HPS教育視角下中美初中化學(xué)教材比較研究

劉旭瑩，白鶴龍，杜 博，信佳興，4，葉董艷， 宋 肖

(1.長春師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130032；2.吉林省靖宇縣第七中學(xué)，吉林 白山 135200；3.北京師范大學(xué)南川附屬學(xué)校，重慶 408401；4.公主嶺市楊大城子鎮(zhèn)第二中學(xué)校，吉林 長春 136129)

自19世紀(jì)以來，世界各國對(duì)科學(xué)教育進(jìn)行了一次次的改革，使科學(xué)教育不僅注重知識(shí)的傳授，更注重在培養(yǎng)學(xué)生的探究能力。如今，世界各國關(guān)注的重點(diǎn)在于對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，我國也提出初中化學(xué)以提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為主旨，學(xué)生能正確地把握科學(xué)規(guī)律、具備科學(xué)探究能力、理解學(xué)科本質(zhì)、認(rèn)識(shí)科學(xué)發(fā)展對(duì)社會(huì)的重要意義。

1 HPS教育的內(nèi)涵與價(jià)值

HPS教育是一種融入科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)的教學(xué)模式。把HPS教育融入中小學(xué)科學(xué)教材中，帶領(lǐng)學(xué)生在科學(xué)探索的情境中追尋科學(xué)家的探索路線，為學(xué)生展示科學(xué)的演進(jìn)過程和科學(xué)研究方法，尋求科學(xué)的內(nèi)在本質(zhì)，幫助學(xué)生初步形成科學(xué)觀，并感受科學(xué)對(duì)社會(huì)發(fā)展的作用，以此真正有效地提高科學(xué)素養(yǎng)[1]。

隨著科學(xué)教育的不斷革新與科學(xué)史的地位日益突出，眾多學(xué)者研究認(rèn)為，學(xué)校的科學(xué)教育課程應(yīng)包括科學(xué)史內(nèi)容，通過科學(xué)史的學(xué)習(xí)，帶領(lǐng)學(xué)生跟隨科學(xué)家的腳步進(jìn)入創(chuàng)設(shè)的歷史情境，加深學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)形成過程的認(rèn)識(shí)。生動(dòng)的科學(xué)史能夠感染學(xué)生，在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神。

HPS教育看重科學(xué)哲學(xué)的培養(yǎng)，學(xué)生可以通過哲學(xué)思辨和科學(xué)探索，深入思考并了解科學(xué)的本質(zhì)[2]，在科學(xué)探究中體會(huì)科學(xué)發(fā)展的過程，樹立正確的科學(xué)觀，從而提升科學(xué)素養(yǎng)。

科學(xué)受政治、經(jīng)濟(jì)、文化等影響，科學(xué)知識(shí)的形成、發(fā)展和傳播都與社會(huì)密切相關(guān)，反過來，科學(xué)也在傳播中影響社會(huì)、服務(wù)于社會(huì)，由此塑造學(xué)生正確認(rèn)識(shí)科學(xué)的功能，提高學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

教材是教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)的重要參考書。美國的HPS教育理念早已滲入所用教材——《科學(xué)探索者》中，而我國的HPS教育起步較晚，研究還不夠系統(tǒng)與全面。因此，對(duì)我國人教版初中化學(xué)教材與美國教材進(jìn)行比較，尋找兩國初中化學(xué)教材在HPS內(nèi)容選擇與呈現(xiàn)方式上存在的差異，找出兩版教材的特點(diǎn)，并吸取借鑒，可以為我國初中化學(xué)教學(xué)提供參考。

2 中美初中化學(xué)教材中HPS內(nèi)容對(duì)比分析設(shè)計(jì)

2.1 確定研究對(duì)象

選取人教版義務(wù)教育教科書《化學(xué)》和美國初中主流教材《科學(xué)探索者——化學(xué)反應(yīng)》，兩套教材都被廣泛使用，具有典型性。而研究對(duì)象均選取了“物質(zhì)構(gòu)成”這部分內(nèi)容，兩套教材中關(guān)于“物質(zhì)構(gòu)成”內(nèi)容框架梳理見表1[3]。

表1 中美初中化學(xué)教材中關(guān)于“物質(zhì)構(gòu)成”的內(nèi)容

2.2 選取HPS內(nèi)容編碼

初中化學(xué)教材HPS內(nèi)容分析，其基礎(chǔ)是對(duì)“科學(xué)史”“科學(xué)哲學(xué)”“科學(xué)社會(huì)學(xué)”三大類目的細(xì)分。通過HPS內(nèi)容分類編碼，結(jié)合化學(xué)學(xué)科性質(zhì)，得到化學(xué)學(xué)科HPS內(nèi)容分析類目的操作編碼表，見表2。

表2 HPS內(nèi)容維度分析類目的操作編碼表

3 中美初中化學(xué)教材中HPS內(nèi)容比較與分析

3.1 HPS內(nèi)容數(shù)量

通過表3可知，從HPS內(nèi)容的總體數(shù)量來看，美國教材(40處)是我國教材(19處)的2倍多，可以看出美國教材在編寫中注重融入HPS理念。

表3 中美初中化學(xué)教材中“物質(zhì)構(gòu)成”HPS內(nèi)容維度編碼統(tǒng)計(jì)

兩國教材的不同內(nèi)容維度的占比由大到小依次為科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)史、科學(xué)社會(huì)學(xué)，由此可見，兩國教材都注重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)的認(rèn)知和理解，形成化學(xué)思想，提升科學(xué)探究能力。但同時(shí)可以看出我國教材編寫上關(guān)于“科學(xué)史”“科學(xué)社會(huì)學(xué)”內(nèi)容的缺失?；瘜W(xué)史中蘊(yùn)含著科學(xué)思想、科學(xué)知識(shí)和科學(xué)家的探索精神，有助于學(xué)生理解科學(xué)方法，培養(yǎng)質(zhì)疑與批判精神，發(fā)散思維，領(lǐng)會(huì)科學(xué)的本質(zhì)，而科學(xué)社會(huì)學(xué)可以幫助學(xué)生感受到化學(xué)與社會(huì)、生活之間的緊密聯(lián)系。這兩處內(nèi)容的缺少將無法更好地幫助對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。

3.2 HPS內(nèi)容構(gòu)成

兩國教材中“物質(zhì)構(gòu)成”的HPS內(nèi)容統(tǒng)計(jì)見表4。通過比較可以看到兩國教材在“物質(zhì)構(gòu)成”的HPS內(nèi)容選擇上有很多差異，我國教材有關(guān)科學(xué)史、科學(xué)社會(huì)學(xué)內(nèi)容較少。

表4 中美初中化學(xué)教材中“物質(zhì)構(gòu)成”的HPS內(nèi)容及呈現(xiàn)方式統(tǒng)計(jì)

“科學(xué)史”方面：我國人教版在講述相對(duì)原子質(zhì)量時(shí)，以資料卡片的形式介紹了我國科學(xué)家張青蓮教授主持測定某些原子的相對(duì)原子質(zhì)量新值，他的科學(xué)成就對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)起到榜樣示范作用，同時(shí)這部分內(nèi)容有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣以及培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷；在講述元素時(shí)，資料卡片中提到了道爾頓設(shè)計(jì)的元素符號(hào)以及元素中文名稱造字的規(guī)律，幫助學(xué)生拓寬視野，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；在元素一節(jié)最后的資料卡片里，介紹了道爾頓提出的原子論觀點(diǎn)，以及與原子論有聯(lián)系的化學(xué)史實(shí)，讓學(xué)生體會(huì)到理論的取得凝結(jié)了許多科學(xué)家辛勤勞動(dòng)的成果。而美國教材的“科學(xué)史”部分更加豐富，近乎用一節(jié)的內(nèi)容講解了原子結(jié)構(gòu)和模型的發(fā)展歷程，讓學(xué)生系統(tǒng)地理解化學(xué)知識(shí)的形成過程；在講元素周期表時(shí)，介紹了許多化學(xué)家發(fā)現(xiàn)元素的小故事，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面。

“科學(xué)哲學(xué)”方面：兩國教材在數(shù)量以及呈現(xiàn)方式上相差不大，在教材中都加入了探究實(shí)驗(yàn)，除了讓學(xué)生知道“是什么”“為什么”[4]，還要讓學(xué)生知道“怎么做”，在探索中感受化學(xué)的實(shí)證性、預(yù)測性、邏輯性，從而體會(huì)化學(xué)的本質(zhì)，形成科學(xué)意識(shí)，提高科學(xué)素養(yǎng)，可見兩國教材都重視對(duì)學(xué)生化學(xué)思想的培養(yǎng)。

“科學(xué)社會(huì)學(xué)”方面：我國教材在該部分內(nèi)容是缺失的，體現(xiàn)出我國教材對(duì)化學(xué)的社會(huì)功能闡釋不足，難以讓學(xué)生體會(huì)到化學(xué)與社會(huì)的關(guān)聯(lián)。美國教材則主要介紹化學(xué)知識(shí)對(duì)生活的應(yīng)用，體現(xiàn)化學(xué)能促進(jìn)社會(huì)發(fā)展、改善人類生活，使學(xué)生理解化學(xué)學(xué)習(xí)的實(shí)用性。所以美版教材以此將化學(xué)與社會(huì)建立聯(lián)系，但社會(huì)對(duì)化學(xué)的影響沒有體現(xiàn)。通過比較可以看出兩國在“科學(xué)社會(huì)學(xué)”內(nèi)容上都有所欠缺，社會(huì)學(xué)家認(rèn)為科學(xué)是在社會(huì)環(huán)境中發(fā)展起來的，科學(xué)既受社會(huì)價(jià)值的影響，又影響社會(huì)價(jià)值，因此，將“科學(xué)社會(huì)學(xué)”思想融入教材是不可忽視的。

3.3 選取“原子構(gòu)成”進(jìn)行HPS內(nèi)容對(duì)比

在“物質(zhì)構(gòu)成”單元中，“原子構(gòu)成”這一部分內(nèi)容十分重要。所以，在此選取“原子構(gòu)成”進(jìn)行更為詳細(xì)的比較分析。

有關(guān)“原子構(gòu)成”的內(nèi)容。在知識(shí)的結(jié)構(gòu)上，我國人教版教材中，該部分內(nèi)容在第三單元課題2“原子的結(jié)構(gòu)”以及課題3“元素”的資料卡片中出現(xiàn)。而在美國教材《科學(xué)探索者——化學(xué)反應(yīng)》一書中，該部分內(nèi)容在第一章第一節(jié)“元素和原子”中出現(xiàn)。

從內(nèi)容的難度上看，該部分我國教材的講解學(xué)生很容易理解，對(duì)道爾頓的原子理論以資料卡片的形式展現(xiàn)，僅要求學(xué)生了解即可?？梢钥闯觯覈踔谢瘜W(xué)教材注重基礎(chǔ)性，選擇的內(nèi)容難度較淺，易于理解。而美國教材對(duì)原子構(gòu)成的講述，是在許多科學(xué)家的探索過程中總結(jié)得出，對(duì)原子的構(gòu)成講述得比較分散，且內(nèi)容涉及粒子撞擊金箔、電子云等，學(xué)生在理解上可能存在困難。在講述科學(xué)家們對(duì)原子構(gòu)成的推理時(shí)，有的科學(xué)家的理論被推翻或是被修改?？赡軐?dǎo)致學(xué)生混淆記憶，美國教材編寫更加注重拓展和延伸，該部分內(nèi)容理解起來有一定難度，但是在這部分內(nèi)容中，美國教材融入了很多HPS教育。

在內(nèi)容的呈現(xiàn)方式上，我國教材在課題2中直接講述原子的構(gòu)成，并附有圖片，并在課題3的資料卡片中展示出道爾頓提出的原子論觀點(diǎn)，在欄目中展示與原子論相關(guān)的化學(xué)史實(shí)，篇幅較少。而美國教材對(duì)于原子結(jié)構(gòu)和原子論的敘述用了較大篇幅，將原子模型和原子理論的發(fā)展史以文本和圖片的形式展現(xiàn)給學(xué)生。書中涉及不少的科學(xué)人物，如道爾頓[5]、湯姆生、盧瑟福、波爾等，講述了他們對(duì)原子理論和模型的探索過程和邏輯推理思路。HPS教育強(qiáng)調(diào)以史實(shí)為基礎(chǔ)，從歷史的角度還原科學(xué)，體現(xiàn)出科學(xué)知識(shí)的發(fā)展性、預(yù)測性和創(chuàng)造性，為學(xué)生展現(xiàn)了科學(xué)探索的本質(zhì)。科學(xué)家們的辯證唯物主義思想讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)知識(shí)在不斷地完善和更新，研究過程曲折而漫長，科學(xué)知識(shí)需要用辯證的目光去預(yù)測、積累和創(chuàng)新。

從對(duì)內(nèi)容的選擇和表述上可以看出，我國教材重視學(xué)生對(duì)結(jié)果的掌握。書中直接介紹原子的構(gòu)成，僅在資料卡片中對(duì)道爾頓提出的原子論作了簡單介紹，所以對(duì)HPS教育強(qiáng)調(diào)的科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)部分是缺失的，這使學(xué)生被動(dòng)地接受知識(shí)，不了解科學(xué)知識(shí)的演變過程，無法體驗(yàn)到科學(xué)家們探索科學(xué)過程和思路，也無法激起對(duì)科學(xué)探索的興趣。而美國教材通過指引學(xué)生追尋科學(xué)家的腳步對(duì)原子進(jìn)行再次的探索、思考和分析，潛移默化地幫助學(xué)生建立批判性思維，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)，從中領(lǐng)悟科學(xué)探究本質(zhì)，體會(huì)科學(xué)家們?cè)谔剿髦械钠D辛和持之以恒的精神，以此形成正確的科學(xué)知識(shí)觀并提升科學(xué)素養(yǎng)。

由此可見，美國教材在“原子構(gòu)成”這種過于理論性、抽象性的知識(shí)內(nèi)容上，也能進(jìn)行延伸和拓展，融入HPS教育理念，將“原子構(gòu)成”與科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)緊密結(jié)合，添加人文色彩[6]，揭露科學(xué)本質(zhì)，展現(xiàn)科學(xué)精神，幫助學(xué)生拓寬視野。所以，我國可以借鑒美國教材中的HPS內(nèi)容，取長補(bǔ)短。

4 基于HPS的教學(xué)策略建構(gòu)

4.1 結(jié)合教材內(nèi)容，融入相關(guān)化學(xué)史內(nèi)容

初中化學(xué)是學(xué)生正式接觸化學(xué)這門學(xué)科的起始階段，除了重視內(nèi)容的基礎(chǔ)性，還需要把握教材的科普性。在符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的基礎(chǔ)上，教材可以適當(dāng)?shù)貙?duì)知識(shí)進(jìn)行拓展和延伸，增加化學(xué)史的介紹，將化學(xué)史上新物質(zhì)的研究和發(fā)現(xiàn)過程作為HPS教育的素材。這樣不僅可以拓寬學(xué)生視野，更能帶領(lǐng)學(xué)生領(lǐng)會(huì)化學(xué)理論的形成過程，感受其中的科學(xué)精神。教師通過講述化學(xué)史發(fā)展過程、展示相關(guān)照片、節(jié)選化學(xué)家進(jìn)行探索時(shí)遇到困難并解決的某一個(gè)探索片段等化學(xué)課堂情境的創(chuàng)設(shè)，給學(xué)生提供探索問題解決問題的氛圍，幫助學(xué)生進(jìn)行積極的情感體驗(yàn)，融入知識(shí)的學(xué)習(xí)探索過程。例如：在介紹侯氏制堿法時(shí)，不僅要介紹反應(yīng)原理，更要將侯德榜制堿背后的故事講述給學(xué)生，學(xué)習(xí)他的愛國主義情懷以及敢于攻克難堅(jiān)、以德報(bào)怨、勇于創(chuàng)新的高尚品德。在教學(xué)中融入化學(xué)史[7]，再現(xiàn)化學(xué)知識(shí)的形成過程，可以引導(dǎo)學(xué)生依照化學(xué)家的思維方式進(jìn)行探索知識(shí)。如介紹“張青蓮與相對(duì)原子質(zhì)量的測定”時(shí)，不局限于對(duì)研究成果的簡單介紹，而要完整地呈現(xiàn)出研究過程，讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)研究的艱辛與曲折，或者適當(dāng)提供原始資料，使史料更有說服力，并引導(dǎo)學(xué)生積極進(jìn)行自主調(diào)查、搜集資料，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)化學(xué)史學(xué)習(xí)的重視程度[8]。

4.2 提煉隱含思想，增強(qiáng)科學(xué)哲學(xué)思想

教學(xué)中化學(xué)史的融入，也有利于“科學(xué)哲學(xué)”教育。了解科學(xué)家們探索知識(shí)的過程，可以讓學(xué)生直觀地感受到科學(xué)的批判性、發(fā)展性、累積性和創(chuàng)造性，并進(jìn)行愛國主義教育。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)一直是我國化學(xué)教學(xué)中看重的一部分，書中有教師演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn)、家庭實(shí)驗(yàn)，通過這些探究實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以感受化學(xué)的本質(zhì)，提升化學(xué)學(xué)習(xí)思維，落實(shí)化學(xué)核心素養(yǎng)。所以，教師在實(shí)際的教學(xué)當(dāng)中，要注重每一個(gè)實(shí)驗(yàn)探究，重在啟發(fā)與適當(dāng)?shù)囊I(lǐng)，讓學(xué)生自主思考如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、如何解決問題。在此過程中，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生勇于創(chuàng)新，自制實(shí)驗(yàn)儀器，嘗試使用不同原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，預(yù)測設(shè)計(jì)后的實(shí)驗(yàn)走向，讓課堂教學(xué)不局限于書本，帶領(lǐng)學(xué)生在充滿創(chuàng)造性的課堂情境中感受探索未知的快樂。在教學(xué)中，教師不能局限于課本上的知識(shí)，而要在教學(xué)中精心設(shè)計(jì)一個(gè)個(gè)教學(xué)情境，帶領(lǐng)學(xué)生觸碰科學(xué)哲學(xué)的精神內(nèi)涵。例如在講述碳的燃燒產(chǎn)物時(shí)，不能只告訴學(xué)生氧氣充足生成二氧化碳，氧氣不足生成一氧化碳，而要與學(xué)生一起探究產(chǎn)物不同的原因，體會(huì)到化學(xué)中的量變與質(zhì)變，在潛移默化中進(jìn)行科學(xué)哲學(xué)思想的培養(yǎng)。

4.3 拓寬知識(shí)視野，領(lǐng)悟科學(xué)社會(huì)學(xué)

“科學(xué)社會(huì)學(xué)”的教學(xué)不可忽略，這是提升學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)興趣的有效手段。為了讓學(xué)生更好地了解化學(xué)與社會(huì)的關(guān)系，可以在教材中增加“科學(xué)社會(huì)學(xué)”相關(guān)內(nèi)容，將兩者相互影響部分的內(nèi)容通過豐富多彩的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，讓學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)到科技與社會(huì)的相互關(guān)系，感受到化學(xué)促進(jìn)社會(huì)發(fā)展、改善人類生活的重大作用，社會(huì)的需求也能促使化學(xué)得到不斷的發(fā)展和進(jìn)步。通過典型案例的教學(xué)，可以幫助學(xué)生體會(huì)化學(xué)對(duì)社會(huì)生活的影響，以及化學(xué)的廣泛應(yīng)用。例如，在《緒言》課中，可以引用《化學(xué)的今天和明天——一門中心的實(shí)用的和創(chuàng)造性的科學(xué)》這本書里的一部分精彩敘述：“從早晨開始，我們?cè)谟没瘜W(xué)品建造的住宅和公寓中醒來，家具是部分地用化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代材料制作的，我們使用的肥皂和牙膏并穿上由合成纖維和合成染料制成的衣著，即使天然的纖維(如羊毛或棉花)也是經(jīng)化學(xué)品處理過并染色的，這樣可以改進(jìn)它們的性能?！庇纱?，讓學(xué)生感受到化學(xué)就在身邊。

5 結(jié)語

與美國教材相比，我國教材在HPS教育的呈現(xiàn)上還有很多需要思考的地方。教育工作者要重視HPS化學(xué)教學(xué)，探索化學(xué)學(xué)科HPS教學(xué)模式，將HPS教育中蘊(yùn)含的科學(xué)探究方法和思維模式應(yīng)用于教育教學(xué)當(dāng)中，從而影響學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和思考方式[9]。要在教學(xué)中融入“科學(xué)史”“科學(xué)哲學(xué)”“科學(xué)社會(huì)學(xué)”，在教學(xué)中融入化學(xué)史，再現(xiàn)化學(xué)知識(shí)的形成過程，引導(dǎo)學(xué)生依照化學(xué)家的思維方式進(jìn)行探索知識(shí)。

袁維新曾提出一般HPS教學(xué)模式，即“提出問題—引出概念—學(xué)習(xí)歷史—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—展示科學(xué)觀念和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)—總結(jié)與評(píng)價(jià)”?？梢钥闯觯琀PS教育并不是單純地把化學(xué)史等內(nèi)容直接介紹傳授給學(xué)生，而是通過創(chuàng)設(shè)一個(gè)個(gè)情境進(jìn)行教學(xué)，潛移默化地影響學(xué)生，幫助學(xué)生了解科學(xué)的本質(zhì)，體驗(yàn)科學(xué)的形成過程，感受科學(xué)精神，認(rèn)識(shí)科學(xué)對(duì)社會(huì)發(fā)展的重要性，掌握應(yīng)用科學(xué)的方法，提升解決實(shí)際問題的能力[10]。

將HPS教育融入實(shí)際的課堂教學(xué)，需要教師花費(fèi)很多的精力。教師應(yīng)加強(qiáng)對(duì)HPS化學(xué)領(lǐng)域的探索，豐富化學(xué)HPS教育知識(shí)，開發(fā)化學(xué)HPS教育資源，探索化學(xué)HPS教育模式并進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐，幫助學(xué)生靈活選擇不同的學(xué)習(xí)方式，讓HPS教育真正融入化學(xué)教學(xué)課堂。