摘 要：教学线索是教师依照教学目标而设计的贯穿整个教学过程的逻辑线条，科学史的融入可以给教师的教和学生的学提供更多的抓手。本文以《大气压强》教学为例，设计和实施两种教学方案并进行对照，从而来凸显科学史在情境创设，探究活动，知识建构等方面的重要作用。
关键词：科学史；教学线索；大气压强
近年来，融入科学史的课堂教学就像是一股春风，吹进了我们的科学课堂。引发了我们一线教师对于科学史的关注和思考。科学史是教学非常好的载体，其中包含大量科学知识，科学家们的经典故事还有科学家们探究过程中的采用的科学思想和方法。教学线索是指教师在遵循教育教学规律的基础之上，依照教学目标而设计的贯穿整个教学过程的总体脉络和逻辑线条。科学史的存在无疑给教师进行教学设计时提供了多样化的选择。如果在课堂上我们能够掌握科学史融入的正确方式，使其符合一定的教学逻辑，就能让学生浸润在科学史中学习，通过对科学知识来源的追溯来学习科学，通过模拟历史上科学家对科学真理的探究过程来掌握科学方法。这会非常有利于学生自主建构知识体系，树立正确的科学观念，明白科学是在不断的纠错在慢慢接近真理，逐渐领悟到科学的本质。
一、科学史的教育价值
（一）知识层面。许多科学知识就像是宝石一般镶嵌在科学史中，我们用科学史讲述经典故事，会使学生对深奥又陌生的科学知识和复杂的科学原理的得来过程有一个清晰的认识，并能弄清楚知识的来龙去脉和科学规律的演变过程，使学生在头脑中对知识进行意义建构，并与现实世界产生联系。
（二）探究层面。科学发展的历史就是科学家们不断“发现问题、分析问题、解决问题”的过程，在科学史的情境中学生也能经历类似的过程，通过探究得出自己的结论。这将有助于学生解决问题能力的培养以及科学思维的养成。当老师站在科学史的视角上引导学生经历科学家在探究过程中的经历，带领学生身处其中，学习科学探究的基本方法，感受科学结论的得出过程，促进科学思维的形成。
（三）历史层面。在科学史深度融入的教学中，学生必然会在学习科学史实、了解科学家为科学献身的光荣事迹等过程中产生强烈的情感共鸣，并在理解知识、内化知识的同时感受科学世界的变幻无穷，明白科学的发展是一个渐进的过程。
二、融入科学史教学的理论基础
美国心理学家斯坦利霍尔曾说过：儿童的科学学习过程与人类认识自然界和物质世界的过程有许多相似之处。在进行科学史融入教学时，我们需要依据相关的教学理论对这些史料进行合理的编排和设计，使其更加贴近学生的认知起点，符合学生的认知规律。
（一）奥苏贝尔有意义学习理论
认知教育心理学家奥苏贝尔认为有意义学习是学习者将各种经验融合在一起的，帮助学生了解知识的来龙去脉的基础上应用知识。这样一来，学生便能显示出有意义的学习倾向，对知识的掌握便也能更加牢固，进而挖掘出更深层的知识。这就是将空降的静态知识变为生成的动态知识。
（二）建构主义学习理论
建构主义学习理论认为学习是学习者主动建构知识的意义，生成自己的经验、解释、假设的过程。在学习者学习之前，头脑中已经存在原有的知识和经验，只有当原有的经验无法解释新现象时，学习才可能发生。而作为教学者，我们要做的就是创设出一定的环境和支持，促进学习者主动建构意义，从而达到新的认知平衡。
三、两种《大气压强》教学设计的对比
《大气压强》是初中科学八年级第二章的内容，它主要涉及大气压的初步知识，是七年级所学液体压强在气体领域的迁移，又为后续学习流体压强和高中气体性质打下基础。比如吸饮料、吸盘等现象，人们总是习惯把它们与口腔的吸力联系起来，如何纠正这一认知误区，也会成为这节课的关键点之一。
为了凸显科学史在教学设计中的重要作用，笔者采用了对照实验的方式。对于大气压强进行了两种教学设计。一种教学设计并未深度融入科学史，笔者把它称为从知识到知识的教学设计。而另一种则是浸润在科学史中的教学设计。笔者将两种教学设计分别在所任教的两个班级中教学，效果出现了明显的差异，下文中将会详细阐述。
（一）从知识到知识的《大气压强》教学设计
在一般教学设计的前提下完成教学，笔者发现在课堂中，教师的教学线索非常单一，很难造成学生的认知冲突，学生的学习积极性无法得到激发。这就像是我们在给学生讲评作业时，如果撇开学生的真实思维，一味按照自己的方案讲解，学生虽然暂时接受了正确的解法，但是他还不明白自己错在哪里，等到短时记忆消退时，头脑中的原有图示又将发挥作用，导致反复出错。课堂的重点大气压强没有成为学生主动建构意义的对象。诸如：马德堡半球实验和托里拆利实验等科学没有深度历史的介绍，使科学教学缺乏了应有的美感和张力。
（二）融入科学史的《大气压强》教学设计
1.以史为境的认知线——让学引思，理性思维。理性思维是一种建立在证据和逻辑推理基础上的思维方式，是学生一项重要的核心素养，它包括模型与建模科学推理，科学论证，质疑创新。在引课阶段，如何让“水往高处流”引发学生好奇心，同时产生对于水的受力情况的思考，明确了需要在受到某一种力的前提下，水才能克服重力的作用向上流动。此时出现的“滴管吸水”的现象可以引发学生的进一步思考——什么力让水进入了胶头滴管。而在两千三百多年前的亚里士多德就有过解释：自然界厌恶真空，一旦出现真空，就会有“真空吸力”产生，吸引其他的物质补上，所以自然界不存在真空。此时，邀请一位同学扮演亚里士多德来解释滴管吸水：胶头挤压后接近真空状态，产生了真空吸力把水吸了上去。
通过对于滴管吸水这一现象的解释，我们仿佛是把两千多年前的亚里士多德请到了我们的课堂上与同学们进行对话甚至是辩论。同学们会对“真空是否存在”以及“真空吸力”产生质疑。但是质疑不是空谈，而是要寻找证据进行解释，这就让学生产生证据说理的意识。学生可以从真空确实存在来进行说理，比如太空中存在真空，又比如利用桌面上的注射器我们可以创造出真空。其次，学生也可以利用已有的知识进行证实，在学习力学知识的时候，每一个力都会有一个施力物体，而真空中是空无一物，所以真空吸力根本不存在施力物体，因而真空吸力理论也就不成立了。而第三个证据则由老师提供：1640年，在古老的意大利城市佛罗伦萨，人们造了一台抽水机，准备抽出深矿井里的水，无论工程师们怎样改进抽水机，当水被抽到十米左右时，就抽不上来了。如果自然界真的不允许真空的存在，真空吸力真的那么强大，那么水会被抽到任意高度。而基于论题得出的推理与这一事实不符合，从而推翻了亚里士多德的说法。在这里面严密的逻辑推理起到了至关重要的作用。
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在融入科学史的情境中，由一个生活中常见的现象引发学生的思考，在平常中设问，在无疑中生疑。由古代思想家的解释与孩子们已有的知识经验产生矛盾，学生体验到了发现错误、产生质疑，得出阶段性结论的过程。美国《K-12科学教学框架》将“论证”列为了8项科学实践活动之一，指出“论证”与科学探究、数据分析、建立模型等皆为科学教育所要帮助学生发展的科学素养。在论证的过程中，教师把学习的权利还给了学生，让他们自主合作进行证据收集，学生在“设疑、质疑、辨疑”中提高运用科学知识解决实际问题的能力。
2.以史为引的探究线——模拟历程，探究设计。在科学历史的长河中，许多科学家的贡献和科学真理的发现都不是孤立存在，而是波浪式发展，逐步推进和抬升的。在本节课中，以历史中的一些研究为引线，一方面，让学生运用科学家曾经发所使用过的研究方法，模拟科学家们曾经所做过的实验，亲身经历历史发现过程及获得成功的喜悦，掌握科学研究的方法。让学生能够明白科学是具有暂时性、主观性和创造性的。科学的发展不能是简单地归结为正确与错误的斗争，新旧理论的迭代并不是正确取代错误。正确的理论中会有错误，错误的理论中也会有正确的部分。另一方面，让学生从今天的知识和科技水平出发，运用现代科学方法、仪器设备，大胆设计新方法，重新发现老知识，提升学生的创造力。与此同时，还可以让学生解释发现技术的进步与科学的发展是相辅相成的关系。
在1640年佛罗伦萨抽水机事件后，当世的科学家伽利略给出了自己的解释：自然界存在真空，“真空吸力”的力量是有限的，到了十米以上大自然就不再厌恶真空了。这是对亚里士多德理论的一个微调，但并未触及理论的本质。当时伽利略第一次通过实验证明：空气是有质量的。另外，伽利略还有一个猜想：如果换成其他密度更大的液体，提升的高度未必能达到十米那么高。伽利略的学生托里拆利面对当时的科学背景，决定放弃原有“真空吸力”理论，寻找新的解释。他第一次提出了“大气压强”的概念。这时候向学生提问，为什么托里拆利会认为大气也会产生压强。学生自然会发现正是因为他的老师发现了空气是有质量和重力的。而在伽利略提出换成其他密度更大的液体，提升的高度未必能达到十米那么高的猜想时，引导学生从液体压强的知识思考原因。学生不难发现，在液体压强一定的前提下，如果液体密度越大，液体的高度自然会越小。这也为后续托里拆利利用水银和一根一米长的玻璃管完成测量大气压的实验埋下了伏笔。
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托里拆利虽然提出了大气压的概念，但是直到马德堡半球实验完成之前，人们都不相信胶头滴管中的水是被大气压强给压上来而不是被吸上来的。此时，教师鼓励学生进行方案设计，如何利用现在的技术手段帮助托里拆利进行实验。学生很快便可以设计出方案：将吸取一定液体的胶头滴管放入玻璃钟罩，利用抽气机将内部抽成真空，观察滴管内液面的变化情况，然后再将空气放回到玻璃钟罩内，观察液面变化情况。学生原有认知中也会受到生活中“吸”的刻板印象，认为水是被胶头吸上来的。而在老师演示完学生设计的这个实验后，直观的实验现象会打破学生的错误前概念，从而达到新的认知平衡。
3.以史激发的知识线——有理有据，意义建构。车尔尼雪夫斯基说：“只有人们自愿做的事才做得好。”与常规的教学设计不同，当学生的思维浸润在了科学历史长河之后，学生仿佛置身于科学知识的发展和演变之中，甚至会觉得自己正在经历知识的发现过程。一个个静态的知识仿佛在学生的脑海中能动的建构起来，学生的主观能动性得到了充分的激发。有了伽利略对于空气存在质量的证实，在加上教师的引导，学生可以将大气压强与液体压强进行类比建构。液体压强产生的原因——重力和流动性，大气同样具有，所以可以合理的推断大气存在压强，并且对其中的任何物体都可以产生向各个方向的压强，从而建构出了大气压强的概念。
在科学家们对于大气压强的发现过程中，有一个从定性到定量的转变，也就是从马德堡半球实验认识到大气压很大，再到托里拆利测定大气压的准确数值。从中学生也可以感受到科学发现总是逐渐从模糊到清晰的。同时，托里拆利对于大气压数值的测定过程，对于学生来讲是非常好的科学方法的传授。在此环节，教师通过以下几个问题的引导：1.为什么选择水银来做实验，如果是用水来做实验，那是什么现象；2.玻璃管内水银柱上方处于什么状态；3.是什么支持了760mm的水银柱；4.这对测定大气压强有什么启发。引导学生像托里拆利一样借助转换法来测定大气压强。而如此大的压强，相当于100头刚出生的大象压在我们身上，为什么我们没有感觉？从而引发学生课后继续探究和学习。
4.以史融情的人文线——感悟精神，人文升华。萨顿指出:“无论科学活动的成果会是多么抽象, 它本质上是人的活动, 是人的满怀激情的活动。”回顾大气压强的发现历史，经历了好几代科学家的卓越贡献。以托里拆利为例：托里拆利处于时空的长河中，以一个简洁明了有十分漂亮的实验，让两千年以来哲学语词论述的真空和空间的本质，被实验科学所表达的现代观点所取代。在完成测量大气压实验的三年后，在他正当39岁生日之际，英年早逝。他在伽利略生命的最后三个月成为了他的学生，可是一生都在捍卫和发展伽利略的学说。他的研究中充满文艺复兴时代的那股斗争精神，抨击顽固守旧的宗教思想。在他39年短暂生命中，一直都在为追求科学真理而奋斗。这些事迹可以让处在科学史情境中的学生感受到科学家们真的在为科学而献出自己的全部！
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在深度融入了科学史的课堂中，由于学习线索丰富，学生表现活跃，参与积极，教学效果非常好。回顾在本教学设计中的三条主线：“历史线”、“探究线”、“知识线”，它们并不是简单孤立的而是相互融合在一起形成一个多层次的学习支架。“历史线”中有对相关科学知识的讲解，同时也需要学生进行积极的探究。对于“探究线”，学生可以是模拟科学家对科学的探究过程，也可以是找到科学家们走弯路的地方，并自行进行探究或实验设计，提出自己更合适的探究方案。这样，随着“探究线”的进行，学生自然会了解相关科学知识的来龙去脉，对相关结论有更深入的理解，学生一旦具有更多的科学知识储备，反过来也必将促进学生探究能力的发展。与此同时，学生也能深度的领会当时科学家们的处境，明白科学发现的艰辛与不易。最终让这三条教学线索在科学课堂中呈现一种相辅相成、相互融合的关系。这样富有张力的教学设计可以为课堂教学带来更多的可能，也为学生的发展带来更多的可能。
参考文献：
[1]王雪.科学史的教育功能及其实践探索[D].上海:东华大学,2016.
[2]李文娇.“三线式”教学模式在初中化学教学中的实践研究[D].内蒙古:内蒙古师范大学,2016.
[3]赵怀英.探索真空的鼻祖——托里拆利[J].中学物理教学参考,2009,38(2):31-32.