中去。通过这种策略，教师鼓励学生进行推理、形成新见解、与他人分享观点。

明确回溯反思材料∶教师引导学生利用下述三种资源反思科学本质的概括性问题。即∶学生早先的活动、结果、方案、观点和思考，教材提供的科学家行为、认知、信念及情感的信息、实验仪器、对实验程序的描述、图片或电影，该问题宽泛的社会和文化情境。

反思角策略要求教师收集并概括学生观点。这种概括通常要把学生活动与职业科学家的研究联系起来，或是把过去的科学事例与学生所认知到的当前的科学知识联系起来。

上述四种教学策略，都力图引发学生主动的、深刻的思维活动，关注科学本质的理解。

二、HPS课程资源开发

HPS科学教育研究者通常会建立课程资源网站，为教师教学提供帮助。

1．欧盟HIPST项目资源网站

该网站包括论坛、图片、录像、新闻、成熟案例（计32个）等栏目。“成熟案例”栏目尤其对教师教学有较强的指导作用。如“斯蒂芬·格雷对电传导的错误想法”案例由HIPST项目组中的德国团队开发，在阐述相关历史与哲学背景之后，就科学本质、科学探究、内容知识、交流、批判性反思5个方面分别提出预期学习目标，再给出5个系列化的实验活动（应用RHA方法设计并和探究结合起来）。在每一个实验活动过程中，学生都要阅读一封虚构的格雷来信，接受教师安排的相应反思性任务。在系列化实验完成后，学生将从事创造性写作，阐述他们对格雷研究的典型性、创造性和失误的看法。这一案例的编排与教科书的体例类似，便于教师实践应用。［5］该案例将科学史、科学哲学与科学内容进行了有机整合，关注学生对科学内容、科学本质、科学研究形成更好、更深刻的理解。

2．美国物理探索计划资源网站

物理探索计划（Physics quest projects，以下简称PQP）由美国物理学会（APS）主办，迄今已推出8个系列，其内容多以物理学史上的重大理论或技术进展为素材，其首要目标是提供学生物理学习的积极经历，同时也有助于他们学习物理概念。［6］以“本·富兰克林的秘信”系列为例，包括4个单元，每个单元又由若干探究性实验组成，学生以探究性学习的方式，首先用生活中常见的物品自制或组装实验器材，随后按一定步骤进行操作，观察现象并解释。

将HIPST与PQP课程资源相比较，共同之处是二者都紧密联系科学史上的相关器材，并和探究性学习相结合。不同之处主要在于以下三个方面∶其一，HIPST中的器材近乎为历史器材的复制品，由教师制作；而PQP中的器材则使用日常用品，突出历史器材的核心特征，由学生自己组装。其二，HIPST资源与科学概念及科学本质都有紧密联系，而PQP资源更为重视与科学概念的联系。其三，HIPST资源涵盖丰富的科学史与科学哲学内容，其教学策略亦需教师具有较高水平的科学知识与科学史、科学哲学功底方能驾驭，一定程度上会限制其实施范围；而PQP资源则主要关注科学史材料，教学策略则是教师较为熟悉的科学探究，因而便于推广实施。以“本·富兰克林的秘信”为例，全美各地众多学校参与了该系列的实验竞赛，最终提交了正确答案的班级达到280个。

三、科学教师合作

为促进HPS教学实施，研究者采取了一些特殊策略以寻求一线教师合作。

1．共生策略

欧盟HIPST项目组把教师视为专家与其他研究者结合起来，共同开发和实施课程改革，这一策略被称为共生。研究者与教师分享构思和观点，将他们不同的专长、知识和技能相互结合起来，教师在教学策略开发中拥有充分的发言权，并通过与研究者共同反思其科学教学实践来进一步发展HPS案例。

2．实验竞赛与悬赏

PQP计划在财政资助和组织策略方面独具特色。

财政资助∶学校参加PQP计划所需的工具箱由APS免费提供，此外，对答对全部问题的班级进行抽奖，奖品包括奖金卡、物理学杂志和小礼品。

组织策略∶APS从会员中招募志愿者，发挥其地缘优势，与当地6—9年级的物理教师联系，向他们推介PQP计划。如果教师在实施活动中遇到困难，既可在PQP网站上向物理学家寻求帮助，也可以向联系自己的志愿者寻求帮助。

PQP计划已取得显著效果。教师们向PQP计划组织者反映∶“感谢你们使学生不再害怕‘物理’这个词了”，“我的学生不喜欢科学，但他们真的喜欢你们的探索活动”［6］……

四、启示

1．HPS具有转变课程功能和促进科学素养养成的课程价值

学生在历史情境中学习科学时，课堂的焦点从强调知识获取转变为强调学习过程。它关注科学内容的发展而不仅仅是学科内容；促进学生理解“做科学”的过程而不仅仅是静止的科学要素及其结构；为学生建构知识的历史性发展结构而不仅仅是组装知识的系统结构。因此，HPS教学有助于科学课程功能从“学科知识”向“过程与方法”转变。

HPS教学实践中，学生获得评价历史上的科学家所使用的仪器是否可靠、所使用的研究方法是否恰当、论证结论的方式是否可信以及所使用的术语是否合理的机会，这一过程明确培养学生运用所掌握的科学术语和科学原理准确评价各种信息的能力。科学家之间的冲突与争论也是一种重要的HPS资源，在这种情境中，学生接触到历史上科学家的知、情、意、行各个方面，从鲜活的社会人而不是抽象的“科学家”概念出发考察他们之间的冲突与争论，做出自己的判断。上述过程有助于发展学生做出决策和参与公共事务的能力。

2．HPS具有深化知识本质理解、降低概念抽象度、统合情感、激发元认知和发展多元智能的教学价值

传统的科学课程使师生沉浸在一种强调科学知识的完成性和完备性的学科文化中，它以静止的眼光考察科学，从而取消了学生对科学内容进行反思和批判的机会。HPS教学中，学生将关注到科学家曾经持有并认为是有效的，但在当前的科学中受到批判的知识，这会引导学生理解当前科学知识的暂定性，养成对科学知识进行质疑的思维习惯，深化其科学知识本质理解。

HPS研究者从科学社会学、科学史和科学哲学视角去研究和理解自然科学，他们提出了“历史起源”（historio－genetic）的概念，即认为个体科学学习的发生是与历史上科学知识的起源相联系的。因此，其教学策略注重使学生从近似的、简单的甚至是不正确的但从其与经验接近的前概念出发，逐步过渡到相对陌生、困难的正确概念上去，这就降低了教学伊始时的概念抽象度，有利于建立学生的学习信心。

HPS切实把情感因素整合到教学过程中来。角色扮演中，学生演员要融入历史上科学家的生活和社交情境；创造性写作中，学生扮作虚拟科学家，探索科学家之间的冲突、争论或交流。上述方法帮助学生发展了与科学家的移情作用，使学生将自身情感更深刻地融入学习情境中去。

HPS的各项策略注重激发学生的元认知活动。如在创造性写作中，学生对他们已经做了些什么以及将要做什么、如何入手进行反思，明显表现出对自身认知活动的调节与监控。在反思角中，学生反思他的学习经历和体验（列举了哪些事例、用什么方法解决问题、得到何种结果、如何与他人辩论、对自己的结果是否还有信心），亦是一种以自身认知过程与认知结果为对象、以认知活动的监控和评价为外在表现的元认知活动。

HPS持有“开发多元智能”的理念。除传统科学课程所关注的数理逻辑、语言、空间及自然观察者智能外，在角色扮演中，学生构建各种表现形式，说出自己的内心感受，充分应用了身体—运动智能。在角色扮演、合作学习、反思角中学习者融入群体，进行同伴教学，应用了人际交往智能。在创造性写作、反思角中学生对自己的观点做出反思，监控自己的想法和行为，应用了自知自省智能。因此，HPS中各种方法、策略及作为其载体的历史材料，协调、运用并发展学生的多元智能，促使教学价值观本位由学科向人转变。

欧美物理教学中的HPS方法，可广泛应用于科学、数学、技术以至人文与社会学习领域，使学生在学习中的知、情、意、行相结合，促进其对科学内容与科学本质的深刻理解。

［1］Höttecke D，Henke A，Riess F．Implementing History and Philosophy in Science Teaching∶Strategies，Methods，Results and Experiences from the European HIPST Project［J］．Science ＆Education，2012，21（9）∶1233－1261．

［2］Duveen J，Solomon J．The great evolution trial∶Use of role－play in the classroom［J］．Journal of Research in Science Teaching，1994，31（5）∶575－582．

［3］Taylor C A．Introduction［A］．In C．A．Taylor（Ed．），Science education and information transfer［C］．Oxford∶Pergamon．

［4］McSharry G，Jones S．Role－play in science teaching and learning［J］．School Science Review，2000（82）∶73－82．

［5］European HIPST project．History and philosophy in science teaching［EB／OL］．http∶／／hipstwiki．wetpaint．com，2013－12－15．

［6］American Physical Society．PhysicsQuest Experimental Competition［EB／OL］．http∶／／www．physicscentral．com／experiment／physicsquest，2013－09－10．

［责任编辑：江桂珍］

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2014－09－05

重庆市人文社会科学重点研究基地重点项目（11SKB13）。

姜涛（1971－），男，江苏徐州人，博士，副教授；李富强（1982－），男，山西运城人，博士，讲师。