科學(xué)過程視野下HPS融入初中科學(xué)教學(xué)的案例研究

● 顏石珍

科學(xué)過程視野下HPS融入初中科學(xué)教學(xué)的案例研究

● 顏石珍

科學(xué)教學(xué)改革應(yīng)回歸到“原點”——科學(xué)過程。本文在科學(xué)過程視野下，以《光合作用》為例，探討HPS的應(yīng)用之道：演示現(xiàn)象；引出觀念；學(xué)習(xí)歷史；設(shè)計實驗、呈現(xiàn)科學(xué)觀念和實驗檢驗；總結(jié)與評價。

HPS；科學(xué)教學(xué)；科學(xué)本質(zhì)

HPS是科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)（History Philosophy and Sociology of Science)的縮寫詞。HPS融入科學(xué)教學(xué)是指把科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)的有關(guān)內(nèi)容融入科學(xué)教學(xué)，以提高科學(xué)教育的質(zhì)量，并將科學(xué)本質(zhì)觀凸顯在教學(xué)中，使學(xué)生更好地把握科學(xué)本質(zhì)，知道科學(xué)究竟是什么，科學(xué)知識是怎樣產(chǎn)生的，科學(xué)在社會發(fā)展和進(jìn)步中的作用是什么，科學(xué)和科學(xué)方法的局限性等等，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。將HPS融入科學(xué)教學(xué)可以發(fā)展學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，使學(xué)生建構(gòu)科學(xué)知識，體驗科學(xué)方法，感受科學(xué)精神。這無疑會使科學(xué)課堂更加充滿活力，讓學(xué)習(xí)更加精彩。本文擬在科學(xué)過程視野下，以《光合作用》為例，探討HPS的應(yīng)用之道。

一、科學(xué)教學(xué)改革的“原點”——科學(xué)過程

長期以來，由于受“應(yīng)試教育”的影響，我國科學(xué)教育存在不少問題，許多學(xué)者進(jìn)行過反思，并將其概括為：重理論輕實驗，重結(jié)論輕過程，重知識輕能力，重模仿輕創(chuàng)造。[1]就當(dāng)前的科學(xué)教育實踐而言，這種概括無疑是十分正確的。為改善這一現(xiàn)狀，科學(xué)教育改革勢在必行?；诮ㄔO(shè)性后現(xiàn)代主義觀點，科學(xué)教育改革回歸“原點”是我們所持有的主體思想。原點就是事物的本質(zhì)，即原型或原創(chuàng)，是一個文化積淀和生成的核心，它與環(huán)境和歷史的人文心理積淀相通暗合，它在漫長的歷史進(jìn)程中逐漸形成了文化凝聚起來的原型結(jié)構(gòu)。[2]因此，原點問題的本質(zhì)內(nèi)涵是文化生成和更新的那種原始的力量，它起到對倫理、道德、宗教、習(xí)俗、制度、禮儀、藝術(shù)和審美等多種形式的規(guī)范。通過考察文化史發(fā)現(xiàn)，人類文化的基本發(fā)展走向就是從“原點或原創(chuàng)”的文化萌發(fā)時期進(jìn)入到文化生成和變異的整體發(fā)展與共建的時代。

追問科學(xué)教育本身，其改革的“原點”何在呢？我們試圖從不同專業(yè)領(lǐng)域的大家思想“共鳴”處尋找答案。

恩格斯說：“世界不是既成事物的集合體，而是過程的集合體?！盵3]英國數(shù)學(xué)家、教育理論家、過程哲學(xué)家懷特海在其巨著《過程與實在》中把恩格斯思想進(jìn)一步發(fā)展為：過程是事物的根本存在形式，世界的本質(zhì)就是過程的存在，即過程就是實在、實在就是過程。美國哲學(xué)家、教育家杜威在論述“教育即生長”主題時也曾說到：“教育過程是一個不斷改組、不斷改造和不斷轉(zhuǎn)化的過程。”[4]還有，美國社會學(xué)家、科學(xué)學(xué)專家李克特更是從多維視角有力地證明了“科學(xué)是一種文化過程”，并富有創(chuàng)見性地提出：“科學(xué)暫且被定義為一個過程，或一組相互關(guān)聯(lián)的過程；通過這個或這組過程，我們獲得了現(xiàn)代的、甚至是正在變化中的關(guān)于自然界（包括無生命的自然界、生命和社會在內(nèi)）的知識。通過這個過程獲得的知識可以被稱為是‘科學(xué)的’，而且在某個時期被認(rèn)為是科學(xué)的知識很有可能在以后的日子里被認(rèn)為是過時的。”[5]

從思想大家們的論述中不難體悟，他們暢談問題的角度雖有不同，例如恩格斯和懷特海強(qiáng)調(diào)事物內(nèi)在的有機(jī)聯(lián)系、杜威從教育實踐經(jīng)驗出發(fā)、李克特基于文化視角，但作為一種共同的賦有遠(yuǎn)見的睿智探索，都把著眼點投向了復(fù)雜、豐富而又奇妙、無窮的“過程”問題。注重結(jié)果更強(qiáng)調(diào)過程，這雖對傳統(tǒng)的理論視野提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，卻給我們的科學(xué)教育改革帶來了啟示和指引，從而回答了上面提出的問題，即科學(xué)教育改革的“原點”應(yīng)是科學(xué)過程。事實上，在當(dāng)前國內(nèi)外的科學(xué)教育改革實踐的不斷努力下，科學(xué)過程作為科學(xué)教育改革的“原點”問題，雖不明晰，但已凸現(xiàn)。例如，科學(xué)探究已成為當(dāng)今科學(xué)教育的基本理念和思想，這是國際上專家們達(dá)成的共識并給予高度評價。在美國《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》所描述的預(yù)想狀態(tài)下，探究比“作為過程的科學(xué)”又前進(jìn)了一步，學(xué)生在探究的過程中可以學(xué)到各種技能，例如觀察、推論和實驗。新的預(yù)想狀態(tài)包括“科學(xué)的過程”，它要求學(xué)生在進(jìn)行科學(xué)推理和批評性思維時把過程和科學(xué)知識結(jié)合在一起。[6]我國《科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（包括綜合和分科科學(xué)）中也明確提出，科學(xué)探究的主要目標(biāo)是使學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)探究的思想，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究所需要的能力，增進(jìn)對科學(xué)探究方法和過程的理解。[7]

由上論述得出，科學(xué)教育改革回歸到“原點”——科學(xué)過程，科學(xué)教育將被賦予新的內(nèi)涵和使命：習(xí)得科學(xué)知識是科學(xué)教育的根基，而形成良好的科學(xué)素質(zhì)才是科學(xué)教育之魂，即讓學(xué)生在參與、體驗和享受科學(xué)過程中習(xí)得多種適應(yīng)生活的能力，以及對科學(xué)問題做出明智的判斷和選擇，從而成功地解決問題并加以自主創(chuàng)新。而將HPS融入科學(xué)教學(xué)，其目的即在于此。

二、科學(xué)過程視野下HPS融入初中科學(xué)教學(xué)的一個案例

（一）演示現(xiàn)象

多媒體演示：一粒種子經(jīng)萌發(fā)生長到長成參天大樹的過程。教師提出植物生長的養(yǎng)料究竟是從哪里來的問題讓學(xué)生思考。學(xué)生根據(jù)書本知識或已有經(jīng)驗可能知道植物的生長和光合作用有關(guān)，那么光合作用中的條件和過程是怎么樣的？科學(xué)家是如何一步步研究得到光合作用的過程的？從問題出發(fā)，促使學(xué)生產(chǎn)生探究的強(qiáng)烈欲望?？茖W(xué)離不開對現(xiàn)象的觀察，從現(xiàn)象出發(fā)提出問題，科學(xué)的產(chǎn)生也來源于問題的提出。愛因斯坦說過，提出問題比解決問題更重要。

（二）引出觀念

教師引導(dǎo)學(xué)生就上述有關(guān)光合作用問題說出自己的看法并提出證據(jù)支持自己的觀點，激發(fā)學(xué)生的積極地和創(chuàng)造性地思考。收集學(xué)生的觀點如下：

●植物白天進(jìn)行光合作用，吸收二氧化碳，放出氧氣；晚上進(jìn)行呼吸作用，吸收氧氣，放出二氧化碳，所以植物白天不會吸收氧氣。

●因為土壤中養(yǎng)分不足，所以植物才需要進(jìn)行光合作用。

●光合作用需要二氧化碳嗎？產(chǎn)物是淀粉和氧氣嗎？

●是不是植物體的任何葉片都能進(jìn)行光合作用呢？

教師不對觀點進(jìn)行評價。

（三）學(xué)習(xí)歷史

科學(xué)知識是植根于社會和文化背景中的，不同歷史時期，科學(xué)家的觀點也不一樣，不同的人對于同一現(xiàn)象也會有不同的觀點?？茖W(xué)知識也是暫定性的。

亞里士多德根據(jù)動物的生長來源是食物而提出觀點：植物生長來源應(yīng)該是土壤。給學(xué)生提供科學(xué)史料，引導(dǎo)學(xué)生討論或探索這些觀念產(chǎn)生的背景和條件，幫助學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)認(rèn)識的時代制約性，重點突出科學(xué)家研究的過程和方法。結(jié)合科學(xué)史中幾個著名的實驗引導(dǎo)學(xué)生思考討論并歸納這些科學(xué)家關(guān)于光合作用的探究歷程（表1）。

表1 科學(xué)家光合作用的探究歷程

此外，還可以補(bǔ)充英格豪斯通過實驗證明綠色植物只有在光下才能凈化空氣。他還發(fā)現(xiàn)光照下的綠色植物能夠釋放氣體，這種釋放氣體的能力在夕陽西下是降低，日落后完全停止，進(jìn)而得出綠色植物進(jìn)行光合作用需要光。還可以補(bǔ)充說明恩吉爾曼用水綿和好氧細(xì)菌證明氧氣是由葉綠體釋放出來的等相關(guān)研究。

（四）設(shè)計實驗、呈現(xiàn)科學(xué)觀念和實驗檢驗

全班分組后，引導(dǎo)學(xué)生要從多種多樣的觀點中選擇某種觀點進(jìn)行實驗設(shè)計，證明自己的觀點和科學(xué)家的觀點。如設(shè)計證明光合作用的產(chǎn)物主要是淀粉；實驗證明光合作用需要光和葉綠體；證明光合作用的原料之一是二氧化碳；證明光合作用釋放氧氣等。這一環(huán)節(jié)能激發(fā)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)身處地地體驗科學(xué)家的思考和探究，同時理解對同一自然想象科學(xué)家會有不同的解釋。

教師講解光合作用過程，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步明確光合作用過程中物質(zhì)的變化。如果學(xué)生還有自己的觀點與當(dāng)前的科學(xué)概念不一致，就需要引導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計實驗檢驗，由實驗現(xiàn)象的觀察、資料的收集與整理，最終得出結(jié)論，形成科學(xué)觀念，即實現(xiàn)由原有的錯誤觀念向科學(xué)觀念的轉(zhuǎn)變。例如，有學(xué)生認(rèn)為葉子的任何部位都能進(jìn)行光合作用，為了消除學(xué)生這一迷思概念，可以讓學(xué)生利用銀邊吊蘭進(jìn)行對比實驗，從而幫助學(xué)生明白葉綠體是光合作用的場所。也有學(xué)生認(rèn)為植物在晚上進(jìn)行呼吸作用，吸收氧氣，而在白天只進(jìn)行光合作用放出氧氣，不會進(jìn)行呼吸作用放出二氧化碳。這可以讓學(xué)生做測量白天綠色植物呼吸作用釋放二氧化碳的實驗，從而促使學(xué)生認(rèn)識到綠色植物白天也能進(jìn)行呼吸作用。

（五）總結(jié)與評價

引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)歸納：討論科學(xué)家關(guān)于光合作用的探究過程的內(nèi)容、方法的歷史意義與局限性，如海爾蒙特的實驗結(jié)論完全正確嗎？從植物生活環(huán)境的角度分析植物生長需要的物質(zhì)來源，還應(yīng)該考慮什么因素？當(dāng)人們重復(fù)普利斯特利的實驗時，有的獲得成功，有的卻失敗，甚至有時發(fā)現(xiàn)植物還會更嚴(yán)重地污染空氣。為什么學(xué)者們會得到不同的實驗結(jié)果呢？光合作用的內(nèi)容是什么？有關(guān)光合作用還有什么問題？僅僅通過上述的幾個實驗?zāi)芊窠沂竟夂献饔玫臋C(jī)制？其實還有更多的科學(xué)家繼續(xù)探究光合作用的機(jī)制。

HPS融入科學(xué)教學(xué)，上述的五個步驟可以完整地呈現(xiàn)，也可以著重體現(xiàn)學(xué)習(xí)歷史、科學(xué)觀念和檢驗這兩個環(huán)節(jié)，這樣也能很好地體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)。科學(xué)家的探究過程蘊含了科學(xué)的發(fā)展歷程。而且歷史上也會出現(xiàn)錯誤的觀念。經(jīng)過科學(xué)家的不斷探索和歸納總結(jié)，使新的科學(xué)概念被人們接受，能更好地解釋自然。很多經(jīng)驗性研究證明學(xué)生對科學(xué)的認(rèn)識過程會重述科學(xué)知識發(fā)展過程的某些特征，而且學(xué)生對一些科學(xué)概念的錯誤認(rèn)識，同古代科學(xué)家或哲學(xué)家的認(rèn)識相似。如果教師可以預(yù)期學(xué)生可能存有的先前概念，及學(xué)習(xí)上可能遭遇的困難。那么利用科學(xué)史的學(xué)習(xí)可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行批判思考，有利于建構(gòu)更成熟的科學(xué)概念。

三、實踐反思

為了更有效地把HPS教育融入到科學(xué)課堂教學(xué)中，筆者認(rèn)為：

對科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)應(yīng)該是顯性教學(xué)而不是隱含在教學(xué)過程中，也就是需要教師詮釋和科學(xué)本質(zhì)相關(guān)聯(lián)的內(nèi)容；

這種教學(xué)法并不適用于所有內(nèi)容。另外教師需要選擇利用科學(xué)史教學(xué)不是還原前人的科學(xué)研究全過程，而是對發(fā)現(xiàn)過程中的難點進(jìn)行一定程度的簡化。將HPS融入科學(xué)課堂教學(xué)，要有目的，適時適度，對于不同內(nèi)容應(yīng)以不同的教學(xué)方式以體現(xiàn)HPS的教育價值；

將HPS融入科學(xué)教學(xué)中并不需要一次就體現(xiàn)很多方面的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容，要根據(jù)教材內(nèi)容和學(xué)期計劃逐步滲透。

[1]郭玉英．從傳統(tǒng)到現(xiàn)代——綜合科學(xué)課程的發(fā)展[M]．北京：北京師范大學(xué)出版社，2002.116．

[2]詩哲魂．世界跨文化傳播的若干理論問題，博客網(wǎng)思想評論專題http://column.bokee.com/67580.html．略有修改．

[3]馬克思恩格斯選集（第 4 卷）[M]．北京：人民出版社，1995.244．

[4][美]杜威.杜威教育論著選[M]．趙祥麟、王承緒編譯．上海：華東師范大學(xué)出版社，1981.154．

[5][美]李克特.科學(xué)是一種文化過程[M]．顧昕、張小天譯．北京：三聯(lián)書店，1989.3．

[6][美]國家研究理事會.國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)[M]．北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1999.127．

[7]教育部.科學(xué)（7-9年級）課程標(biāo)準(zhǔn)[M]．北京：北京師范大學(xué)出版社，2003.11.

顏石珍/杭州市文海實驗學(xué)校

（責(zé)任編輯：劉 明）