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“科学史故事”价值取向的H PS 教育课例开发
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以“大气压强------场哲学与科学的论战”为例
蔡呈腾
(温州市第二外国语学校浙江温州
325000)
文章编号：1002-218X (2021)05-0013-05中图分类号：G 632.4 文献标识码：A
摘要：以大气压强为例，对发现大气压的科学史故事的价值取向进行H P S 教育课例开发，基于 “大气压强”的课程目标要求，阐述“自然界是否存在真空”“是什么将抽水机里的水压上来的”等 有逻辑的历史故事，挖掘出关于大气压、真空等有内涵的思维问题，构建理解科学本质的路径、
H P S 教育需要注意的事项等几个有深度的科学观念。
关键词：H P S 教育；科学本质；大气压强；课例开发
HPS (History , Philosophy and Sociology of Science )是科学史、科学哲学的英文缩写，其理论引 人我国近20年，但一直没能在基础教育实践中全 面展开。近年来，随着科学课程改革的深人，科学 教育中融合H P S 教育成为国内科学教育改革的一 项重要活动，在以提高学生科学学科核心素养为总 体目标的课程改革中占有重要位置。
将H PS 教育融入科学课堂实践中来，最重要 的方式就是开发基于H P S 教育理念的教学模式。 利用科学史把科学哲学和科学社会学思想融人教学过程中，更容易理解科学本质。将科学史、科学
哲学和科学社会学融人科学课堂教学，容易出现 的问题是把科学史材料仅仅作为学生的阅读材 料，仅仅对科学哲学思想进行简单说教，脱离科学 史事件本身而空谈科学社会学。为避免出现以上 现象，
将H P S 教育所强调的“科学的人文性、批判 性和创新性”充分在课堂中体现出来，从而科学永 无止境地探索过程，培养学生的质疑和创新精神， 促进学生理解科学的本质，提高学生的科学素 养[1]。本文以“大气压强------场哲学与科学的知
，不计空气阻力，请判断突然剪断悬
挂吊篮绳子的瞬间，A 、B 、C 三球相对于杯底的运 动情况。
学生学习的难点是对浮力本质的理解，因此需D 要从揭示浮力本质的过程中提取出大概念。所谓 浮力就是上下表面的压力差。当突然剪断悬挂吊篮绳子的瞬 间，整个吊篮及吊篮内的物体 一起做自由落体运动，处于完 全失重状态。对照图9，两个叠
E
图9
做自由落 体运动的物体
放在一起的物体〇、£ 一起做自由落体运动，二者
之间没有挤压。由此可知，当突然剪断悬挂吊篮绳 子的瞬间，如将图8中的水分成上下两层，犹如图9 中的D 、£两个物体，则上下两层水之间不存在挤 压。此时，图8中的三个小球上下表面之间均无压 力差，即浮力消失。从横向角度对浮力与压力进行 追溯，破解了失重状态浮力为零这个难点，其他小 问题就能顺利解决。
参考文献
[1] 瘳伯琴.普通高中课程标准（2017年版）教师指导
物理[M ]•上海：上海教育出版社，2019:57.
[2] 格兰特•成金斯，杰伊•麦克泰格.追求理解的教
学设计[M ]•上海：华东师范大学出版社，2017:6.
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教学参考第50卷第5期2021年5月
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论战”的复习课为例，谈谈基于“科学史故事”价值 取向的H P S教育课例开发策略。
课堂教学所有的教学策略都是基于对教学目
标的实践操作表达。基于“大气压强”的内容，结合 《义务教育初中科学课程标准（2011年版）》和浙教 版《科学》八年级上册教材对大气压的要求，将本节 复习课的教学目标设定如下：
目标1讨论“大自然厌恶真空”观点对科学发展的影响，体验自然哲学观对科学发展的影响。
目标2通过亚里士多德、伽利略、贝里亚尼、贝尔蒂、托里拆利、帕斯卡、格里克等人对大气压强的研究，进一步理解大气压存在的证据和测量方法，初步理解地球表面大气压的分布规律，计算地 球表面大气的总质量，了解科学发展是不断质疑、修正、完善的过程。
目标3重演并体验科学家在大气压研究过程中的推理、实证、证伪等科学思维在科学研究中的作用。
_、组织_系列有逻辑的历史故事
与许多现有的H P S教育模式（如“历史一探究”模式）不同，基于“科学史故事”价值取向的H P S教育模
式所选用的科学史故事不是一个孤立的小故事或一个小片段，而是一系列彼此有严密逻 辑结构的小故事。这些科学史小故事都在表达同一科学事件，或表达同一个科学思想或科学思维，从故事本身内在的逻辑出发设置矛盾冲突、引发课 堂思考与讨论，构建教学支架，通过层层递进的故事解决冲突，理解科学本质。
1.以时间为轴线组织故事
关于大气压的研究，可以从亚里士多德的“大 自然厌恶真空”开始，经过伽利略时代许多科学家的努力，特别是托里拆利、帕斯卡、奥托•格里克的 实验，基本完成了大气压存在证据及大气压值的测 量，反驳了亚里士多德学派的观点，建立了大气压强的知识体系，因此，本节课以时间为轴线组织故事，如图1所示。
亚里士多伽利略遇托里拆利帕斯卡的证伪：格里克的德的观点：到的问题：实验：反驳“自然界宣扬：
自然界厌无法将水抽测量大气厌恶真空”马德堡半恶真空到超过10 m压的值球实验
图1课堂结构主线
2.规划科学史故事内容
人类对大气压强的认识，首先是对大气的认识。在古希腊学者亚里士多德提出的物质观中，认 为：世界是由水、土、火、气
这四种元素组成的，亚里士
多德的“气”是弥漫在所有
空间里的物质，是没有质量
的，他将抽水机能把水抽上•：
来的现象’认为是自然界图2柚水机抽水模型
厌恶真空”的结果，所以水跟随着活塞一起上升，如
m m m v
图2所示。
就像托马斯•库恩所说的“当一种科学范式遇 到新问题而无法解决时，就会酝酿科学革命”。在伽 利略时代就出现了“自然界厌恶真空”这个观点所无 法解释的现象，如1630年，贝里亚尼发现虹吸管吸 水上
升的极限是1〇 m。他写信给伽利略寻问原因，伽利略提出“真空力”来解释这种现象，但“真空力”的本质是什么？如何测量？伽利略并不清楚，但他 知道大气是有质量的。直到1640年，伽利略被监禁 在托斯卡纳乡下小女儿家里时，对掘井师傅们不能 将超过10 m的水抽上来很感兴趣，但他此时已年老 体弱、双目失明，因此，再研究此问题有心无力，伽利 略的最终解释是“自然界有限厌恶真空”。
大约在1640 —1643年间，贝尔蒂在阅读了伽 利略的理论后，建造了一个用铅制造的管道，内部 充满水做实验，结果发现管道中剩余的水有1〇m 左右。遗憾的是，贝尔蒂的实验在1647年才被发 表，当时的人们早已知道有托利拆利实验了。
1644年，伽利略的“关门弟子”托利拆利做了 著名的“水银实验”，该实验被后世称为“托里拆利 实验”，证明了大气的存在，并测定出大气压强为760 m m汞柱，但亚里士多德学派学者并不认同大气压的存在，他们认为托里拆利实验中半封闭管里 水银面上方的空间不是真空，而是充满了水银蒸气。
当时，托里拆利实验快速传遍了欧洲大陆。法 国科学家帕斯卡多次重复了托里拆利实验，如图3 所示，并分别用水和葡萄酒做实验，如图4所示，实 验结果有力地反驳了亚里士多德学派的观点。
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图 3 帕斯卡做的托里卡利实验
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上_
图 4 帕斯卡的证伪实验
注册淘宝店铺科学对社会的影响离不开那些轰动性的事件。无疑，德国马德堡市市长在1656年做的马德堡半 球实验是对大气压强存在最成功的宣扬。
上述选择的关于大气压的故事，不但因为故事 本身的内涵充满科学哲学思维，而且故事与故事之 间存在严谨的逻辑结构关系，能培养学生的质疑能 力和批判性思维，有利于其理解科学本质。
二、匹配若干有要求的课标素养
课例开发的原则是以《义务教育初中科学课程 标准（2011年版）》为教学依据。在物质科学主题1中的“空气”这个概念下，对大气压强作了如表1所 示的要求[2]。
表1大气压强的内容目标和活动建议
具体内容目标活动建议
感受大气压的存在，了解大气
压的变化及其对生活的影响
探究大气压的存在
课程标准中比较关注大气压的存在，特别是对 探究大气压的存在过程给出了活动建议。教材建 议在大气压强新课教学时从学生身边事例和活动入手，寻大气压强存在的证据，而H P S教育理念 下的复习课却是从科学史的角度出发，从科学实验 和科学思辨的角度重新构建大气压存在的证据。
1.大气压强存在的证据
课例以托里拆利实验为对象，通过帕斯卡利用 水和葡萄酒做实验，说明支撑玻璃管内液柱的不是“自
然界厌恶真空”的原因，而是大气压强作用的原 因。发现大气压强的过程，就是与亚里士多德学派 所信奉的“自然界厌恶真空”理论的抗争过程。
2.测量大气压强的方法
课程标准对托里拆利实验的具体过程不做要求，但对托里拆利实验中大气压强支持水银柱的定 性现象进行分析，有利于学生理解大气压强的变化及其对生活的影响。
3. 解释盒式气压计原理
托里拆利对发现大气压强的伟大贡献，不仅只 是做了托里拆利实验和测定大气压强值，还在于他 发明了气压计，在气象测量中使用了 300多年。而 气压计的使用也是与时俱进的，课例引入如图5所 示的盒式气压计，让学生分析并解释其工作原理，也是融合工程与技术在科学上的体现。
4.压强公式的应用
课程标准并没有要求对大气压进行计算，但真 实历史中，帕斯卡就利用大气压强估测出了地球表 面大气的质量。这种将定量计算纳入科学推演过程的科学研究方法是非常重要的，应用数学计算也 成为整个推演过程不可或缺的一部分。
三、挖掘几个有内涵的思维问题
“科学史故事”价值取向的H P S教育课例开发 的关键要点在于有思维内涵的问题挖掘，也只有挖 掘出能引起学生深入思考的问题，科学史小故事才有存在的意义。而所有引起学生思维冲突的故事，需要用科学实验实证和哲学思辨去解决这种矛盾与冲突，从而暂时解决全部或部分问题，抑或是引 发学生更强烈的思维冲突。
1.为什么亚里士多德不能正确解释抽水机
原理
对亚里士多德的“自然界厌恶真空”的论断，我
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们不能简单地用“错误”来评判，而要把亚里士多德 的这一观点纳人他所构建的自然哲学范式中去考查。古希腊学者对世界本源的构成提出了不同的观点。德谟克利特及其老师留基伯提出原子和虚空的学说，认为无限的宇宙之中包含着无限的原子和无限的虚空；亚里士多德则认为，为了使原子 能有运动场所而假设有虚空存在是毫无道理的，他认为一般的运动物体在虚空中还能继续向前运动，是因为大自然厌恶真空，向前运动的物体原来 占据的位置在将要成为虚空时，就会被周围的空气给填补了，此时空气形成对物体的冲力，使物体 继续前进。当亚里士多德还没有遇到“从10米以 上的井中抽水”的现象时，它的“自然界厌恶真空”的观点能完美地解释自然现象，而且这种观念本身就是他的关于地球上万物的“四元素说”，即水、土、火、气。
基于以上分析，课堂教学中将其分解为以下几 个问题：
问题1结合图2所示用力拉活塞，推测能观 察到什么现象？为什么会有这样的现象？
问题2 大气压是怎么产生的？亚里士多德认为万物是由水、土、火、气组成的，空气是没有质 量的，它弥漫在整个空间。根据这个信息，你推测 亚里士多德会怎么解释这个现象？
问题3为什么亚里士多德不能提出大气压的概念？
以上三个问题环环相扣，基于学生学过的大气压强的概念，简单地解释现实情境中的现象。由问题2
引出大气压强产生原因的宏观解释“大 气有质量并受到地球的引力形成大气压”，并从亚 里士多德的角度推测可能的解释，从而有了问题3，即对比亚里士多德的解释与利用大气压强原理解释的异同，构建一种范式替代另一种范式的科学革命。
2.托里拆利实验的成功之处是什么
伽利略在解释抽水机的水不能抽到超过10 m 时，给出的解释是“自然界有限厌恶真空”，提出了 “真空力”的概念，但显然没有让人信服的证据。托 里拆利在伽利略思想的引导下，成功地进行了水银实验。基于以上分析，课堂教学中将其分解成以下 几个问题：
问题1对“抽水机不能将水抽上1〇 m”给出 的“真空力”“自然界有限厌恶真空”的解释显得苍 白无力，但伽利略的解释相比亚里士多德来说还是 有本质不同的，你觉得不同点在哪里？
问题2大约在1640 —1643年间，贝尔蒂在伽 利略理论的引导下做了铅管实验，说说要想改进这 个实验，你会怎么做？
问题3结合图6分析，你们的想法就与当时 伽利略的学生托里拆利类似，但托利拆利并不知道 贝尔蒂实验，他利用水银替代水做实验。若水银的 密度是水的13. 6倍，则实验时的水银柱的高度大概是多少？你的判断依据是什么？
贝尔蒂实验 托里拆利实验
图6 托里拆利实验
问题4贝尔蒂实验的结论在1647年才被公 布，而此时托里拆利实验已经世人皆知了。如今对 于发现大气压，世人只知道托里拆利而不知道贝尔 蒂，你怎么看这件事？
亚里士多德对世界本源的认识固定在“四元素 说”，认为“气”是没有质量的，所以，不可能发现大气压的存在；而伽利略恰好相反，他认为空气是有质量的。这是由于物质观念不同（本质上还是自然 哲学观的差异，即范式不同）造成的。所以，问题1通过让学生讨论来体会科学的进步与发展，与自然 哲学观念是一致的。问题2的设置是基于科学史 教学的一条重要原则，即课堂上永远不是直接把“故事”抛给学生，而是将故事进行“肢解”，转化为 学生可参与思考的问题，所以，教学时不出现“贝尔 蒂实验”与“托里拆利实验”的对比，而是基于贝尔 蒂实验，让学生去改进，并提出改进的依据。这样 相当于把科学史上的真实事件转接到学生身上，使 他们有身临其境之感，获得体验。课程标准对托里
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拆利实验的定量计算不做要求，但学生已学过“影 响液体内部压强大小因素”，让学生定性或半定量地去判断与推测，从而设置了问题3。当学生得知 先成功做实验的贝尔蒂籍籍无名，而后做实验的托 里拆利却誉满天下时，有莫大的感叹，问题4就是 基于此让学生真正体会作为科学本质维度之一的科学事业[3]，科学需要传播，才能发挥更大的影响力。
3.帕斯卡实验证伪的逻辑力量是什么
托里拆利实验虽然迅速传播开来，但许多人还 是对亚里士多德的“自
然界厌恶真空”深信不
疑。关于如图7所示的
水银柱上方是否是真
空，亚里士多德学派认
为，那里充满水银蒸气，
不是真空。图
学生已学过压强的单位是帕斯卡，但到现在，还没有说起帕斯卡，这一点是学生非常期待的。法 国科学家帕斯卡多次重复托里拆利实验，并分别用 水和葡萄酒做了图4所示的实验，实验结果有力地 反驳了亚里士多德学派的观点。
基于以上分析，课堂教学可分解成以下几个问题：
问题1我们知道，葡萄酒的密度小于水，所 以用葡萄酒和水做实验，最终液柱哪个高？如果用 相同的玻璃管做实验，液柱上方的空间哪个更大？
问题2如果按照“自然界厌恶真空”的观点，液柱上方空间哪个大？为什么？
问题3请你谈谈帕斯卡实验在逻辑方法上有什么特征？
装修时间几点到几点不算扰民问题1的判断是基于“影响液体内部压强大小 的因素”，是学生所具备的知识；问题2的判断要求 学生从亚里士多德的观点出发进行推理与判断，这 种判断特别有意义，能把学生从辉格史的视角中剥 离出来。显然，如果真的如亚里士多德观点“自然 界厌恶真空”，液面上方充满蒸气，则在相同条件下 酒精更容易蒸发，葡萄酒液柱上方的空间应该更大 一些，液柱更低一些才对，而实验事实是相反的。帕斯卡以实验事实反驳了亚里士多德学派的观点。
教师组织学生讨论图3所示帕斯卡做过的实
验，说明“自然界厌恶真空”观点是错误的。
基于帕斯卡对大气压的研究，还有两个重要内
容可挖掘。
(1) 1648年9月19日，帕斯卡请他的妻弟测了 多姆山不同海拔处的气压，结果表明：海拔越高气
压越小，空气越稀薄。这样就可以组织学生进行讨
论，推测按照这样的规律，当高度到达一定程度时
就没有空气了，也就出现了真空。这是对亚里士多
德学派“自然界厌恶真空”理论的反驳。
(2) 帕斯卡利用自己测得的大气压值，估测了地 球表面空气的质量。已知大气压压强户=1〇5Pa，地
球表面积S=5. IX1014m2，由于大气压是由于空气
受到重力造成的，请计算空气的总质量。
四、建构有深度的科学观念
基于“科学史故事”价值取向的H P S教育课例
开发时，建构有深度的科学观念，主要体现在以下
四个方面：
1.尽量避免辉格史观念
在课堂教学中，往往以当代科学研究成果为标
准来评判科学史上曾经的知识、事件或人物，如凡
是教材中出现亚里士多德就是被作为批判的对象。
当我们不是为了历史自身的缘故用它，而只是把它
作为达到某种目的的手段时，历史很容易被歪曲或
篡改[4]。这样一来，科学史就变为说服学生的工
具，说服学生去掌握目前教师所认为的“绝对真
理”，这就是辉格史观念。这种科学史不是站在真
实历史的视角去审视历史事件，而是以现代科学知
识为衡量标准去评价历史事件对目前科学知识的
贡献程度，那些没有导致目前科学知识的理论自然
被视为是错误的[5]。辉格史的观念正是本课例实
施过程中极力避免的，如引人亚里士多德“自然界
厌恶真空”观点时，让学生站在亚里士多德学派的
视角，理解其观点存在于范式中的意义；在帕斯卡
实验中用亚里士多德观点解释托里拆利实验现象，
形成与现象相矛盾的观点等。当避免用辉格史观
念解释具体问题时，学生往往要从科学史中获得信
息形成科学史特定范式中的观念，再利用获取信息
117
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-是真空吗?
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水银
忍里七利实验
水银柱上方是真空吗
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