孟獻(xiàn)華 吳倩 倪娟

摘要： 論證式教學(xué)倡導(dǎo)將科學(xué)領(lǐng)域研究方法引入課堂，使學(xué)生經(jīng)歷類似科學(xué)家們的論證推理過程來理解學(xué)科概念。學(xué)科知識的發(fā)展歷史為論證式教學(xué)設(shè)計(jì)提供了真實(shí)有效的教學(xué)資源。基于歷史發(fā)展的論證式教學(xué)設(shè)計(jì)流程包括理解知識演進(jìn)、分析論證結(jié)構(gòu)和教學(xué)問題設(shè)計(jì)。以“空氣中氧氣成分測定”為例，構(gòu)建基于學(xué)科知識發(fā)展歷史的論證式教學(xué)的設(shè)計(jì)框架與實(shí)施。

關(guān)鍵詞： 化學(xué)史; 教學(xué)設(shè)計(jì); 科學(xué)論證; 空氣成分

文章編號： 1005-6629（2018）11-0041-06中圖分類號： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 問題提出： 知識發(fā)展與科學(xué)論證的統(tǒng)一

英國歷史學(xué)家卡爾（Edward Hallett Carr， 1892～1982）指出： 歷史“是今天的社會跟昨天的社會之間的對話……只有借助于現(xiàn)在，我們才能理解過去;也只有借助于過去，我們才能充分理解現(xiàn)在。使人理解過去的社會，使人增加掌握現(xiàn)在社會的能力，這就是歷史的雙重作用”[1]。奧蘇貝爾（David Pawl Ausubel， 1918～2008）認(rèn)為，教科書的編寫者將科學(xué)概念或論題分割成獨(dú)立的章節(jié)，沒有探討它們相互之間的關(guān)系，這樣做的結(jié)果使學(xué)習(xí)者看不到新的命題和已知命題之間的因果關(guān)系。這一狀況至今未變：“目前的教科書與教學(xué)方法不能幫助學(xué)生達(dá)成良好的科學(xué)素養(yǎng)，有時(shí)反而是一種妨礙！它們強(qiáng)調(diào)尋求答案更甚于問題的發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)記憶忽視批判思考，強(qiáng)調(diào)零星知識的記憶而非理解，強(qiáng)調(diào)精確的復(fù)述而非思考”[2]。

許多今天看來難以理解的化學(xué)知識或概念，從歷史的角度看顯得十分自然，如微粒觀念是從早期對液體和氣體物質(zhì)宏觀性質(zhì)的研究而來，它反映了古代自然哲學(xué)家們的原始思維到現(xiàn)代科學(xué)家們利用各種先進(jìn)儀器進(jìn)行觀察、實(shí)驗(yàn)等活動之間的連續(xù)性。如果學(xué)生能夠仿照這一概念的形成方式，從液體蒸發(fā)、氣體運(yùn)動等日常生活現(xiàn)象開始對微觀世界的思考，他們就會知道，任何抽象的化學(xué)概念都來源于人們對自然現(xiàn)象的觀察及其本質(zhì)的分析。

另一方面，化學(xué)教育應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生深入了解化學(xué)的思想方法、化學(xué)發(fā)展的規(guī)律和自覺將化學(xué)知識應(yīng)用到生活實(shí)際中的能力。因此，科學(xué)研究中的推理或論證思想已成為當(dāng)下教育理論的熱點(diǎn)議題。論證式教學(xué)追求將科學(xué)研究領(lǐng)域的知識推理過程帶入課堂，讓學(xué)生經(jīng)歷類似于科學(xué)家們獲取知識的論證方式，理解科學(xué)概念和科學(xué)本質(zhì)，促使學(xué)生“能初步學(xué)會收集各種證據(jù)，對物質(zhì)的性質(zhì)及其變化提出可能的假設(shè);基于證據(jù)進(jìn)行分析推理，證實(shí)或證偽假設(shè);能解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系，確定形成科學(xué)結(jié)論所需要的證據(jù)和尋找證據(jù)的途徑”[3]。

1958年，圖爾敏（Toulmin）出版了論證研究的經(jīng)典之作[4]。20世紀(jì)90年代，研究者開始以論證思維的視角理解科學(xué)課堂，論證式教學(xué)也因此出現(xiàn)。論證式教學(xué)重視對已有證據(jù)的思考和判斷，要求學(xué)生在維護(hù)或反駁某個(gè)觀點(diǎn)或主張時(shí)，提供充足的證據(jù)或理由，這種教學(xué)方式充滿了理性思維，同時(shí)與科學(xué)發(fā)展歷史具有高度的一致性。

2 基于歷史發(fā)展的論證式教學(xué)設(shè)計(jì)程序

基于學(xué)科知識發(fā)展歷史的論證式化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)的核心，是將化學(xué)史內(nèi)容融入化學(xué)知識的教學(xué)中，探究每一個(gè)化學(xué)概念、觀點(diǎn)、假說提出過程中理論和實(shí)驗(yàn)、假說與現(xiàn)象之間的邏輯關(guān)系，或者對幾種歷史學(xué)說、模型進(jìn)行比較和研討，學(xué)生領(lǐng)會到歷史上化學(xué)家們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C推理、激烈的思想碰撞和豐富的學(xué)科思維，感受化學(xué)的魅力所在。

該教學(xué)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)在于： 學(xué)生的錯(cuò)誤概念很大程度上和早期科學(xué)家提出的錯(cuò)誤理論具有一致性，科學(xué)教學(xué)的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)學(xué)生錯(cuò)誤概念向科學(xué)概念的轉(zhuǎn)化，這樣科學(xué)史也就成為教師理解學(xué)生學(xué)科概念形成的有益資源和教學(xué)設(shè)計(jì)的理論指導(dǎo)（見圖1）。

基于學(xué)科知識發(fā)展歷史的論證式化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)是： 以科學(xué)思想和研究實(shí)踐的發(fā)展歷史，為學(xué)科知識教學(xué)提供有關(guān)“為什么”的解釋和引導(dǎo)。其教學(xué)設(shè)計(jì)包含4個(gè)步驟。

2.1 學(xué)科主題概念和知識歷史演進(jìn)的理解

無論是將歷史發(fā)展中的科學(xué)研究作為教學(xué)的論證主題，還是以科學(xué)家們提出新理論背后的支持性實(shí)驗(yàn)、演繹推理等作為教學(xué)素材，教師都需要對相關(guān)學(xué)科概念發(fā)展歷史全面準(zhǔn)確地掌握。以論證式教學(xué)為核心的學(xué)科歷史材料梳理，應(yīng)更多關(guān)注一些重要概念、規(guī)律、定理產(chǎn)生和發(fā)展的因果關(guān)系，這些內(nèi)容可以讓學(xué)生從概念、規(guī)律、定理產(chǎn)生的原因和發(fā)展的進(jìn)程中，體會到學(xué)科知識在科學(xué)化、結(jié)構(gòu)化道路上經(jīng)歷的種種努力。具體而言，教師應(yīng)該研究：

（1） 不同時(shí)期的科學(xué)理論。

歷史地看，某一階段被當(dāng)時(shí)科學(xué)界普遍承認(rèn)正確的科學(xué)理論，隨著人們的認(rèn)識發(fā)展，這些曾經(jīng)被廣泛接受的理論多數(shù)都會被新的科學(xué)理論代替。但對教師教學(xué)而言，這些理論的變遷過程往往是值得重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，因?yàn)槠渲斜厝惶N(yùn)含了新的科學(xué)證據(jù)或解釋推理。

（2） 科學(xué)研究的原始材料。

原始材料指的是來自過去的客觀物品，科學(xué)教學(xué)中使用的原始資料包括科學(xué)家們研究的原始著作、實(shí)驗(yàn)記錄等，閱讀原始材料就是與過去的科學(xué)家進(jìn)行思想交流?？茖W(xué)家或科學(xué)研究的原始材料呈現(xiàn)，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)代科學(xué)理論的動機(jī)和求知欲望;同時(shí)，它使學(xué)生理解本學(xué)科知識的最早起源、它的緩慢進(jìn)化和到今天的發(fā)展情況，明白哪些問題值得進(jìn)一步研究。

以“空氣的成分發(fā)現(xiàn)”為例，它的研究歷史大致分為3個(gè)階段[5， 6]。

（1） 證明空氣與真空的存在。

歷史上，關(guān)于“是否存在真空”的問題曾經(jīng)持續(xù)爭論了上千年時(shí)間，如古希臘哲學(xué)家亞里士多德（Aristotle，約公元前384年～公元前322年）否認(rèn)真空存在，他認(rèn)為“自然厭惡真空”，所以我們周圍應(yīng)該有一種沒有重量的物質(zhì)——空氣。公元前5世紀(jì)，恩培多克勒（Empedocles，約公元前495～公元前435年）將密封的空心圓柱體浸入水中，圓柱體內(nèi)的空氣壓強(qiáng)阻止水面的上升，證明了空氣的存在。

17世紀(jì)初，伽利略（Galileo， 1564～1642）通過實(shí)驗(yàn)證明空氣具有重量： 天平稱量1只用氣泵打足空氣的玻璃球重量，然后打開玻璃球上活塞，重新稱量重量，玻璃瓶變輕;托里拆利（Evangelista Torricelli， 1608～1647）進(jìn)行氣體壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)： 取一端封閉、灌滿水銀的玻璃管，開口一端插入水銀槽，發(fā)現(xiàn)玻璃管上方水銀面下降，留出一定空間。托里拆利還發(fā)現(xiàn)無論玻璃管長度和傾斜度如何，玻璃管內(nèi)水銀柱垂直高度都是760毫米，即大氣壓強(qiáng)與水銀柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)相等。1648年，法國物理學(xué)家布萊士·帕斯卡（Blaise Pascal， 1623～1662）制作了水銀氣壓計(jì)，反駁了“自然厭惡真空”的傳統(tǒng)觀念。

（2） 氧氣與氮?dú)獾陌l(fā)現(xiàn)。

1673年，英國化學(xué)家羅伯特·波義耳（Robert Boyle， 1627～1691）通過對比實(shí)驗(yàn)證明燃燒需要有空氣： 在一個(gè)抽掉空氣的容器中放入一塊燒紅的鐵板，將硫粉灑在鐵板上，觀察到硫磺不燃燒只冒煙;在另一個(gè)有空氣的容器中實(shí)驗(yàn)，硫粉燃燒起來，發(fā)出淡藍(lán)色火焰。

1771年，英國化學(xué)家約瑟夫·普里斯特利（J. Joseph Priestley， 1733～1804）發(fā)現(xiàn)，蠟燭的燃燒、動物的呼吸或者腐敗作用會使空氣質(zhì)量變差，綠色植物在光的作用下可以使空氣質(zhì)量恢復(fù)。同年，他通過加熱硝石制得氧氣，他將氧氣稱為“脫燃素空氣”，把物體燃燒后剩余空氣稱為“燃素化空氣”——普里斯特利發(fā)現(xiàn)了氧氣，但因堅(jiān)持燃素說而沒有提出正確的理論。

1772年，英國化學(xué)家亨利·卡文迪許（Henry Cavendish， 1731～1810）發(fā)現(xiàn)氮?dú)猓?將空氣通過紅熱的木炭，再用苛性鉀堿溶液去掉二氧化碳，剩下的氣體就是氮?dú)狻?/p>

1773年，瑞典藥劑師舍勒（Carl Wilhelm Scheele， 1742～1786）用加熱硝酸鹽、氧化汞等方法，制得可以支持物質(zhì)燃燒的“火空氣”，并利用實(shí)驗(yàn)證明空氣中也有“火空氣”（即氧氣）。

1777年，法國化學(xué)家拉瓦錫（Antoine-Laurent de Lavoisier， 1743～1794）受到啟發(fā)，做了研究空氣成分的著名實(shí)驗(yàn)，提出空氣是由氧氣和氮?dú)鈨煞N氣體混合而成的正確理論。

（3） 稀有氣體發(fā)現(xiàn)和元素周期表。

1893年，英國物理學(xué)家瑞利（J.W.S. Rayteigh， 1842～1919）發(fā)現(xiàn)除去空氣中其他氣體得到的氮?dú)饷芏?，和氨氣與氧化銅生成的氮?dú)饷芏戎g存在極小差異，從而發(fā)現(xiàn)惰性氣體氬;1868年，法國天文學(xué)家詹森（P.J.C. Janssen， 1824～1907）通過光譜法發(fā)現(xiàn)元素氦;1898年，英國化學(xué)家威廉·拉姆塞（William Ramsay， 1852～1916）在蒸發(fā)液態(tài)空氣的殘留物中，發(fā)現(xiàn)了氪和氖;1908年，拉姆塞確定最后一種惰性氣體元素氡，補(bǔ)全元素周期表中的零族元素。

2.2 對科學(xué)論證的分析

可以看出，科學(xué)家對自然現(xiàn)象的解釋不一定是完全客觀的，它是根據(jù)現(xiàn)有科學(xué)事實(shí)的一種猜測，對同一個(gè)事實(shí)也可以有不同種解釋。所以，科學(xué)發(fā)展史涉及了不同科學(xué)團(tuán)體、科學(xué)思想體系之間的碰撞交流。對化學(xué)理論發(fā)展的準(zhǔn)確掌握與合理的教學(xué)轉(zhuǎn)化，是教師教學(xué)準(zhǔn)備的必經(jīng)之路。Sampson提出一個(gè)科學(xué)論證結(jié)構(gòu)與評價(jià)的模型，認(rèn)為論證包括主張、證據(jù)、推理3個(gè)要素，為科學(xué)論證分析提供了理論參考（見圖2）[7]。這里，對論證合理性與完整性的分析可以從3個(gè)方面考慮： （1）科學(xué)邏輯方面。哪些證據(jù)可以支持某一科學(xué)家的主張，他對證據(jù)的解釋是否正確？（2）證據(jù)強(qiáng)度方面。哪些是支持主張的最好證據(jù)，這一結(jié)果是否有其他解釋或證據(jù)？（3）心理認(rèn)知方面。學(xué)生是否能夠理解這一概念的論證過程，它是否具有探究的意義？

2.3 教學(xué)中的問題設(shè)計(jì)

課堂教學(xué)設(shè)計(jì)中，選取學(xué)科知識發(fā)展的關(guān)鍵步驟，如關(guān)鍵性思想、重要理論提出時(shí)遇到的困難和經(jīng)典學(xué)科問題解決等內(nèi)容，以此作為可供學(xué)生探究的學(xué)科問題。學(xué)生通過參與課堂研討，形成對證據(jù)與理論之間關(guān)系的理解能力和進(jìn)行科學(xué)的演繹推理、邏輯論證能力，從而將知識發(fā)展過程轉(zhuǎn)化為促進(jìn)學(xué)生交流對話、形成批判性思維的過程。

基于論證的問題應(yīng)該具有以下特點(diǎn)： （1）可論證性。提出的問題應(yīng)該保證學(xué)生有充分的、真實(shí)的證據(jù)來支持自己的主張，表現(xiàn)出明確恰當(dāng)?shù)耐评磉^程，鼓勵(lì)學(xué)生使用概念結(jié)構(gòu)、認(rèn)知過程和知識框架來支持、評估和完善一項(xiàng)主張。（2）價(jià)值性。包括兩個(gè)方面： 一方面，問題應(yīng)該包括豐富的學(xué)科內(nèi)容，既和化學(xué)家的研究工作有關(guān)，又可以被分解為更小的探究性問題;另一方面，問題能夠?qū)W(xué)生提出足夠的智力挑戰(zhàn)，即使從學(xué)生習(xí)以為常的知識中也應(yīng)該引申出需要證明的結(jié)論。（3）可持續(xù)性。一個(gè)科學(xué)問題的解決總是能夠引出或發(fā)現(xiàn)新的問題而不是研究的結(jié)束，同樣，教學(xué)中提出的問題應(yīng)該能引發(fā)學(xué)生可持續(xù)、不斷深入的探究內(nèi)容。（4）開放性。問題應(yīng)該具有多種思考方向，包括對同一主張能夠提出不止一個(gè)的支持證據(jù)，或?qū)ν蛔C據(jù)有不同的解釋方案等，這樣有利于學(xué)生理解科學(xué)研究中爭論的重要性。

2.4 基于歷史發(fā)展的論證式教學(xué)設(shè)計(jì)

“空氣中氧氣成分測定”一課教學(xué)，結(jié)合歷史發(fā)展的分析可以得出結(jié)論： 如何證明空氣的存在、如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測定空氣中氧氣的含量、如何合理分析實(shí)驗(yàn)方案的可行性與正確性等，都屬于可供學(xué)生思考的驅(qū)動性問題。同時(shí)，這些問題的開放性符合論證式教學(xué)設(shè)計(jì)要求，便于激發(fā)學(xué)生探究興趣和教師對學(xué)生科學(xué)論證推理的引導(dǎo)?；谝陨险J(rèn)識，我們將這節(jié)課的重點(diǎn)放在學(xué)生初步掌握論證方法、形成基于化學(xué)實(shí)驗(yàn)為證據(jù)的論證能力表現(xiàn)等方面（見表1）。

3 總結(jié)： 教學(xué)設(shè)計(jì)模型與解釋

科學(xué)史成為教師教學(xué)設(shè)計(jì)的資源倡導(dǎo)已久，但一方面科學(xué)史融入教學(xué)實(shí)踐不是一個(gè)直接簡單的移植應(yīng)用過程，另一方面，教學(xué)理論的不斷發(fā)展賦予了基于學(xué)科歷史的教學(xué)設(shè)計(jì)更新的視角。正是因?yàn)樯鲜鏊伎?，我們將化學(xué)發(fā)展史中的科學(xué)研究作為案例，探討其中主張、證據(jù)和推理之間的邏輯關(guān)系，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為可操作的論證式教學(xué)實(shí)踐（見圖3）。由此構(gòu)建了一個(gè)將科學(xué)史轉(zhuǎn)化為學(xué)科教學(xué)實(shí)踐或課程開發(fā)的雙循環(huán)模型（見圖4）。

該框架中，T—C1—I循環(huán)代表教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的思考過程，這一循環(huán)包括對科學(xué)研究的關(guān)鍵步驟加以改編、為關(guān)鍵步驟設(shè)計(jì)難度遞增的系列問題，便于在課堂上使用;T—C2—I循環(huán)代表教師領(lǐng)會過去的科學(xué)家們通過科學(xué)現(xiàn)象建立理論的過程。在C1和C2間的關(guān)系上，教師可以選擇不同的路徑，如T—C1—I—C2—I—C1—I的路徑是從教材入手，尋求可以利用的科學(xué)史，然后思考C1和C2間的聯(lián)系;T—C2—I—C1—I—C2—I的路徑是從科學(xué)歷史發(fā)展開始，思考融入教學(xué)的合適角度，然后尋求C1和C2間的聯(lián)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]愛德華·卡爾.吳柱存譯.歷史是什么[M].北京： 商務(wù)印書館， 1981： 5.

[2]美國科學(xué)促進(jìn)協(xié)會著.中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會譯.面向全體美國人的科學(xué)[M].北京： 科學(xué)普及出版社， 2001： 78.

[3]中華人民共和國教育部制定.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）[S].北京： 人民教育出版社， 2018： 4.

[4]S.E. Toulmin. The uses of argument [M]. Cambridge， UK： Cambridge University Press， 1958.

[5]孟獻(xiàn)華.科學(xué)與傳承： 基于學(xué)科史的化學(xué)教學(xué)[M].北京： 科學(xué)出版社， 2015： 90～93.

[6]吳倩.化學(xué)教學(xué)中的論證設(shè)計(jì)研究[D].南通： 南通大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2016： 32～34.

[7]Sampson V & Grooms J. Argument-Driven inquiry as a way to help students learn how to participate in scientific argumentation and craft written arguments： an exploatory study [J] . Science Education， 2011，（2）： 217～257.