新課標(biāo)背景下小學(xué)科學(xué)技術(shù)史教育的單元設(shè)計(jì)與教學(xué)

□ 史加祥

2022 年4 月頒布的《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“2022 年版課標(biāo)”）明確指出，科學(xué)課程需要幫助學(xué)生從整體上認(rèn)識(shí)自然世界，理解科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)與環(huán)境的關(guān)系，在課程實(shí)施和教學(xué)建議中也多次提及要滲透科學(xué)史教育?？茖W(xué)史（History of Science，簡(jiǎn)稱(chēng)HOS）是人類(lèi)歷史發(fā)展與文明進(jìn)程中的重要組成部分，是科學(xué)教育的重要資源。自近代科學(xué)教育改革實(shí)行以來(lái)，科學(xué)史對(duì)科學(xué)教學(xué)的作用越來(lái)越受到重視，科學(xué)史教育從邊緣進(jìn)入中心，發(fā)揮出促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的了解與把握和科學(xué)素養(yǎng)的提升的作用。［1］科學(xué)史教育是科學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)的融合，在科學(xué)教育中被稱(chēng)為HPS（History and Philosophy of Science），小學(xué)階段的科學(xué)史教育不僅要關(guān)注千百年來(lái)的自然世界，即科學(xué)歷史與哲學(xué)，還應(yīng)該關(guān)注改變和操控自然世界的能力，即技術(shù)。這也就是科學(xué)技術(shù)史教育，稱(chēng)為HPST（History and Philosophy of Science and Technology）教育。

在對(duì)目前小學(xué)科學(xué)課程教育教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，筆者嘗試對(duì)小學(xué)階段HPST的教育教學(xué)現(xiàn)狀、學(xué)科核心素養(yǎng)背景下對(duì)HPST的作用的理解、單元教學(xué)中有效融合HPST的方法等進(jìn)行探析與研究，助力HPST教育與小學(xué)科學(xué)課堂的融合。

一、HPST的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐現(xiàn)狀

小學(xué)科學(xué)教材中有著豐富的科學(xué)史內(nèi)容，包括科學(xué)家的故事、科學(xué)事件等，也有對(duì)古代科學(xué)技術(shù)的介紹。在科學(xué)教學(xué)中，教師會(huì)選擇部分內(nèi)容進(jìn)行展開(kāi)。對(duì)已有研究進(jìn)行文獻(xiàn)搜索與分析，可以發(fā)現(xiàn)，部分科學(xué)教師對(duì)如何將科學(xué)史融入課堂教學(xué)進(jìn)行了探索。張勇老師總結(jié)出了插入方式、再現(xiàn)方式和滲透方式的科學(xué)史教育策略，如在講授“光的顏色”時(shí)插入牛頓發(fā)現(xiàn)七色光的歷史事件［2］；連勇老師在實(shí)踐后總結(jié)出組織學(xué)生講科學(xué)史故事，播放與科學(xué)史相關(guān)的微課短視頻和開(kāi)展課后科學(xué)任務(wù)的教學(xué)策略，以提升科學(xué)史教育的價(jià)值［3］；王曉利老師認(rèn)為從教材出發(fā)，穿插一些科學(xué)史故事或科學(xué)家故事是科學(xué)史教學(xué)的有效策略，有助于學(xué)生理解科學(xué)知識(shí)和科學(xué)本質(zhì)［4］。

不難發(fā)現(xiàn)，在中學(xué)階段開(kāi)展科學(xué)史融入課堂教學(xué)的設(shè)計(jì)與研究活動(dòng)較小學(xué)階段更為活躍，且科學(xué)史教學(xué)的整體性和連續(xù)性更強(qiáng)。如劉本舉老師對(duì)“細(xì)胞呼吸”進(jìn)行了整體梳理，形成了連續(xù)的科學(xué)史實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施方法策略［5］，還有很多教師針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐，如“人類(lèi)對(duì)細(xì)菌和真菌的利用”“胰島素的作用”“減數(shù)分裂的過(guò)程”“氣體摩爾體積”等。

從已有教學(xué)設(shè)計(jì)和課堂實(shí)踐中可以看出，在科學(xué)教學(xué)中融入科學(xué)史與技術(shù)史內(nèi)容是必要且可行的。然而，通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)：小學(xué)階段進(jìn)行科學(xué)史教學(xué)主要是為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，中學(xué)階段則主要是為了幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)概念的發(fā)展和形成過(guò)程；小學(xué)階段科學(xué)史的融入以點(diǎn)狀為主，強(qiáng)調(diào)教學(xué)策略的研究，中學(xué)階段則以縱向的線(xiàn)性主題融入為主，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究與概念理解。雖然小學(xué)和中學(xué)在科學(xué)史教學(xué)中存在差異，但現(xiàn)有的研究為小學(xué)階段HPST教學(xué)提供了實(shí)踐方向的指引。

二、小學(xué)HPST教學(xué)的作用與過(guò)程理解

小學(xué)科學(xué)課程對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展有著獨(dú)特的作用，在小學(xué)階段開(kāi)展HPST教學(xué)能夠促進(jìn)課程功能與價(jià)值的落實(shí)。然而，在實(shí)際教學(xué)中也出現(xiàn)了HPST教學(xué)的形式化問(wèn)題，HPST教學(xué)成了“走過(guò)場(chǎng)”，只是增加了課堂的觀(guān)賞性；有的教師使HPST教學(xué)工具化，沒(méi)有引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度思考；有的教師對(duì)HPST 內(nèi)容進(jìn)行了簡(jiǎn)單的講解，突出結(jié)論，遮蔽了科學(xué)技術(shù)史發(fā)展的背景、細(xì)節(jié)和真實(shí)歷程；有的教師對(duì)HPST內(nèi)容進(jìn)行了“輝格”解讀，即站在現(xiàn)代科學(xué)的背景下，用當(dāng)代視野來(lái)看科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，僅僅關(guān)注教材中的零散內(nèi)容［6］……由此可見(jiàn)，小學(xué)階段的HPST 教學(xué)依然處于起步階段。在小學(xué)進(jìn)行HPST 教學(xué)之前，仍需要對(duì)HPST 教學(xué)的作用與過(guò)程進(jìn)行必要的理解。

（一）從興趣激發(fā)到素養(yǎng)培育的轉(zhuǎn)變

在小學(xué)科學(xué)課堂中引入科學(xué)與技術(shù)史料圖片、科學(xué)家故事、科學(xué)發(fā)明等內(nèi)容，并在簡(jiǎn)約化后進(jìn)行教學(xué)，目的是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，增強(qiáng)其對(duì)科學(xué)事件和科學(xué)家的了解［7］，作為常規(guī)教學(xué)的點(diǎn)綴。對(duì)于科學(xué)與技術(shù)史教學(xué)的作用，袁維新老師在分析的基礎(chǔ)上總結(jié)出四點(diǎn)，分別是促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)知識(shí)的建構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生的批判與創(chuàng)新精神，同時(shí)提高學(xué)生的人文素養(yǎng)［8］。還有很多學(xué)者也認(rèn)為HPST 教學(xué)有助于普及科學(xué)知識(shí)，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)［9］，促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)概念，發(fā)展科學(xué)思維，全面認(rèn)識(shí)人類(lèi)文明［10］。可見(jiàn)，HPST 教學(xué)的作用不能僅僅局限于激發(fā)興趣，而應(yīng)該向培育科學(xué)課程核心素養(yǎng)的方向轉(zhuǎn)變?！?022年版課標(biāo)”將科學(xué)課程核心素養(yǎng)歸為科學(xué)觀(guān)念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、責(zé)任態(tài)度四個(gè)方面，HPST 教學(xué)能夠有效促進(jìn)科學(xué)課程核心素養(yǎng)的培育，達(dá)成教育目標(biāo)。

（二）從穿插融入到單元貫穿的轉(zhuǎn)變

在科學(xué)教學(xué)中，HPST 的內(nèi)容通常只會(huì)在其中某一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)，如教學(xué)開(kāi)始的導(dǎo)入和結(jié)束時(shí)的拓展，也有部分教師從某一科學(xué)技術(shù)史內(nèi)容出發(fā)進(jìn)行課時(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施。但無(wú)論是片段教學(xué)還是課時(shí)教學(xué)，HPST都是穿插在常規(guī)教學(xué)中的補(bǔ)充，而未作為科學(xué)教學(xué)的重要與必要組成。單元是學(xué)科教學(xué)的基本單位，開(kāi)展單元設(shè)計(jì)能有效落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)，并且能夠較好地回應(yīng)教學(xué)目標(biāo)、探究活動(dòng)和學(xué)生評(píng)價(jià)之間的一致性［11］。小學(xué)階段的HPST教學(xué)需要從點(diǎn)綴與穿插轉(zhuǎn)變?yōu)橐訦PST 的單元整體設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，從科學(xué)發(fā)展和本質(zhì)的視角出發(fā)，為學(xué)生整體設(shè)計(jì)HPST內(nèi)容和情境以及科學(xué)探究活動(dòng)。遵循學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的規(guī)律并在單元設(shè)計(jì)中加以體現(xiàn)，能夠發(fā)揮HPST教學(xué)培育課程核心素養(yǎng)的獨(dú)特價(jià)值。

（三）從點(diǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)到立體呈現(xiàn)的轉(zhuǎn)變

很多科學(xué)教師認(rèn)為科學(xué)課程的目的是傳授當(dāng)前公認(rèn)的科學(xué)知識(shí)與方法，引入科學(xué)技術(shù)史的目的是為了強(qiáng)化科學(xué)知識(shí)教學(xué)。這樣科學(xué)技術(shù)史就成了說(shuō)服學(xué)生的工具，HPST教學(xué)就成了“輝格式科學(xué)史”教學(xué)，即以現(xiàn)代科學(xué)知識(shí)為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量和評(píng)價(jià)歷史事件以及對(duì)當(dāng)今科學(xué)知識(shí)的貢獻(xiàn)程度，沒(méi)有考慮真實(shí)以及復(fù)雜的社會(huì)與歷史背景［12］。傳統(tǒng)的涉及科學(xué)史的課堂中，教師以引入科學(xué)家故事、科學(xué)事件等散點(diǎn)為主要教學(xué)方式。且為了突出教學(xué)效果，教師會(huì)對(duì)很多內(nèi)容進(jìn)行加工與處理，最終在學(xué)生頭腦中留下的是一個(gè)個(gè)平面的片段。在科學(xué)課程深度改革的今天，開(kāi)展HPST 教學(xué)，需要教師對(duì)科學(xué)發(fā)展歷史進(jìn)行全面了解，將當(dāng)時(shí)的歷史現(xiàn)實(shí)融入其中，同時(shí)根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，從關(guān)注科學(xué)知識(shí)與結(jié)論轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)注過(guò)程發(fā)展與問(wèn)題的提出和解決，為學(xué)生呈現(xiàn)立體的科學(xué)事件與科學(xué)人物。這些事件既包括科學(xué)知識(shí)和概念的形成與更替，又包括科學(xué)發(fā)展過(guò)程中的成功與失敗，能夠?yàn)閷W(xué)生呈現(xiàn)鮮活的科學(xué)發(fā)展歷程和有靈魂的科學(xué)家。

三、HPST教學(xué)視野下的單元設(shè)計(jì)

“2022 年版課標(biāo)”建議小學(xué)科學(xué)課程教學(xué)從教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容出發(fā)，按照學(xué)習(xí)進(jìn)階的規(guī)律設(shè)計(jì)促進(jìn)學(xué)生自主探究、獨(dú)立思考、合作交流的教學(xué)活動(dòng)，并且指出從單元出發(fā)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)是整體落實(shí)課程目標(biāo)，發(fā)展核心素養(yǎng)的有效方法。因此，從單元出發(fā)進(jìn)行HPST教學(xué)設(shè)計(jì)是落實(shí)“2022年版課標(biāo)”的探索嘗試。筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外科學(xué)史教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐模式進(jìn)行了梳理，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合單元教學(xué)設(shè)計(jì)要求制作了HPST單元設(shè)計(jì)與教學(xué)模式（如圖1）。HPST 單元設(shè)計(jì)是指以單元為整體開(kāi)展的系統(tǒng)化、科學(xué)化的教學(xué)設(shè)計(jì)，是在對(duì)科學(xué)技術(shù)史整體分析與梳理的基礎(chǔ)上，對(duì)單元教學(xué)目標(biāo)、活動(dòng)、作業(yè)、評(píng)價(jià)與資源進(jìn)行整體設(shè)計(jì)的過(guò)程?！皢卧笨梢允墙滩闹械膬?nèi)容單元，也可以是教師在對(duì)教材進(jìn)行梳理與重組之后的單元，還可以是教師根據(jù)自身理解自行擬定的單元。HPST 單元一般由三個(gè)以上的課時(shí)組成，每個(gè)課時(shí)教學(xué)包含5個(gè)具體環(huán)節(jié)。在課堂教學(xué)中，教師應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行靈活調(diào)整。

圖1 HPST單元設(shè)計(jì)與教學(xué)模式［13］

在完整的HPST 課時(shí)教學(xué)中，第一階段是“情境、任務(wù)導(dǎo)入”，可以呈現(xiàn)歷史性處理后的現(xiàn)象、情境或任務(wù)及早期科學(xué)家或科學(xué)發(fā)展歷史的主題。第二階段為“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、引出觀(guān)念”，即利用各種方法啟發(fā)學(xué)生，收集學(xué)生的問(wèn)題、觀(guān)念，可利用問(wèn)答程序、概念圖、繪圖、實(shí)例等，鼓勵(lì)學(xué)生提出多樣問(wèn)題和多元觀(guān)點(diǎn)，啟發(fā)學(xué)生感受科學(xué)家不僅僅是發(fā)現(xiàn)“科學(xué)事實(shí)”，還通過(guò)他們的創(chuàng)造力和想象力來(lái)“構(gòu)建”事實(shí)。同時(shí)提供合適的機(jī)會(huì)讓學(xué)生表達(dá)對(duì)情境、任務(wù)的理解，意識(shí)到他們現(xiàn)有的思維與早期科學(xué)思維之間的相似之處。第三階段為“科學(xué)探究與實(shí)踐”，即給予學(xué)生足夠的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究、實(shí)踐活動(dòng)。在此環(huán)節(jié)中，教師根據(jù)需要讓學(xué)生開(kāi)展科學(xué)技術(shù)史的研究，也可給出HPST的資料與信息。比如當(dāng)時(shí)的政治、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)背景、科學(xué)技術(shù)史發(fā)展的簡(jiǎn)要年表、當(dāng)時(shí)的一些數(shù)據(jù)和支持證據(jù)、科學(xué)技術(shù)史上與情境、任務(wù)相關(guān)的例子及觀(guān)點(diǎn)，包括同一時(shí)期不同科學(xué)家對(duì)同一事件的不同觀(guān)點(diǎn)。第四階段為“問(wèn)題解決、觀(guān)念重構(gòu)”，是在學(xué)生深入探究與實(shí)踐后的梳理，也是對(duì)現(xiàn)代科學(xué)觀(guān)點(diǎn)的介紹。目的是讓學(xué)生意識(shí)到現(xiàn)代科學(xué)觀(guān)點(diǎn)不是單一的、毫無(wú)疑問(wèn)的觀(guān)點(diǎn)，科學(xué)觀(guān)點(diǎn)不是簡(jiǎn)單的斷言，現(xiàn)代科學(xué)為一些現(xiàn)象提供了更準(zhǔn)確的解釋?zhuān)缘玫搅烁鼜V泛的應(yīng)用。最后是“評(píng)價(jià)、思考與拓展”，即讓學(xué)生以小組的方式進(jìn)行討論，對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行反思，對(duì)科學(xué)觀(guān)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，使學(xué)生意識(shí)到歷史上科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是人類(lèi)智慧的體現(xiàn)，科學(xué)思想也并不總是建立在“不言而喻”的基礎(chǔ)上，很多時(shí)候需要用到人們的想象力和創(chuàng)造性思維。

HPST單元設(shè)計(jì)與教學(xué)模式為科學(xué)技術(shù)史教學(xué)提供了支架。在實(shí)際教學(xué)中，教師可根據(jù)不同的科學(xué)、技術(shù)史內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，延展教學(xué)的時(shí)間與空間，由此發(fā)展學(xué)生的科學(xué)課程核心素養(yǎng)，同時(shí)認(rèn)識(shí)到科學(xué)教育如果不涉及科學(xué)、技術(shù)發(fā)展歷史和性質(zhì)，就會(huì)成為口號(hào)。

四、HPST教學(xué)的實(shí)踐與反思

在對(duì)HPST 教學(xué)價(jià)值和模式進(jìn)行理解的基礎(chǔ)上，教師應(yīng)梳理相關(guān)課程標(biāo)準(zhǔn)和教材內(nèi)容，而后進(jìn)行具體的單元設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐，在實(shí)踐中完善HPST 教學(xué)方法，關(guān)注教學(xué)過(guò)程中學(xué)生的經(jīng)歷與發(fā)展。某教師以“時(shí)間”主題，進(jìn)行了HPST教學(xué)的課堂實(shí)踐。

（一）HPST單元設(shè)計(jì)——“時(shí)間”

無(wú)論是對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，還是對(duì)學(xué)生對(duì)自然、科學(xué)的認(rèn)識(shí)、學(xué)習(xí)，“時(shí)間”都有著非常重要的作用。人類(lèi)對(duì)“時(shí)間”的感知有著漫長(zhǎng)的歷史，計(jì)時(shí)工具與技術(shù)的發(fā)展也經(jīng)歷了多個(gè)時(shí)期，因此該主題非常適合開(kāi)展HPST單元教學(xué)。在分析了目前與“時(shí)間”相關(guān)的教學(xué)實(shí)踐的優(yōu)點(diǎn)與不足后，教師進(jìn)行了“時(shí)間”單元的教學(xué)設(shè)計(jì)，具體如圖2。

圖2 “時(shí)間”單元教學(xué)設(shè)計(jì)

“時(shí)間”單元由三大內(nèi)容組成，分別是日晷、漏刻和擺鐘，既體現(xiàn)了人類(lèi)對(duì)時(shí)間的認(rèn)識(shí)與理解過(guò)程，又有利于學(xué)生理解技術(shù)發(fā)展對(duì)計(jì)時(shí)工具的改變。這些內(nèi)容也較為適合小學(xué)生的認(rèn)知水平。三大內(nèi)容由不同的課時(shí)組成。如“感受時(shí)間”包括“快與慢”“時(shí)間的估計(jì)”兩個(gè)內(nèi)容，用一至兩個(gè)課時(shí)完成教學(xué)；“漏刻”包括“沉沒(méi)時(shí)間”“水鐘”“中國(guó)的漏刻”等內(nèi)容，可以根據(jù)實(shí)際需要確定課時(shí)?？傮w上，“時(shí)間”單元共設(shè)計(jì)了16 個(gè)課時(shí)的教學(xué)，既可以整體實(shí)施，又可以分成三個(gè)主題分別進(jìn)行教學(xué)。對(duì)于主題之間的聯(lián)系，教師需要進(jìn)行鋪墊與介紹，讓學(xué)生對(duì)科學(xué)、技術(shù)的發(fā)展有整體的認(rèn)識(shí)，由此在充分的科學(xué)實(shí)踐中促進(jìn)學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展。

（二）HPST課堂教學(xué)實(shí)踐

在單元設(shè)計(jì)后進(jìn)行扎實(shí)的課堂教學(xué)實(shí)踐才能保證HPST 教學(xué)目標(biāo)的落實(shí)。通過(guò)實(shí)踐不僅能夠完善HPST教學(xué)模式，還能對(duì)科學(xué)技術(shù)史出現(xiàn)的方式和時(shí)機(jī)進(jìn)行論證。

1.HPST主題教學(xué)實(shí)踐與反思

“時(shí)間”單元的內(nèi)容豐富，涉及到的教學(xué)時(shí)間較長(zhǎng)，主題較多。在實(shí)施過(guò)程中，教師可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活的處理與調(diào)整。如“日晷”主題教學(xué),教師改變了以往僅制作日晷和使用日晷的教學(xué)方式，從HPST 教學(xué)模式出發(fā)進(jìn)行了實(shí)踐，取得了較好的教學(xué)效果。

（1）情境、任務(wù)的導(dǎo)入實(shí)踐

在“日晷”主題教學(xué)中，教師先從“感受時(shí)間”開(kāi)始，讓學(xué)生寫(xiě)一寫(xiě)“做什么比較快，做什么比較慢”。同時(shí)在小組內(nèi)交流介紹自己寫(xiě)的“快”與“慢”的事件，與同伴比較一下有沒(méi)有重合的事件。這一設(shè)計(jì)為學(xué)生認(rèn)識(shí)“時(shí)間”的重要性創(chuàng)設(shè)了情境。通過(guò)活動(dòng)，學(xué)生對(duì)自己和同伴有了更深的認(rèn)識(shí)。如有學(xué)生在梳理自己的“快”與“慢”時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)自己與其他同學(xué)存在矛盾的地方。以“完成作業(yè)”一事為例，有的同學(xué)寫(xiě)在“快”類(lèi)，有的寫(xiě)在“慢”類(lèi)。經(jīng)過(guò)思考討論，學(xué)生認(rèn)識(shí)到快和慢是相對(duì)的，只有以一定時(shí)間為參考標(biāo)準(zhǔn)才能確定是快還是慢。

隨后，教師組織學(xué)生進(jìn)行“時(shí)間估計(jì)”活動(dòng)（如表1），如估計(jì)完成“穿針”“將10顆玻璃球從一個(gè)碗里夾到另一個(gè)碗里”“頭上頂一本書(shū)走20 米”等事情需要的時(shí)間。在導(dǎo)入任務(wù)后，學(xué)生認(rèn)識(shí)到計(jì)時(shí)方法和計(jì)時(shí)工具的重要性。

表1 “時(shí)間估計(jì)”活動(dòng)

對(duì)寫(xiě)作內(nèi)容進(jìn)行梳理之后，學(xué)生表示從太陽(yáng)每天的移動(dòng)、“我們”在慢慢長(zhǎng)大、爺爺奶奶在慢慢變老、冬天會(huì)下雪、每年秋天樹(shù)葉會(huì)掉落等現(xiàn)象中都能感受到時(shí)間的變化。還有學(xué)生寫(xiě)道：“時(shí)間意味著我們每個(gè)人的生命都有開(kāi)始和結(jié)束，意味著四季變換和春去秋來(lái)。”HPST教學(xué)的目的不僅僅是介紹科學(xué)、技術(shù)的發(fā)展，更在于讓學(xué)生進(jìn)入教師設(shè)計(jì)的歷史情境與任務(wù)中，引發(fā)學(xué)生產(chǎn)生問(wèn)題，形成對(duì)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。

（2）“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、引發(fā)觀(guān)念”的實(shí)施

在情境與任務(wù)的引導(dǎo)下，學(xué)生會(huì)自然地產(chǎn)生比較多的問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)象也會(huì)有自己的認(rèn)識(shí)。如在了解了太陽(yáng)影子的變化規(guī)律后，學(xué)生進(jìn)行了設(shè)計(jì)日晷的活動(dòng)，該活動(dòng)環(huán)節(jié)層層遞進(jìn)。學(xué)生先思考古人的計(jì)時(shí)方法，再思考太陽(yáng)影子變化與時(shí)間之間的關(guān)系，最后確定南北方向（如圖3），為日晷的設(shè)計(jì)和制作做了充分的準(zhǔn)備。

圖3 確定南北方向的過(guò)程

對(duì)于古人的計(jì)時(shí)方式，很多學(xué)生能說(shuō)出用看太陽(yáng)或者影子位置變化的方法，還有學(xué)生說(shuō)出用沙漏計(jì)時(shí)、滴水計(jì)時(shí)等方法，但他們對(duì)于古人準(zhǔn)確計(jì)時(shí)工具的科學(xué)名稱(chēng)知道的并不多，且對(duì)古代計(jì)時(shí)工具的結(jié)構(gòu)和制作方式也產(chǎn)生了疑問(wèn)。如對(duì)于日晷如何準(zhǔn)確計(jì)時(shí)這一問(wèn)題，學(xué)生產(chǎn)生了許多困惑。通過(guò)討論，學(xué)生意識(shí)到自己面臨的問(wèn)題與古人曾經(jīng)面臨的問(wèn)題是相似的，并受到了古人的鼓舞。下面是其中一個(gè)小組在活動(dòng)中的交流對(duì)話(huà)。

生A：老師怎么不提供制作方法或步驟呢？

生B：我們碰到了很多問(wèn)題，需要幫助呀！

生C：想象一下，如果我們?cè)?000多年前，該怎么來(lái)設(shè)計(jì)和制作呢？

生A：是的，古人面臨的問(wèn)題可能比我們還多，我們自己再想想吧。

在設(shè)計(jì)制作日晷的過(guò)程中，學(xué)生產(chǎn)生了大量的問(wèn)題。10 個(gè)小組中，完成日晷制作的小組有7 個(gè)，但在使用制作的日晷進(jìn)行計(jì)時(shí)后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)這些日晷都無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，于是產(chǎn)生了對(duì)“日晷到底應(yīng)該是什么樣的”“如何才能制作出能準(zhǔn)確計(jì)時(shí)的日晷”等問(wèn)題的探究欲望。讓學(xué)生提出問(wèn)題并嘗試解決問(wèn)題是科學(xué)課堂教學(xué)的重要目標(biāo)，也是輸入HPST內(nèi)容與信息的最佳時(shí)機(jī)。

（3）HPST教學(xué)的深入實(shí)施階段

在HPST 內(nèi)容與信息輸入后應(yīng)進(jìn)行科學(xué)探究與實(shí)踐、問(wèn)題解決與觀(guān)念重構(gòu)兩個(gè)環(huán)節(jié)。日晷的發(fā)展與形成經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的歷史，教學(xué)時(shí)間不允許教師在課堂上呈現(xiàn)完整的過(guò)程，但教師可以根據(jù)目標(biāo)，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行過(guò)程的延伸與拓展。在“時(shí)間”單元中，學(xué)生在產(chǎn)生強(qiáng)烈學(xué)習(xí)需求之后，利用教師提供的豐富多樣的材料進(jìn)行了日晷的制作，在制作完成后與不同小組進(jìn)行比較，找出差異，并從提供的材料與信息中了解日晷的結(jié)構(gòu)與功能，具體過(guò)程如圖4。

圖4 “日晷”探究與實(shí)踐活動(dòng)流程

在HPST教學(xué)的深入實(shí)施階段，教師需要遵循以下幾個(gè)原則。首先是給予學(xué)生充足的時(shí)間。在制作日晷和了解日晷結(jié)構(gòu)功能活動(dòng)中，教師安排了1個(gè)課時(shí)進(jìn)行教學(xué)，同時(shí)多次利用課后服務(wù)時(shí)間組織學(xué)生進(jìn)行拓展活動(dòng)。其次是提供足夠充分的資源支持。教師在單元設(shè)計(jì)中將教學(xué)資源的準(zhǔn)備作為重點(diǎn)，為學(xué)生提供了豐富的學(xué)習(xí)資源包。除了動(dòng)手制作的材料、活動(dòng)任務(wù)單之外，學(xué)習(xí)資源還包括文字、圖片和視頻等。同時(shí)還提供移動(dòng)終端供學(xué)生查閱歷史文獻(xiàn)資料，幫助學(xué)生完成撰寫(xiě)日晷使用說(shuō)明書(shū)的任務(wù)。最后是凸顯科學(xué)、技術(shù)發(fā)展歷史在人類(lèi)文化積累過(guò)程中的重要性。日晷是科學(xué)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的重要成果，除了讓學(xué)生領(lǐng)悟日晷設(shè)計(jì)的精妙之外，教師還需要對(duì)日晷在人類(lèi)發(fā)展過(guò)程中的作用進(jìn)行深入分析，讓學(xué)生進(jìn)一步了解中國(guó)人和中華文化對(duì)時(shí)間的關(guān)注。

2.HPST教學(xué)方式的設(shè)計(jì)與實(shí)施

對(duì)“時(shí)間”單元進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)施的同時(shí)，教師還基于科學(xué)課程核心素養(yǎng)，開(kāi)展了多樣的教學(xué)活動(dòng)。具體而言，核心素養(yǎng)包括學(xué)生利用統(tǒng)計(jì)圖表等記錄和整理信息，并進(jìn)行比較與推理的能力。在“漏刻”主題教學(xué)中，教師帶領(lǐng)學(xué)生開(kāi)展了統(tǒng)計(jì)不同壓力下帶孔盒子的沉沒(méi)時(shí)間的活動(dòng)（如圖5），在統(tǒng)計(jì)和繪制圖表后了解漏刻計(jì)時(shí)的方法與原理。

圖5 帶孔盒子的沉沒(méi)時(shí)間

除此之外，在“時(shí)間”單元中，教師還設(shè)計(jì)了鼓勵(lì)學(xué)生提出問(wèn)題的活動(dòng)，對(duì)素養(yǎng)中“提出可探究的科學(xué)問(wèn)題”的要求進(jìn)行落實(shí)；設(shè)計(jì)了科學(xué)寫(xiě)作的活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生采用不同方式呈現(xiàn)探究過(guò)程與結(jié)論的能力；在了解中國(guó)漏刻的活動(dòng)中，設(shè)計(jì)了讓學(xué)生閱讀不同時(shí)期描寫(xiě)漏刻的古文獻(xiàn)，幫助學(xué)生在任務(wù)單的支持下，形成對(duì)漏刻動(dòng)態(tài)變化的認(rèn)識(shí)；在擺的探究活動(dòng)中，除了帶領(lǐng)學(xué)生探究擺的規(guī)律，還設(shè)計(jì)了利用沙擺了解擺動(dòng)模式的活動(dòng)，讓學(xué)生提出一些新穎、合理的觀(guān)點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的創(chuàng)意設(shè)計(jì)；在了解完不同階段計(jì)時(shí)工具的發(fā)展后，引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)等方面思考科學(xué)技術(shù)發(fā)展的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生正確的科學(xué)態(tài)度與價(jià)值觀(guān)念。

基于HPST 教學(xué)的單元設(shè)計(jì)與教學(xué)是落實(shí)“2022年版課標(biāo)”和促進(jìn)學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)發(fā)展的有效探索與嘗試，旨在讓學(xué)生系統(tǒng)了解科學(xué)、技術(shù)史的發(fā)展，彌補(bǔ)單課時(shí)教學(xué)的不足。實(shí)踐證明，只有在單元多個(gè)課時(shí)的疊加與迭代實(shí)施中，學(xué)生的素養(yǎng)培育才能真正落地。