基于课本“史料素材”的科学学科探究之真教学

摘 要：探究求真，是我们科学教学中提高学生科学素养的重要途径。本文针对探究性学习经常出现浮于表面，注重形式和结果，疏于过程与方法，学生的思维没有很好参与，探究真实性不高，对科学史的学习流于说教等现实问题，结合自身的课堂实践，采取：走进科学历史的场景——拉回认知原点，体现情景之“真”；重现科学发现的历程——走近古代先哲，体验过程之“真”；领悟科学发现的逻辑——及时探究困惑，追求思维之“真”；关注科学发展的价值——深入交流评价，凸显观念之“真”等四大策略，研究科学史与科学探究有机结合的方法，让初中科学课堂的探究教学更具真实性，趣味性，高效性。

关键词：初中教材科学史；探究教学；科学素养培养

科学探究作为科学学习的重要方法，受到各位老师和学生的重视，但在课堂中，我们经常发现科学探究活动中，往往出现学生已知结论的探究。这种探究实际上只是改装成探究形式的验证性实验，对学生的探究能力的培养效果不佳，甚至让学生认为，科学结论或规律的发现是唾手可得的，科学的进步是一帆风顺的。这样的探究其真实性值得怀疑；为探究而探究，容易背离科学本质。

课本内的科学史可以给我们很大的帮助。科学发展史提供了重要科学的实事和研究的方法，其间不仅蕴藏着丰富的科学学科的知识，更体现了科学家的一种人文精神，体现了对人类文明进程具有巨大推动作用的科学精神。科学的发展从来就是缓慢而艰难地进行的。人类历史发展的不同时期都反映了人类创造的特点。我们可以利用科学史带学生进入当时的科学情境，进入当时人们的认知水平下解决实际问题。这些内容有助于启发学生的思维，加深学生对所学科学知识的理解；使学生感受科学在人类文明的进步过程中的地位和影响，并且关注科学各领域之间的内在联系。

一、 走进科学历史的场景——拉回认知原点，体现情景之“真”

对于初中阶段很多概念或规律，学生都有初步的认识，甚至有些有准确的认识。若把这些问题简单地进行重复探究，是没有多大的意义的，甚至对科学精神的培养有负面作用。成了为探究而探究，就是伪探究。所以，如何利用教材中的科学史，才能提高探究的真实性，体现探究的有效性。我认为，首先把学生的认知、思维拉回到原点，走进历史情景，享受探究的真实。

例如“地球的形状”认识，实际上就是一段科学史话。由于人们直接接触的地球表面是平展的，因此“天圆地方”的说法更符合人们的认识，而地球形状这一空间概念对古代的人们来说是比较抽象的。而对于学生恰好相反，他们认为地球是圆的是天经地义的，天圆地方那是神话，甚至是笑话。

在这样的认知水平下，完成教材给定的活动，是没有探究意味的。究其原因，一是所举例子大部分是学生已知的，简单地举例并没有提高学生的认知水平，学习是低效的。二是所举的现象从头至尾都是孤立的，没有找到它们之间的内在联系，这对模型建立的动态过程缺少认识。三是学生立足于地球是球形的认识来寻求证据，学生无法和历史人物“对话”，没有情感共鸣。

所以，课堂上把学生“穿越”到历史，在不同认知水平的时代背景下，体验探索科学的过程，体会地球建模的逐渐变化。让学生认识到人们对科学的认识是渐进的，认识过程是有规律可循的。在学习过程中辩证地认识每一个“证据”的意义，理解局部和整体的关系，进而体验建模的方法和过程。

针对这些问题，我在课堂上首先解决的提问：

1 古代人们为什么会去描述地球形状？

（人类自古就有探索自然的欲望，他们的描述是一种原始的模型，用来解释一些自然现象。）

2 古人会认为他们对地球的描述是神话吗？

（古人对地球的描述并不是神话，而是对长期自然现象观察后的一种总结。他们以为，甚至坚信地球就是这样的。只有当对一些自然现象的解释，出现了困惑时，就会对已有的建模产生怀疑。）

通过这样的讨论，让学生体会到古人由于观测工具和科技条件的限制，建立的模型往往是片面的，现代科技的发展使得地球形状模型的建立越发得完善。让学生走近古人的认识，从原点出发开始探究。

接着完成“为什么远去帆船的船身比桅杆先消失？”的模拟实验（器材自找）

在交流现象和结论中我们发现学生回答大多是地球是球体。而这个结论一是混淆了模拟实验与实物探究的关系；二是夸大了实验结论，老师应予以斧正。引导方法很简单，就是看看有没有其他同学不用球体做实验的，例如用手臂、文具盒、茶杯等等。（夸大实验结论是学生常犯的错误。该实验结论得不出地球是球形的结论。航行中看到桅杆高度变化，可以作为地球是球形的这一模型的证据，但不是充分证据。老师可以引导学生进行辩论，列举反例提出质疑。例如地球是柱形、拱形、半球形、环形。

只要这一环节讨论透彻，学生会渐渐清晰，自己认为可以证明地球是球形的证据，都是局部的、微观现象，相应的是局部的、微观的结论。但即便是局部的结论，只要大胆想象，建立地球是球形的模型就进了一大步。

在此基础上，讨论：

1 “月食时，发现大地投射到月球上的影子是弧形的”和“麦哲伦环球航行”对地球是球形的模型建立更有说服力。为什么？

（后者更具说服力，因为月食时，月球上的影子是弧形的，只能证明某个侧面是弧形。而后者的航行路线长，观察范围更大，通過亲身经历的事实更真实。）

2 你还能列举地球是个球体的现象和验证方法吗？这些现象足以证明地球是球形的吗？

（比如，海面上驶来的帆船，先看到桅杆再看到船体；登高望远；这些现象都只能证明观测处所处的形状为球形，可以作为证据，但不能充分证明地球是一个球体。）

3 你能举出能直接证明地球是球形的直接证据吗？

（直接很少，可以证明地球是球形的证据就是太空中连续拍摄到的地球录像。）

4 从人类认识地球形状的过程中，你能感悟到什么？

（从人类认识地球形状的过程中，可以感悟到，科学模型的建立不是一蹴而就的，当时的科技条件会限制人们对事物的认识，对某一事物模型的建立是从片面到完整，局部到整体的。人类认识客观世界的过程总是遵循：实践——认识——再实践——再认识的规律。）

本堂课首先解决了学生既定的认识——地球是圆的，回到思维的原点。从建模的角度认识天圆地方的原因，而后分析每个地球是圆的证据局部特点，最后由局部到整体的认识。这样的学习过程充满了探究意味，体会我们对自然的认识是从现象到本质，从粗浅到深入，从局部到整体的过程。充分认识科学的本质。

二、 重现科学发现的历程——走近古代先哲，体验过程之“真”

科学的发展往往从经验出发，通过大量的观察，归纳出结论。但自然观察存在很大的缺陷，就是对一些未知的因素缺乏认识，这些因素带来的干扰就被忽略。这样获得的结论往往是片面的，甚至是完全错误的，这就是错误前概念形成的原因之一。当我们把古代先哲的错误理论展示给学生时，恰恰与学生的认识是一致的，会产生情感共鸣。此时，引导学生探究，得出的结论否定了自己的认识，会产生强烈的思维冲突，在“破而后立”的过程中提高元认知水平。

例如，在大气压教学中，采取如下程序：

介绍史实1：2300多年前的古希腊学者亚里士多德认为，“自然界害怕真空”。

实验展示1：活塞式抽水管。用带活塞的玻璃管吸水，让学生注意观察水位的变化。同时用亚里士多德理论对“抽水”进行解释：活塞向上抽动时会留下一段空隙，这就是真空。而自然界是不允许真空出现的，所以必须马上被水填满，于是水就上升了。

思考1：如果这支玻璃管足够长，当活塞一直往上提，结果会怎样呢？按照上述理论，水能否一直往上升？

设计意图 大气压强的知识源于人们对“真空”的研究。所以，本节课设计以“真空”问题为教学起点，并重点讨论两个问题。旨在让学生认识到“真空吸力”在一定程度上的合理性和局限性，为下面的矛盾冲突打下基础，也培养了学生的推理能力。从学习目标到亚里士多德理论，通过自己设计的实验来佐证亚氏理论，而后又设置问题引发学生思考。

呈现史实2：1640年，在古老的意大利城市佛罗伦萨，人们造了一台抽水机，准备把深矿坑里的水抽走。抽水机建成后，人们大失所望，因为他们发现，水被抽到离矿井中水面约10米时，无论活塞向上提多高，水面都不再上升了。技师们千方百计改进抽水机，以保证活塞不漏气，但结果依旧如此。由于水面上方“顽强”地存在着一段真空，使得“自然界害怕真空”的说法不攻自破，“真空吸力”在这个现象面前显得无能为力。伽利略听到这件事时也非常奇怪，由于条件的限制，他也没有能给予合理解释。在去世之前，他把这个问题留给了他的学生——托里拆利。

设计意图 通过进一步的史料呈现，两段史料，一对矛盾，让学生注意到“真空吸力”观点与现实的矛盾，从而催生学生新的思考。这样体现“科学课堂的教学过程就是浓缩的人类认识客观世界的过程”的哲学思想，可以激励学生继续前进，为后面教学做好铺垫。

实验展示2：演示托里拆利实验，并同时阐释托里拆利在实验中控制了大气这一变量。即容器内部不与大气相通，只在容器外承受大气，也为我们设计验证大气压存在的实验提供了思路。

思考2 我们现在利用这一思路，能否利用玻璃杯、硬纸片和水验证大气压的存在？

实验展示4：覆杯实验，并展示倾斜杯子向各个方向。

思考3 杯子向各个方向时纸片均不下落，说明什么？还有没有其他生活现象也能证明大气压的存在？

设计意图 本环节的设计，一方面是让学生对问题本身进行思考，另一方面还有培养学生不要迷信科学家的意识的意图。且让学生知道猜想是需要实验来验证的，即科学是建立在实验的基础上。而教师的阐述则旨在让学生获得一种科学的思维方式。同时让学生对科学的研究有所感悟：科学家原来也不是神秘到遥不可及，他们也是靠不断努力才取得最后成功的。

学生活动：利用提供器材，继续寻找证明大气压存在的方法，加深对大气压的理解。

学生对大气压认识很浅，对大气压产生現象存在许多错误认识。上述设计能创造性地将科学史有机地融合到《大气的压强》的课堂教学中，不拘泥于教材，将科学史作为创设情景的背景材料。通过“亚里士多德的理论可行——亚里士多德的理论存疑——大气压的存在——大气压大小”的线索层层推进，解决错误前概念的负面影响。这使得学生的探究从问题的起点出发，理论推理和实验探究并行。这样的探究过程，思维上有连贯性，过程中有完整性，让学生动脑和动手，给学生亲近感和真实感，提高科学探究的真实性。

三、 领悟科学发现的逻辑——及时探究困惑，追求思维之“真”

学生遇到困惑时，对存在的疑问进行探究，就会增加探究内驱力。这样的探究更近似科学发现的过程。而科学史恰好可以提供这样的素材。老师及时补充各种史料信息，让学生不再局限于狭小的认识空间。如何引导学生利用已有知识经验，解决自己提出的问题，使课堂效率最大化，是教师需要思考的一个问题，是对教师理念与智慧的挑战。

图一

呈现史实：在介绍道尔顿“实心球”模型、汤姆森“西瓜”模型后，介绍卢瑟福行星结构模型：1908年，卢瑟福弄清楚了α射线就是氦原子核。为了能够间接地“看到”原子内部的结构情况，卢瑟福采用了高速飞行的α粒子来轰击它们（图一）。根据α粒子飞行路径的改变，便可算出靶原子的构造概况。结果看到极少α粒子被金属箔弹回来，部分α粒子偏离方向，多数α粒子延直线运动！（为了防止空气分子的干扰，该实验在真空中进行）。老师介绍到此为止，引导学生展开讨论。

提问：同学们根据以上实验现象可以建立怎样的原子结构模型？

学生甲：用实心球模型可以解释。原子像一个坚硬的实心球，当α粒子正面碰撞时就被反弹回来，而倾斜相碰的则会偏离原来的方向。

老师：听起来非常有理，其他同学有什么看法？

学生乙：如何解释大多数α粒子沿直线运动？

学生甲：原子之间有间隙，α粒子是从原子间隙中穿过，当然沿直线运动。（得意）

（全沉没，思考）

学生丙：α粒子被弹回的比例是多少？如果弹回来的α粒子比例较高，则以上模型有一定的价值；但如果比例很低，那么，可能性就很小了。

（面对成串的问题，学生的学习积极性一下被调动起来了。一些平时不爱学习的同学也显得格外专注，希望尽快从教师那里得到答案。）

老师：被反弹的α粒子的具体数据我也不太清楚，我估计不会超过亿分之一吧。如果按老师给的数据，大家讨论并计算一下，原子直径与间隙之间的比例是否符合你的想象？

学生甲：（计算后回答）我们算出原子之间的空隙大于原子直径的10000倍。凭感觉好像是不可能的。

学生乙：凭感觉我也认为不可能的。但是没有理论能说明一定不成立。

老师：同学们的思维很活跃，也有较缜密的推理。大家能否从另外角度去思考呢？

学生：汤姆生已经发现原子中存在电子，如果甲反对卢瑟福的原子模型，如何解释电子的存在？

电子是怎样分布在原子中的？

老师：这个问题很有意思也很有价值，请同学们都来思考讨论。

学生甲：这个问题并不难解决，如果把原子看作是早餐吃的麻球，那么电子就好像是粘在麻球上的芝麻——这就是我的“麻球模型”。

老师：这个模型听起来很诱人，又好吃、又形象。比道尔顿的实心球模型强多了！

学生：（大笑）

老师：同学们都同意“麻球模型”么？

（安静、思考……）

给学生足够想象空间，同学们不知道问题的结论，实验信息的加工处理任务就落在自己的肩上。讨论时，不断解决问题，又时刻产生新的疑问，在疑问中寻找突破口，获得科学研究的体验。虽然，课堂气氛时而有些嘈杂，时而有些沉闷，但嘈杂中充满了探讨，沉闷中不乏思考。學生始终处在活跃的思维之中，所有讨论都围绕着实验现象展开，而不是跟着课本人云亦云。

四、 关注科学发展的价值——深入交流评价，凸显观念之“真”

交流评价是科学探究中的重要一环。由于平时教材的有关探究中，大多实验比较理想，结论比较容易得出。导致交流评价环节缺乏深度体验。科学史能给我们一个很好的交流平台。在体验科学发展规律的同时，给我们深度学习探究的机会。

在科学第五册《几种重要的盐》中，有介绍制碱专家侯德榜的内容。侯德榜出身贫寒其研制生产的“红三角碱”荣获美国费城的万国博览会金质奖章。对现在的学生而言，金质奖章并不意味什么。现在从媒体中看到的“金质奖章”铺天盖地，对学生心灵不能产生强烈的冲击。科学史的教育作用不能有效发挥。于是，教学中补充相关史话：

1 法国科学院悬赏10万法郎征求可工业化的制碱方法

2 索尔维制碱法原理：

NH3+CO2+H2ONH4HCO3；

NaCl+NH4HCO3NaHCO3↓+NH4Cl；

NaHCO3Na2CO3+CO2↑+H2O；

NH4Cl+Ca（OH）2NH3↑+H2O+CaCl2。

3 侯氏制碱法原理：NaCl+CO2+NH3+H2O=NaHCO3↓+NH4Cl（可作氮肥）

2NaHCO3=Na2CO3+H2O+CO2↑（CO2循环使用）（以加热作为反应条件）

4 先有索尔维制碱法垄断全球，后有侯氏制碱法著作发表，全球共享。

对于介绍科学家史料，老师比较容易停留在表层说教，效果不佳，学生不能内化。所以，教学中放手让学生讨论。学生不但关注“法国科学院悬赏10万法郎征求可工业化的制碱方法”，说明制碱法的巨大商用价值。进一步交流和讨论发现，侯氏制碱法原理与索尔维制碱法并无太大差异。区别在于：索尔维制碱，在制得NaHCO3后，又将NH4Cl与Ca（OH）2反应制得NH3，重复利用，而侯氏联合制碱则是利用NaCl与NH4Cl的溶解变化，在50℃～100℃时加入NaCl，将NH4Cl析出作化肥，为何明显此方法更受人们的欢迎？通过进一步讨论，理解了索尔维制碱法只是将NaCl中的Na+加以利用，Cl-最终变成氯化钙成为废渣。降低了原料的利用率，并对环境造成极大危害。而侯氏联合制碱则是利用NaCl与NH4Cl的溶解度变化，将NH4Cl析出作化肥，NaCl的成分分别进入两种产品，得到充分利用，保留了氨碱法的优点，消除了它的缺点，使食盐的利用率提高到96%；NH4Cl可做氮肥，不会产生CaCl2造成的环境污染。

由于学生充分的讨论，学生在多个方面对侯氏制碱法的优势获得了深刻理解。从物质的利用率联系到成本；从废弃物的转化联系到环境；从公开方案联系到国际主义精神等等。每一个观念的形成都有具体的事实依据和严谨的逻辑。这样的讨论，在提高了学生对探究环节中交流评价的能力的同时，深刻地体会到科学与技术的差异和科学技术的价值。

探究需要真实性，不能为探究而探究。科学史的学习也不能流于浅表，局限于阅读史话，或局限于老师的说教。科学史在课堂上的作用除了可以提高我们的人文情怀，更为重要的是提供了丰富的探究素材，可以将我们带入真实情景。学生不再是欣赏科学的观众，而成了研究科学的主角。在更真实的探究中，体验探究的乐趣。而我们老师则成为编剧、导演，在幕后推动学生演绎科学发展的大剧。

参考文献：

[1] 张红霞，科学究竟是什么[M].北京：教育科学出版社，2003.

[2] 夏征农.辞海[M].上海：上海辞书出版社，1999.

[3] 贺斌.和谐师生关系的构建艺术[M].西南师范大学出版社，2011.

[4] 吴国盛.科学的历程[M].北京大学出版社，2013.

作者简介：吕国海，浙江省杭州市，杭州市富阳区富春中学。