基于HPS教學(xué)模式培養(yǎng)科學(xué)思維的實踐研究

朱韶紅

摘要：以化學(xué)史實為主線，從水的生成和水的分解兩個角度展開，融合HPS教學(xué)模式，充分挖掘教學(xué)內(nèi)容與學(xué)科思維培養(yǎng)之間的關(guān)系，設(shè)計指向發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的探究活動，注重將宏觀的實驗現(xiàn)象與微觀的反應(yīng)原理的整合，力求形成對“水的組成”全面而整體的認識。

關(guān)鍵詞：HPS教學(xué)模式;科學(xué)思維;水的組成

文章編號：1008-0546（2022）04-0014-06

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04.003

中圖分類號：G632.41

文獻標(biāo)識碼：B

一、教學(xué)內(nèi)容分析

1.教學(xué)內(nèi)容分析

“水的組成”是人教版九年級上冊教材第四單元“自然界的水”課題3的內(nèi)容。內(nèi)容在“氧氣”之后，學(xué)生初步具有定性認識物質(zhì)的性質(zhì)、變化及用途的能力，但是對具體物質(zhì)的研究模型還是比較模糊的。在《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）》的五個內(nèi)容主題中，“水的組成”在內(nèi)容上隸屬于課標(biāo)主題2“身邊的化學(xué)物質(zhì)”，與其他幾個主題之間的關(guān)系如圖1所示。

本節(jié)課需要達成的頂層目標(biāo)是認識水的組成，整節(jié)課通過科學(xué)探究的方法，以“水的組成的發(fā)現(xiàn)史”為線索，最終達成區(qū)分單質(zhì)和化合物、從微觀角度認識化學(xué)變化的本質(zhì)特征等教學(xué)目標(biāo)，初步架構(gòu)宏觀物質(zhì)和微觀粒子之間的橋梁。教學(xué)過程中筆者通過整合、擴展教材中相關(guān)化學(xué)史的內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生通過科學(xué)探究的方式，通過分析“氫氣的燃燒”和“水的電解”實驗的宏觀現(xiàn)象，運用宏微結(jié)合的化學(xué)思維方法揭開兩個反應(yīng)的微觀本質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生初步學(xué)習(xí)用“宏觀—微觀—符號”三重表征方法來闡釋分子、原子及元素等物質(zhì)結(jié)構(gòu)和組成。

2.教學(xué)現(xiàn)狀分析

水的組成這個課題是初中化學(xué)教學(xué)研究的熱點之一，知網(wǎng)收錄的文獻中關(guān)于“水的組成”內(nèi)容的課例十分豐富。筆者查閱了從1957年-2019年期間的共78篇文獻，其中碩士論文7篇，期刊等發(fā)表71篇，文獻對本內(nèi)容的研究大多集中在“策略的選擇”“案例的設(shè)計”“實驗的改進”等方面。例如何彩霞認為應(yīng)在化學(xué)元素觀視角下認識水的組成[1]。白建娥認為史實性的情景是探究水的組成的良好載體[2]。周文榮對氫氣燃燒及氫氣的爆鳴實驗進行改進，不僅增加了實驗的安全性和可操作性，還通過對生活中的素材的開發(fā)，讓化學(xué)實驗更加貼近學(xué)生[3]。但已有文獻中對于如何運用HPS教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維涉足的不多。

3.教學(xué)模式分析

HPS（History，Philosophy and Sociology of science）教育的核心是“促進對科學(xué)本質(zhì)的理解”。HPS教育是以科學(xué)史料為基礎(chǔ)，展示科學(xué)方法的進化，讓學(xué)生感受和體驗科學(xué)發(fā)展的過程，從中學(xué)到科學(xué)研究的方法，領(lǐng)悟科學(xué)家嚴(yán)謹求實、敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神[4]。

基于“HPS教育理念”的化學(xué)課程中，學(xué)生不僅僅學(xué)到化學(xué)學(xué)科的具體知識，還要通過滲透有關(guān)科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和社會學(xué)等人文內(nèi)容，模擬或重演科學(xué)家的探究過程，使學(xué)生了解知識的產(chǎn)生和發(fā)展過程中所蘊含的科學(xué)思維、科學(xué)精神，了解知識的來源和科學(xué)家的思維方式，認識到化學(xué)知識的發(fā)展也是受到社會因素與個體因素影響的，認識到學(xué)科知識不是累加得來，而是科學(xué)研究范式不斷變化或改進、不斷糾錯的結(jié)果;在學(xué)習(xí)那些一度被質(zhì)疑、被否定的過程中，讓學(xué)生厘清對某個科學(xué)問題發(fā)展的脈絡(luò)，在此過程中還能增強學(xué)生對化學(xué)學(xué)科的歷史認同感，使學(xué)生真正領(lǐng)悟科學(xué)的本質(zhì)。

二、教學(xué)創(chuàng)新點設(shè)計

1.精選化學(xué)史料

開展HPS教學(xué)首先要重新建構(gòu)科學(xué)知識體系，從科學(xué)史、哲學(xué)和社會學(xué)角度將大量的自然科學(xué)內(nèi)容進行重組與整合[5]。本節(jié)課梳理了中國古代的五行說、拉瓦錫研究空氣成分的經(jīng)典實驗、普利斯特里與卡文迪許的氫氣燃燒實驗以及拉瓦錫的水的分解實驗等眾多的化學(xué)史實，引發(fā)一系列的問題，形成具有邏輯性的問題鏈。

2.改進有安全隱患的實驗

在學(xué)生的生活經(jīng)驗里，氫氣填充氫氣球已是事實，但是氫氣球爆炸的新聞也使學(xué)生對化學(xué)產(chǎn)生了畏懼心理。本節(jié)課使用圖2的器材按下列步驟完成實驗：把鋅粒和稀硫酸裝入簡易氫氣發(fā)生器中，將制氣裝置擰緊蓋子（帶針狀導(dǎo)氣管）;用另一套簡易制取裝置把瓶蓋和瓶塞去掉，瓶中裝約半瓶水，把收集氣體的瓶口套在制氣裝置上，用“排水法”收集氫氣;待收集瓶中水排盡，用電子脈沖點火器點火。瓶中的氫氧混合氣體被點燃發(fā)生爆炸，塑料瓶被氣浪沖上天花板，因瓶子容量小，整個模擬爆炸實驗僅僅發(fā)生了爆鳴而沒有任何危險。

3.精選教具

教師使用了高中物質(zhì)結(jié)構(gòu)的球棍模型為本節(jié)課的教具。在氫氣燃燒和水的電解實驗完成后，學(xué)生動手拆解水分子的球棍模型，組裝氫分子和氧分子的球棍模型，模擬電解水的微觀過程，體會到化學(xué)變化的微觀本質(zhì)。同時還及時利用這些球棍模型進行初步的物質(zhì)分類內(nèi)容的教學(xué)，為抽象的概念教學(xué)搭建了一個直觀平臺。

三、學(xué)情分析

學(xué)生通過小學(xué)科學(xué)和中學(xué)物理課程的學(xué)習(xí)及生活經(jīng)驗的積累，對水的性質(zhì)不完全陌生，但對于水的組成并不完全了解，對水的化學(xué)式“H2O”僅僅停留在記憶層面，尤其化學(xué)式在歷史上是怎么得到的，又代表了怎樣的含義并不十分清楚。本節(jié)課是初中化學(xué)學(xué)習(xí)過程中學(xué)生接觸的第一種化合物，不僅需要了解化合物的組成，還隱含著“定組成定律”，所以本課題的學(xué)習(xí)對學(xué)生而言具有一定的挑戰(zhàn)性。

四、教學(xué)目標(biāo)設(shè)計

基于HPS模式培養(yǎng)科學(xué)思維的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)將多維目標(biāo)進行整合，通過設(shè)計科學(xué)探究活動等學(xué)習(xí)方式，達成對科學(xué)方法、科學(xué)觀念、科學(xué)過程的學(xué)習(xí)?；诖瞬⒖紬钣袂俳淌诘摹皩W(xué)科核心素養(yǎng)視域下的教學(xué)目標(biāo)的科學(xué)研制和準(zhǔn)確表達”，設(shè)計并制定如表1所示的教學(xué)目標(biāo)。

五、教學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計gzslib202204022055

本節(jié)課的教學(xué)結(jié)構(gòu)以教材原有的知識結(jié)構(gòu)為明線，同時注意暗線（即問題線、素養(yǎng)線）的設(shè)計。學(xué)科知識結(jié)構(gòu)與人的認識結(jié)構(gòu)往往有沖突，教學(xué)過程中首先應(yīng)尊重學(xué)生的認識結(jié)構(gòu)，學(xué)科知識結(jié)構(gòu)設(shè)計成有一定邏輯關(guān)系的問題，通過問題兼顧學(xué)科知識和人的認知。筆者設(shè)計的教學(xué)結(jié)構(gòu)如圖3。

六、教學(xué)實錄

環(huán)節(jié)一：導(dǎo)入[導(dǎo)入]播放動漫《可愛的小水滴》

環(huán)節(jié)二“：水的組成”之化學(xué)史料

[教師]有些家長在給孩子起名時會用“鑫”“森”“淼”等字，這與什么觀念有關(guān)？

[學(xué)生]五行學(xué)說。

[資料]PPT呈現(xiàn)中國的五行學(xué)說和西方的四元素說的相關(guān)資料（見表2）。

[教師]對于“水”的認識，古今的觀念有了很大的不同。在古代，無論是中國還是西方，都將“水”作為組成宇宙萬物的一種元素。現(xiàn)在的理論卻認為“水”并不是一種元素，在十八世紀(jì)，已經(jīng)有科學(xué)家對“水”的組成進行了科學(xué)探索，卡文迪許和普利斯特里就是其中的代表，但兩位科學(xué)家不敢挑戰(zhàn)當(dāng)時錯誤的主流學(xué)說，與發(fā)現(xiàn)“水的組成”失之交臂。直到拉瓦錫才算是將“水的組成”確定下來。

[資料]播放視頻：卡文迪許和普利斯特里的氫氣燃燒實驗。

設(shè)計意圖：通過展示認識“水的組成”這一問題的化學(xué)史發(fā)展脈絡(luò)，讓學(xué)生了解科學(xué)發(fā)現(xiàn)是在曲折中前進的，深挖化學(xué)史在教學(xué)中的育人價值。

環(huán)節(jié)三“：水的組成”之研究思路

[教師]PPT顯示拉瓦錫研究空氣成分的實驗裝置。

[教師]提問：曲頸甑中產(chǎn)生的紅色固體是什么？含有哪些元素？

[學(xué)生1]氧化汞。含有汞元素和氧元素。因為反應(yīng)物中有汞元素和氧元素，反應(yīng)前后元素種類不變，所以反應(yīng)后生成的紅色固體也必然有這兩種元素。

[教師]對紅色固體進行加熱后再次得到汞和氧氣，能否得到和剛才相同的結(jié)論呢？

[學(xué)生2]可以，也能利用反應(yīng)前后元素種類不變來解釋。

[教師]研究物質(zhì)的元素組成，可以通過正反兩個角度來驗證，即物質(zhì)的生成與分解。

設(shè)計意圖：通過梳理拉瓦錫空氣成分的相關(guān)實驗，給“水的組成”提供了探究思路，并厘清物質(zhì)元素組成的一般研究方法。

環(huán)節(jié)四“：水的組成”之氫氣燃燒

教學(xué)活動見圖4。

設(shè)計意圖：步驟1借助生活中常見兒童玩具“泡泡水”來進行實驗探究，拉近了學(xué)生與實驗探究之間的距離感，也更好地激發(fā)了學(xué)生進行探究的欲望，更重要的是促進了學(xué)生在生活中進行科學(xué)探究的意識的養(yǎng)成。另外通過氫氣可以吹起泡泡，且吹起的泡泡往天上飛，以此推測出氫氣難溶于水、密度比空氣小等物理性質(zhì)。步驟2通過創(chuàng)新實驗裝置，使得具有危險性的演示實驗轉(zhuǎn)變成安全系數(shù)更高的小組實驗，增加學(xué)生動手的機會，讓學(xué)生自身體驗實驗探究的過程。步驟3通過點燃電解水產(chǎn)生的氫氣，引起學(xué)生的認知沖突——為什么點燃電解水產(chǎn)生的氫氣不需要驗純？這里是通過實驗讓學(xué)生產(chǎn)生困惑，而不是教師提出問題。接著教師可以通過追問為什么步驟2中裝滿水的收集器中的氫氣安靜的燃燒而沒有裝滿水的卻發(fā)生了爆炸，引導(dǎo)學(xué)生進行自我推演。三個步驟設(shè)計了三種不同的教學(xué)活動，內(nèi)隱著具有一定邏輯關(guān)系的思維方法。

[教師]上述氫氣燃燒的實驗，能說明水的元素組成嗎？

[教師]講解“最調(diào)皮的科學(xué)家—普利斯特里”。普利斯特里把金屬和酸液反應(yīng)生成的可燃氣體和空氣混合在一起裝在試管里，碰到朋友來訪，就開始演示，只見他一點火，試管立馬吐出長長的火舌，并發(fā)出震耳欲聾的爆炸聲，他把他的道具叫做“爆鳴氣”。在他干了很多次“爆鳴氣”惡作劇之后，終于有一天，他發(fā)現(xiàn)用于演示的試管里會出現(xiàn)一些“露珠”，一開始他以為是試管沒有擦干凈，或者是因為英國的空氣太潮濕。后來，他把試管擦得很干凈，也用了干燥的空氣，還是發(fā)現(xiàn)有水滴，他只能推論，金屬碰到酸液產(chǎn)生的可燃氣體可以燃燒生成水，但他就此并未繼續(xù)深入研究，錯失了發(fā)現(xiàn)“水的組成”的機會。

設(shè)計意圖：因教材內(nèi)容的呈現(xiàn)上“氫氣燃燒”僅是驗證性實驗，但本課結(jié)合了“最調(diào)皮的科學(xué)家—普利斯特里”的故事，賦予了“氫氣燃燒”實驗一定的歷史背景，讓學(xué)生跟著科學(xué)家的腳步來進行實驗探究。

[學(xué)生3]討論后得出結(jié)論：氫氣（H2）+氧氣（O2）點燃水，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后元素不變，說明水中有氫元素和氧元素。

環(huán)節(jié)五“：水的組成”之電解水

[教師]視頻：拉瓦錫的紅熱槍管實驗。

[演示實驗]電解水。

[學(xué)生4]兩電極上都冒氣泡，負極產(chǎn)生的氣泡比正極產(chǎn)生的要快。

[教師]（補充）一段時間后，負極產(chǎn)生的氣體體積約是正極的兩倍。

[演示實驗]打開水電解器上方的活塞，用燃著的木條分別檢驗正極和負極產(chǎn)生的氣體。

[學(xué)生5]正極產(chǎn)生的氣體能使燃著的木條燃得更旺，說明正極產(chǎn)生的氣體是氧氣;負極產(chǎn)生的氣體能被點燃，出現(xiàn)微弱的淡藍色火焰，說明負極產(chǎn)生的氣體可能是氫氣。

[教師]在負極的管口罩一個干冷的燒杯，出現(xiàn)水霧，說明負極產(chǎn)生的氣體確為氫氣。根據(jù)電解水的實驗現(xiàn)象，能否也能得出水的元素組成呢？

[學(xué)生6]討論后得出結(jié)論：水通電氫氣（H2）+氧氣（O2），根據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后元素不變，也能說明水中有氫元素和氧元素。

[教師]提出下列問題供學(xué)生思考討論：1在實驗中，負極產(chǎn)生的氫氣為什么不用驗純即可直接點燃？2在實際的實驗中，產(chǎn)生的氫氣和氧氣的體積比往往大于2∶1，說說你的猜想？3氫氣和氧氣的密度分別是0.0899g/L，1.429g/L，你能計算出水分子中氫原子和氧原子的個數(shù)比嗎？

[學(xué)生7]1在實驗開始前，水電解器的負極玻璃管中充滿了水，因此產(chǎn)生的氫氣中不會混有空氣或氧氣;2可能是氫氣比氧氣的溶解度小，也可能是水電解器中的電極對氧氣的吸附能力大，也可能是加入的氫氧化鈉或硫酸鈉對結(jié)果造成影響......3可以通過計算出產(chǎn)生的氫分子和氧分子的個數(shù)比為2∶1，確定水分子中氫原子和氧原子的個數(shù)比也是2∶1。gzslib202204022056

[教師]因此水的組成可以用H2O表示;

[學(xué)生]兩人一組，用硬幣來模擬電解水的微觀過程（一塊硬幣代表氧原子，五角硬幣代表氫原子）。

設(shè)計意圖：在教學(xué)中結(jié)合三個問題對電解水實驗進行深度挖掘，首先是培養(yǎng)學(xué)生理解實驗、解讀實驗的能力;其次是培養(yǎng)學(xué)生進行科學(xué)猜想的習(xí)慣;最后結(jié)合對粒子個數(shù)的計算，培養(yǎng)學(xué)生定量分析實驗數(shù)據(jù)的觀念。并通過硬幣之間的拆分、重組，將不可視的化學(xué)變化微觀過程可視化，達到宏觀和微觀的有機結(jié)合。

通過氫氣的燃燒和水的電解兩個實驗展開對水的組成的探討，但也應(yīng)該追根溯源，為什么要從氫氣的燃燒和水的電解這兩個實驗來研究水的組成呢？這是有歷史依據(jù)的，從普利斯特里和卡文迪許兩位科學(xué)家沒能擺脫錯誤觀念的束縛，到拉瓦錫從研究空氣組成實驗中受到的啟發(fā)等化學(xué)史實，引導(dǎo)學(xué)生從不同的角度認識物質(zhì)元素組成的研究方法，并學(xué)以致用解決新的問題——水的組成。但是通過定性的實驗只能得到水是由氫元素和氧元素組成的，并不能得出水的化學(xué)式。這就需要拓展的內(nèi)容，這里可以給學(xué)生提供氫氣和氧氣的密度，這樣學(xué)生結(jié)合物理知識，就能算出氫氣和氧氣的質(zhì)量，此時教師再給出提示，氫分子和氧分子的相對質(zhì)量分別是2和32，不難算出氫氧原子的個數(shù)比，再推論得到水的化學(xué)式為H2O。這樣的推理就像一個鏈條一樣，一個齒輪一個齒輪間緊緊契合著，培養(yǎng)了學(xué)生的思維能力，也培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)的推理意識。

環(huán)節(jié)六“：水的組成”之物質(zhì)分類

[教師]從物質(zhì)分類上來看，水是一種什么樣的物質(zhì)？是純凈物還是混合物？它與氫氣在組成元素的種類上又有什么不同？

[學(xué)生9]水是純凈物，含有兩種元素，氫氣只有一種元素。

[教師]單質(zhì)、化合物、氧化物的概念辨析。

[學(xué)生]活動：給十種物質(zhì)找到其“分類之家”。

七、教學(xué)反思

1.培養(yǎng)科學(xué)思維是立德樹人的根本要求《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）》在開篇就明確指出“義務(wù)教育階段的化學(xué)教育，要引導(dǎo)學(xué)生體驗科學(xué)探究的過程，啟迪學(xué)生的科學(xué)思維”“引導(dǎo)學(xué)生認識化學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境的相互關(guān)系，理解科學(xué)的本質(zhì)”。

2020年伊始新型冠狀病毒疫情爆發(fā)，各式各樣的消毒液走進人們的生活，然而因缺乏化學(xué)常識，“大量噴灑酒精引起火災(zāi)”“喝消毒液殺死病毒”“將潔廁靈和84混用來增強消毒效果”等“事故”也曾一度上過各大網(wǎng)站的熱搜。社會人運用化學(xué)思維解決生活實際問題的能力堪憂。鑒于此，中學(xué)化學(xué)的課堂需要全面、準(zhǔn)確、高效地落實“為誰培養(yǎng)人，培養(yǎng)什么樣的人，怎樣培養(yǎng)人”的教育目標(biāo)。

2.讓科學(xué)思維成為真正的教學(xué)目標(biāo)

初中階段的化學(xué)教學(xué)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會認識科學(xué)、掌握科學(xué)探究的基本方法，引導(dǎo)學(xué)生逐步認識并理解科學(xué)本質(zhì)，培養(yǎng)科學(xué)思維。讓學(xué)生了解研究物質(zhì)及其變化規(guī)律的思路和方法，能從宏觀、微觀、符號三者的結(jié)合分析物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化。

本節(jié)課沿著“水的組成”的發(fā)現(xiàn)過程這條明線，引領(lǐng)著學(xué)生“用科學(xué)家的視角”體驗這一段歷史的重演，循著化學(xué)科學(xué)史的足跡幫助學(xué)生建構(gòu)知識，讓學(xué)生在化學(xué)史中領(lǐng)悟科學(xué)探究的艱辛，逐漸養(yǎng)成不屈不撓的科學(xué)探索精神和勇于質(zhì)疑的批判精神。教師引導(dǎo)學(xué)生對氫氣燃燒和水的電解兩個實驗事實的對比，引領(lǐng)學(xué)生進行基于證據(jù)的推理，運用比較、分析、綜合、歸納、分類科學(xué)方法，構(gòu)建對“純凈物中元素組成”的研究模型，為后續(xù)純凈物組成的學(xué)習(xí)起到很好的示范和引領(lǐng)作用，并為后續(xù)質(zhì)量守恒定律的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。HPS教育模式的使用，學(xué)生更多收獲的是從定性、定量多角度地對化合物組成研究思路的洞察，通過模式中“Philosophy”分析科學(xué)的起源、科學(xué)發(fā)現(xiàn)的邏輯起點、科學(xué)理論的邏輯結(jié)構(gòu)、科學(xué)方法的認識論意義等，達到對科學(xué)知識的理性思考。

3.充分挖掘科學(xué)思維培養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容

許多成功的教學(xué)實例，都是因為教師對學(xué)科內(nèi)容有著深入、獨到的解讀，對學(xué)科的知識發(fā)展有著深入的理解，對學(xué)科知識如何轉(zhuǎn)化為學(xué)生的認知有著恰當(dāng)?shù)陌盐?，對學(xué)科核心素養(yǎng)的形成有著深層次追問[6]。就科學(xué)知識本身而言，是一種事實性的描述，但對科學(xué)知識的理解卻是一種價值判斷，負荷了認知主體的價值判斷。教材文本中呈現(xiàn)的事實性知識，全部了解也未必能轉(zhuǎn)化為學(xué)科素養(yǎng)，這些學(xué)習(xí)內(nèi)容隱含的科學(xué)思維需要通過教師的課堂講解（實驗、探究、剖析等），需要教師不斷挖掘相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生體驗在實際問題的解決過程科學(xué)家的思維方法，使他們主動并有效地運用科學(xué)思維去解決陌生和復(fù)雜的情境問題，幫助學(xué)生形成學(xué)科理解，這些由學(xué)科角度出發(fā)的理解概括起來才能稱之為科學(xué)思維，最終真正轉(zhuǎn)化為學(xué)生的關(guān)鍵能力。

參考文獻

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