HPS教育融入科學課程的國外研究成果簡介

郭小玲

(深圳中學,廣東 深圳 518001)

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HPS教育融入科學課程的國外研究成果簡介

郭小玲

(深圳中學,廣東 深圳 518001)

HPS教育是國際科學教育研究的一個熱點課題,影響著許多國家的科學課程改革．歐美國家對HPS教育能夠促進學生對科學本質的認識和提高科學教育質量達成了共識．我國的基礎教育課程需要HPS教育,而與一些西方國家積極提倡在科學教育中加入HPS教育相比,我國的相關研究較為缺乏．所以,梳理HPS教育融入科學課程的國外研究成果是有必要的,這為進一步研究HPS教育如何更好地融入我國科學課程從而提高科學教育質量鋪墊．

HPS教育;科學課程;科學本質

1 引言

HPS(History and Philosophy of Science)是科學史和科學哲學的簡稱．1989年第一屆科學史、科學哲學與科學教育國際會議(IHPST)的召開,使得科學史與科學哲學開始融合,并以HPS 教育的方式進入科學課程．隨后,HPS教育逐漸成為國際科學教育的重要課題之一,并對許多西方國家的科學課程改革產生了深遠影響,如美國的《2061計劃》《科學素養(yǎng)的基準》以及英國等國家的新科學課程都對HPS教育有明確要求．

HPS教育將科學史和科學哲學的內容融入科學課程,以促進學生對科學本質的認識、提高科學教育的質量．科學最早以形而上學的形式出現(xiàn)于古希臘,中世紀之后被稱為自然哲學,直到19世紀才被稱為“科學”,所以哲學是科學及科學研究的本體論基礎．[1]科學哲學關注的是人類的世界觀和科學觀,即“科學是什么”“科學的本質是什么”．美國等國家的科學教育標準文件對HPS教育有一些共性的要求,比如HPS教育要使學生理解科學本質的內涵,認識到科學是解釋自然現(xiàn)象的一種嘗試、科學知識具有相對持久性和暫定性、科學是一種社會活動、科學和技術相互影響、科學研究受科學家看待事物方式的影響等．[2]

近年來,國際上對HPS教育的研究不斷深入,并在理論和實踐層面取得了一定的成果．西方國家對HPS教育能夠促進學生對科學本質的認識和提高科學教育質量達成了共識．[3]研究表明,HPS教育不僅蘊含著科學知識的形成過程,還蘊含著科學家的創(chuàng)造性思維方式和科學方法,體現(xiàn)著科學態(tài)度和科學精神．HPS教育有助于學生理解科學概念、科學規(guī)律以及科學實驗．[4]

基于HPS教育對學生的積極影響,許多西方國家大力提倡在科學教育中加入科學史和科學哲學的內容.與之相比,我國的科學教育界對HPS教育的關注度不高,相關研究較為缺乏．在教學實踐中,如果教師僅將科學教育理解為科學知識的教育,過度關注科學的工具理性,忽視學生對科學內涵、科學與社會發(fā)展等方面的深刻理解,這將導致學生整體科學素養(yǎng)和學習能力不高,不滿足當今人才培養(yǎng)目標與方向．所以,我國的科學課程需要HPS教育的支持．基于此,梳理HPS教育融入科學課程的國外研究成果是有必要的,這為進一步研究HPS教育如何更好地融入我國科學課程從而提高科學教育質量鋪墊．

2 國外研究現(xiàn)狀

近年來,隨著國際科學教育界對HPS教育的研究不斷深入,HPS教育的理論基礎與實踐經(jīng)驗得到了一定的積累．現(xiàn)有的研究較為集中地體現(xiàn)了如下的特點．

研究HPS教育的科研團隊不斷壯大,跨學科、跨區(qū)域的合作性研究增多,例如2008年歐盟科研框架計劃委員會啟動了HIPST(History and Philosophy in Science Teaching)研究項目,該項目由來自7個歐盟國家以及以色列的研究人員參與,共10個研究小組開展研究;[5]參與每2年一屆的IHPST(International History, Philosophy and Science Teaching)國際會議的學者不斷增多,其中包括科學史、科學哲學領域的專家以及中小學教師等．此外,區(qū)域性的HPS會議(如拉丁美洲科學史、科學哲學和科學教學國際會議(IHPST-LA)等)和分學科的HPS會議(如生物學史、生物學哲學和生物學社會研究國際會議(ISHPSSB)等)也不斷增多．亞洲也在2012年首次舉辦了IHPST亞洲區(qū)域會議,[6]促進了亞洲地區(qū)的HPS教育的研究交流．

HPS教育的研究內容不再局限于理論層面,而是更多地關注在教育實踐中的運用．比如,巴西Marco Braga等研究者以HPS教育為視角,將物理課程和藝術課程進行整合,開發(fā)了一種溝通科學和人文兩種文化的新課程,并通過持續(xù)2年的教學實驗來檢驗其教學效果．該課程以亞里士多德物理—牛頓物理—愛因斯坦的近現(xiàn)代物理的發(fā)展為線索,關注于物理學大的變革所對應的世界觀的轉變,并且以不同時期的繪畫作品體現(xiàn)這種世界觀的轉變．[7]HIPST項目組堅持“HPS教育在科學教育的有效實施必須由特定的活動、知識和材料來支持”[8]的理念,專注于開發(fā)HPS教育的相關教學案例,并在教學實踐中運用這些案例,以改善HPS教育在科學教育中的實施現(xiàn)狀．[9]

合作型的案例研究模式逐漸受到重視與推廣．目前,美國、歐洲等國家的課題研究組,較多地采用案例研究的模式,以教學案例的開發(fā)與實施為任務主線,將科學史、科學哲學領域的專家和負責實施教學的一線教師聯(lián)合起來一起進行課程開發(fā),比如HIPST項目組的案例研究模式(如圖1所示)．合作型的案例研究模式,不同于傳統(tǒng)的“自上而下”的研究模式,傳統(tǒng)的研究一般由專家完成,再由教師推廣研究成果,它的主要問題是研究結果可能不容易被教師接受和實施．這種合作研究的方式從一開始就將教師納入課程開發(fā)工作中,從而保證研究結果的可行性．同時,課題研究也有助于提高教師的科學史與科學哲學知識、科學本質觀、教育理念以及教學能力,這為HPS教育的有效實施打下基礎．

圖1 HIPST項目組的雙周期案例研究模式[9]

HPS教育融入科學課程的教學方式,從傳統(tǒng)的以教師為中心的教學活動開始轉向以學生為中心的教學活動．以往國外教師通常通過課堂講授、談話或講座等形式,將科學史和科學哲學引入科學課程．較為經(jīng)典的教學模式是由英國學者孟克和奧斯本提出的,它包括6個教學環(huán)節(jié):演示、引出觀念、學習歷史、設計實驗、科學的觀念與實驗檢驗、評論和評估．[10]近年來這一教學模式在可行性以及強調知識本位等方面被部分研究者質疑．[9]實證研究表明,即使是教師嚴厲地批判“科學就是正確知識”的觀念,學生也不可能就這樣緊跟和接受教師的新科學觀而沒有質疑,[9]所以課堂講授、講座等以教師為中心的教學活動,并不能有效地發(fā)揮科學史和科學哲學對學生發(fā)展的積極意義,對“促進學生對科學知識和科學本質的理解水平”有一定的局限性．基于此,一部分國外研究者開始轉向以學生為中心的教學活動,并探索了多種教學方法,如探究教學、科學寫作、角色扮演、問題解決學習、反思性學習等．

HPS教育融入科學課程的教學方式,是指導如何開展HPS教育的重要依據(jù),對教學效果起關鍵作用,所以下面將從這一個視角,進一步梳理與總結HPS教育的國外研究成果．

3 HPS教育融入科學課程的教學方式

在課程學習中,學生為構建科學知識所經(jīng)歷的科學探究過程,與科學史上科學家所完成的科學探究過程有一定相似之處,所以將HPS教育通過探究教學的方式融入科學課程具有一定的可行性．當一個問題情境呈現(xiàn)給學生時,如果學生的疑問或觀點和過去的科學家一樣,他們將采取和科學家相類似的行動方案．所以,科學家的研究思路和研究方法可以作為學生探究性實驗活動的指南,科學家的實驗證據(jù)可以與學生的實驗結果作對比．這樣不僅能幫助學生從科學家所處的歷史背景出發(fā),理解科學家如何解釋實驗證據(jù)、如何創(chuàng)建知識,還能讓學生更好地理解科學家行為背后的價值觀和科學精神．

科學寫作指通過文字或圖表等方式呈現(xiàn)學生對科學及科學本質的理解,從而將學生的內在認知活動外顯．科學寫作從上世紀80年代開始被應用于HPS教育,許多西方國家的理科教材都專門安排了科學寫作欄目,如美國《科學探索者》在“原子和化學鍵”章節(jié)中,安排的科學寫作內容是“查閱科學家建立的其他原子模型,設想和這個科學家討論該原子模型的對話并寫成對話錄”．科學寫作的形式靈活多樣, Keys(1999)[11]將科學寫作分為實驗寫作、解釋性寫作、報告性寫作、傳記性寫作、說明性寫作5種類型．國外教學實踐表明,學生圍繞主題進行自由寫作來表達自己理解的科學知識、情感與態(tài)度，這不僅可以發(fā)展學生對科學知識的批判性思維,增進學生對知識間的聯(lián)結和邏輯性的反思,還能啟發(fā)學生的想象力與獨創(chuàng)力,有助于促進學生多方面的發(fā)展．

讓學生動手制作科學史上的一些重要的實驗儀器,這被Heering(2000)[12]以及HIPST項目組(2012)[9]等研究者證明是一種有效的將HPS教育融入科學課程的教學方式．復制的實驗儀器能集中體現(xiàn)科學家的實驗設計理念、實驗結果以及科學理論的解釋功能.這給學生提供了機會來洞察過去科學家的科學活動,例如,卡文迪許和庫倫的扭秤實驗裝置體現(xiàn)了在沒有測力計的年代,科學家是如何將“作用力大小的比較”等效轉化為“懸絲扭轉角度的幾何量比較”．復制的實驗儀器還可以有效地說明科學實驗的程序性、情景性和偶然性,[13]并促使學生形成“科學知識具有暫時性、科學依賴實驗證據(jù)、科學觀點受社會和歷史環(huán)境的影響”等關于“科學是什么”的認識．

另一個被證實有效的教學方式,是讓學生扮演科學家角色,參與到科學史的特定事件中．McSharry和Jones(2000)[14]提出3種將角色扮演應用于科學課堂的方式:隱喻式角色扮演、模仿式角色扮演、類比式角色扮演．隱喻式角色扮演發(fā)揮了科學史的解釋學功能,它要求學生必須分析和評價一個科學史情境(比如兩派科學家的爭論),從而讓科學事件、科學家的心路歷程和科學觀念重新具體化．一般地,教師先通過講故事、多媒體展示等方式介紹歷史背景信息,然后學生在此基礎上設計一系列的故事情節(jié)來展示科學事件,最后由師生共同對活動進行評價．模仿式角色扮演主要讓學生模仿科學家做科學實驗．Hart等研究者發(fā)現(xiàn),[15]如果學生只是按教材提供的步驟操作、僅需較少的思考就完成實驗,他們的探究能力等科學素養(yǎng)將得不到充分發(fā)展．模仿式角色扮演強調讓學生模擬科學家設計實驗、操作實驗和分析實驗,可以盡量避免上述菜譜式實驗的不足．盡管學生不可能完全模仿科學家的探究活動,但是他們能從這種角色扮演中體會科學家工作以及科學探究的本質,并看到自己與科學家解決問題的區(qū)別．類比式角色扮演指教師將科學史作為類比的實例,引導學生類比科學家的思考方式來構建科學知識,如類比科學家建立“速度”概念的思路,提出“功率”的定義．

HPS教育除了能融入新課教學之外,還可以應用于問題解決教學中．Coelho(2013)[4]以斜面問題、單擺問題等經(jīng)典力學問題為例,探討了如何將HPS教育融入到問題解決教學中．教師先簡要講解這些物理問題的現(xiàn)代解法,即運用牛頓第二定律、基于力學概念的解決策略,再重點分析該問題在17、18世紀的解決策略,即直接通過分析加速度而不涉及重力和牛頓運動定律等力學知識的解決策略,然后要求學生討論這些不同解決策略的相同點和不同點,進而評價問題解決策略．研究指出,如果學生的學習難點來源于科學理論本身(如重力、重量、質量等容易混淆的概念或慣性質量和引力質量是否相等之類的爭論),那么教師可以通過展示過去科學家們如何不運用相關科學概念、卻同樣解決問題并得出相同結論的過程,來幫助學生更深層次地理解科學知識和問題情境,從而將理論學習和問題解決更好地聯(lián)系起來．

隨著研究的不斷深入,越來越多研究者從反思性學習和元認知的視角,來探索HPS教育融入科學教育的方式．[16]如果教師僅僅給學生展示科學史而不引導學生反思科學的一般性問題,可能只是讓學生知道幾個科學家名字或歷史故事,并不能有效地促進學生對科學本質的理解．即使是讓學生與科學家一起親身體驗科學探究工作,學生的科學本質觀也沒有顯著性變化．[17]所以,HPS教育需要專門設計一些反思性學習活動,來落實學生對科學及科學本質的反思．例如,在學生學習海森堡不確定原理時,教師可以通過展示愛因斯坦等科學家對這一原理的爭論,引導學生思考“證偽與證實的關系”“直覺和想象對科學研究的影響”．比如,當學生閱讀了一封科學家的信件后(在信中,科學家描述了他如何完成研究工作,但是社會因為質疑他的實驗儀器而懷疑研究結果),教師可以配合“得出科學觀點所需的實驗儀器有什么特征”“證據(jù)與科學結論之間的關系”等反思問題,來引導學生反思“科學”和“科學的本質”．這類的反思性學習活動,通過引導學生就課堂中出現(xiàn)的科學史和科學哲學的一般性問題作些探討,從而解決從具體的課堂活動升華到抽象化的科學本質觀念之間的過渡問題．

將HPS教育融入物理等科學課程以提高教育質量,是近年來國際科學教育研究的一個前沿性課題,是科學教育的一個發(fā)展趨勢．不斷積累的教育研究成果對歐美國家的科學課程改革產生了積極影響,如美國的《國家科學教育標準》(1996)明確將“科學史與科學本質”規(guī)定為科學素養(yǎng)的核心內容之一、英國“國家科學課程”(1988)要求HPS教育占總科學課程的5%左右、荷蘭PLON課程和挪威的核心課程等都將HPS教育納入科學課程標準．而且歐美國家對HPS教育的課程要求基本是多層次的,隨著年級的增長而深化．我國的科學課程標準(以《普通高中物理課程標準(實驗)》為例),對物理學史等內容標準有一定的描述,但并未將HPS教育和對科學本質的理解作為課程顯性目標進行要求．而且在教學實踐中,部分教師過于關注科學的工具理性、強調知識本位、對科學本質內涵的關注度不夠.這樣將不利于學生核心素養(yǎng)的全面發(fā)展．所以,深入研究HPS 教育有助于推動我國科學教育的改革．借鑒國外經(jīng)驗將HPS教育與我國教育背景相結合進行本土化研究,這是必要的且有意義的．

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本文系深圳市教育科學“十三五”規(guī)劃課題“將HPS 教育融入中學物理教學的理論與實踐研究”(課題編號:ybfz16135)的階段性研究成果．

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