科學論證取向的HPS教學設計

張健峰 李欽妍 陸國志

摘要：以“苯分子的結構”為教學內容，將科學論證與HPS教育模式有機融合，分別對圖爾敏論證模型和HPS模式進行了改進。應用“顯性”科學本質教學方式，融合HPS教育模式引導學生開展科學論證，使學生在獲得知識的同時能夠增強對科學本質的理解。

關鍵詞：HPS模式;科學論證;苯分子的結構;“顯性”科學本質

文章編號：1008-0546（2022）03x-0041-05??? 中圖分類號：G632.41??? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03x.010

一、相關概念解讀

“顯性”科學本質教學

科學本質是科學教育目標的重要組成部分，它主要包括“科學是什么？“科學能做什么？”和“科學是怎樣發(fā)展的？”三個方面?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版，2000年修訂）》在教學策略中多次提到了要從化學史和現(xiàn)代科學技術發(fā)展兩個角度精選教學素材，以促進學生對科學本質的理解[1]。目前在基礎教育領域中，研究和應用最多的科學本質是萊德曼提出的關于科學本質的七個方面的理解：（1）科學知識需要基于觀察和推理獲得，觀察和推理存在區(qū)別;（2）科學知識的理論負載性;（3）科學理論和定律的區(qū)別;（4）科學知識的創(chuàng)造性和想象力;（5）科學知識的社會和文化嵌入性;（6）科學方法的多樣性;（7）科學知識的暫定性[2，3]?！帮@性”科學本質教學方式是指在教學過程中，教師有意識地通過提問和講解科學本質內涵來促進學生對科學本質的理解。研究表明，顯性科學論證教學能夠有效地提高學生對科學本質的認識[4]。

2.圖爾敏科學論證模型

科學論證是科學實踐的一種，科學論證的重要價值之一就是促進學生對科學本質價值的理解?？茖W論證是指基于資料，提取證據(jù)，得出結論的“證據(jù)推理”式科學活動，采取科學論證進行教學，有助于培養(yǎng)學生“證據(jù)推理與模型認知”的化學學科核心素養(yǎng)。目前研究最廣泛的論證模式是圖爾敏論證模型（TAP），其主要包括資料、根據(jù)和主張三個要素，完整模式還包括限定、支援和反駁[5]。

3.HPS教育模式

HPS是科學史、科學哲學和科學社會學的簡稱，英國的奧斯本和孟克最早提出將其與建構主義相結合，建立了科學教育領域中新的教育范式[6]。HPS教育模式包含六個教學步驟：（1）提出問題;（2）引出概念;（3）學習歷史;（4）設計實驗;（5）呈現(xiàn)科學概念與實驗檢驗;（6）總結與評價[7]。吳晗清認為以上的教育模式在對化學史的處理和化學史與社會的發(fā)展之間存在著諸多問題，提出了改進的HPS教育模式[8]。本文將改進的HPS教育模式與科學論證相融合，使用的HPS教育模式分為四個步驟：（1）社會熱點，創(chuàng)設情境，引出概念;（2）回溯歷史，科學論證，學習概念;（3）體會歷史，科學論證，深化概念;（4）總結歷史，回歸社會，深化評價。

HPS教育模式既可以為科學論證提供論證資料，也可以從科學史的角度為科學論證提供“支援”和“反駁”。筆者在嘗試將科學論證融入到HPS教育模式中將圖爾敏論證模型進行了改進，如圖1所示，改進后的論證模型體現(xiàn)了論證資料的來源主要為科學史實，學生可以帶著問題去分析科學史，學習科學概念。

搜索有關苯的教學設計，基本都應用了化學史實進行教學，但沒有發(fā)掘化學史背后的科學本質內涵[9-11]，“苯分子的結構”一課吸收其中的優(yōu)點，將化學史實的呈現(xiàn)系統(tǒng)化，融合“顯性”科學本質與論證相結合的方式提升學生對科學本質的理解。

二、“苯分子的結構”教學過程

1.教學設計背景

從教學內容的角度看，課程標準在內容要求中提到了“要以苯分子結構為例討論碳原子的成鍵方式”，通過對新舊教科書的對比分析可知，新教材在必修階段中降低了對“苯”的化學性質的要求，只需學生掌握苯分子的結構特點。雖然關于苯的教學內容減少了，但是在“科學史話”欄目中依然有關于苯的結構的資料。由此可見，通過化學史來講授苯的分子結構具有一定的可行性。

從學情的角度看，學生已經(jīng)學習了甲烷，乙烯等簡單的有機化合物以及它們的化學性質，具備一定的有機化合物的結構理論基礎，能夠獨自寫出有機化合物的結構簡式，也就具備了提出主張，闡述證據(jù)的前提條件。苯分子中碳原子的成鍵方式與以往有所不同，對于沒有學習過雜化軌道理論的學生來說理解大π鍵具有一定的困難，呈現(xiàn)科學史實有利于學生理解科學家們對這一特殊化學健的認識發(fā)展歷程。

綜上所述，苯分子的結構一課背后蘊含著豐富的科學史料素材，認識苯分子的結構有利于學生了解碳原子成鍵方式的多樣性，能夠更好地幫助學生完成碳原子成鍵方式的知識銜接。無論是從知識本身的視角還是從史實背后的科學本質視角，學習苯分子結構的發(fā)展史都是很有必要的。

2.教學目標

本節(jié)課的教學目標是以苯分子結構的發(fā)展史為內容載體，以苯分子內存在大π鍵為知識載體，以科學論證為學習方法，促進學生對科學本質的理解。故將本課的教學目標設計為：

（1）通過對苯分子結構發(fā)展歷程的學習，認識有機化合物中碳原子成鍵方式的多樣性。

（2）通過科學家對苯分子結構的探究歷程，體會科學知識的暫定性和理論負荷性。

（3）通過科學論證苯分子的結構，體會科學方法的多樣性，明確觀察和推理的區(qū)別。

（4）通過討論分析“苯”對生活的利與弊，體會科學知識的社會和文化嵌入性。

3.教學思路

本節(jié)課以HPS為教學模式，以化學史實為教學內容，以顯性科學本質和科學論證結合的教學方式，講授科學本質內涵，教學思路如圖2所示。

4.教學流程

（1）社會熱點，創(chuàng)設情境，引出概念

【新聞展示】疫情期間，美國在線藥局抽檢美國干洗手液，結果發(fā)現(xiàn)，某些干洗手液“苯”的含量超過聯(lián)邦食品暨藥物管理局的安全限制高達八倍。苯是一種劇毒的物質，長期大量接觸會對人體造成不可逆的傷害。

【教師講解】苯只會對社會和人們造成損害么？其實人們在剛剛發(fā)現(xiàn)“苯”的時候，苯分子一度成為“明星分子”，關于它的結構也曾成為化學界研究的焦點。今天讓我們轉換為科學家的身份，重新探究苯分子的結構。

設計意圖：疫情期間，洗手液是個人防護的必需品，而洗手液中如果含有過量的有毒成分則會起到相反的效果。選擇以上社會熱點問題，創(chuàng)設真實的教學情境，引發(fā)學生對苯及苯的結構的思考，進而思考化學物質對人類社會的利與弊。

（2）回溯歷史，科學論證，學習概念

【歷史呈現(xiàn)】（資料1）在1825年左右，倫敦開始使用煤氣來照明。在煤氣的生產(chǎn)過程中，除了這種大量的可供照明用的氣體以外，還留下了一種油狀的液體，法拉第對此產(chǎn)生了極度濃厚的興趣，他從中分離出了一種固定組成為含碳量為92.3%，含氫量為7.7%的有機化合物。他把這種化合物叫做“氫的重碳化合物”。在有機化學正確的分子概念和原子價概念建立之后，法國化學家日拉爾等人又確定了苯的相對分子質量為78，推出分子式為C₆H₆。苯分子中碳的相對含量如此之高，使化學家們感到驚訝。如何確定它的結構成為當時科學家們共同面對的問題。

【教師提問】我們已經(jīng)學習了甲烷和乙烯，知道了每個碳原子周圍有四個化學鍵，請同學們依據(jù)資料1，嘗試寫出你所猜想的苯分子的結構式或結構簡式。

【學生猜想】（提出主張）

CH₂=CH-C≡C-CH=CH₂，

CH₃-C≡C-C≡C-CH₃，

CH≡C-CH=CH-CH=CH₂……

【教師引導】你是憑借什么寫出你所猜想的結構式呢？在這個過程中有沒有發(fā)揮你的創(chuàng)造力和想象力呢？

【學生解釋】（闡明根據(jù)）每個碳原子有四價，氫原子越少，碳碳雙鍵或三鍵就越多。在這個過程中我根據(jù)之前學習的烯烴知識加上自己想象提出了猜想。

【歷史呈現(xiàn)】（資料2）隨著科學家們對苯的深入研究，1860年左右，科學家們發(fā)現(xiàn)苯在鐵粉的存在下能與液澳發(fā)生取代反應，但是取代產(chǎn)物只有一種。

【教師引導】同學們，資料2說明了什么，讓我們來看看誰的猜想符合資料2提供的信息。

【更正猜想】（限定后主張）說明了苯分子中只有一種類型的氫原子，那么只有CH₃-C≡C-C≡C-CH₃有一種氫原子。

【驗證猜想】（提出反駁）碳碳三鍵和碳碳雙鍵一樣，都可以使酸性高錳酸鉀溶液和澳水褪色，苯分子可以么？

【實驗驗證】苯?jīng)]有使酸性高錳酸鉀溶液褪色，也沒有使濱水褪色，但是苯萃取了澳水中的澳單質。

【教師引導】在以上的實驗中你觀察到了什么？通過你的觀察還推理得出了什么結論？觀察和推理是否存在著差別？

【同學回答】（論證證偽）通過觀察實驗現(xiàn)象可以得知，苯并沒有和酸性高錳酸鉀溶液與澳水反應，推理得出苯中并不存在著碳碳三鍵或碳碳雙鍵，我們的猜想是錯誤的;還觀察到苯可以萃取澳水中的澳，推理得到苯的密度要小于水。觀察是對現(xiàn)象的直接客觀描述，推理需要對現(xiàn)象做出原理性解釋。

設計意圖：展示苯的發(fā)現(xiàn)歷程的化學史實，提供驅動性問題和必要的教學指引，引導學生主動開始論證，從分析資料，提出主張，到提出反駁和驗證主張，學生都可以利用所學知識進行科學論證，通過科學實驗現(xiàn)象分析觀察和推理科學的本質。

（3）體會歷史，科學論證，深化概念

【歷史呈現(xiàn)】（資料3）1861年，奧地利中學教師洛希米特在私下出版的《地理描述中的有機化學結構公式》一書中提及苯有可能是一種環(huán)狀結構，洛希米特也曾經(jīng)成功地表示了烯丙基，丙烯和環(huán)丙烷等物質結構，也是第一個正確地表示雙鍵和三鍵結構的科學家。洛希米特的猜測為后人研究苯分子的結構提供了新思路[12]。

【教師引導】通過材料我們可以看出，盡管洛希米特只是一個中學教師，但是他對有機化學的貢獻不容小覷。那么我們嘗試從洛希米特的角度再次猜想一下苯的結構吧。

【歷史呈現(xiàn)】（教師講解）有一位科學家和大家提出了相同的猜想，他就是曾提出“碳鏈理論”的凱庫勒，凱庫勒1847年進入吉森大學學習建筑，在學習過程中受到了李比希的影響而把注意力轉向化學。他曾是杜馬、熱拉爾和威廉姆遜的學生，長期進行有機化學的研究。凱庫勒認為，苯可能是一個很穩(wěn)定的“核”，1865年凱庫勒首次滿意地寫出苯的結構式，1866年他畫了一個有單、雙鍵空間模型的草圖，如圖3 所示，這與大家現(xiàn)在猜測出來的結構是等價的[13]。凱庫勒說自己想出環(huán)狀結構是由于做了一個夢，夢到一條蛇突然咬到了自己的尾巴，一直在眼前旋轉。大家想一想凱庫勒提出自己的猜想完全是偶然的么？其中有沒有自己想象的成分在呢？這能否說明科學家所具備的其他知識會對科學概念的解釋以及科學理論的提出產(chǎn)生影響呢？

【學生思考】凱庫勒猜想出苯的環(huán)狀結構既是偶然的也是必然的，雖然有可能是夢給了他提示，但是這也和他最初學習的建筑學知識和長期研究有機化合物的經(jīng)歷有關。

【學生思考】（提出反駁）這種單雙鍵交替的結構理論上也可以使酸性高錳酸鉀和濱水褪色，但實際上并沒有，凱庫勒的猜想也是錯誤的么？

【教師引導】沒錯，盡管凱庫勒提出了苯分子為單雙鍵交替的結構，但是仍然無法解釋苯與高錳酸鉀和澳水的反應?，F(xiàn)代科學研究表明苯的鄰位二元取代物只有一種，這又說明了什么呢？

【確定猜想】（修正主張）這說明苯分子的六個碳

設計意圖：利用關于發(fā)現(xiàn)苯的結構的真實史實，幫助學生突破論證難點。應用顯性科學本質的教學方法引導學生正確分析凱庫勒提出苯的正確結構的化學史實，使學生能夠認識到科學知識的理論負荷性，科學方法的多樣性以及科學知識的社會和文化嵌人性。

（4）總結歷史，深化評價，回歸社會

【總結歷史】從法拉第發(fā)現(xiàn)苯，一直到科學家利用現(xiàn)代科學技術觀察到苯的真實結構。在這一漫長的過程中，有許多科學家投身于苯分子的結構研究，最終結果的呈現(xiàn)是所有科學家共同努力的結果。在這個過程中，人們對苯的結構認知是逐漸遞進的，這也說明科學知識在一定時期內是具有暫時性的。

【教師引導】我們在這節(jié)課上課時就說明了苯對人體有害，其實化學對人類的影響通常是利弊共存的，在有關苯的化合物中，我們提到的并五苯分子就有很大的科技價值。

【科技前沿】近日，材料學家開發(fā)出了可以應用于健康檢測的柔性類皮膚材料，它可以檢測穿戴者的心率等生命特征，并且這種柔性皮膚已經(jīng)應用于檢測冠狀病毒。最早研發(fā)出這類材料的科學家是來自東京大學的染谷隆夫，他率領團隊開發(fā)出一種由并五苯有機半導體材料以及金、銅電極層制成的小型壓力傳感器[14]。

【教師總結】從“苯”的結構的發(fā)現(xiàn)歷程來看，沒有任何一個科學進展是偶然取得的。雖然我們目前掌握了苯分子的結構，但是關于其相關化合物的合成仍然是研究的重點，科學就是在一個又一個問題的解決中發(fā)展的，而發(fā)展的最終結果是應用于社會，促進科學的進步。

設計意圖：通過總結苯的結構的發(fā)現(xiàn)歷程，使學生認識到科學共同體和科學知識的暫時性的科學本質;最后將有關苯分子的最新科學研究作為拓展介紹，與本節(jié)課的開頭進行呼應，雖然不尊重客觀事實使用化學物質會給人類帶來危害，但是化學也會給人們帶來更多的便利與好處。

三、教學建議

1.增強史實與教學的融合性

科學史一直是科學教學最好的教學素材，然而在使用科學史進行教學的過程中，要注重科學史的呈現(xiàn)方式，不要以單一的方式來呈現(xiàn)，避免史實呈現(xiàn)的僵化，增強史實與教學的融合性。例如：在以上教學設計中，需要學生提取有關信息，形成證據(jù)，提出主張的化學史是以資料卡片的形式呈現(xiàn)的，關于凱庫勒夢到苯的環(huán)狀結構這一化學史，學生容易產(chǎn)生誤解，這就需要教師通過講解呈現(xiàn)化學史。

2.增加顯性科學本質教學在化學史中的應用

在用化學史進行教學時，教師要更多地帶領學生分析化學史，挖掘其中所蘊含的科學本質，并通過顯性語言提問學生，將科學本質教學外顯化，常態(tài)化，促進學生對科學本質的理解。例如在苯分子結構的發(fā)現(xiàn)歷程中，學生通?？梢钥吹浇Y構的逐漸完整和完善，卻很少能認識到科學家們提出的猜想無論對錯都在一定程度上促進了科學理論的完善，教師應通過顯性語言的提問使學生認識到其背后“科學共同體”的本質。

3.重視HPS素材的選取與應用

HPS素材不僅僅指科學史，還包括科學知識的本質、科學探究的本質、科學事業(yè)以及科學與社會之間的相互影響等其他維度的內容。因此，在進行HPS教育時，不要只把重點放在教學過程中需要呈現(xiàn)的科學史上，在創(chuàng)設情境時可以選擇與教學內容相關的時事新聞與最新的科研成果，要把握好課程標準中有關HPS內容的教學建議，選擇多方面多維度的HPS素材。

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