科学教育的目的不仅局限于获得科学知识本身(what we know)，更要以科学理论发展史为素材习得知识从哪来(how we know) ^[1]。批判性思维(critical thinking)是探究的重要工具，正因如此它也是教育中的解放力量(liberating force)。批判性思维的习得既需要技能(critical thinking skills)，也需要批判思维的心智习性(the disposition toward critical thinking)，让学生反思性地分析那些具有挑战性的真实问题是有效的，我们教授批判性思维越成功，我们就更少希望他人必须和我们支持的信念和解答达成一致^[2]。近代科学发展史中，不少这样的挑战传统观念的事例，有些推进了科学理论的革新，甚至导致了科学的革命。

燃烧理论的革新是化学史乃至科学史中重要的理论革新之一，若仅仅告知学生“燃素说(the phlogiston theory)”的不足甚至荒谬和“氧化学说”的基本原理，那么这仅仅是基本知识的习得，谁又能保证“氧化学说”就是终极理论呢？燃烧理论的发展史本身就是一个批判思维性技能和批判性思维习性习得的良好素材。

燃烧现象是自然界发生的重要变化之一，有机物燃烧后留下少量灰烬，质量明显减轻，而金属煅烧后质量却会增加，燃素学说认为一切与燃烧有关的化学变化都可以归结为物体吸收燃素和释放燃素的过程。在燃素学说流行的长达百余年间，化学家为了解释各种现象，积累了相当丰富的感性材料。这其中从波义尔到普利斯特里都是在科学史上举足轻重的科学家，他们的批判性思维为他们的科研成果打下了基础，尤其对问题的阐释、分析和推理，有些甚至创造了逻辑自洽的理论(表1)。

批判性思维技能包括阐释、分析、推理、解释、评估及自我调整等，其中有些技能是众多近代科学家共同具备的，如对阐释、分析、推理及解释等，但不同时代科学家在解释燃烧问题时便出现了差异。

近代科学发展较快的18世纪，燃素说能统治近百年，不同科学家在评估技能上还是存在差异的。例如同样进行煅烧金属的实验，同样面对金属质量增加的结果(定量分析)，波义尔(近代化学之父)得出的结论是“容器外的‘火微粒’在煅烧时穿过玻璃壁，燃烧是物体与“火微粒”化合的过程”；而罗蒙诺索夫和拉瓦锡却认为“金属煅烧以后质量的增加是由于它在煅烧时吸收了空气。”此时需要更高的批判思维技能——评估(evaluation)，评估结论的可信度和逻辑性，包括论断的可信度、论证中所用的归纳或演绎及推理的质量。波义尔对“金属锻烧后质量增加”的解释是“从火对金属作用得到的”，火粒子穿过玻璃被金属所吸收，从而推断火有重量。这一解释今天看来很荒谬，但从批判思维视角看也是根据“事实”的推理。若能回头审视会发现可信度还是存在问题的。1679年弗朗索瓦·拉塞尔质疑了两点：①波义尔应该在打开甑以前称重，②有质量的物质不能穿过玻璃，可是波义尔并没有重视该质疑，在一封信中陈述他曾经试验过打开甑之前先称，也得到重量增加的结果(今天看来是违反质量守恒定律的)。

自我调整(self-regulation)，即有意识地回顾自己的认知活动，特别是将分析和评价技能用于自己的推理判断，来质疑、确认、验证或修正推理过程和结果，该技能的子技能包括自我监控(self-monitor)和自我修正(self-correct)^[3]。

斯塔尔研究了波义尔的实验，用燃素来代替了波义尔的“火微粒”和贝歇尔的“燃烧就是释放燃烧性油土”，这本身可以看做批判性思维的体现，他的理论有一定的系统性，恩格斯也曾说化学借助燃素说从炼金术中解放了出来。斯塔尔的理论若经历“自我监控”环节便会发现矛盾：燃素既然是一种物质就应该有质量，为什么金属经煅烧释放出燃素后质量反而增加？会不会是吸收燃素呢？如果是植物燃烧后为什么质量会减轻？这样的“监控”会让燃素说有“修正”的必要。事实上，燃素说提出后英国布莱克和卡文迪什在寻找燃素的过程中均遭遇了失败，布莱克发现温和性碱加热时释放一种气体变成苛性碱，布莱克称之为“固定空气”，实际上是CO₂气体；卡文迪什于1766年把锌片、铁片放进稀硫酸，释放出一种比大气轻、遇火星爆炸的气体，他认为这就是燃素，称“可燃空气”，后来人们认识到这种气体并不是燃素，而是氢气。

批判性思维不仅仅是几项思维技能(skills)的开发和利用，还包括一系列的品质(dispositions)或者习性^[4]。例如对广泛事物怀有好奇心；对反对的声音有宽容心，能意识到自己的认知偏见，坦诚面对自己的偏见、成见、陈规、以及利己倾向；审慎地做出或更改判断；当反思结果表明需要做出改变时，愿意重新考虑或修正自己的观点等。

如果说波义尔、斯塔尔等前人由于实验设计的缺陷(未考虑空气质量的变化)无法进行自我监控甚至自我修正的批判思维，那么两位氧气的发现者舍勒和普利斯特里则与“真理”只有一步之遥。波义尔发现了金属的增重，而舍勒发现了空气的减重(容器内空气体积减少1/5)，遗憾的是舍勒和普利斯特里是燃素说的信徒，舍勒甚至认为磷酸酐(五氧化二磷)的质量比磷轻，其实只要再朝前一步就会抓住这碰到鼻尖的“真理”。两位氧气的发现者有精湛的实验技能和批判思维技能，但对“燃素说”的绝对虔诚恰恰是缺乏批判思维习性的表现。普利斯特里多数的实验结果是准确的，但正如他对自己的中肯的批评“我有慎重地全面地对待事实这个好习惯，但从中得出的结论，往往不是非常靠得住”，甚至拉瓦锡推翻燃素说后，他在致林赛的信(1800年1月)中说：“我对自己的立场信心十足……虽然我几乎是孤立的，我并没有失败的恐惧”^[5]。

国外培养大学生批判性思维的教学途径主要有三种^[8]：(1)设置单独的批判性思维课堂进行批判性思维的训练；(2)把批判性思维的培养与学科教学有机地结合起来，通过常规的课堂教学发展学生的批判性思维；(3)通过发展隐性课程发展学生的批判性思维。其中第二种方法是在学校中进行批判性思维训练最常见的方法，利用氧化学生发展史的科学史实和化学教学的有机结合，可以帮助学生习得批判思维的技能和习性。

途径：评价科学家的贡献，让学生体会批判思维在科学进步中的重要性。

活动：根据所给材料，评价燃烧理论革新过程中诸位科学家的贡献。

(1)联系表1，评价四位科学家在燃烧学说提出、完善过程中所起到的作用。

(2)根据材料1、2、3，概述拉瓦锡提出“氧化学说”是否出于偶然？

材料1：英国化学史专家柏廷顿说：“拉瓦锡没有发现过新物质，没有设计过新的仪器，也没用改进过的制备方法。他的伟大功绩在于，把别人的实验工作继承下来，并用自己的定量实验补充、加强，通过严格的合乎逻辑的步骤，阐明所得实验结果的正确解释。”

材料2：拉瓦锡重复前人的实验(表2)。

材料3：拉瓦锡不一定比卡文迪什更加刻苦，卡文迪什一生大部分时间都在实验室中度过；实验技巧不一定比布莱克高明，布莱克往又细又长的管内倾倒液体既迅速又准确，桌上干干净净。从某种意义上，波义尔、布莱克、卡文迪什、普利斯特里和舍勒只是制造出一些砖瓦，而用这些砖瓦建成大厦的是拉瓦锡^[6]。

途径：对科学史实的深入分析，培养学生批判思维技能。

活动：分组讨论下列问题：

(1)你如何看待拉塞尔对波义尔提出的质疑“波义尔应该在打开甑以前称重”，称重的先后如何影响实验结果？

(2)假设你深处斯塔尔所处的时代，你会如何看待“金属经煅烧释放出燃素后质量反而增加”这一悖论？

元素周期律的提出是元素化学发展的一个必然结果，但其发展的历程却充满了激情和曲折，可以通过组织学生学习这一历程习得“阐释、分析、推理、解释、评估及自我调整”等批判思维技能的同时促进学习者“求真、思想开发、推理自信，分析性、系统性和判断的成熟性发展持久的倾向”^[7]。

1789年，拉瓦锡列出了一张包括33种元素的元素表后，科学家们一直没有停止探寻这些元素之间关系的部分，尤其19世纪，元素分类的成果层出不穷(表3)。从德国德贝莱纳的“三素组”到法国尚古多的“螺旋图”，从英国纽兰兹的“八音律”到俄国门捷列夫的“元素周期律”，元素周期律的发现史，充满了激情和曲折。元素周期律的探求者们不仅要求在自然界的奋斗中耗费精力，还要承受来自社会各方面的攻击和非难。在法国，尚古多的螺旋图受到巴黎科学院的冷遇。1862到1863年他先后把有关这方面的三篇论文、图表、模型送交科学院，均未被采纳。直到1889、1891年先后被翻译出版。在德国，迈耶尔的六元素表由于遭到非难，在当时也未能及时公布于世。在英国，纽兰兹在化学会上提交八元素表，不仅没受到欢迎，反而遭到嘲笑。

批判性思维的“阐释(interpretation)”技能的专家共识是“领会和表述各种经验、境况、数据、事件、判断、公约、信念、规则、程序或标准的意义或重要性”，其子技能包括分类、特征解码和阐明意义^[3]。1829年，德国的德博莱纳面对大量元素即看似无序可循的元素原子量，尝试根据数据之间的关系对元素进行“分类”(“阐释”技能的子技能之一)，根据元素相对原子量之间的关系把15种元素分为5组：锂钠钾、钙锶钡、磷砷锑、硫硒碲、氯溴碘，可以发现元素2的实际相对原子质量与元素1和元素3相对原子质量和的一半近似相等，而这看似不可思议的相似却将元素按照元素性质的相似性归为一类。例如“锂钠钾”都倾向在反应中失去电子体现还原性，“氯溴碘”的单质都倾向在反应中得到电子体现氧化性，这些在今天看来理所当然的结论在原子结构尚不明确的19世纪是很难做到的，德博莱纳的“三素组”是领会数据重要性基础上的成功“分类”(表4)。

如果说德博莱纳的“三素组”还是针对部分元素的归纳和分类，德国的迈耶尔对29个元素的分类则在分析(analysis)元素原子量的基础上进行了推理(inference)：迈耶尔认为元素性质是原子量的函数，提出包括29个元素的元素表，分为六类，同一类各元素的原子量差数相近(图1)。迈耶尔的元素表不仅在结论层面覆盖了德博莱纳的“三素组”，而且体现了批判思维的推理技能：“找出并夯实得出合理结论所需的因素；形成猜测和假设；考虑相关的信息，从数据、陈述、原理、证据、判断、信念、观点、概念、描述、疑问或其他表达形式中推导出结论”：迈耶尔做出的猜测和假设是“元素性质是原子量的函数”，在此基础上推导结论：“将已经发现的元素进行分类，同类元素的原子量差数相近”。这样的元素表(表5)离今天的周期表已经相差不多了，其中的每一个纵行均为原子最外层电子数相同的元素。

能在众多化学元素中寻找规律，形成形式各异的元素表，科学家们的批判思维技能水平是毋庸置疑的，为什么最先发现元素周期律的是俄国化学家门捷列夫，而不是同时期的迈耶尔、纽兰兹等，批判性思维习性的作用也是不可忽视的。

1866年，英国的纽兰兹提出了“八音律”(图1)：按原子量增加的顺序来排列元素，发现第八个元素同第一个元素的性质相似，相似元素的号数差数是7的整数倍。但纽兰兹在伦敦化学会上报告时，学会会长福斯德质疑道：为什么不按元素的字母顺序排列呢？面对这样的质疑，纽兰兹如果有充分的“推理自信”(confident in reasoning)，当即可以反驳，因为按照元素字母排序的结果分出来的组会呈现下述结果：B (硼)、Br (溴)、C (碳)、Cr (铬)、Cs (铯)……(部分元素当时还未发现)，而这些组内元素无论从结构特征和性质相似性角度都很难建立联系。

1869年，门捷列夫发现化学元素的性质随着原子量的增加而作周期的变化。别人只知道把性质相似的元素排列在一起，这是一种静止的分类，而门捷列夫则把化学性质虽然不同，但原子量相近的元素排在一起，从而使性质有别的元素能彼此连接起来。

门捷列夫的元素周期表(图2)与迈耶尔的元素表(表5)相比并没有过于突出的变化，所以门捷列夫的思想在最初也没有引起注意。但门捷列夫根据周期律预言了11种未知元素却是他人不及的贡献，图2中的一些短线(—)是门捷列夫为这些未知元素“预留”的位置，例如他预言在铝和铟之间的空位应该是未知元素“亚铝”的位置，预测的原子量与1875年法国的勒科克∙布瓦保德朗发现的镓元素非常一致，但比重略有差异，门捷列夫的预测值是5.9–6，而勒科克∙布瓦保德朗的计算结果是4.7，门捷列夫写信告之后，勒科克∙布瓦保德朗期初不信，后经反复计算果然是5.96。显然，门捷列夫对自己有充分的“推理自信”(confident in reasoning)，良好的批判思维习性让门捷列夫大胆地修改了一些元素的原子量，这些修改当时有些科学家不以为然，但是到1940年，门捷列夫预言的11种元素中，对9种元素原子量做出的修改都被证明是正确的。

小组之间的交流、讨论和反思的学习环境，既是影响学生批判性思维发展的重要因素，也是促进批判性思维发展的重要教学策略^[9]。此处的学习环境包括教学的情境，元素周期律的教学如果将其发展史以适当的方式呈现出来，可以促进学生批判思维技能和习性的习得。

途径：还原历史情境，以分组交流、辩论等形式习得批判思维。

角色设计：纽兰兹、福斯德、其他参会学者等。

活动形式：角色扮演——再现纽兰兹在伦敦化学会上的报告。

途径：合理审视科学家的成果，尝试开创性的发现。

教学素材：展示各时代的元素周期表。

活动形式：评价形式各异的元素周期表，分组设计新型元素周期表，并进行展示和讲解。

费希万曾提出两个批判性思维的培养途径：第一个方向是开展其他高品质的实验科学研究项目，例如基于问题的学习(PBL)是否在其他专业领域中同样有效；第二个方向是针对更深层次的哲学和跨文化问题，它们关涉人类批判性思维技能和习性在各种文化中的表现。对于当前的教育现实而言，发展学生批判性思维的重要策略在于鼓励教师要敢于创建更加开放的学习环境，让学生能够有更多的机会进行发言、交流、互动和反思，并通过更加开放的课堂学习行为，来获得思维的不断提升和改变^[10]。

创建问题解决的学习环境是最有效地实施互动，发展批判性思维的具体教学策略，科学发展史是物理、化学及生物等自然学科进行批判思维训练的重要素材和载体。通过分析科学史中的经典案例，培养学生的批判思维的同时提升教师自身的批判思维的水平，包括客观评价著名科学家的功与过，对一些重要理论的发展过程中经历的争论的分析，对重要科学史事件进行角色扮演的教学尝试等。

目前的科学教育中，批判思维的技能是予以强调的，例如在科学探究的教学过程中，学生会进行科学猜想或科学假设，然后设计相关的实验方案，最后在对实验结果分析的基础上得出相应的结论；而回顾科学发展史的过程中，众多科学家的批判思维技能并不缺乏(一般都处于较高水平)，其成就的取得与其的批判性思维习性水平是紧密联系的。如果能够从批判思维技能和习性结合的视角分析科学发展过程中科学家们的成功和不足，在习得科学知识本身(what we know)的同时更加了解知识从哪来(how we know)，对师生的批判思维水平的提升都会有不同程度的帮助。