关于小学《科学》课程科学史元素的想法

 

非常荣幸地,能够有为小学科学教材的编写出谋划策的机会。不过由于自身水平有限以及习惯性的拖拉,可能提不出太多建设性的意见,只是非常零散地写一些想法罢了。分两部分,一是总论科学史元素的意义,二是顺着教材框架结构谈一谈每一年穿插科学史材料的思路。原计划还有第三部分顺着科学史的脉络摘选一些合用的案例,现在看来在25号之前弄不出来了。

 一、关于总的理念和方针

首先谈一谈总的思路,为什么要在小学《科学》教材中穿插科学史的元素。当然,这是湖南科技出版社的特色,但这一特色元素确实是具有深刻的意义的,把握好穿插科学史元素的基本用意,才能保证这种穿插鲜活而不生硬。

在出版社的修改报告中提出:“儿童探究自然的过程实际上与人类探索自然的历史具有很大的一致性,人类智力的进化与儿童智力的发育几乎是同步的,早期人类探索自然的方法通常也是早期儿童窥探自然的方法,科技史在这个意义上既是一部人类科学探索史,也是一部儿童科学探究史,因此在小学科学教育中渗透科技史具有特殊的意义。”

这显然是一个有趣而有所洞见的思路,我也认为,将科技史元素穿插入小学科学教材中的这一思路,并不只是要求从现成的科技史材料中搜罗取用就可以了,而更要求一种独特的科技史视角——一方面科技史是推进小学教育的工具,但另一方面小学的教育活动反过来又要来推进对科技史的理解!出版社的报告提出将科技史看作“一部儿童科学探究史”,这就是要开辟出一种科技史编史学的新视角来——比如说我们有社会建构论视角的科技史,有东方主义视角的科技史,有女性主义视角的科技史,那么现在我们还需要一个儿童教育视角的科技史。

当然,系统地展开一整套编史学纲领是科学史家的任务,不过既然教材编辑者有此视野,若能稍加开拓,应该也能够为教材的编写开辟出新的风范来。不过可惜的是,从之前实际编写出来的教材来看,这种历史视角并没有得到体现。从“科技发展史在教材中使用情况统计”来看,被引用的科技史案例要么是中国古代的,要么就是西方现代(近代)的。但是既然把科技史看作同步于儿童探索的成长史,那么理应着重关注科学的幼年阶段,不管史前时代的话,重头应该放在西方古代科技史才对。而中国古代的科技史并不能替代西方古代,因为现代科技并不是从中国古代成长起来的。

总之,在老版本实际的编写中,还是把科技史当作现成供取用的材料,而没有贯彻既定的视角。那么要贯彻自己的视角,在我看来第一步就是要把目光投向科学的童年时期,要重视西方古代科技史。

所谓西方古代科技史,一方面是工业时代以前的技术史,另一方面主要就是科学思想史。这两部分是相对独立的。直到晚近,科学史和技术史才走到一起,而它们在古代则有着各自的发展线索,这是在选取材料的时候应当注意的。这种发展方式也确实与儿童的成长过程相对应——孩子成长过程中一方面逐渐熟悉和发展各种生活技能,而另一方面逐渐开始思考世界、探究事物的原理。孩子一方面会出于好奇心去追问各种问题,获得各种概念性的知识,但这些概念领域的探索在最开始并不直接与孩子的实际生活有多么密切的关联。而在另一方面,孩子也在逐渐熟悉他的实际生活环境,发展出各种生活技巧,学会使用各种工具,但这些成长却与“为什么”的求知关系不大。由好奇心引领的概念性的追究活动往往是指向那些与实际生活环境相距最远的新奇事物或宏大事物。

无论如何,好奇和追问是科学之源。鉴于我们的科学史和技术史的视野,我们发现,一方面的确要教育孩子了解科学追问与技术实践之间的关联,但另一方面也不能否定二者的差异,不应无视和抹杀科学理论与技术实践之间的鸿沟。应当注意培养和保护童年阶段的“空想”活动,充分发扬儿童独有的好奇心和想象力。虽然说小学科学教育要求是孩子“主动学习”,但这种主动性未必总是要落实于实践的探索,未必总是要通过操作性、技术性、实验式的活动进行,未必总要落实于“动手做”,也应当充分保存孩子的幻想空间。除了引导孩子观察和探索切近和具体的事物之外,也应鼓励孩子对遥远和抽象的事物进行“无用”的想象。

西方古代科学思想一方面是远离技术和实践的,另一方面在现代人看来是谬误和过时的。对于科学童年时期的这些特点我们不应回避,而恰恰是要把其特点充分体现于科学教育之中。我们应当充分认识到这一事实:儿童的人格是尚未健全的。所谓尚未健全的状态,也就是思想和生活的各方面尚不能形成融贯的整体的阶段。所谓成年人,并不一定是比儿童多掌握了多少知识或技能,事实上许多小学时代学会的知识和技能到了成年时期都给忘得差不多了,成年人所看过听过的东西孩子也多半已经见过,关键就在于各式各样的概念、理解、观念、习惯只有在成年人那里才最终沉淀下来,整合起来,形成一个稳固的结构。而对于孩子来说,他们所缺乏的恰恰就是这种整合性。就好比说小孩的神经元可能是最多的,成长过程中神经元反而是只减不增,而成长的关键在于这些分散的单元逐渐建立起关联,最终形成一个稳固和成熟的整体。

由如此的视角来看科技史和儿童教育,我们应当认识到,不应期待科技史在幼年期开始就是整合的,观察、推理、想象和实践等等活动在一开始并不是,也不应当是融贯统一的。对于儿童的教育也是类似,我们不可能,也不应当期待一个幼童过早地获得一个整全的、紧密关联的知识结构。我们也不必操之过急,随着心智的成熟,人们自然而然总会把自己成长中所获得的各方面的元素整合起来的。当然,我们希望让孩子最终能够形成全面的科学素养,对科学获得一个全面的理解,那么可以体现于对科学的各个面相进行充分的考虑和展现,但是所展现的面相却未必总是全面的,而可以是偏执的。例如古希腊的“无用的科学”乃至中世纪经院哲学家的空想,都可以在教学中扮演积极的角色。就儿童尚未成熟的心智而言,未必能够理解整全的东西,反倒是把某一个面相推至极端,就像童话或动画片那样极端化、理想化地展示出来,更容易被儿童接受。在这方面,古代科学史的素材可以扮演非常积极的角色。

课程标准中也提到,要让孩子“知道科学探究大体包括的要素:提出和聚焦问题,设计研究方案,收集和获取证据,分析数据、得出结论,表达与交流。认识到探究不是模式化的线性过程,而是循环往复、相互交叉的过程。”——那么,怎么才能展现出科学探究的“非线性”呢?古代科学史就可以提供丰富的案例。比如我们将发现许多人只是提出问题而没有设计研究方案(比如宇宙是否无限、时间是否有开端之类的问题),有些人得出了结论却没有分析数据(比如微粒说或原子论),有些人进行了研究却没有参与交流(比如达芬奇),有些人大大推动了科学交流却没有聚焦什么问题(比如培根)。

课程标准中还提到,要让孩子“知道通过科学探究形成共识的科学知识在一定阶段是正确的,但是随着新证据的增加,会不断完善、深入和发展。”这就是为什么现在看来谬误的和过时的科学史案例有着不可取代的积极意义。除了通过对科学错误史的的展示,由怎么能够让学生体会到科学的相对正确及其发展性呢?

科学史中的“错误”往往也都是伟大的,在这些错误的思想之中我们不仅能够体会到科学的发展性,更能够品味出科学探究的某些特征和要素,这些要素在那些看起来理所当然的案例中不容易突显出来,反倒在那些现在看来陌生和奇怪的思想中更能够被注意到。例如泰勒斯说水是万物本原,我们认为这当然是错误的,不过他为什么这么提呢?我们发现,这种观点标志着希腊人开始用自然的、内在的、非神秘而可感可理解的事物来解释世界,标志着人们开始关注事物的“内在原因”;又比方说亚里士多德认为力(其实应当是推动者)是运动的原因,这当然也是错误的,但这种提法反映了对“变化”现象的关切和追问;再比方说“燃素说”当然是错误的,但是它的提出体现着科学家们对于“守恒”的信念和定量研究的要求;甚至说“针尖上能站几个天使”的问题,现在看当然是荒谬的,但这类(中世纪确实有关于天使的空间性的讨论)问题的出现反映的恰恰是对理性和逻辑性的执着,以及理想化和抽象化的思想方式。

简而言之,关于引用科技史元素的总的方针,就是要特别重视西方古代科学史,特别不能忽略其错谬和偏执的部分,兼顾技术史、现代科学、中国科技以及史前科技史作为辅助内容(后面再说)。

二、按照湘版科学教材框架结构表提一些可能应用的科学史元素

 一年级(感官观察——比较)

按照儿童成长史与科技发展史相对应的思路,小学一年级的阶段想必仍然还在史前阶段吧,或者说,正好是在史前到“有史”的过渡时期。儿童在上小学之前就已经学会了说话,习得了基本的生存和社交技能,史前时代大约已经过得差不多了。小学一年级时应当进入“有史”时代了。所谓“有史”,意味着开始有了“记录”。即便是动物也有感官感知,也能进行某些比较或权衡行动,但人类文明的特征在于人不仅感知,而且能够把感官观察记录下来,“刻画”出来,进而才可能有了一种准科学的、理论化的“比较”活动——不是在感官观察当下直接感性地比较,而是先把观察变为某些符号性的东西,然后脱离实际的感性观察,而把视线转向符号性的东西,对符号进行“比较”。这种抽象层面上的“比较”活动开启了知识的序幕。

于是这一阶段的课程除了引导孩子进行观察活动之外,更要启发他们进行记录,并体会到符号性活动的意义。至于科技史方面的显性元素,不妨可以在适当位置插入原始先民的结绳记事法,或者展示古巴比伦、古埃及、古代中国等等文化中最初开始使用的数字符号和“刻画”标记等。

二年级(分类——提出问题)

作为对自然的探究活动,科学的源头大约是两条:自然史(博物学)和自然哲学。前者管“分类”,后者管“发问”,这二年级的两个主题也正好对应上了。注意到分类的活动与记录和比较活动有着内在的关联,当人们需要记录某一个事物时,显然不能只写“这个”,而总是需要将它归入某个类别之下进行命名。如何进行分类和如何进行刻画是相互关联的,而基于符号行为的“比较”活动也就同时是分类的活动:先要把几个事物放入共同大类下,找到一个共同的衡量尺度,才能够进行比较,进而再要在不同的事物之间找出区分,定性的比较也就是进行更细的分类了。另一方面,分类也与发问的活动相关联,当我们问“这是什么”是,也就是要为事物寻求一个恰当的归属。亚里士多德把物质分成土、水、气、火四元素或者冷、热、干、湿四原则,就是通过分类来回答关于事物的本质和运动的本性的追问。另外,分类的建立也会导致问题的产生,比如有春夏秋冬的区分,就有了为什么会有四季这样的问题。

总之,分类活动是一个枢纽性的、至关重要的活动,在这里不仅要引导孩子进行分类活动,还可以提示孩子注意分类活动与其它探究和交流活动的内在关联。至于历史材料,应该有很多可找,例如亚里士多德,他对知识学科的分类,四因说的分类,“人是两足无羽的动物”的分类等等。毕达哥拉斯对“数”的分类也可以提一提。

至于发问活动,我认为也可以更加开放一些,未必非要引导孩子提出那些可以很快通过自己的主动学习找到答案或者很容易理解答案的问题,也完全可以引导孩子提出那些他们现在还难以把握的大问题,刺激他们的好奇心,并且留下想象的空间。可以结合科学发展史给一些问题,比如为什么会有四季,为什么会有月相的变化,为什么水会结冰,为什么木头会燃烧等等之类,也可以给出历史上的或多重的答案,比如燃素说对燃烧的解释。对于这些问题标准的科学说明恐怕是小学二年级不能把握的,不过这恰恰正好——不必总想要学生弄明白知识,“发问”这一环节关键不在于如何解答问题,而是在于提出有趣的、有意义的、富有想象力的问题,留下悬念,留下想象的空间,展现自然的奇妙内涵和科学的深邃魅力,这些事情更加重要。

三、四年级(观察——做实验——搜集、整理信息——聚焦问题)

经过了二年级的过渡,或者说经过了自然史与自然哲学的铺垫,三年级的“观察”已经与一年级的“感官观察”有所不同。此时的观察活动更具主动性,不再只是被动地记录和刻画,而是要主动出击,运用理性的规划和技术的辅助而进行的。当然,早期的科学探究并非不利用理性的规划或技术的辅助,只是到了这一阶段,确实就是在三年级左右,人们的自我意识开始觉醒,在科学史而言就是方法论的自觉开始了,人们不仅观察,而且对自己的观察行为有所自觉,有所反思。这一阶段,近代初期,或者说三年级到四年级,就是一个“自觉”的时期,因此我们重复一、二年级的主题:观察——衡量——整理——追问。三、四年级是对一、二年级的一种循环,不过这一阶段的活动更具自我意识,更多反省和自控。

通过对观察活动的反省,人们发现,人们的感官观察往往不是那么可靠。老版教材中给出了让双手分别浸热水和冷水,然后同时来感觉温水的情境,这的确是让学生体会感觉的不可靠性的一个例子。当然也可以用更方便的方式举例,例如给出一些视觉错觉的图片,例如“↔”和“>—<”中间的横线哪条更长之类的观察任务。这些感官的偏差、错觉和不确定性,意味着我们需要更谨慎地进行观察,并且选择恰当的工具来协助我们进行观察和判断(无论是温度计还是直尺,望远镜还是质谱仪)。科学与技术的关系第一次显露了出来。

关于观察的不可靠性,应该可以找到许多历史材料来穿插(当然,这我们要求着眼于科学的错误史),可以找一些关于观察可靠性的评论,例如培根的四假象说;也可以找一些观察偏差的事例,例如在望远镜之前,科学家们普遍认为从地球上可以看出恒星的大小之别,因为这是可以通过细线的辅助“测量”出来的,然而望远镜的辅助则让人们认识到之前观察到的大小其实是视觉的错觉。

此时的“整理信息”和“聚焦问题”与“分类”和“发问”也有所不同,原始的自然史与自然哲学分别化身出了归纳法和演绎法,要害也都是方法论的自觉。分类或提问都不再那么主观化——早期的分类方式更倾向于事物对自己的用处(例如食用、药用的博物分类),早期的发问也只收到个人好奇心的驱使。而方法论自觉后,人们开始以一种客观的视角来看待分类和问题本身,更注意检查事物的“客观性质”和“内在逻辑”而设法淡化个人的需求或偏好。这里可以穿插的科学史材料也很多,主要集中于近代早期,可以讲述自然分类法的形成,可以提第谷如何改进天文仪器详尽和客观地记录天象资料,可以讲笛卡尔如何发展了坐标系使得人们可以运用数字符号更多和更方便地整理信息。

总之,在这一阶段,虽然名义上是如此一系列主题,但核心主题其实是“自我反思”。

五年级(猜想与假设——做计划)

方法论自觉之后紧接着的就该是实验科学的兴起了,观察与想象、归纳和演绎等科学方法第一次得到了综合,形成了近代标准化的实验科学。

显然,实验科学并不仅仅是实践的操作,它仍然包含着空洞玄思的成分。一些形而上学的猜想仍然在引领着科学的发展,例如机械论、微粒说、原子论等等关于世界图景的猜想。当然,更具体的,实证性质的科学猜想也可以引用许多,例如元素周期律、大陆漂移说等等。老版教材中关于电磁统一的猜想也是一个好例子。

另外,实验的活动根本未必要包含实践的活动,某种更基本的科学实验也许是思想实验。仅仅通过假设一种情形就能够得出结论或揭示问题。例如斯台文的静力学假想实验(两斜面上的力的平衡条件),伽利略的落体假想实验(重物和轻物绑在一起下落)等都可以引用来举例,让学生领略抽象推理的魅力。另外,科学定律的表达往往要基于某种假设的情形,例如牛顿第一定律,“如果物体不受外力作用”无疑只能是一种假设的情形而不是现实的状况,但是通过假设的情形表达出来的定律却能够为现实的情形提供有力的解释。

顺便提一下,老版教材五年级下册中关于“制定计划”的案例比较成问题,琴纳只是选择了一个男孩作为实验对象,该男孩再接种天花后半个月后安然无恙,这一结果根本无力证明什么结论,样本实在太少,就算10个人的统计意义也不怎么够,更何况就选了1个人,而且观测的时间也实在太短,天花的潜伏期就是一到二周,1个人半个月后安然无恙就说“琴纳终于用实验证明了牛痘可以预防天花”,实在是比较笑话。像样一点的实验设计可以找很多嘛。比如牛顿的七色光实验、托里拆利的大气压实验、拉瓦锡的氧化实验等等,即便要举医学方面的,也不妨举解决产褥热的那位仁兄好了。

六年级(解释证据、综合)

我对原教材的“解释证据”主题不怎么理解,最后的“我们怎样做判断”的哥伦布栏目看得我莫名其妙……无论如何,实验科学兴盛之后,各门各类的知识和经验逐渐得到了贯通和整合,统一的科学世界图景逐渐形成,人类对科学充满信心,像哥伦布那样勇往直前。这些境遇的确可以说一说了。但是毕竟,人类的知识和经验是有限的,哥伦布最后的判断也许是不错,不过他把他所抵达的地方判断成印度却还是错了。除了引导孩子来宣称“我能够准确地判断……”,不如诚恳地提示孩子“判断”的有限性,警惕盲目自大,以为有了足够的经验和知识就足以作出准确的判断了。科学是有限的,生活是复杂的,六年级的孩子应该了解这一点了。

最后的“综合”一方面可以展示第二次工业革命以来,大科学和高技术时代的壮阔图景,回顾总结科学的旅途。另一方面也不妨展示科学的局限和困惑,例如DDT的发明获得了诺贝尔奖,例如原子弹和温室效应等等,关注科学与社会、科学的伦理问题等等环节。

注意到到三四年级为止,关于儿童成长史和科技发展史的对应还算合拍,但五、六年级则明显过渡得太快,似乎一下子要拉到当代的样子。事实上这里对应的应该是一个“叛逆期”。伴随着自我觉知和独立意识的兴起,伴随着知识的丰富和能力的增强,孩子到五六年级,到十一二岁的时候,恰好开始进入所谓的叛逆期,自负、独立,又充满抗拒和怀疑。在科技史上来看,大致是到了启蒙运动和怀疑论的时代,并且正向着浪漫主义和虚无主义开放。

在这个阶段,教育应当顺其自然,与其千方百计阻止孩子的叛逆和怀疑,不如好好去鼓励和引导他们。因此在这个时候让孩子了解科学的片面性和局限性是最恰当不过的了。

经过了启蒙和怀疑的时代,到了初中,孩子开始接受系统的科学分科教育,这种系统的科学教育模式确实是启蒙之后逐渐建立起来的。按照这样的对应,我们发现科技史的发展显得非常早熟:差不多在初中就对应到当代了。我们当然也可以调整尺度,这取决于我们如何理解儿童的成长史,例如我们把初中阶段看作自我意识的觉醒期而把高中阶段看作主要的叛逆期,那么大学才开始进入当代,这样的对应也许更恰当一些。但初中就进入当代的对应法也能够说明一些问题,因为科技史发展的的确确呈现出一种早熟的态势,也就是说,在人类的心智远未足够成熟的时候,科技史的发展就已经达到了太高的程度,人类过快地掌握了过于强大的科技力量,但人类的伦理和意志发展却似乎尚未足够健全以驾驭科技的力量,这也就是为什么说现代科技面临着困境和危险。

 2011年1月23日

关于 古雴

胡翌霖,清华大学科学史系助理教授。本站文章在未注明转载的情况下均为我的原创文章。原则上允许任何媒体引用和转载,但必须注明作者并标注出处(原文链接),详情参考版权说明。本站为非营利性个人网站,欢迎比特币打赏:1YiLinDDwvBLT19CTUsNHdiQhXBENwURb

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注