基于學(xué)生視角的科學(xué)HPS教育設(shè)計(jì)初探
——以《時(shí)間的測(cè)量》單元教學(xué)為例

廣東廣州市荔灣區(qū)詹天佑小學(xué)（510140）張愛民

2017年教育部頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》提出，小學(xué)科學(xué)課程的總目標(biāo)是要按照立德樹人的要求來培養(yǎng)小學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，并為他們的繼續(xù)學(xué)習(xí)、成為合格公民和終身發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，將目標(biāo)細(xì)分為“科學(xué)知識(shí)”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度”“科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)和環(huán)境”四個(gè)方面?？茖W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)重視學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解，重視培養(yǎng)學(xué)生的優(yōu)秀品德，關(guān)注科學(xué)與社會(huì)和環(huán)境之間的關(guān)系。HPS是科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會(huì)學(xué)的英文縮寫。在科學(xué)課程教學(xué)過程中，融入相關(guān)的科學(xué)史和科學(xué)社會(huì)學(xué)等人文教育資源，并引導(dǎo)學(xué)生就這些內(nèi)容進(jìn)行哲學(xué)思考，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)科技的發(fā)展與應(yīng)用的價(jià)值。這樣既可以幫助學(xué)生聯(lián)系當(dāng)時(shí)的社會(huì)情況去了解前人探索科學(xué)科技的過程與方法，正確地把握科學(xué)的本質(zhì)，又可以使學(xué)生更好地客觀評(píng)價(jià)、理解和欣賞科學(xué)家及其從事的科學(xué)事業(yè)，激發(fā)其探究科學(xué)的熱情、勇氣與欲望，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神、堅(jiān)忍不拔的意志品質(zhì)、社會(huì)責(zé)任感等人文精神。可見，開展HPS教育有利于達(dá)成科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)提出的課程目標(biāo)。但是，目前新舊版本的教科版小學(xué)科學(xué)教科書中，比較欠缺與各學(xué)習(xí)主題有關(guān)的HPS方面的教育內(nèi)容，沒有可直接用于教學(xué)活動(dòng)的現(xiàn)成的HPS教育資源，需要教師自己或安排學(xué)生圍繞教學(xué)主題去收集整理相關(guān)的HPS資源，去探索HPS資源的呈現(xiàn)形式和途徑、應(yīng)用環(huán)節(jié)和方式方法等。

開展小學(xué)科學(xué)HPS教育，教師在選擇和編排學(xué)習(xí)資源內(nèi)容、設(shè)計(jì)單元教育方案時(shí)，不僅要考慮學(xué)科知識(shí)自身的邏輯，而且要基于學(xué)生視角，充分考慮學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”，符合由易到難、循序漸進(jìn)的程序教學(xué)理論。這樣，學(xué)生才有能力更好地利用HPS資源去建構(gòu)新知、培養(yǎng)能力和情感態(tài)度與價(jià)值觀，更好地達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。下面，以《時(shí)間的測(cè)量》單元教學(xué)為例，談?wù)劸唧w做法。

一、設(shè)計(jì)并編碼HPS教育單元資源庫

《時(shí)間的測(cè)量》是教科版小學(xué)科學(xué)五年級(jí)下冊(cè)的內(nèi)容。依據(jù)小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)和HPS教育理念，本研究對(duì)該單元的學(xué)習(xí)內(nèi)容和目標(biāo)作了調(diào)整，即基于學(xué)生視角另行安排單元學(xué)習(xí)內(nèi)容和設(shè)定單元學(xué)習(xí)目標(biāo)。基本設(shè)計(jì)思路（如圖1）是整體教學(xué)按照計(jì)時(shí)器發(fā)展的先后順序開展，即把單元教學(xué)內(nèi)容整合成五個(gè)教學(xué)模塊：《時(shí)間在流逝》《太陽鐘》《水鐘》《擺鐘》和《從哲學(xué)視角看計(jì)時(shí)器的發(fā)展歷程》。對(duì)每一種計(jì)時(shí)器，讓學(xué)生先學(xué)習(xí)相關(guān)的HPS資源，然后重歷當(dāng)時(shí)歷史上科研人員探索影響其計(jì)時(shí)準(zhǔn)確性因素及其科學(xué)原理的研究過程；之后，在懂得科學(xué)原理和學(xué)會(huì)控制影響因素的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制作太陽鐘、水鐘和擺鐘并進(jìn)行檢測(cè)的實(shí)踐活動(dòng)。通過學(xué)習(xí)HPS資源和實(shí)踐探索活動(dòng)，了解計(jì)時(shí)器的發(fā)展歷程，知道人類不斷增加的需求，促進(jìn)人類不斷地探索和發(fā)展科學(xué)技術(shù)，并應(yīng)用科學(xué)技術(shù)來改進(jìn)計(jì)時(shí)器，從而使計(jì)時(shí)器得到了不斷的發(fā)展。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生基于歷史環(huán)境和哲學(xué)視角去看待計(jì)時(shí)器發(fā)展過程中科學(xué)科技的應(yīng)用，感悟中國古人刻苦鉆研的精神和令人嘆服的智慧。

圖1 《時(shí)間的測(cè)量》單元教學(xué)思路圖

有關(guān)人類計(jì)時(shí)器的發(fā)展與應(yīng)用史料豐富，如太陽影子變化的規(guī)律、伽利略對(duì)擺的等時(shí)性的發(fā)現(xiàn)以及日晷和圭表、水鐘、惠更斯擺鐘的發(fā)明與應(yīng)用等，這些都是開展科學(xué)教育活動(dòng)的寶貴的科學(xué)人文資源。專題收集和整理了各類計(jì)時(shí)器有關(guān)的HPS資源，并與其他資源一起，按照該類計(jì)時(shí)器的發(fā)展歷程、科學(xué)原理、使用優(yōu)缺點(diǎn)和未來發(fā)展前景的教學(xué)邏輯進(jìn)行分類編碼，構(gòu)建了便于提取的《時(shí)間的測(cè)量》單元HPS教育資源庫。

二、基于學(xué)生視角設(shè)計(jì)班級(jí)授課內(nèi)容

如圖1，本單元的第1～7課既有HPS資料學(xué)習(xí)，又有實(shí)踐操作。其中HPS資料學(xué)習(xí)主要包括計(jì)時(shí)器的創(chuàng)造發(fā)明史和所依據(jù)的科學(xué)原理的發(fā)現(xiàn)史，實(shí)踐操作部分體驗(yàn)了古人創(chuàng)造發(fā)明計(jì)時(shí)器的歷程并感知各種計(jì)時(shí)器的優(yōu)缺點(diǎn)。也就是說，通過前面7課的學(xué)習(xí)與探索，學(xué)生完成了知識(shí)和工程技術(shù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，對(duì)“人類認(rèn)識(shí)時(shí)間和測(cè)量時(shí)間的歷史”有了大致的了解?！耙允窞殓R，可以知興替。”那么，“人類認(rèn)識(shí)時(shí)間和測(cè)量時(shí)間的歷史”對(duì)現(xiàn)在的學(xué)生有什么啟發(fā)呢？為了幫助學(xué)生學(xué)會(huì)辯證地看待史實(shí)，特設(shè)第8課《從哲學(xué)視角看計(jì)時(shí)器的發(fā)展歷程》，旨在引導(dǎo)學(xué)生基于哲學(xué)視角，學(xué)習(xí)歷史地看待人類計(jì)時(shí)器的發(fā)展歷程，包括各類計(jì)時(shí)器的發(fā)明史以及在使用過程中所展現(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展前景等。

第1課，學(xué)生體驗(yàn)在無計(jì)時(shí)器的情況下估算時(shí)間流逝速度快慢的活動(dòng)，領(lǐng)悟到估算時(shí)間誤差非常大、不靠譜，無計(jì)時(shí)器的古人計(jì)時(shí)只能準(zhǔn)確到“天”，從而理解古人對(duì)計(jì)時(shí)器的需要，從而順勢(shì)引入“時(shí)間的測(cè)量及其歷史”探究課題。

第2和第3課《太陽鐘》，通過學(xué)習(xí)太陽鐘計(jì)時(shí)器（包括圭表和日晷）的發(fā)明史HPS資源，模擬實(shí)驗(yàn)探索太陽鐘的科學(xué)原理，并經(jīng)歷設(shè)計(jì)、制作、檢測(cè)等自主實(shí)踐探索活動(dòng)，由此感悟人類的需求是創(chuàng)造發(fā)明的動(dòng)力，科學(xué)知識(shí)是創(chuàng)造發(fā)明的前提條件；感悟我國古人的智慧和長期堅(jiān)持觀測(cè)與研究影子刻苦鉆研的精神和毅力。同時(shí)，理解由于地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，廣州地區(qū)每天與太陽的相對(duì)位置都會(huì)發(fā)生變化，所以陽光下物體的影子也會(huì)發(fā)生變化。以陽光下物體影子的變化方向規(guī)律為原理的日晷，只能記錄大概數(shù)而非準(zhǔn)確數(shù)，大概只能準(zhǔn)確到“時(shí)辰”，而沒有太陽的陰雨天、夜晚等時(shí)間無法使用日晷，又不便于攜帶，不能滿足人們的需求。因此，人類將繼續(xù)探索更好的計(jì)時(shí)器。

第4和第5課《水鐘》，通過學(xué)習(xí)水鐘的發(fā)明史HPS資源，實(shí)踐探索水位變化對(duì)滴水速度的影響等科學(xué)規(guī)律，并經(jīng)歷設(shè)計(jì)、制作、測(cè)量等自主實(shí)踐探索活動(dòng)。由此使學(xué)生進(jìn)一步感悟人類的需求是創(chuàng)造發(fā)明的動(dòng)力，科學(xué)知識(shí)和科學(xué)技術(shù)是創(chuàng)造發(fā)明的前提條件。認(rèn)識(shí)到控制水鐘的水流均速流動(dòng)和解決不斷添加水的難題需要高超的技藝，感悟我國古人創(chuàng)造水鐘的聰明才智；體會(huì)到雖然水鐘每時(shí)每刻都可以計(jì)時(shí)，卻仍然不準(zhǔn)確，在計(jì)時(shí)準(zhǔn)確和使用方便等方面并沒有實(shí)質(zhì)性的突破；體悟到由于聰明的古人將太陽鐘和水鐘配合起來使用，使計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性得到了較大提高，故太陽鐘和水鐘共存了多個(gè)年代。

第6和第7課《擺鐘》，呈現(xiàn)擺鐘相關(guān)的HPS資源：17世紀(jì)，伽利略發(fā)現(xiàn)了擺的等時(shí)性原理，惠更斯修正了這一原理，進(jìn)而研究其在機(jī)械上的應(yīng)用，設(shè)計(jì)出了嚴(yán)格等時(shí)的擺鐘結(jié)構(gòu)。擺鐘的精確度是歐洲以前計(jì)時(shí)器的100倍，將平均每天15分鐘的誤差改進(jìn)到每周大約1分鐘的誤差。學(xué)生通過學(xué)習(xí)這些HPS資源，實(shí)踐探索影響單擺擺動(dòng)速度的因素，并設(shè)計(jì)、制作與檢測(cè)擺鐘的準(zhǔn)確性等實(shí)踐活動(dòng)，進(jìn)一步領(lǐng)悟到科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步會(huì)促進(jìn)計(jì)時(shí)器的發(fā)展。

在第8課內(nèi)容中新增近現(xiàn)代石英鐘和原子鐘的發(fā)展歷程HPS資源：1880年，法國人皮埃爾·居里和保羅·居里就發(fā)現(xiàn)石英晶體具有正反壓電效應(yīng)——這正是制造鐘表“心臟”的良好材料。1929年，科學(xué)家以石英晶體制成的振蕩計(jì)時(shí)器和電子鐘組合，制成了石英鐘。經(jīng)過測(cè)試，一只高精度的石英鐘，每年誤差僅為3～5秒。石英鐘雖然精確度極高，但是仍不能滿足科學(xué)家科學(xué)研究的需要。19世紀(jì)30年代開始，科學(xué)家們對(duì)原子振動(dòng)研究和原子鐘進(jìn)行富有成效的研究，如今的原子鐘極其精確，其誤差為10萬年內(nèi)不大于1秒。這一課繼續(xù)將學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)引向近現(xiàn)代社會(huì)生活和科學(xué)科技研究的前沿陣地，體會(huì)人類不斷增加的需求、科學(xué)科技的發(fā)展、創(chuàng)新創(chuàng)造對(duì)人類社會(huì)進(jìn)步的重要性。

我們期望學(xué)生通過本課的學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)聯(lián)系各個(gè)時(shí)代的社會(huì)、政治、經(jīng)濟(jì)、人文環(huán)境和當(dāng)時(shí)科學(xué)科技發(fā)展的狀況等因素，去體悟古往今來科研人員的精神和智慧，正確地把握科學(xué)的本質(zhì)，產(chǎn)生和保持探究科學(xué)的熱情、勇氣與欲望，養(yǎng)成實(shí)事求是、創(chuàng)新創(chuàng)造的精神和堅(jiān)忍不拔的意志品質(zhì)，樹立科技報(bào)國的理想信念和社會(huì)責(zé)任感。

三、通過個(gè)別輔導(dǎo)提高實(shí)踐操作效果

為了提高實(shí)踐操作的準(zhǔn)確性，教師對(duì)部分學(xué)生進(jìn)行一對(duì)一指導(dǎo)，幫助被指導(dǎo)學(xué)生以最佳狀態(tài)完成設(shè)計(jì)、制作和測(cè)量實(shí)踐。如有的學(xué)生參考教科書和網(wǎng)上視頻制作了晷面刻度均勻的地平式日晷，觀測(cè)時(shí)卻發(fā)現(xiàn)一天當(dāng)中光影并不是均勻地移動(dòng)的，計(jì)時(shí)非常不準(zhǔn)，于是向老師求助。通過教師的一對(duì)一指導(dǎo)，學(xué)生終于弄清楚晷面刻度均勻的日晷應(yīng)該安裝成為赤道式日晷，其晷面的朝向和傾斜角度如圖2所示。最后，利用地球儀和三球儀做模擬實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生體會(huì)到制作相對(duì)準(zhǔn)確的太陽鐘非常不容易，感悟到我國古人刻苦鉆研的精神和智慧。

圖2 廣州地區(qū)日晷面的朝向和傾斜角度圖解

又如，在學(xué)生研究擺的過程中，教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)擺幅大小這個(gè)條件的控制不到位，影響了實(shí)驗(yàn)的效果。通過一對(duì)一指導(dǎo)，這部分學(xué)生懂得了利用參照物來確定擺幅，實(shí)現(xiàn)了有效的實(shí)驗(yàn)控制，并和班上的同學(xué)進(jìn)行了分享。

四、組建幫扶小組幫助弱勢(shì)學(xué)生學(xué)習(xí)

本單元的實(shí)踐探索存在一定的難度，弱勢(shì)學(xué)生無法獨(dú)立完成全部的實(shí)踐操作。教師挑選班上領(lǐng)悟能力和實(shí)踐操作能力強(qiáng)的學(xué)生組成幫扶小組，在學(xué)習(xí)上對(duì)弱勢(shì)學(xué)生進(jìn)行一對(duì)一幫扶。優(yōu)秀學(xué)生反饋，幫扶弱勢(shì)同學(xué)并沒有浪費(fèi)自己的時(shí)間，因?yàn)樵谶@個(gè)過程中自己也鞏固了所學(xué)的知識(shí)，而且在幫助同學(xué)的過程中體會(huì)到了助人的快樂。弱勢(shì)學(xué)生在優(yōu)秀學(xué)生的幫扶下突破了學(xué)習(xí)難點(diǎn)，體會(huì)到學(xué)習(xí)成功的喜悅，對(duì)學(xué)習(xí)更有興趣、更有信心了，班級(jí)歸屬感也增強(qiáng)了。

立德樹人是教師開展教育活動(dòng)的出發(fā)點(diǎn)與歸屬。在設(shè)計(jì)教學(xué)時(shí)，教師不僅要深入研究本學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容，而且要善于運(yùn)用古往今來中國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化去影響、感化教育學(xué)生，讓學(xué)生從小樹立文化自信和科技報(bào)國有我參與的愛國熱情、理想信念。HPS教育為科學(xué)教師開展中國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育，實(shí)現(xiàn)立德樹人教育目的提供了一條很好的教育途徑。如何在科學(xué)學(xué)科教學(xué)過程中更好地融入HPS教育？對(duì)于這個(gè)問題，仍然有許多未知的方面需要我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>