基于證據(jù)推理的HPS教學(xué)設(shè)計(jì)研究

閆雪 任莉君 趙衛(wèi)星 王冬梅 王宏社

摘要：證據(jù)推理是科學(xué)探究活動中重要的科學(xué)方法。結(jié)合證據(jù)推理對傳統(tǒng)的HPS教學(xué)模式提出改進(jìn)，細(xì)化了科學(xué)探究的程序，將證據(jù)推理模塊的作用凸顯出來，并選取“硅及其化合物的性質(zhì)”進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，為教師開展探究性課堂教學(xué)提供思路。

關(guān)鍵詞：證據(jù)推理：科學(xué)探究；HPS教學(xué)模式：教學(xué)設(shè)計(jì)

文章編號：1008-0546（ 2022 ）11x-0051-03

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.11x.013

一、引言

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的頒布，對學(xué)生的證據(jù)推理能力提出了新要求。[1]與此同時，高中化學(xué)課程改革也越來越重視培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，隨著課程理念的進(jìn)步以及各界對“科學(xué)一技術(shù)一社會”的關(guān)注，迫切需要教師探索新的教學(xué)模式。

HPS是科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)及科學(xué)社會學(xué)的簡稱。[2]1999年，英國學(xué)者孟克和奧斯本提出將HPS教育應(yīng)用于教學(xué)以來，與各學(xué)科相關(guān)的HPS教學(xué)模式研究成果不斷涌現(xiàn)。研究者基于化學(xué)學(xué)習(xí)的特點(diǎn)將HPS教學(xué)模式分為六個程序，如圖1所示。[3]

在HPS教學(xué)模式中，科學(xué)探究活動是凸顯科學(xué)哲學(xué)內(nèi)涵的重要環(huán)節(jié)，學(xué)生在課堂邏輯嚴(yán)密和教學(xué)環(huán)節(jié)連貫的學(xué)習(xí)過程中，能夠沉浸在基于證據(jù)推理的良好課堂氛圍中。該教學(xué)模式可促使學(xué)生獨(dú)立完成科學(xué)探究過程，探尋科學(xué)本質(zhì)，從而有效提升證據(jù)推理能力，同時也為教師順利開展高質(zhì)量課堂教學(xué)提供有力保障。

二、基于證據(jù)推理的HPS教學(xué)模式

基于證據(jù)推理的HPS教學(xué)模式如表1，將科學(xué)史內(nèi)容放入課程導(dǎo)人部分，縮短了教學(xué)時長，將更多的時間留給學(xué)生進(jìn)行探究活動，并且細(xì)化了科學(xué)探究的步驟，突出“確定證據(jù)”在探究中的首要地位。設(shè)計(jì)的合作推理環(huán)節(jié)，不僅能夠增強(qiáng)學(xué)生的課堂參與感，而且也能培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。在活動小結(jié)環(huán)節(jié)中，學(xué)生在對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的基礎(chǔ)之上，通過總結(jié)個人收獲來深刻體會化學(xué)知識的發(fā)現(xiàn)、探索與積累過程，并領(lǐng)悟到化學(xué)知識能夠服務(wù)社會，從而增強(qiáng)學(xué)生的社會責(zé)任感與歷史使命感。

三、HPS教學(xué)模式的實(shí)踐應(yīng)用

元素的學(xué)習(xí)需要建立“位一構(gòu)一性”的思維模式。然而學(xué)生對于“為什么位置決定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)？”之間的關(guān)系理解不夠深刻。在探究活動中可設(shè)置證據(jù)推理環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)預(yù)測性質(zhì)?！肮杓捌浠衔锏男再|(zhì)”是高中教材探究活動的典型課例，既有完整的知識體系，其化合物在生活中也有廣泛應(yīng)用，將HPS教學(xué)模式與證據(jù)推理相結(jié)合來進(jìn)行教學(xué)活動會相得益彰。

1．化學(xué)史引入

環(huán)節(jié)1：歷史情境

師：約在1萬年前，第一批陶匠用柔軟的黏土制成堅(jiān)硬的陶器，至唐宋年代，我國的陶瓷制品已享譽(yù)海外?，F(xiàn)代工藝制成的玻璃與陶瓷成分相近，但是性質(zhì)更加優(yōu)越，給我們的生活帶來了很大便利。同學(xué)們知道陶瓷和玻璃的主要成分嗎？

生：陶瓷以黏土為主要原料，黏土的主要成分為含水的硅鋁酸鹽。普通玻璃的主要成分為二氧化硅、硅酸鈉和硅酸鈣。

師：它們都含有硅元素，硅在地殼中含量豐富，僅次于氧元素，它以硅酸鹽或二氧化硅的形式存在于自然界中。1787年，拉瓦錫首次發(fā)現(xiàn)了巖石中的硅，直到1823年硅首次以一種元素形式被瑞典化學(xué)家貝采利烏斯發(fā)現(xiàn)。當(dāng)今的電子工業(yè)以集成電路為基礎(chǔ)，單晶硅成了不可或缺的電子工業(yè)原材料。

為什么與硅有關(guān)的化學(xué)制品如陶瓷、玻璃和單晶硅用途差別很大？

設(shè)計(jì)意圖：通過闡述硅及其化合物的相關(guān)發(fā)展歷史片段，導(dǎo)入新課，不僅能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，而且學(xué)生對硅元素也會有更深刻的認(rèn)識。教師根據(jù)情境提出問題，引起學(xué)生對下一環(huán)節(jié)的思考，順利開展科學(xué)探究活動。

2．科學(xué)探究活動

環(huán)節(jié)2：確定證據(jù)

師：幻燈片展示單晶硅和二氧化硅的結(jié)構(gòu)（見圖2）。學(xué)生根據(jù)所學(xué)內(nèi)容總結(jié)，填寫表2。

環(huán)節(jié)3：合作推理

實(shí)驗(yàn)一：演示實(shí)驗(yàn)。教師在一塊干凈的玻璃上滴一滴0.1 mol/L氫氟酸溶液，發(fā)現(xiàn)有氣泡產(chǎn)生，并且玻璃和氫氟酸接觸的地方變得粗糙。之后，教師分別將0.1 mol/L硫酸、0.1 mol/L鹽酸、0.1 mol/L硝酸滴到玻璃上，玻璃表面沒有變化。學(xué)生仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后推測玻璃只能被氫氟酸腐蝕。

實(shí)驗(yàn)二：學(xué)生實(shí)驗(yàn)。教師要求學(xué)生吸取3-5 mL飽和硅酸鈉溶液放入試管中，滴入1-2滴酚酞溶液，搖勻后發(fā)現(xiàn)溶液變紅。然后用膠頭滴管滴加0.1 mol/L的稀鹽酸，一邊滴加一邊振蕩，溶液紅色變淺直至消失后停止滴加，觀察到溶液變?yōu)榘咨z狀。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象推測硅酸鈉和稀鹽酸反應(yīng)生成了新物質(zhì)。

師：總結(jié)學(xué)生的推理及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，書寫相關(guān)反應(yīng)方程式（見表3）。

環(huán)節(jié)4：探究反思

師：教師展示兩瓶0.1 mol/L氫氧化鈉溶液，其中一瓶以玻璃塞作為瓶蓋，另一瓶以橡膠塞作為瓶蓋，兩瓶氫氧化鈉溶液都存放了一段時間。讓學(xué)生嘗試打開瓶蓋，學(xué)生發(fā)現(xiàn)玻璃塞很難拔出。這是什么原因呢？

生：因?yàn)椴Ａ筒Ａ康拇蚰ソ涌谔?，二氧化硅和氫氧化鈉溶液發(fā)生反應(yīng)生成黏稠性物質(zhì)硅酸鈉。[5]3

設(shè)計(jì)意圖：在構(gòu)建證據(jù)推理模型的過程中，[6]選擇符號證據(jù)、微觀證據(jù)和實(shí)驗(yàn)證據(jù)，從三個方面幫助學(xué)生建立起硅及其化合物的性質(zhì)模型。學(xué)生從符號證據(jù)中推測得到硅在元素周期表中的位置和化合價(jià)，[7]從整理得到的證據(jù)中能夠得到硅與碳的性質(zhì)具有相似性，推斷出硅與氧氣的反應(yīng)及二氧化硅與堿的反應(yīng)，并且在實(shí)驗(yàn)過程中驗(yàn)證猜想，學(xué)生不再是被動接受知識，而是主動參與并獲取知識。

3．科學(xué)與社會、生活

環(huán)節(jié)5：總結(jié)與收獲

師：單晶硅的主要用途是用作半導(dǎo)體材料和利用太陽能光伏發(fā)電、供熱等；陶瓷的主要成分硅酸鹽中的原子排列緊密，可作為人造骨髓植入人體，也可制成刀刃，切削鋼鐵；二氧化硅原材料成本低廉，是玻璃的主要成分，目前已經(jīng)研發(fā)上市了各種不同用途的玻璃，如：原料中添加鉛制造的玻璃透光性好且折射率高，而加入硼酸鹽制成的玻璃耐化學(xué)腐蝕，能夠承受溫度急劇變化，可用作炊具、汽車擋風(fēng)玻璃、光導(dǎo)纖維等。

設(shè)計(jì)意圖：化學(xué)知識最終要應(yīng)用于生活，通過我們對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)的充分了解，才能夠在生活中學(xué)會應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)社會價(jià)值。

總結(jié)：學(xué)生通過對以前所學(xué)概念、知識及實(shí)驗(yàn)事實(shí)等相關(guān)證據(jù)的掌握，預(yù)測物質(zhì)性質(zhì)，參與實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。HPS教學(xué)模式將科學(xué)知識放在歷史的坐標(biāo)系中學(xué)習(xí)，從知識發(fā)生的過程中學(xué)習(xí)化學(xué)知識．符合課程標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的要求，為教師開展探究性課堂教學(xué)提供了新思路。

參考文獻(xiàn)

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