課程與課堂中的科學(xué)史

19世紀(jì)中葉，阿蓋爾公爵(Argyll)在英國科學(xué)促進會(BAAS)

的主席致辭中聲明：“我們要教給年輕人的不僅僅是結(jié)論，還有方法，最重

要的是還有科學(xué)史"(Jenkins1990,p.274)o盡管忽視這一號召比執(zhí)

行這一號召的人多，但科學(xué)教育中仍有一小部分傳統(tǒng)嘗試把科學(xué)史的

部分內(nèi)容納入科學(xué)教學(xué)當(dāng)中。利奧?克洛普弗(LeoKlopfer)在美國長

期致力于這一工作，他對這一傳統(tǒng)進行了如下悲觀的評論：

“把科學(xué)史與科學(xué)本質(zhì)整合到學(xué)校和學(xué)院科學(xué)教學(xué)中的提議已有

60多年的歷史。在這段漫長的時期里，圍繞著科學(xué)與科學(xué)史的各種

各樣的教學(xué)材料層出不窮。當(dāng)時教育者堅信每一課或每一單元的歷

史內(nèi)容都在傳達(dá)科學(xué)哲學(xué)的知識。他們的科學(xué)哲學(xué)能夠識別關(guān)于科

學(xué)本質(zhì)的一些概念，并希望學(xué)生可以理解或領(lǐng)會。這些概念交織成

一張網(wǎng)，科學(xué)內(nèi)容與科學(xué)史的線形成了網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。然而，每張網(wǎng)都

是脆弱的，極少能堅持長久，最終只能在科學(xué)教育的領(lǐng)域中留下微

不足道的印記?！?/p>

(Klopfer1992,p.105)

本章將概述科學(xué)史在科學(xué)課程中不斷變化的地位，并釋在科學(xué)教

育中融入歷史產(chǎn)生的一些爭論。為了闡明這些爭論，在教授大氣壓力的

內(nèi)容時，會對歷史方法與“專業(yè)”或“技術(shù)”方法進行比較。最后，本

章將分析并摒棄一些科學(xué)家和歷史學(xué)家提出的“反對在科學(xué)課程中融入

科學(xué)史”的論斷。

歷史原因

在不同的時間與地點，呼吁將歷史元素融入科學(xué)教學(xué)的原因有以下

面：

116

1.歷史對更好地理解科學(xué)概念與科學(xué)方法有促進作用。2.

歷史方法將個體思維發(fā)展與科學(xué)概念發(fā)展聯(lián)系起來。

3.科學(xué)史是有其內(nèi)在價值的。所有的學(xué)生都應(yīng)該熟悉科學(xué)史和文化史

牛。

4.歷史是理解科學(xué)本質(zhì)的必要條件。

5.通過審視科學(xué)家個人生活與所處時代，將科學(xué)主題人性化，科學(xué)

就不那么抽象，從而更吸引學(xué)生。

6.歷史在科學(xué)主題和科學(xué)學(xué)科以及其他學(xué)科之間建立聯(lián)系；歷史展

現(xiàn)了人類成就間相互關(guān)聯(lián)和相互依賴的本質(zhì)。

歷史促進對概念的理解

依據(jù)充分的理解必須是基于史實的，這一信念是第一個論點的基礎(chǔ)。

歷史對正確理解社會機構(gòu)(如政黨與教會)或社會習(xí)俗和傳統(tǒng)(如結(jié)

婚儀式與相關(guān)法律)的重要性是得到廣泛認(rèn)同的。即使同樣的思考用

于對科學(xué)知識的理解，也未必能得到如此廣泛的認(rèn)同。恩斯特?馬赫

(ErnstMach)認(rèn)為：“歷史探究不僅有助于理解現(xiàn)在，而且能夠提供關(guān)于歷

史新的可能性"(Machl883/1960,p.316)。對馬赫而言，歷史的視角

通常將人們，特別是科學(xué)家置于傳統(tǒng)思想中，使人們發(fā)現(xiàn)對他們有意義的概

念和知識框架是如何受歷史制約的。所以，歷史的視角促進新觀點與新概念

的產(chǎn)生。馬赫認(rèn)為，通過對古典文學(xué)的研究也可以得到相同的結(jié)論：

“一個讀過并理解希臘和羅馬作家的人比一個只局限于當(dāng)前印象

的人有更多的感知與體驗。他看到處于不同環(huán)境中的人對同一事物

所做的判斷與我們當(dāng)今所做的判斷是多么不同。他自己的判斷因此

顯得更加獨立。”

(Mach1886/1986,p.347)

為支持馬赫的觀點，阿爾伯特?愛因斯坦(AlbertEinstein)在他

的自傳文集里寫道，機械論世界觀已深深地影響了包括麥克斯韋(Maxwell)

和赫茲(Hertz)在內(nèi)的同一時代的所有科學(xué)家。他說：“正是馬赫的《力

學(xué)史》撼動了這種教條式的信仰，就這一點來說，該書對我產(chǎn)生了深遠(yuǎn)

的影響”(Schilpp1951,p.21)o

相對于英美的著作，歷史視角對理解的重要性在歐洲大陸得到了更

陲一當(dāng)瞠悔鞭W

廣泛的認(rèn)可。盧德維克?弗萊克(LudwikFleck)在本有助丁托馬斯?庫

恩(ThomasKuhn)科學(xué)哲學(xué)發(fā)展的書中，簡要地闡述了如下觀點：

“與歷史無關(guān)的理解(即把理解和歷史分開)是無法完成的。這

就好比一個孤立的研究者是不會表現(xiàn)出對任何合群行為的理解一樣。”

(Fleck1935/1979,inSibum1988,p.139)

最近，恩斯特?邁爾(ErnstMayr)在其《生物學(xué)思想發(fā)展史》的

開篇中，以如下描述向科學(xué)家推薦了一項歷史性研究：

“我感覺研究某一領(lǐng)域的歷史是理解其概念的最佳方法。只有通

過回顧獲得這些概念所經(jīng)歷的艱難歷程通過學(xué)習(xí)早期所有被逐個

反駁的錯誤假設(shè)，換句話說，就是學(xué)習(xí)過去所有的錯誤，才有可能獲

得徹底的、合理的理解。在科學(xué)領(lǐng)域中，一個人不僅要從自己的錯誤

中學(xué)習(xí)，還要在歷史發(fā)展過程中從他人的錯誤中學(xué)習(xí)?！?/p>

(Mayr1982,p.20)

個人與科學(xué)中的概念轉(zhuǎn)變

第二個論點認(rèn)為，歷史視角可以使學(xué)生將概念和概念結(jié)構(gòu)置于廣

大的知識體系與科學(xué)觀念史中，而且歷史的呈現(xiàn)也以個體認(rèn)知發(fā)展

的某些心理現(xiàn)實為基礎(chǔ)。恩斯特?馬赫是這種起源方法的極力倡導(dǎo)

者C該論點認(rèn)為，個體認(rèn)知的發(fā)展在某種程度上自然而然地反映了物

種認(rèn)知的發(fā)展。黑格爾(Hegel)也許是第一個闡明這種思想的人，隨

后赫伯特?斯賓塞(HerbertSpencer)維承了他的觀點。1938年，

英國化學(xué)家兼教科書作者霍格(J.C.Hogg)在他的文章中寫道

“歷史發(fā)展是一種邏輯方法。本世紀(jì)早期發(fā)展緩慢是由于知識

缺乏、技術(shù)落后以及工作沒有方式方法。但這些恰好也是化學(xué)

初學(xué)者的困難所在。初學(xué)者與先驅(qū)者之間存在共性?！?/p>

(Hogg1938,p.vii)

50年后，詹姆斯?沃靈頓(JamesWandersee)(1985)提出了

幾種方法。他認(rèn)為，學(xué)科知識的發(fā)展史有助于教師預(yù)測和理解學(xué)生在

學(xué)習(xí)該學(xué)科時遇到的困難，同時歷史也可以為促進學(xué)生概念轉(zhuǎn)變

提

第四章課程與課堂中的科學(xué)史119

出了這個論點，并列舉了受到良好教育的學(xué)生應(yīng)該知道和理解的十個重

要事件：

“這里強調(diào)的是可以代表科學(xué)知識的演化與影響的十個重大發(fā)現(xiàn)

與變革：地球是行星、萬有引力、相對論、地質(zhì)時期、板塊構(gòu)造理

論、物質(zhì)守恒、放射現(xiàn)象和核裂變、物種進化、疾病的本質(zhì)和工業(yè)

革命?！?/p>

(AAAS1989,p.111)

還有一些不容忽視的內(nèi)容，基因與遺傳學(xué)就很引人注意———正如早期現(xiàn)

代科學(xué)與啟蒙運動的聯(lián)系。不幸的是，多數(shù)國家允許學(xué)生在不具備任何科學(xué)、

數(shù)學(xué)與技術(shù)成果知識的前提下修完歷史課程，而這些知識卻是文明發(fā)展史

的重要組成部分。假如學(xué)習(xí)科學(xué)革命歷史的時間與學(xué)習(xí)政治革命歷史的時

間一樣多，學(xué)習(xí)孟德爾(Mendel)和遺傳學(xué)歷史的時間與學(xué)習(xí)將軍歷史

的時間一樣多，學(xué)習(xí)計時系統(tǒng)發(fā)展歷史的時間與學(xué)習(xí)憲法發(fā)展歷史的時間一

樣多，那么整個社會的教育將得到極大的發(fā)展，斯諾(C.P?Snow)所惋惜

的“兩種文化”的差距將顯著減小(Snowl963)。

理解科學(xué)的本質(zhì)需要歷史

第四個論點已在《2061計劃》中詳細(xì)闡釋，并在前面章節(jié)進行過討論。在

早期關(guān)于科學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)的關(guān)系中也進行了詳細(xì)的討論。本書贊同教

育的目標(biāo)需要歷史化的科學(xué)哲學(xué)這一正確立場。

歷史使科學(xué)主題人性化

第五個論點經(jīng)常在應(yīng)對以下兩個問題時提出：科學(xué)被普遍濫用的問

題；與不成熟的科學(xué)理解有關(guān)的權(quán)威主義教學(xué)實踐的問題。許多人

由于目睹高科技戰(zhàn)爭、使用聲吶追蹤捕鯨、使用凝固汽油彈攻擊等

事件對科學(xué)與技術(shù)產(chǎn)生了反感，一些歷史性的研究可以幫助人們消

除這些反感。偉大的或者普通的科學(xué)家在他們生活的時代中，往往

有很多可供學(xué)生閱讀、辯論、重演的有趣的事件和話題。這可能

與學(xué)校歷史教材“無英雄”的狀況不同，但大多數(shù)公眾仍然愿意購買。

因此，科學(xué)家的傳記登上暢銷書排行榜并被譯成多種語言出版并非偶

然，在此只列舉一些比較著名的傳記：《伽利略》(Heilbron2010)、《

牛頃》(Westfall

120科學(xué)教學(xué)一科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)的貢獻(xiàn)

1980)、《哈里森》(Sobel1994)＞《高爾頓》(Gillham2001)＞《達(dá)爾文》

①esmond&Moore1991)、《普朗克》(Heilbron1986)、《愛因斯坦

》(Pais1982)、《居里》(Pflaum1989)和《玻爾》(Paisl991)。

戴瓦?索貝爾(DavaSobel)是一個典型的例子。學(xué)術(shù)界曾經(jīng)對“經(jīng)

度問題”做了廣泛的研究，并且發(fā)表了相關(guān)文章，出版了相關(guān)書籍，但

銷售情況卻很不樂觀(Matthews2000b,Chapter?)。作為一名新聞

記者，索貝爾在哈佛參加了關(guān)于經(jīng)度主題的會議后，自己做了一些相關(guān)

工作，出版了一本關(guān)于該主題的暢銷書。該書被翻譯成多種語言銷往世界

各地(Sobel1994)o這本書把科學(xué)史傳播給了廣大的讀者。就科學(xué)普及

而言，歷史學(xué)家與教育家還有很多需要學(xué)習(xí)的地方(Gascoigne2007)。

角色扮演與戲劇的運用，從小學(xué)到高中都是非常成功的。記不清普

朗克常數(shù)的學(xué)生應(yīng)該能記得第三帝國時期普朗克作為威廉皇帝研究院會

長面臨的“正直者的困境”一一這是約翰?海爾布倫(JohnHeilbron)

為普朗克撰寫的鴻篇傳記的副標(biāo)題。科學(xué)老師可以與歷史老師、戲劇老

師一起創(chuàng)設(shè)普朗克當(dāng)時所遭遇的情形與困境，并把他當(dāng)時的決心以戲劇

的方式表達(dá)出來。

歷史是了解某個術(shù)語的另一種方式，如波義耳定律、歐姆定律、牛

頓定律、胡克定律、居里的發(fā)現(xiàn)、馬赫帶效應(yīng)、普朗克常數(shù)、計量單位

伏特和歐姆，等等。詹姆斯?沃靈頓已經(jīng)成功地將歷史小故事嵌入科學(xué)

教學(xué)中，并在課堂與資源允許的范圍內(nèi)把它們做到最精細(xì)(Wandersee&

Roach1998)o

歷史促進課程的銜接

第六個論點：歷史將科學(xué)與其他學(xué)科整合在一起這已經(jīng)成為科

學(xué)教學(xué)自由教學(xué)法的支柱。珀西?納恩(PercyNunn)、詹姆斯?科南

特(JamesConant)＞杰拉爾德?霍爾頓(GeraldHolton)等人已經(jīng)認(rèn)識

到了歷史的整合功能。這也是哈佛委員會《自由社會中的通識教育》報

告的核心之一(Conant1945),在哈佛物理學(xué)課程(HarvardProject

Physicsprogramme)中也有所突顯(Holtonl978,2003)?？茖W(xué)連同數(shù)

學(xué)、哲學(xué)、技術(shù)、神學(xué)、商業(yè)、藝術(shù)和文學(xué)一起發(fā)展，轉(zhuǎn)而又影響了這

些領(lǐng)域中的每一個學(xué)科。歷史可以使科學(xué)課程向?qū)W生展現(xiàn)出它豐富多彩

的一面，并幫助他們認(rèn)識到人類知識與實踐努力間的相互聯(lián)系。

兜噫雕浦棚鞭0

伽利略的物理學(xué)依賴于歐兒里得幾何學(xué)，而后又轉(zhuǎn)化為阿基米德的

力學(xué)分析(在土耳其入侵君士坦丁堡時難民們將其帶到了意大利)。伽利

略的物理學(xué)也依賴于技術(shù)的進步，最明顯的是磨光透鏡和望遠(yuǎn)鏡的使用。

伽利略的哲學(xué)使他能夠率先理解、然后打破身邊那些局限于亞里士多德

觀點的物理學(xué)的束縛。他的神學(xué)觀念也使他能自由探究天空并完成自由

落體運動的實驗。甚至在旋轉(zhuǎn)體計時當(dāng)中，音樂也起到了重要的作用。

另外，資助、商業(yè)與通訊技術(shù)無疑都對伽利略的成就有所貢獻(xiàn)，反過

來，他的新數(shù)學(xué)、實驗物理學(xué)對隨后的物理學(xué)、哲學(xué)、技術(shù)、商業(yè)、數(shù)

學(xué)與神學(xué)的發(fā)展都有重大影響。

在牛頓、達(dá)爾文和愛因斯坦的成就中，也可見相同模式的影響和作

用，這里只是列舉了最著名的例子。對科學(xué)來說，歷史性研究方法有助

于學(xué)生將所學(xué)的具體科學(xué)主題與數(shù)學(xué)、文學(xué)、政治、歷史、神學(xué)、地埋、

哲學(xué)、藝術(shù)等方面的學(xué)習(xí)聯(lián)系起來。當(dāng)充分理解了科學(xué)史的豐富內(nèi)涵時;

科學(xué)教師與其他學(xué)科教師間的合作就會得到大力支持，進而為學(xué)生提供

更多具有吸引力的案例2。

美國科學(xué)課程的歷史：科南特的遺產(chǎn)

在美國，正如利奧?克洛普弗所說，“將科學(xué)史與科學(xué)本質(zhì)納入學(xué)

?？茖W(xué)教學(xué)中的提議已有超過60年的歷史"(Klopfer

1992,p.l05)3o20世紀(jì)20年代，一些化學(xué)家遵循英國霍姆亞德(Holmyard)

的案例，倡導(dǎo)科學(xué)教學(xué)中的歷史性研究方法，并撰寫了許多具有歷史導(dǎo)向性

的文章*。

二戰(zhàn)后，科學(xué)教學(xué)中通識教育和情境教學(xué)得到快速發(fā)展。其中主要

的是哈佛大學(xué)校長詹姆斯?科南特(JamesB.Conant)在科學(xué)教學(xué)

中使用的案例教學(xué)法得到廣泛應(yīng)用。科南特在負(fù)責(zé)哈佛大學(xué)本科生通識

教育時研究出該方法，并在政府報告《自由社會中的通識教育》(Conant

1945)與他的平裝暢銷書(Conant1947,1951)中進行了大力推廣。

他的兩卷本《哈佛實驗科學(xué)案例史》現(xiàn)已成為廣受歡迎的大學(xué)教科書。

通識教育報告提出：

“通識教育中的科學(xué)教學(xué)應(yīng)該以廣泛的理論綜合為特征比較

科學(xué)思維方式與其他思維方式；比較個體科學(xué)之間的差異；比較科

122科鈉學(xué)~~科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)的貢獻(xiàn)

學(xué)與其過去以及整個人類歷史的關(guān)系；比較科學(xué)與人類社會存在的

問題之間的關(guān)系。”

(Conant1945,p.155)

報告隨后明確了科學(xué)的關(guān)鍵特征，其抽象性與傳統(tǒng)依賴性使科學(xué)學(xué)習(xí)變

得困難，正如馬赫所說，歷史有助于理解科學(xué)：

“科學(xué)事實和實驗室經(jīng)驗不能通過自身得以支持；它們不再代表

與學(xué)生日常生活直接聯(lián)系的簡單自發(fā)、切實有效的組成部分。當(dāng)這

些部分遠(yuǎn)離學(xué)生的經(jīng)驗，變得不易覺察、更加抽象時，科學(xué)事實必

須在另一種文化、歷史與哲學(xué)的情境中學(xué)習(xí)。只有更為廣泛的視角

才能給全體學(xué)生提供觀點和有持久價值的科學(xué)信息與經(jīng)驗?！?/p>

(Conant1945pl55)

科南特的影響力沒有被高估(Hershberg1993)。托馬斯?庫恩的第

一本書《哥白尼式的革命》，源于他在“哈佛通識教育計劃”中的演講，他

在序言中

“與科南特的初次合作就說服了我：歷史研究可以對科學(xué)研究的

結(jié)構(gòu)與功能產(chǎn)生新的理解。如果我沒有創(chuàng)立哥白尼式革命，就沒有

本書或本人撰寫的其他科學(xué)史論文。”

(Kuhn1957,p.xi)

無論好壞，庫恩的個人轉(zhuǎn)變引發(fā)了科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)與科學(xué)社會學(xué)

及其他學(xué)術(shù)領(lǐng)域的巨大轉(zhuǎn)變。在過去半個世紀(jì)，模糊的、常被曲解的“范

式”觀點及其相關(guān)的相對主義認(rèn)識論和唯心主義存在論，已經(jīng)成為學(xué)術(shù)

領(lǐng)域甲板上一門不牢固的大炮5O

杰拉爾德?霍爾頓的情況與此類似。20世紀(jì)60年代初，他與斯

蒂芬?布拉什(StephenBrush)>弗萊徹?沃森(FletcherWatson)、

詹姆斯?盧瑟福。amesRutherford)等人致力于為中學(xué)開發(fā)“哈佛

物理學(xué)課程”?；魻栴D為科學(xué)教育中的自由觀點提供了大量有力辯護

(Holton1975,1978),并撰寫了一本融入歷史與哲學(xué)主題的大

學(xué)物理教材(Holton1952)。

當(dāng)時年輕的物理學(xué)畢業(yè)生伯納德?科恩(LBernardCohen)曾與

科

第四章課程與課堂中的科學(xué)史123

南特一起參與到科南特的耶魯大學(xué)特邀講座，隨后出版了《論對科學(xué)

的理解：一種歷史性研究方法》一書(Conantl947)。這本廣受歡迎

的書闡述了許多觀點，其中之一便是堅決主張科學(xué)史是理解科學(xué)必不可

少的?？贫麟S后與科南特一起參與到哈佛委員會的工作中，該委員

會完成了上文提到的1945年的報告，即著名的“紅皮書”。此外，科

恩在1950年撰寫了大量關(guān)于歷史對科學(xué)教學(xué)重要性的論文6。戰(zhàn)后，科

南特組織了一系列由化學(xué)教師、物理教師以及科學(xué)史學(xué)家參與的會

議。會議的一項重要成果便是論文集《通識教育中的科學(xué)》(McGrath

1948)o

科南特哈佛案例研究在大學(xué)課程中的成功，以及約瑟夫?施

瓦布(JosephSchwab)在芝加哥大學(xué)開展的基于歷史教材的科學(xué)課程(

Schwab1950)的范例，使得利奧?克洛普弗也效仿他們在芝加哥

大學(xué)開展了類似的中學(xué)科學(xué)教學(xué)。他闡釋的原理在他與弗萊徹?沃

森的文章中有介紹，而沃森隨后也參與到了“哈佛物理學(xué)課程”中

(KlopferfeWatson1957)。他們的主要關(guān)注點之一是增加學(xué)生對科學(xué)

事業(yè)以及對科學(xué)事業(yè)與社會相互作用的理解。他們擔(dān)心的是那些學(xué)生

無法熟練掌握的東西很快被貼上“科學(xué)素養(yǎng)”的標(biāo)簽一一“科學(xué)素養(yǎng)”

這一術(shù)語是由赫德(Hurd)(1958年)和菲茨帕特里克

(Fitzpatrick)(1960年)引入的。他們發(fā)現(xiàn)歷史性研究是一種可

以拓展與豐富學(xué)生對科學(xué)理解的方法。克洛普弗隨后提出，科學(xué)素

養(yǎng)應(yīng)包括以下五個部分：

?了解重要科學(xué)事實、概念、原理和理論的知識；

?將相關(guān)科學(xué)知識應(yīng)用于日常生活情境的能力；

?對科學(xué)事業(yè)的構(gòu)成、科學(xué)技術(shù)與社會相互作用的重要性、科學(xué)家的

品質(zhì)有大致的了解；

?應(yīng)用科學(xué)探究過程的能力，理解科學(xué)探究的本質(zhì)；

?與科學(xué)有關(guān)的態(tài)度與興趣的培養(yǎng)(Klopfer1990,p.3)o

克洛普弗和沃森開發(fā)了一門名為“學(xué)校科學(xué)史案例(History

ofScienceCasesforSchools,HOSC)”的課程(Klopfer1969b)?,

每本單獨的小冊子里有八個案例，其中包括歷史故事、科學(xué)家原創(chuàng)

論文的引文、相關(guān)的學(xué)生實驗和練習(xí)、旁注和問題以及留給學(xué)生寫

問題答案的空白；同時他們也研發(fā)了教師指導(dǎo)用書與相關(guān)的補充材

料。實驗版教材在108個班級進行了試驗和評估，結(jié)果令人欣喜：

124科學(xué)教學(xué)T祥期科學(xué)哲郛而獻(xiàn)

“把HOSC的方法應(yīng)用于高中生物、化學(xué)和物理課堂，確實有效提

升了學(xué)生對科學(xué)與科學(xué)家的理解……而且……他們對科學(xué)與科學(xué)家的理

解這些顯著的收獲幾乎沒有影響正常高中科學(xué)課程的學(xué)習(xí)?！?/p>

(Klopfer&Cooley

1963,p.46)

這一案例成功后，芝加哥科學(xué)研究協(xié)會也進行了一個延續(xù)多年的案

例研究并得以出版(Klopfer1964—1966);舊金山沃茲沃思出版社出

版了另一個版本的教材(Klopferl969b)。盡管他們?nèi)〉昧顺醪降某晒Γ?/p>

但似乎也成為如克洛普弗所說的“極少能長久堅持，最終只能在科學(xué)教

育領(lǐng)域中留下微不足道的印記”網(wǎng)絡(luò)的一部分。

第59屆國家教育研究協(xié)會(NationalSocietyfortheStudyofEducation)年

鑒公開支持自由或者通識教育計劃，其建議如下：

“學(xué)生應(yīng)該學(xué)習(xí)一些科學(xué)知識的特征以及科學(xué)是如何發(fā)展和應(yīng)用

的。學(xué)生應(yīng)當(dāng)看到知識具有某些動態(tài)特征，它的含義與重要性極可

能隨著時間發(fā)生改變。”

(NSSE

I960)

然而，正如年鑒中所寫，課程與社會時代是不斷變化的，美國

國家科學(xué)基金會(NationalScienceFoundation)成立于1950

年，并在1956年首次資助了高中科學(xué)課程的開發(fā)。這項資助給了麻

省理工學(xué)院(MassachusettsInstituteofTechnology,MIT)的“

物理科學(xué)研究委員會(psscy;該草案的頒布與蘇聯(lián)人造北星發(fā)射基

本處于同一時期。隨后它迅速跟上了之前討論的由NSF資助的課程項目

的浪潮，而在此浪潮中，忽略了歷史、技術(shù)與文化的問題，研究重點是

掌握理論化形式中的科學(xué)內(nèi)容。相比I960年國家教育研究協(xié)會(NSSE)

在年鑒中建議的通識教育法、人文主義方法或情境教育法，美國國

家科學(xué)基金會(NSF)則以專業(yè)的、技術(shù)的、學(xué)科的方法開展科學(xué)教育。

1960年，美國國家科學(xué)基金會的宗旨由哥倫比亞大學(xué)教師學(xué)院科學(xué)人力

資源項目編寫的《科學(xué)教育政策》得以闡明：

“我們應(yīng)當(dāng)清楚，教育是為科學(xué)提供優(yōu)秀人力資源的基本要素。

我們必須改進學(xué)?？茖W(xué)教育……這樣并且只有這樣，我們才能不斷得

SS瞎瘠的鍬125

到新的科學(xué)技術(shù)人才，由此滿足我們當(dāng)前及未來預(yù)期的文化需求?！?/p>

(Fitzpatrick1960,p.195)

20世紀(jì)60年代早期，在沒有科學(xué)史學(xué)家與科學(xué)哲學(xué)家參與的

情況下，這些科學(xué)課程改革繼續(xù)推行，但有兩個明顯的例外：“哈佛物

理學(xué)課程”與“生物科學(xué)課程研究中心(BSCS)的高中生物教材黃

皮本”。還有相對不那么有名的克洛普弗(Klopfer)與庫勒(Cooley)

在1956年到I960年期間進行的高中科學(xué)史案例研究。

BSCS教材是基于前面提到的芝加哥大學(xué)生物學(xué)家、哲學(xué)家和教育

學(xué)家施瓦布的觀點編寫的。他撰寫了一篇極具影響力的文章，題為

《與通識教育相關(guān)的科學(xué)知識的本質(zhì)》(Schwabl949),強有力地推進

了杜威的“科學(xué)即探究”的觀點8。施瓦布在為BSCS課程撰寫的教師

手冊中大力倡導(dǎo)歷史性研究方法，其中寫道：

“科學(xué)即探究教學(xué)的本質(zhì)在于通過它們的探究方法和驗證方法的框

架來呈現(xiàn)一些科學(xué)結(jié)論……也包括正確對待懷疑與科學(xué)的不完備性?！?/p>

(Schwab1963,p.41)

歷史法也得以倡導(dǎo)的原因是因為它“關(guān)注人與事件而不是科學(xué)概念本身。

探究有人性化的一面"(Schwab1963,p.42)o

英國科學(xué)課程的歷史

在英國，將科學(xué)史融入科學(xué)教育也有著悠久的、曲折的歷史。。英國

科學(xué)促進會(BAAS)在其1917年的會議上重申了阿蓋爾公爵在

1855年會議上的呼吁。協(xié)會認(rèn)為，科學(xué)史“可以解決學(xué)校課表中文

科與理科之間的人為屏障"(Jenkins1990,P.274)o1918年，極具影

響力的政府報告《教育中的自然科學(xué)》(湯普森擔(dān)任主席之后發(fā)表的，被

稱為《湯普森報告》)也認(rèn)為歷史具有創(chuàng)造性作用：

“我們想在教學(xué)中引入一些科學(xué)的主要成就并從科學(xué)中得到方法。

教學(xué)應(yīng)該多一些科學(xué)精神，少一些骨架……可以通過講授科學(xué)史的課

程達(dá)到這一目標(biāo)。”

(Brock1989,p.31)

報告進一步提出：“每一個中學(xué)科學(xué)老師的知識素養(yǎng)都應(yīng)該包含一部分科學(xué)

史和科學(xué)哲學(xué)的知識”。戰(zhàn)后不久開發(fā)的“普及科學(xué)”課程納入了這些建

議(Mansell1976)。

兩次世界大戰(zhàn)期間，科學(xué)哲學(xué)家珀西?納恩、理查德?格雷戈里

(RichardGregory)及其他具有歷史思想的教育工作者主張使用歷史案例。

他們受黑格爾、斯賓塞、赫爾巴特觀點的影響-—即個體思維的發(fā)展在某

種意義上是人類思維歷史發(fā)展的復(fù)現(xiàn)——隨后這一觀點在皮亞杰的發(fā)生

認(rèn)識論中得到廣泛應(yīng)用(Kitchener1986)?；裟穪喌?E.J.Holmyard)

(1924,1925)>科克拉內(nèi)(J.A.Cochrane)與帕廷頓(J.R.Partington)

編寫的科學(xué)教材廣受歡迎，其中就結(jié)合了這些觀點?；裟穪喌碌摹痘A(chǔ)化學(xué)》

(Holmyard1925)在1925年至1960年間售出超過五十萬本。

英國《學(xué)校科學(xué)評論》對科學(xué)史專業(yè)期刊《科學(xué)史年刊》(1936)和《

安比克斯》(1937)的創(chuàng)刊表示十分歡迎，學(xué)校教師的評論如下：

“據(jù)經(jīng)驗所知，科學(xué)史的價值具體表現(xiàn)為激發(fā)與保持學(xué)習(xí)興趣，

并且直面科學(xué)無人性的批判……每一個學(xué)校圖書館中都應(yīng)該有這些

(期刊)。”

(Sherratt

1983,p.421)

20世紀(jì)20年代和30年代，教師培訓(xùn)學(xué)院為科學(xué)教師提供了關(guān)于科學(xué)

史的專門課程，英國倫敦大學(xué)學(xué)院在1921年初開始設(shè)立科學(xué)史碩士學(xué)位

C

第二次世界大戰(zhàn)后，歷史的重要性逐漸被削弱C小部分納菲爾德0

級課程，更通俗地說是納菲爾德經(jīng)驗性課程忽略了科學(xué)在歷史、社會和

文化維度方面的內(nèi)容。一些審查委員會單獨開設(shè)了科學(xué)史課程，但至20

世紀(jì)80年代，申請者人數(shù)呈現(xiàn)急劇下降的趨勢。20世紀(jì)80年代初，

在國家課程之前引入了科學(xué)史課程，它在納菲爾德課程、“社會情境中的科

學(xué)(SISC0N)”以及“社會中的科學(xué)與技術(shù)(SATIS)”中尚有一席之地。

學(xué)校科學(xué)在情境維度的衰退成為英國科學(xué)教育學(xué)會(ASE)的關(guān)

注點，從很多報告中可以看出，ASE強烈要求科學(xué)課程中融入更多的歷

史與哲學(xué)材料(ASE1979,1981)1。。英國科學(xué)教育學(xué)會在1979年《

科學(xué)教育的抉擇》中描述了科學(xué)教育的三種方法，都強調(diào)了科學(xué)史與科

學(xué)哲學(xué)。它在1981的報告中建議：

127

“科學(xué)教學(xué)如同一種文化活動：越重視科學(xué)活動中的歷史、哲學(xué)

與社會影響，科學(xué)知識和文化的追求就越廣泛，進而越能理解科學(xué)

技術(shù)對社會與世界觀的貢獻(xiàn)。”

(ASE1981)

經(jīng)過不懈努力，世界范圍內(nèi)反復(fù)出現(xiàn)了一個主旋律，即教師并沒有

準(zhǔn)備好開展科學(xué)情境教學(xué)，最早在1963年科學(xué)教育學(xué)會的報告《科學(xué)研

究生導(dǎo)師的培訓(xùn)》(ASE1963)中就已經(jīng)提出。那么，從現(xiàn)在起，為了將

科學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)融入職前與在職教師培訓(xùn)，就需要付出更多努力了。

關(guān)于大氣壓力的教學(xué)

對比科學(xué)教學(xué)時使用的專業(yè)方法與情境方法，最好的途徑是將這兩

種方法或兩種維度應(yīng)用于具體主題的教學(xué)中進行檢驗。大氣壓力作為多

數(shù)小學(xué)與中學(xué)科學(xué)課程中的一個核心主題，可以視為一個很好的例子，

當(dāng)然也可以選擇其他主題。

歷史一人文教學(xué)法

科學(xué)教學(xué)中關(guān)于氣壓的內(nèi)容有比較好的歷史教學(xué)法。大氣壓力和波

義耳真空泵是1957年科南特哈佛案例研究中的第一個主題?？寺迤崭サ?/p>

九個案例研究(Klopfer1969b)中包含三個物理單元，其中一個就是關(guān)

于大氣壓力的單元(案例六)。每個單元包括正文、摘錄、活動、幻

燈片、硬件和實驗。此案例研究將17世紀(jì)用流體靜力學(xué)觀點解釋大氣壓

相關(guān)現(xiàn)象與推翻亞里士多德關(guān)于“自然界厭惡真空”的觀點的故事結(jié)合起來。

托旦拆利(Torricelli)使用氣壓計完成了開拓性的工作，水銀柱位于槽

中水銀平面上方30英寸的位置，施加在槽中水銀表面大氣的重量使水銀

柱保持平衡。

案例六是關(guān)于伽利略對抽水泵只能把水抽到34英寸高的錯誤解釋的

相關(guān)材料一一他認(rèn)為，如果水柱超過這個高度，就會在自身重量的作用

下斷開。該案例讓學(xué)生手持一片嚼過的口香糖進行拉伸，看口香糖能夠

承受的不斷開的長度是多少，并問學(xué)生是否可以通過類比，推測一段長

的水柱也有可能發(fā)生類似的情況。該案例還包含關(guān)于帕斯卡定律的相關(guān)

資料，并建議學(xué)生制作一個簡易水壓機來闡釋原理。至于其他好的方面，

128科學(xué)教學(xué)科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)的貢獻(xiàn)

該案例使學(xué)生看到即便像伽利略這樣偉大的科學(xué)家也會犯錯，也會堅持

不正確的信念。更明顯的例子還有伽利略對潮汐完全錯誤的解釋。潮汐

這一主題出現(xiàn)在伽利略1633年《對話》中的最后一天，他堅信該主題為哥

白尼學(xué)說提供了最好的論證”。歷史展示了科學(xué)和科學(xué)家的錯誤，這些錯誤

同他們的成功一樣，有些內(nèi)容對學(xué)生的學(xué)習(xí)非常有用。

克勒普弗的每個案例研究都有三個標(biāo)題，每個標(biāo)題之下又包含研究

目的。這三個標(biāo)題分別是：

1.科學(xué)主題的信息及案例描述；

2.理解科學(xué)概念與原理；

3.理解相關(guān)科學(xué)以及科學(xué)家的觀點。

在大氣壓力這一單元標(biāo)題三下列出的目標(biāo)具有啟發(fā)意義。也就是說，

學(xué)生在學(xué)習(xí)這一單元后，應(yīng)該能理解如下與科學(xué)和科學(xué)家相關(guān)的觀點：

?科學(xué)假說、原理與理論的含義、功能及它們的內(nèi)在相互關(guān)系；

?科學(xué)與應(yīng)用科學(xué)或和肢之間的區(qū)別；

?在科學(xué)研究中想法與實驗、思考與行動之間的動態(tài)聯(lián)系

?推理鏈中往往涉及多種假設(shè)，與假設(shè)相關(guān)的理論可以通過實驗和觀察

得到驗證；

?科學(xué)理論或科學(xué)概念的建立應(yīng)當(dāng)包含如下因素：實驗證據(jù)、參與科學(xué)

家的個人信念以及理論的有效性；

?以公認(rèn)的定律與原理的形式呈現(xiàn)對自然現(xiàn)象的科學(xué)解釋；

?科學(xué)家是擁有眾多品質(zhì)和能力的不同個體；

?科學(xué)是一項國際性活動；

?科學(xué)團體的本質(zhì)與功能；

?科學(xué)的進步在一定程度上依賴于技術(shù)的現(xiàn)狀以及科學(xué)自身以外的其他

因素;

?科學(xué)家以期刊、圖書、會議和私人信件的形式進行自由交流掰斗學(xué)的發(fā)展至

?新發(fā)現(xiàn)具有觸發(fā)效應(yīng)：它們可以重塑已經(jīng)確定的概念并產(chǎn)生新的假說

和實驗；

?新儀器與新技術(shù)是十分重要的，它們可以使對新實驗與新觀念的探索

變成可能。

W廨罐柑褶史⑶

這個列表同樣適用于其他任何HPS課程目標(biāo)的合理表述，而且所有

“科學(xué)研究，，項目都應(yīng)該熟知該列表。值得注意的是，這些嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、有?xì)

微差別的科學(xué)特性描述最初撰寫于1961年，也就是說，比大力宣揚

這些觀點的托馬斯?庫恩的《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》出現(xiàn)得還早。這三人

都受益于科南特及他們所參與的哈佛通識教育項目。

HOSC教材不僅旨在提供科學(xué)學(xué)科教育，同時也提供關(guān)于科學(xué)的教

育，而這常被稱為“無形”的結(jié)果。參與HOSC教材評論的47位教師中，

64%的教師說他們的學(xué)生獲得了考試無法帶來的無形收益。一些教師的

評論如下：

?學(xué)生對科學(xué)的意義有了新的理解。

?班級成員的討論和意見交流比以前更多……我們鼓勵學(xué)生對社會中的

科學(xué)與科學(xué)家進行批判性評價。

?學(xué)生獲得了一種猶如參與大冒險般的體驗。

(Klopfer&Cooley1961,p.128)

這些無法測量的無形價值與高剛版標(biāo)準(zhǔn)化測試結(jié)果同樣重要，一^分原因

是因為它們往往能夠持續(xù)更長的時間，并引導(dǎo)學(xué)生隨后對科學(xué)的參與。

大氣壓力是科學(xué)史融入科學(xué)教學(xué)的成熟案例。學(xué)生觀點的演化與探

究和歷史故事間存在自然的進展與相似性。開展克洛普弗案例研究后的

30年，英國的瓊,所羅門(JoanSolomon)也期望在學(xué)?？茖W(xué)中融入歷

史與社會主題，他針對相同的主題為英國科學(xué)教育協(xié)會寫了一本名為《大擠

壓》的手冊(Solomonl989)。手冊涵蓋眾多主題，包括古埃及與古

希臘、中世紀(jì)的泵與風(fēng)笛、伽利略的觀點、伽利略的學(xué)生托里拆利用試

管裝滿水制造真空的著名實驗以及對水柱上方“空間”的多種解釋、托

里拆利的水銀氣壓計、帕斯卡(Pascal)將氣壓計帶上山頂記錄所支撐的

水銀高度變化的實驗，并提出大氣壓力是由水銀上方空氣的重量導(dǎo)致的、

馮格里克(vonGuericke)的馬德堡半球以及波義耳真空泵及他關(guān)于“氣

體彈性”的推測，這些例子都促進了對大氣壓力的理解。

良好的教學(xué)很容易引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)一系列的概念和實驗。我們可以從

愛克斯廷格(BGrjeEkstig)(1990)的文章中看到一系列這樣的課程。

新南威爾士大學(xué)一名大二的科學(xué)專業(yè)的學(xué)生，在接受中學(xué)教師培訓(xùn)時閱

讀了愛克斯廷格的文章，寫下了如下內(nèi)容：

130&

“我是一個物理成績沒有達(dá)到高中畢業(yè)要求的學(xué)生，在我因未通

過大學(xué)期中考試退學(xué)前，只學(xué)過半年的大學(xué)物理。我無數(shù)次對自己

說我非常不喜歡物理，也學(xué)不了物理。讀完這篇文章后，我在思考

自己為什么對物理會有如此消極的態(tài)度。一方面主要因為我從來沒

有給過自己認(rèn)真學(xué)習(xí)物理的機會。另一方面，我也從來沒有聽過或

讀過以如此有趣且切題的方式呈現(xiàn)的物理文章……曾令我困惑的事

情現(xiàn)在終于得以理解……因為我認(rèn)為一般情況下物理留給我的總是

一頭霧水，所以我堅信它是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我理解范圍的?！?/p>

（給作者的私信）

這對于專業(yè)科學(xué)課程中歷史教學(xué)法的價值來說是一個令人欣喜

的證明。有了關(guān)于大氣壓力科學(xué)史的知識，學(xué)生能夠參與到以下問題或

探究中：

?第一，學(xué)生可以猜想空氣中是否有其他物質(zhì)，還是說空氣本來就是空

的。在思考如何檢驗他們的假設(shè)后，教師向?qū)W生演示空氣是難以壓縮

的一將空試管壓入水中就可以證明這點。將同一個試管灌滿水后從

燒杯中提起，我僅就能看到類似氣壓計的現(xiàn)象。

?第二，詢問學(xué)生試管中承受的水柱高度是否有上限，為什么能撐起水

柱。將一根透明塑料軟管的一端夾緊，另一端放入一盆水中，隨后將

其懸掛在一幢高樓上就能回答該問題。

?第三，學(xué)生可以推測較重的液體柱能達(dá)到的高度是否會降低，水銀柱的

預(yù)期高度是多少。

?第四，可以展示氣缸內(nèi)產(chǎn)生的真空及隨后內(nèi)部活塞的運動，并基于此演

示紐科門（Newcomen）蒸汽機的基本原理。

通過有效使用作業(yè)、實驗和論文，HOSC關(guān)于大氣壓力的單元目標(biāo)

和科學(xué)情景教學(xué)的總體目標(biāo)都可以實現(xiàn)?？茖W(xué)與哲學(xué)、科學(xué)與技術(shù)的相

互作用都可以通過以下內(nèi)容完美呈現(xiàn)：可以理解亞里士多德的“自然界

厭惡真空，，的學(xué)說；也可以看到這一學(xué)說對像伽利略這樣杰出的科學(xué)家

的影響。為了擁護哲學(xué)和科學(xué)主義，帕斯卡與托里拆利進行了看似錯誤

的實驗。教師可以列出他們所付出的努力，同時，通過讓學(xué)生自己制作

原始蒸汽機（紐科門利用冷卻引發(fā)真空的發(fā)動機），或只制作活塞與氣缸，

從而讓他們體會大氣壓力在科學(xué)發(fā)展中所面臨的技術(shù)困難。

第四章課程與課堂中的科學(xué)史131

專業(yè)一學(xué)科教學(xué)法

關(guān)于學(xué)習(xí)大氣壓力這一主題的專業(yè)方法可參見PSSC的物理教

材(I960)。PSSC是第一個由美國國家科學(xué)基金會(NSF)資助的高

中科學(xué)課程；這一教材被翻譯成多種語言，被全世界數(shù)以百萬計的

學(xué)生使用。PSSC與哈佛案例研究、HOSC、工程物理及英國教材中

提供的上述對待科學(xué)史的方法形成鮮明對比。值得注意的是，在長

達(dá)34章的教材中，沒有一章是專門研究大氣壓力的，甚至連大約

1,000個條目的索引中也沒有涉及。教材對該主題內(nèi)容的呈現(xiàn)以波義耳

定律及容器內(nèi)分子碰撞模型開始，而沒有提及氣壓。對這個定律的討論

是以假設(shè)氣壓存在為前提，然而，對波義耳定律的發(fā)展史卻沒有任何

描述，也沒有提及托里拆利或帕斯卡，更不用說亞里士多德及其“自然

界厭惡真空”的學(xué)說。波義耳定律是用摩爾概念解釋的，其陳述如下：

在既定溫度下，“氣體的壓強”與“分子數(shù)量除以分子所占體積“成

正比。

P=KxN/V,此外K為比例系數(shù)

顯然，PSSC的討論沒有提及有關(guān)氣壓科學(xué)的技術(shù)與應(yīng)用。盡管討

論過在稀薄大氣層中P-V關(guān)系的相應(yīng)變化，但沒有提及氣壓計，而是將

其放在本章結(jié)束的練習(xí)里。在PSSC物理項目中，在解釋氣壓計和天氣

變化之前，兒童就能學(xué)習(xí)氣體定律，那時他們還未將氣壓計和天氣變化

的內(nèi)容聯(lián)系起來。類似地，水泵、蒸汽機及其他任何與大氣壓力相關(guān)的

技術(shù)應(yīng)用都被忽略了?？茖W(xué)和技術(shù)之間極為重要的聯(lián)系及其對經(jīng)濟轉(zhuǎn)型

與社會生活的關(guān)鍵影響在PSSC物理教材中被徹底刪掉了。20世紀(jì)

60年代，不只PSSC,還有許多其他改革項目都刪去了科學(xué)的應(yīng)用

部分。當(dāng)時一位改革評論家曾說道：

“60年代由NSF資助的所有課程改革項目,首要變化就是刪去

了所有技術(shù)知識，以'一種科學(xué)家所熟知的方式'呈現(xiàn)純粹的科學(xué)。

只是到了最近，許多人才意識到這種改革是錯誤的?！?/p>

(Yager&Penick1987,p,53)

132科學(xué)教學(xué)一科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)的貢獻(xiàn)

大氣壓力科學(xué)中的形而上學(xué)和物理學(xué)

教師對歷史的興趣將會影響一個班級在多大程度上能夠通過討論、

重現(xiàn)歷史進程引出當(dāng)下對大氣壓力的理解。

亞里士多德對空氣的研究

亞里士多德是對空氣進行哲學(xué)和科學(xué)探究最早的貢獻(xiàn)者之一。他把

空氣視為五種基本元素之一；空氣是所有元素中的一大類，他認(rèn)為空氣

不是由不同成分組成的混合物。這點被約瑟夫?普里斯特利與17世紀(jì)早

期的氣動化學(xué)家們當(dāng)成重大“認(rèn)識論障礙”推翻了？。他們經(jīng)過探究得

出空氣是一種混合氣體的結(jié)論(這將在第七章中詳細(xì)闡述)。重要的是，

亞里士多德基于哲學(xué)和經(jīng)驗主義，否認(rèn)自然界中存在真空。亞里士多德

提出“自然界厭惡真空"的觀點反駁原子論者，而原子論者認(rèn)為原子之

間存在間隙是哲學(xué)的基礎(chǔ)。亞里士多德否認(rèn)間隙存在的可能，其主要論

點收錄在《物理》IV中(馬修斯在1989年的論著中進行了重述)。歷史

學(xué)家歐內(nèi)斯特?穆迪(ErnestMoody)對這本教材的評價如下：

“確切地說，它是中世紀(jì)力學(xué)的據(jù)籃。對伽利略而言……這本

教材有一個不變的出發(fā)點。無論是比薩斜塔上的對話，還是對

伽利略成就的討論，都是對亞里士多德關(guān)于物體運動的動力學(xué)理論

教材的批判。”

(Moody1951,p.175)

亞里士多德認(rèn)為，日常經(jīng)驗足以給我們提供充分的理由來說明：運

動物體的速度(V)與施加的力(F)成正比，與運動介質(zhì)產(chǎn)生的阻力(R)

成反比。(想象在光滑的路面上和粗糙的沙路上推車。)也就是說：

V=KxF/R

在真空中，R為零，被推動的物體將以極限速度運動。因此，A和B兩點

間的運動時間將會是0秒。這樣的話，就不能說是運動，而是消失于A點的

同時重現(xiàn)于B點。因此，亞里士多德的結(jié)論是，真空中沒有運動。然而,

由于運動隨處可見，那么真空就不可能存在。“自然界不可能有真空”這個基

本信仰統(tǒng)治了物理學(xué)一千多年，而伽利略在他的哲學(xué)和科學(xué)探究

一開始便開展了與這一信仰的抗?fàn)帯?/p>

這堂課從早期希臘人對氣壓的猜測開始，讓人們認(rèn)識到亞里士多德

的科學(xué)和哲學(xué)方式根植于日常生活經(jīng)驗。作為現(xiàn)代亞里士多德學(xué)派，莫

蒂默?阿德勒（MortimerJAdler）觀察后認(rèn)識到這一點，他在《每個人的

亞里士多德》的引言中提到：

“為了努力理解自然、社會與人類，亞里士多德和其他人一樣，

都是從日常經(jīng)驗中學(xué)到的知識開始。他的思想使用的都是我們能掌

握的概念，之所以由此出發(fā)，并不是因為學(xué)校教過我們這些，而是

因為這是人類理解任何事情的共同點?！?/p>

（Adler1978,p.xi）

低年級學(xué)生觀察并體驗到的所有現(xiàn)象，遠(yuǎn)古時期的人們也都非常熟

悉。虹吸管可以用于排干液體；移液管或漏壺可以用于轉(zhuǎn)移液體；當(dāng)然

吸管也可以。從所有這些熟悉的現(xiàn)象很容易得出自然界不存在真空的想

法。亞里士多德借助于這些普遍的現(xiàn)象，加入一些關(guān)于運動與位置的邏

輯論證，得出這一持久且有影響力的“自然界厭惡真空”學(xué)說。

對該問題另一個方面的討論也引起了類似的爭論：空氣有重量嗎？

通過觀察風(fēng)車、船帆、動物膀胱制成的氣球等，古人認(rèn)識到空間中

含有一些物質(zhì)，即空氣；它不是空的。然而，它似乎沒有任何重量，事

實上它看起來有負(fù)的重量——它沒有向下沉，而是往上走。亞里士多德

認(rèn)為，物體在適當(dāng)位置時沒有重量（拉丁人會用gravitas描述重量）。

石頭和物質(zhì)有“重量”，因為它們壓向地心；空氣沒有“重量”，反而會

“漂浮”，因為它的自然趨勢是升入天空—它本來的位置。因此，

能夠說明空氣同石頭一樣具有重量的主張，將是推翻亞里士多德哲

學(xué)的重要條款。

在亞里士多德關(guān)于運動、天文學(xué)、生物學(xué)或其他諸多理論中可以發(fā)

現(xiàn)，從日常經(jīng)驗到科學(xué)與哲學(xué)學(xué)說都經(jīng)歷相同的發(fā)展過程。如果理解這

一點，那么學(xué)生將能夠掌握伽利略和牛頓科學(xué)革命的最重要特征-在

他們構(gòu)想新科學(xué)時，會重新解釋日常經(jīng)驗和確定事實；從亞里士多德用

熟悉的事物去解釋不熟悉事物，發(fā)展到牛頓用不熟悉的事物（慣性）

去解釋熟悉的事物（落體）。

⑶格教野T程妍廓岸哲學(xué)的^獻(xiàn)

17世紀(jì)的爭論

至少從1614年開始，伽利略就堅信他通過實驗證明了不同于亞里士

多德的觀點，即空氣是有重量的①rakel978,p.231)。他堅持認(rèn)為空

氣的重量與虹吸管中水柱高度的極限無關(guān)(Drake1978,p.314)。他的

同事兼學(xué)生，埃萬杰利斯塔?托里拆利(1608—1647)為正確理解大

氣壓力及解釋氣壓計邁出了第一步。

托里拆利在1643年的實驗中，把裝滿水銀的試管倒置在一個敞口的

水銀槽中，1646年，法國神童布萊茲?帕斯卡(1623—1662)重復(fù)了這

一實驗。水銀從試管頂部下降了一段距離，但總保持距槽中水銀面上方

30英寸或76厘米的高度(見圖4.1)。這個實驗同時引發(fā)了哲學(xué)家和科學(xué)

家的關(guān)注(此處使用了不符合當(dāng)時時代的稱呼)：長期以來，一直存在的

關(guān)于真空的哲學(xué)爭論似乎被一個簡單的實驗解決了。而這個實驗也能促

進當(dāng)代學(xué)生對氣壓的理解。

圖4.1托里拆利真空管

可以向?qū)W生展示托里拆利的實驗裝置一一或者現(xiàn)在，在無汞實驗室

中使用替代裝置。不管有沒有實驗指導(dǎo)，都有兩個問題需要回答：

1.是什么支撐了水銀柱？

2.水銀柱上方的空間里有什么？

盡管這兩個問題常混在一起，但實際上它們是兩個獨立的問題。在帕斯

卡和托里拆利時代，只有幾個人能給出第一個問題的答案：是大氣壓力

135

向下壓水槽中的水銀表面。而其他人則否認(rèn)空氣有重量，并提出水銀柱

受到支撐的其他理由。在回答第二個問題時，許多人否認(rèn)真空的存在；

只有極少數(shù)人認(rèn)為真空是存在的。在17世紀(jì)中葉，這四個可能的答案都

有支持者。

上述問題可以用下表重新闡釋(Dijksterhuis1961/1986,p.445),

不同的答案都有饞性的支持者。

是不是

所有亞里士多德學(xué)派

大氣壓力支撐了水銀柱嗎笛卡爾、帕斯卡

羅貝瓦爾

羅貝瓦爾所有亞里士多德學(xué)派、笛卡

水銀柱上方是否存在真空

波義耳爾、伽利略、霍布斯

解決這些爭議的關(guān)鍵在于進行邏輯性、技術(shù)性與實驗性的思考。一

些否認(rèn)大氣壓力和真空的人認(rèn)為水銀柱下降的原因是液體產(chǎn)生了蒸汽。

為了驗證這一觀點，帕斯卡同時拿出了酒和水并詢問他的反對者，在托

里拆利真空管中，酒柱與水柱哪個液面下降得更多。他的聽眾理論道：

由于酒易揮發(fā)，它將蒸發(fā)得更多，因此在試管中下降得比水多。但是當(dāng)

實驗完成后，卻發(fā)現(xiàn)水比酒下降得多。帕斯卡早就知道會是這樣的結(jié)果，因

為水比酒重。因此，他們需要拋棄或者修改蒸發(fā)假說。另一些否認(rèn)真

空存在的人則認(rèn)為，管內(nèi)遺留了少量的空氣。帕斯卡利用不同直徑的試

管進行實驗，確定始終保持不變的是水銀柱的高度而不是反對者所假設(shè)

的空間的體積。這一假設(shè)又需要被拋棄或修改。學(xué)生可以通過提問、辯

論、閱讀原始資料了解這些可能，并在學(xué)習(xí)有關(guān)大氣壓力的同時\學(xué)習(xí)

科學(xué)論證與假設(shè)檢驗的方法。這樣的歷史介紹和真實科學(xué)爭論的重現(xiàn)，

為學(xué)生開啟了一扇寶貴的學(xué)習(xí)科學(xué)論證的窗口。

該順序展示了簡單觀察與科學(xué)實驗的區(qū)別、理論與實驗建構(gòu)的關(guān)系

以及根據(jù)與預(yù)期不同的實驗結(jié)果對理論進行非直接的重新評估。例如，

通過簡單的改變，“自然界厭惡真空”學(xué)說就能與異常的實驗結(jié)果相吻合：可

以解釋說水銀柱下降的高度變化表示了自然界厭惡真空的程度。大自

然對真空的厭惡不是絕對的，而是和周圍的物質(zhì)有關(guān)。大自然通過將水

銀柱提高到一定高度，將其他液體提高不同的高度，以這種方式盡量避

免真空。因此，液體柱的高度是對大自然厭惡真空的程度的測量，而非

136科學(xué)教學(xué)一科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)的貢獻(xiàn)

對壓在水槽上的大氣壓力大小的測量。想要反對這一觀點，需要徹底忽

略這種假說，并通過科學(xué)方法規(guī)范地進行排除。

1648年，帕斯卡完成了他最著名的實驗。他把氣壓計帶到多姆山上，

證實了山的高度越高，水銀柱的高度就越低。他認(rèn)為這是因為山越高，

壓在水銀表面的空氣就越少。教師可以鼓勵學(xué)生想象這個實驗，讓他們

到很高的建筑物或地勢高的地方進行實驗。帕斯卡的姐夫進行該實驗得

出的結(jié)果和預(yù)期一樣c他把一個氣壓計放在山腳下，發(fā)現(xiàn)一天當(dāng)中水銀

柱液面的高度沒有變化。鼓勵學(xué)生思考