2017年7月12日，中国科学院学部举办第二届科学教育论坛，论坛的主题为“物理科学教育与科学素养的提升”。与会专家对当前中学和大学的物理教育，乃至其它科学学科的教育现状都感到忧虑。在中学教育方面，为了减轻学习负担和应试压力，让学生有更多时间进行兴趣与素质培养，基础科学的教学内容被大量压缩。然而，压缩内容的结果并没有使学生真正减负。在高考的压力下，学生们仍然把时间用在做模拟考题上。在大学的科学教育方面，一些与会学者也提出，目前功利性的社会氛围与就业压力使得越来越多的学生更加关注文凭，而对科学的兴趣越来越少。

笔者十分赞同与会学者们的看法。在这里要讨论的是一个与论坛主题密切相关却又不同的题目，即科学史在我国科学教育中的处境。相关之处在于科学史教育是科学素养培养的重要组成部分，而无论是中学对科学内容的压缩，还是大学生中对科学本身兴趣的减少，都同样阻碍着科学史教育。科学史教育与科学学科本身的教育的一个关键的不同点在于，前者是对科学的元层面上的研究，而具体学科本身则在第一层面上的直接研究对象。许多学者在思考中学和大学的科学教育中存在的问题时，会觉得对第一层面的直接对象本身的教学都难以应付，更无暇顾及元层次上的科学史教育的问题。然而，论坛中所面临的问题，即中学的应试教育、大学教育的功利化倾向对科学教育的负面影响，在科学史教育中也同样存在。换言之，科学内容在受到挤压的同时，科学史在科学教育中的地位也同样日益受到挤压。因而，我们需要认识到形势的严峻，并理性地探讨如何改变的策略。本文前一部分讨证科学史是塑造最顶级科学家的重要条件，因而，以培养顶级科学人才为目标的科学教育无能忽视科学史的重要性。后一部分对我国的科学教育应该如何在安置科学史课程做出一些观察。

一个不容否认的事实是，并不是所有科学家都需要了解并精通科学史。一些科学实践活动并不需要科学史的知识也能够完成，比如，成功的模型建构或实验操作都可以在无需理解科学史的情况下达成。这意味着只要在技术层面上兢兢业业、精益求精，不关注科学史也能够成为一名合格的、甚至优秀的科学家。然而，同样不容否认的是，最为顶级的科学家几乎都谙熟自己研究领域的历史。所谓“最为顶级”是指那些有能力洞察研究领域发展的规律与潜力，并有能力引领研究领域的理论和实践突破的科学家。这些能力依赖于对研究领域发展过程的理解。牛顿只有对之前的力学和天文学发展洞若观火，才能发展出统一这两个领域的理论。达尔文在《物种起源》一书的绪言前，先安排了题为“有关物种起源的见解的发展史略”的一个小章节。不难看出，他把自己的自然选择理论看作是对之前各种演化思想的一个反应。无论是爱因斯坦还是玻尔，都是对经典力学的发展有自己独特的见解之后，才发展出革命性的相对论和量子力学。如果套用库恩的术语，不关注科学史的科学家一般来说只能在常规科学中胜任技术性工作，因为常规科学的基本任务是对同一范式中的理论应用，而无需对范式和理论本身予以怀疑。最为顶级的科学家们则能够完成理论性的突破，甚至会引发范式转换即科学革命，而理论突破则常常会要求对先前理论的发展历史有所理解。也许库恩给出的科学实践图景过于简单化。一些学者曾指出，在真实的科学实践中，理论的革新与变化并不像库恩的科学革命那样剧烈、突然和大规模，而更多的是灵活、持续和小规模^[1]。然而，即使是在灵活、持续和小规模的革新和变化中，处于引导地位的仍然是最为顶级的科学家们，因为是最为顶级的科学家们实现了理论突破。这就是为什么在科学教育中，牛顿、达尔文、爱因斯坦、玻尔等大科学家而不是技术型的好科学家被当作学生们学习的榜样，尽管大科学家们的成就离不开技术型的好科学家的工作支持。

以上的观察敦促我们在科学教育过程中不能忽视科学史的教育，尤其是当科学教育的重点集中于整体素质而非仅仅是应试能力上时。科学教育不能忽视科学史是有其深刻的原因的，其中有两个特别值得我们注意。先看第一个原因：科学概念和理论可以以历史性的和非历史性的两种方式来理解。相比之下，非历史性的理解方式有实用性的优势，而历史性的理解方式有认识论上的优势。正是这个认识论上的优势，使得顶级科学家们不无例外地都是历史性理解方式的专家。

首先要厘清什么是历史性的理解方式，什么是非历史性的理解方式。一般来说，我们可以非历史性地理解一个科学概念。比如，对于“力”这个概念，一般来说中学物理教科书会告诉我们它的精确定义是质量乘以加速度。中学物理教科书还会告诉我们这是由牛顿第二定律所给出的定义，它与定义“力”的产生条件的牛顿第一定律和定义反作用力的牛顿第三定律一起，给出了牛顿力学中“力”这个概念的内涵。这是当代年轻人学习物理过程中所要学会的最为基本的概念之一，许多其它物理概念要从这个概念中推出。同时，这又是个精确的概念，它可以从质量、时间和长度这三个可测量的性质中推导出来，因而完全不同于日常生活中的模糊理解。而在日常生活中，我们会直觉地意识到推拉过程中所感到的所谓的“力”，但很难以精确的方式来定义这种心理感觉。把“力”理解为质量与加速度的乘积完全可以是非历史性的。学生只要掌握这个概念与其它相关概念的数学和逻辑关系，就完全可以用来去做中学物理的习题。

力的概念也被可以历史性地理解。往后看，爱因斯坦的狭义相对论意味着牛顿的万有引力传播速度不能大于光速。往前看，则会引出一系列形而上学、认识论和方法论问题。力的概念在牛顿之前一直模糊含混，在不同的理论中携带着对因果关系的各种形而上学理解。而牛顿使用可以被测量或被量化的概念来定义“力”，使得力学可以摆脱之前尤其是亚里士多德式的形而上学负担，成为可以被数学处理的研究领域，从而对世界的机械化理解的图景提供最终的理论支持^[2][3]。最为顶级的科学家们对力的概念所携带的牛顿力学的历史性意义大多拥有自己深入的理解。比如，达尔文就力图使自然选择理论对物种起源的说明能够符合牛顿提出的真实原因的要求。^①爱因斯坦的相对论以及爱因斯坦与玻尔关于上帝是否掷骰子的争论都渗透着他们对牛顿力学的本体论特征的理解。

① 真实原因是牛顿在《自然哲学的数学原理》第三版中所加的四条“哲学推理规则”的规则一中提出的：“我们只承认既是真实的，又足以解释自然事物的现象的原因”^[4]。

科学知识的非历史性和历史性的理解方式的区分，在西方很早就被一些大思想家们注意到。法国实证主义哲学家孔德(A. Comte)称前者为教条方法，后者为历史方法。教条方法是指与历史无关的教科书方法。这种方法是科学教育与教学所必不可少的。然而，单纯的教条方法无助于理解科学的本质。他认为，“只要一个人不了解一门科学的历史，那么他就不完全了解那门科学”^[5]。奥地利物理学家和哲学家马赫(E. Mach)则坚持历史方法更有利于透彻地理解科学的方法与目的，因为只有通过与过去的科学家展开对话，科学家才能批判性地反思自己研究对象与研究过程的本体论、方法论和认识论问题。马赫对历史性理解方式的重要性有一段十分赋予启发性的观察，值得引述于下：“我们应该认识到，不仅被教师们接受和传播的各种思想对历史地理解科学是必须的，已被研究者放弃、曾短暂存在过的思想，甚至那些明显错误的幸福，也许都是非常重要的、有所教益的。探讨一门科学的发展历史是必要的，它使得藏于其中的原理不会成为一种未被完全理解的命令，或者更糟，成为一套偏见。历史研究展示出科学的存在在很大程度上是平常而又偶然的，这不仅有助于我们理解科学现状，还会带给我们可能发生的新事物。从不同的思想途径得以交汇的观点出发，我们可以用比较自由的视角环顾周围，并且发现前所未知的航线^[6]。”

无论是孔德还是马赫都承认大多数教科书中所展示的对科学的非历史性理解在科学教育中是必须的，因为非历史性理解方式不仅给出科学概念与理论的清晰刻画，而且对于培养和训练年轻的科学工作者来说更为直接和快速。然而，这两位思想家也同样强调，只有通过历史性的理解方式，科学家才能获得对科学的深入理解。因此，最为顶级科学家比一般的科学家拥有对科学更多的历史性理解也就自然而然了。

科学教育不应忽视科学史的第二个原因是：历史性地理解科学内容更加符合科学教育中认知过程的建构性特征，因而对素质培养尤其重要。一种简单化的科学教育观认为，科学教育过程是将客观知识通过老师的教学传输给学生。教学的质量由以下因素决定：老师是否能够将客观知识在课堂上完整地展现出来，学生在学习过程中是否理解了老师所展现的客观知识，并把理解的结果记住。考试则力图测试上述客观知识的传输过程(transmission)是否成功。然而，20世纪下半叶越来越多的学者认识到科学教育中的认知过程不是简单的知识传输，而更是一个建构性的认知过程。学习一个新概念或新理论，认知主体需要找到这个概念和理论与自己之前的知识结构相关联的方式，并最终建构一个新的知识结构。用皮亚杰(J.Piaget)的术语来说，学习是一个吸收与调节的过程。所谓吸收是指将外界提供的新信息纳入到学生的内在认知框架中，所谓调节是指学生重组内在认知框架中已有的信念结构，以便使得新纳入的信息与已有的信念相关联，从而形成新的信念结构。由于每个人的经历不同，不同学生的已有信息是不同的，因而纳入和适应的方式也会有所不同。比如，一个从未见过雪的南方学生在理解暴风雪这个现象的过程，会与经历过暴风雪的北方学生的理解方式有所不同。换言之，不同学生是通过不同的建构过程来学习相同知识的。有效的科学教育需要意识到学习过程中建构性特征的重要性。以建构性而非传输性为出发点的科学教育要求教师在准备好教学内容的同时，能够注意不同学生在接受相同知识点时不同的建构性认知过程，在教学过程中帮助学生们顺利完成对新知识点的建构，而考试也是帮助学生完成建构的一种手段。

值得注意的是，学习过程中的建构性是科学家和学生所共有的认知特征。建构主义的科学教育学者大多认为学校里的学生与科学家都会对周围的对象和事物感兴趣，都会试图去理解这些对象和事物为什么会以它们特有的方式行为和存在^[7]。科学家们在实践中，发现或接受可以更好地说明研究现象的新理论以替代旧理论的过程，与学生学习新概念或新理论类似，也是吸收和调节的建构过程。换言之，科学家试图将新的说明工具吸收进自己的研究框架中，并调整旧有的框架，以建构新的理论。因而，历史性地理解科学内容意味着让学生了解该科学内容在被发现和被接受时所经历的真实的认知建构过程。这种了解可以让学生更好地理解自己在学习相应内容时所遇到的困难与困惑。比如，我们对日常生活中发生在自己身体和周围事物中有关力的现象，在知觉上与牛顿定律中所给出的力的内涵并不完全符合。我们一般会觉得肌肉发达的人力气大，很少会想到用物体的质量与速度的乘积来刻画力的概念。一个没有受到外力干涉的运动物体会永远地维持相同运动的看法也与我们的直觉和观察不符。学习科学史会让我们能够了解牛顿如何形成他的力学定律过程，这种了解有助于我们理解自己的直觉与牛顿定律不相符的原因。当然，上述分析并不意味着非历史性理解无法说明普通人对力的直觉与牛顿定律不相符的原因。与历史性理解不同的是，非历史性理解的说明更多的是独断性的，即不加怀疑地先预设牛顿定律的正确性，然后从牛顿定律出发来说明与我们的直觉不同之处。这种独断性的方式并非不合法，却难以展现无论是科学家们的科学实践还是学生们学习过程的建构性特征。不难看出，从科学教育的建构性特征的视角看，历史性的理解方式要比非历史性的理解方式更有利于学生的素质培养。

原因一和原因二给了我们很好的理由来呼吁当今的科学教育应重视科学史。然而，在我国目前的教育状况下，起码有两个原因使得科学史在大学之前的教育中并不乐观。首先，在当前应试的压力下，非历史性理解方式更受老师和学生们的青睐。从上面的分析中我们看到，与历史性理解方式相比，非历史性理解方式对学生来说更快速、更直接。学生无需学习形成某一公式的历史过程，只学会应用该公式就可以应付考试。因此，把重心放在应付各类考试的学校、学生和学生家长们自然会青睐非历史性理解方式而主动地压缩历史性理解方式。其次，为了减轻学生们的负担，目前中、小学的新课纲均采用了减少教学内容的方式。这个改革的初衷无疑是好的，但其效果并不理想。就像第二届科学教育论坛中绝大多数专家和学者认识到的，减少教学内容并没有促进学生把节省下来的时间用在提高兴趣和素质的学习活动上，反而是让学生用更多时间来琢磨应付考题的技巧或重复解题练习。学生们一旦知道哪些内容不在考试范围内或是选修的部分，基本不会再花精力去学习。

新课标的改革效果未能如改革者预期这一事实值得我们进一步深思。一些学者认为如果高考这个指挥棒不改变，任何以提高素质为目标的改革都难以成功。这个悲观的观察有一定的道理，但我们应该认识到取消或改变高考制度是很难的，因而我们很难把素质教育的希望完全寄托在取消或改变高考制度上。统一考试是一个相对来说比较客观的选才方式，在全国范围内找到替代它而又不失去大致相同的客观性的方式，并不是一件容易的事。因此，我们更应该在高考前提下来思考提高素质教育的方式。在这样的前提下，我想提出两个原则性的观察和一个与科学史教育有关的建议。第一个原则性观察是，由于高考对考生重要性，未来的教育改革不宜做大规模变动，而应在现有的格局下更多地考虑采用局部措施以减少负面因素。高考对于绝大多数的考生来说是决定人生走势的重要一关，因而对考生和考生家长来说，素质培养的理由与高考成绩相比总是第二位的。这意味着以提高素质培养为目的的任何改动，无论考试科目、考试次数、考试内容、成绩计算方式如何变化，考生和家长都会以保证和提高高考成绩为最终目的来对这些变动进行精致的工具主义计算。大规模的改革会让考生和家长花更多的精力用在相应变化的工具主义计算上，其结果更可能不利于素质培养的提升。第二点原则性观察是，高考之前的素质培养的根本性提升更多地依赖于外部社会环境的改善。如果社会能够让没有通过高考的学生在日后仍然可以过上有尊严的生活，仍然会有机会改善当下的生活状态，那么高考便成为一种生活方式的选择，而不是人生最为重要的机会。在这种理想的社会环境中，以目的为出发点的素质培养在中、小学的教育过程中，才能根本性超越以手段为出发点的应试教育的权重。当然，这是所说的理想的社会环境，在目前教育资源仍然相当缺乏的我国还很难达成，但它无疑是我们应该努力的目标。换言之，我们有理由相信，高考的指挥棒决定性地主导中、小学教育方式的局面，应该会随着我国软、硬实力的提升，在未来有所松动甚至产生根本性转变。

鉴于以上两点观察，我想就科学史的问题对中学的科学教育提出一点建议。尽管在应试压力下，中学课本和教学不可避免地采用非历史性理解方式，但课标的制定者、课本的编纂者，以及教课老师都应该具备一定的历史性理解科学内容的能力，并尽量在一些可能的地方加入历史性理解的内容。这将会有利于学生对科学内容的深入理解。比如，上面曾提到，对牛顿力学的一些历史背景的介绍，会有助于学生理解牛顿力学中建立在可测量性质之上的力的概念与日常生活中建立在因果关系上的力的概念的区别以及相互之间的关系。再如，生物课中对物种进行分类时，除了标准的以进化论为出发点的分类外，也可向学生介绍历史上曾出现的以形态或以功能为出发点的分类方式。这会让学生体验到，对相同的研究对象进行不同的概念化处理的建构性的认知过程。当然，中学课本的内容编排都有字数的限制，很难系统地照顾到历史性理解的部分。因此，有时应该更多地依赖具体教师的理解与解释能力。

最后，对于大学中科学史课程，鉴于原因一和原因二的立场上看，无疑是大学教育中十分关键的一部分。科学史应该成为理工科大学生的必修课。大学本科是多数大学生人生道路中十分重要的阶段，因而他们所选择的专业将会决定性地影响他们以后的人生道路。借用余英时先生的话，在这个阶段中，大学生们要找到“自己愿意终身奉献的志业，颠沛必于是，造次必于是”。^[8]我们曾提到，一个好的科研工作者未必一定要懂科学史，但最为顶级的科学家一定对科学史有自己独特的见解。大学教育如果能产生胜任一般工作的科学工作者当然很好，但大学教育的培养目标应该更高，应该以培养最为顶级的科学家为目标。只有树立这个更高的目标，才能为寻找自己终身奉献的志业的大学生们展示出他们所选择的志业中最好的境界。