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物理学教学中的科学史
摘要
科学教育家越来越多地使用历史教学法，作为一种方法，使学生能够以更情境化的方式理解科学的建构过程。从更广泛的意义上考虑语境的含义，本文有两个目标。首先，本研究以巴西的科学生产为参照，探讨如何利用科学文化史的方法开展物理课程，鼓励学生在考虑自身社会文化背景的情况下讨论科学。其次，本文从历史和学生自身的社会背景出发，探讨在科学文化史方法的启发下，学生通过课堂讨论培养对科学实践的认识。选择在他们的物理课中介绍的历史插曲是18世纪欧洲莱登罐的发展，重点是使这种器物得以建造和使用的法定性做法和习惯。从'文化史'课程中获得的经验似乎让学生明白，科学是由许多不同的社会行动者、超越实验室的场所和不同维度的行动发展起来的。研究结果提示，这种方法在科学教学中可以成为一种策略，使科学的发展历史地语境化，同时允许学生在其社会语境中反思科学的生产。
关键词：科学文化史；科学实践；科学实践；电力；莱顿瓶；伏打电堆
1导入
许多研究人员认为，科学教育的目标之一是传授科学知识(Allchin 2011; Ma rtins 2015; Maurines and Beaufils 2013; Moura and Guerra 2016; Dagher and Erduran, 2016)，并提出它可以促进科学课中对科学与社会关系的理解，避免将科学描述为在权威话语中物化的“单行道”。在追求这一目标的策略时，研究指出，基于历史、哲学和科学社会学(以下简称HPSS)的方法可以教授科学知识，还能同时使学生以语境化的方式理解科学知识的构建过程(Jardim and Guerra 2017a;Allchin, Andersen and Nielsen 2014; Forato, Pietrocola and Martins 2012)。
尽管HPSS方法的科学教学有许多支持者，但对语境化的含义提出疑问仍是重要的。语境是一个多义词。在HPSS和科学教学领域，从历史的意义上理解，意味着这是显示科学作为社会文化成就的背景化的历史叙事 (Milne 2011;Allchin, Andersen and Nielsen 2014; Erduran, Dagher and McDonald 2019)。然而，受Barton(1998)等学者的启发，我们应该考虑更广泛意义上的语境含义。在某种程度上，科学教育的目标应该是在每个教育背景下将科学定位于社会、政治和历史领域，考虑到不同的学生群体与(科学)知识的关系(Barton 1998)。
因此，如果给学生讲述的故事重视他们的教育背景，在某种程度上这些课就变成了一个机会，让学生意识到并反思他们所生活的社会文化背景个科学对其的影响(Moura, Jager and Guerra 2020)，那么HPSS方法“战胜lsquo;无意义的海洋rsquo;”(Matthews 1992) 的潜力就会被更好地实现。一项旨在为科学课程提供补贴且受到情境化历史方法的启发的研究，考虑了学生的社会文化背景。
在过去的几十年里，科学史家和研究科学人文的学者之间的互动在许多方面改变了科学史（以下简称HS）(Pestre1995; Nyhart 2016)。他们的研究不仅关注科学家和其他支持科学的人，也关注科学家如何推导他们的理论(Nyhart 2016)。由于历史学家实践的这些变化，出现了不同的史学方法，例如科学文化史（以下简称CHS）。从CHS方法的角度看，科学是一种文化成就。文化在这里被理解为一张网，它指导着团体中人们的行动和信仰，同时也是由这些人构建的。因此，文化不仅是一种社会结构，它还与一个社会的价值、意义和符号有关 (Geertz 1973 p.5)，这些价值、意义和符号是科学的组成要素(Pimentel 2010)。
科学文化历史学家把他们的研究集中在日常科学实践的动态和微观历史上 (Pimentel 2010)。通过对科学实践和习惯的研究，历史学家鼓励人们讨论科学和社会之间的关系，特别是社会和制度背景在科学知识构建中的作用。值得注意的是，科学实践不应该被认为只来自实验室。它们包括阅读、写作、辩论和提问等活动，以及与财政支持、研究、研究小组、会议组织、编辑和执行科学传播相关的活动，这些活动对理解科学事业也是至关重要的。科学实践是历史性的、局部性的、临时性和偶然性的行为，包括文化表演和活动(Pimentel 2007, 2010; Daston and Galison, 2007; Kelly and Licona 2018)。
因此，用CHS方法来理解在科学中发展起来的实验和仪器的物质文化对于理解科学的发展是至关重要的，这使得我们可以分析科学事业中所使用的程序和材料(Pimentel 2010)。这唤起了在历史研究中需要考虑的许多不同方面，比如科学发展过程中使用的工具和进行的实验，它们是如何被构建和重建的，用于构建和重建它们的材料是什么，它们在操作中有记录或没记录的作用是哪些，以及推动和参与这些工作的科学家和其他社会角色都有谁(Pimentel 2010)。因此，科学知识的建构、验证和传播是局部的和暂时的事情，科学研究的问题和为回答这些问题而发展的方法在历史上不断变化。因此，科学历史学家的目标是理解“什么在社会、文化和物质上支撑了科学，在科学形成的过程中谁受益，谁遭殃” (NYHART 2016,p.7)。
既然不是只有一种史学方法，那么确定在科学课上采用哪一种方法是至关重要的。研究小组在巴西开展工作，这是个多元文化社会，有许多不同的公立学校。一些学生在大多数人没有完成K-12的社区生活和学习，对很多人来说上大学是一个遥远的梦想，而其他人在大多数学生上大学的公立学校学习。该研究小组之前的研究表明，由于CHS提倡从微观历史的角度研究科学实践和习惯，它从那些直接或间接为科学发展做出贡献的人的生活经验中激发了关于科学和社会之间关系的讨论。
因此，CHS方法有可能阐明在每种环境下科学知识是如何构建的，以及人们应该遵循哪些路径成为科学家并得到科学界的认可。其他研究表明，在科学课上使用CHS可以鼓励学生讨论科学成果的问题，而这些问题是在教师计划之外的。由于本研究的目标是在考虑学生的社会文化背景的情况下以情境化的历史方式发展科学课程，因此本研究采用了CHS方法。
这项研究是在巴西一所公立职业高中的物理课上进行的，该研究小组的一名成员在这所学校任教。这所学校属于提供综合技术教育的巴西联邦网络（ITE）。在巴西，这些学校都是巴西最好的公立学校。在这所学校完成K-12教育并参加国家考试进入巴西大学的学生通常都是成功的。此外，在参与这项研究的学生中，有许多男孩和女孩想成为科学家或医生。
尽管如此，在开展这项研究的这一年里，巴西政府正在改变一些与负责大多数科学资助的巴西科学机构相关的政策。政府也在改变关于公立大学的的政策，那里是巴西科学的主要发源地，也是参与这项研究的学生们想去的地方。这些变化给巴西科学家和研究生发展他们的研究制造了障碍。作为回应，巴西科学界发起了针对这些政策的不同抗议，一些巴西科学家离开该国寻找更好的工作条件。
在新学年开始时，参与这项研究的一些学生似乎对巴西不断变化的科学政策感到担忧，尤其是近10年前创建的一个名为“没有前沿的科学”的政府项目的结束。该项目资助各级学生赴国外优秀大学学习的奖学金。一些学生希望跟随系统的载体，并计划出国留学。其他人参加了一个旨在鼓励学生成为STEM(巴西高中科学启蒙计划-PIBIC-EM)参与者的巴西项目，该项目当时也在经历预算削减。该情况引导了这项研究去分析从更广泛的历史方法将关于科学的讨论引入科学课堂的可能性，考虑到学生的专业期望，鼓励他们反思巴西科学的情况。
基于这一情景，本研究在K-12教育的十二年级的一个班开展，其中电力是强制性课程的主题。开发这项研究的一名研究人员有机会根据Europa-Universitauml;t Flensburg开发的复制方法复制莱顿瓶。这启发了我们选择莱顿瓶的发展和使用作为本研究中所进行的课程计划的历史插曲。
此外，一些关于复制历史实验的研究表明，对过去科学家实验实践的见解可以成为研究科学物质文化的一个角度，从而打开这种实践与它所根植的文化的连接方式(Heering 2000, 2007)。这样，这些结果与CHS的研究方法相差不大，因为它既考虑了科学史研究中需要分析的历史语境，又考虑了物质文化的重要问题。
然而，CHS方法使我们对莱顿瓶开发中采用的科学实践，而不是那些与人工制品复制有关的实践，进行了更广泛的讨论。因此，18世纪欧洲莱顿瓶的发展历史和科学知识的传播边界扩大了，重点在于莱顿瓶的复制和使用。一些计划讨论的例子是关于新的实验、人工制品，以及由莱顿瓶的使用、文学共和国、印刷出版物、私人课程、科学院在分享和验证科学知识方面的作用、科学院的结构以及在科研院所的讲座的讨论结果。
根据这些考虑，本文有两个目标。第一，旨在探索使用CHS方法的物理课是如何允许开展活动，即鼓励学生就自己的社会文化背景而言对科学进行讨论，参考巴西的科学成果。第二，调查受CHS方法启发进行课堂讨论的学生对科学实践发展的理解。该方法既关注历史背景，也关注学生的社会背景。
为了实现这些目标，本文分为五个部分。在此介绍之后，将呈现研究背景、方法和进行数据分析的方法程序。第三部分致力于呈现进行该研究的教室背景，描述课程中从实地日记和录音中收集的信息开发的经验教训。在第四部分，对数据分析进行了讨论，最终得出最后的结论。
2方法论
本节将介绍本研究方法的三个维度。首先，将描述学校的背景，以及这项研究是如何呈现和向学生提出的。接下来，将展示研究人员和老师的信息，以及他们如何在课堂内外合作。最后，将描述为数据分析所选择的方法。
这项研究是在一所巴西联邦公立职业学校三年级的21名学生(15名男生和6名女生)班上进行的，为期2个月，其中大部分教师具有硕士或博士学位。一般来说，学校的教师参加一个研究小组，并开展与教学相关的不同活动。在这些职业学校中，学生在学习技术培训科目的同时，也要学习国家基础课程的科目。这些学生不是来自上层经济阶层，而且有一个配额制度，将50%的空缺分配给有色人种和土著居民。这些联邦学校属于巴西最好的学校。然而，他们只是巴西学校系统的一小部分。
授课教师具有科学史学科和科学教学方面的学术专长，两名研究人员（以下简称研究员1，研究员2）负责实施这篇论文中记录的调查。在开始收集数据的一个月前，研究员1开始参加所选班级的所有物理课程。每节物理课后，研究员1和2会面讨论实地日记的笔记和收集到的数据。
除了私人会议，每周都在研究小组中分享和评论该研究的数据。该小组由科学教师(包括负责课程的教师)和在巴西不同现状中工作的科学教育研究人员组成。本课题组以研究科学史和科学教育史为目的，以启发课题组成员的研究成果。此外，无论是在调查的发展还是在数据分析方面，会议对实证研究的各个阶段进行了讨论，并对研究的新方向进行了辩论。
新学年开始，在研究的设计和学生之间进行了讨论。它展示了课程的顺序是如何进行的，需要多长时间（两个月）以及选择CHS方法的教学目标。还提出了哪些科学内容将被教授，哪些与科学知识如何构建相关的问题将在接下来的两个月里讨论。
学生们清楚地知道，他们可以拒绝这个提议，甚至可以在这个过程中停止。但是没有一个学生拒绝。因为这个学校的老师有使用不同教学方法的习惯，所以这可以证明学生接受是合理的。尽管如此，学生们从未用历史的方法学习过物理。
我们咨询了学校的校长，校长也同意了这项研究。此外，该研究被应用于一个政府伦理虚拟平台(Plataforma Brasil)，由委员会对该研究进行评估，此举也被接受。该平台要求每位学生(或家长)签署一份接受参与调查的书面表格。
继Erickson(2012)和Moraes和Galiazzi(2006)之后，采用定性方法进行数据分析。数据是从课程的音频记录、研究人员的实地日记和学生们写的文本(课程总结)中收集的。所有数据都从定性的角度进行分析，以发现模式并解释学生对科学实践的理解是如何通过课堂讨论得到的。这些讨论受到CHS方法的启发，既关注历史背景，也关注学生自己的社会背景。
在课程结束时，研究小组对数据进行了详细的阅读。因此，确定了科学实践的讨论可以分为三个主要主题：科学知识的传播、科学生产的实验性质和科学基金。作为数据分析的一部分，使用这些名称创建了三个主题。值得注意的是，以前在规划课程时只考虑了前两个主题。最后一个是研究小组每周开会的结果，很多学生提出了关于科学基金的问题，这激励了老师在课程中引入更多关于这个主题的内容。因此，科研资助的话题也成为了数据分析的主题。
对于数据分析，每个主题都被进一步划分为子主题，如“调查结果”部分所述，每个主题都代表了受课程启发的具体课堂讨论。然后，由Moraes和Galiazzi(2006)提出的被称为统一的舞台上演了。从选定的主题中，数据被尽可能地削减，以搜索出能够为分析过程带来相关信息的提取或摘要(Moraes and Galiazzi 2006)。值得注意的是，每个主题都代表着一个要被识别的概念，包括具有相近含义的单位。
数据的含义来源于学生的口头或书面表现，与学校的背景交织在一起。所以，在数据分析中，有一个持续的三角关系在从学生的出生、背景，巴西正在经历的情况和研究人员的实地日记获得的数据中。
因此，这种定性方法代表了一种解释性的解释方法，预测了作者的数据浸渍过程。因此，文本中存在着一种不透明的意义，这体现在可能的解释中，而这些解释是由读者的理论假设所建立的背景所决定的(Erickson 2012)。换句话说，研究人员确定了指导构建研究问题答案的意义，并构建了一个生成数据所处环境更完整的图景。一名研究人员在教室里进行研究，并没有脱离数据收集
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