HPS視域下的化學(xué)教學(xué)實踐
——以VC的認識與合成為例

韓建豐 高凌蕊

(1.北京市廣渠門中學(xué);2.北京市首都師范大學(xué)第二附屬中學(xué))

教育的目的是“立己達人”,課改的目的是“培育新時代人才”。探尋適宜的教學(xué)路徑讓常態(tài)化課堂更加有效,是每個教師的教育理想?；A(chǔ)教育階段,教師的任務(wù)是在確保成績優(yōu)秀的前提下讓學(xué)生的綜合素養(yǎng)得以發(fā)展?；瘜W(xué)教育屬于自然科學(xué)的學(xué)習(xí),初高中的化學(xué)教師們正在積極探索符合課程改革導(dǎo)向的課堂模式,如“項目化學(xué)習(xí)” “探究性學(xué)習(xí)” “問題導(dǎo)向教學(xué)”,究其內(nèi)蘊本質(zhì)都是在單位時間內(nèi)提升課堂深度、促進學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)、提升理解思維水平等知識建構(gòu)的創(chuàng)新嘗試。而HPS融合教學(xué)模式的研究與實施,是在培養(yǎng)“全面的人”發(fā)展“人文與科學(xué)精神”的教育理念下的一種嘗試。伴隨著科學(xué)本質(zhì)的提出與研究,HPS得以提出且引起關(guān)注,并彰顯于提升科學(xué)本質(zhì)研究的過程中?；诘湫涂茖W(xué)發(fā)展范例的化學(xué)史作為課程思政育人元素被引入教學(xué)設(shè)計,是化學(xué)教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)。但實踐證明:HPS融合的教學(xué)符合化學(xué)有效課堂構(gòu)建需求,但真正的HPS融合化學(xué)教學(xué)的實施存在難度。

1.HPS視域下的化學(xué)教學(xué)樣態(tài)

1.1 HPS實施路徑與優(yōu)勢

在國際科學(xué)教育界,人們常將科學(xué)史(History of Science)、科學(xué)哲學(xué)(Philosophy of Science)和科學(xué)教學(xué)(Science teaching)一起簡稱為HPS。HPS在科學(xué)教育中的作用被日益重視。HPS教育的根本目的是理解科學(xué)本質(zhì),將其融入基礎(chǔ)化學(xué)教育,有幫助學(xué)生沿著科學(xué)家腳步探究問題、創(chuàng)新思考、發(fā)展化學(xué)核心素養(yǎng)的獨特意義,其實施路徑見圖1。

圖1 HPS融入化學(xué)教學(xué)路徑

HPS視域下的化學(xué)教學(xué)是從化學(xué)史、化學(xué)哲學(xué)、化學(xué)教學(xué)的角度統(tǒng)籌化學(xué)學(xué)科知識,幫助學(xué)生建構(gòu)富有人文氣息的系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化知識網(wǎng)絡(luò),提升學(xué)生的人文精神和科學(xué)素養(yǎng)。讓化學(xué)課堂實現(xiàn)新時代人文、科技教育的統(tǒng)一與平衡,謀求科學(xué)與人文的協(xié)調(diào)發(fā)展,從而培養(yǎng)全面發(fā)展的人。

HPS融入化學(xué)教學(xué)的優(yōu)勢為以下五點:①密切聯(lián)系歷史、文化、社會發(fā)展,從而使化學(xué)人文化;②化學(xué)課堂教學(xué)的驅(qū)動任務(wù)更有挑戰(zhàn)和深度,發(fā)展學(xué)生批判性思維、探究能力與創(chuàng)新意識;③剖析認識和創(chuàng)造物質(zhì)的一般思路與方法,促進學(xué)生更全面準(zhǔn)確地理解化學(xué)學(xué)科本質(zhì);④讓學(xué)生的思維、觀念與科學(xué)家的觀念進行對比和優(yōu)化,延續(xù)科學(xué)發(fā)展范式跨越時空交流,更科學(xué)地使化學(xué)思維觀念建構(gòu);⑤教師通過采取化學(xué)史補充、設(shè)計探究驅(qū)動問題、外顯思維觀念路徑等方式幫助學(xué)生突破教學(xué)難點問題,體會科學(xué)家發(fā)現(xiàn)問題并解決問題所使用的方法,從而滲透方法論。

1.2 HPS在化學(xué)教學(xué)中的重要性

HPS融合的化學(xué)教學(xué)模式以化學(xué)基本史料為背景,以培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)為宗旨,以強調(diào)批判精神為中心,以理解化學(xué)本質(zhì)為目標(biāo)。以典型科學(xué)發(fā)展范例“原子結(jié)構(gòu)模型”為例說明:化學(xué)基礎(chǔ)教育階段“原子結(jié)構(gòu)模型”貫穿于整個化學(xué)學(xué)習(xí)過程,以原子結(jié)構(gòu)模型的HPS教學(xué)為例說明其對化學(xué)教學(xué)的重要性。通過對《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(2022年版)和《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017版2020年修訂)以及《九年級化學(xué)(上冊)》 《化學(xué)必修第一冊》 《化學(xué)選擇性必修2》教材的分析,發(fā)現(xiàn)教材中原子結(jié)構(gòu)模型的相關(guān)知識體系建構(gòu)采用穿插編排、螺旋上升的方式幫助學(xué)生進行認知迭代。根據(jù)“以人為本、可持續(xù)發(fā)展”的科學(xué)發(fā)展觀,將中學(xué)生對“原子結(jié)構(gòu)”模型的認知迭代過程分為四個階段:義務(wù)教育、高一、高二、高三水平。各階段學(xué)生對“原子結(jié)構(gòu)模型”的認知各有具體要求及化學(xué)核心素養(yǎng)形成路徑。“四新”高考下的化學(xué)教學(xué)背景下,引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)科學(xué)發(fā)展觀,沿著原子結(jié)構(gòu)模型的科學(xué)發(fā)現(xiàn)史認識原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常有必要性。17至19世紀(jì)一代代科學(xué)家經(jīng)歷“科學(xué)事實→新猜想→設(shè)計實驗證明→提出理論→更新理論→新科學(xué)事實”的過程充分體現(xiàn)人類對原子結(jié)構(gòu)模型的認識與重構(gòu)在不斷迭代,直至薛定諤的量子力學(xué)模型提出,原子模型重構(gòu)才基本完成。人類認識原子結(jié)構(gòu)模型的化學(xué)史具有基于科學(xué)發(fā)展觀的認知迭代經(jīng)典特征,見圖2。

圖2 原子結(jié)構(gòu)模型科學(xué)發(fā)現(xiàn)與迭代的典型特征

人類對原子結(jié)構(gòu)的探究和發(fā)現(xiàn)過程是經(jīng)典科學(xué)研究范式,引導(dǎo)學(xué)生打通初中到高中的認知路線,通過科學(xué)發(fā)展觀視角對原子結(jié)構(gòu)模型認知進行“建構(gòu)→復(fù)習(xí)→補充→新建構(gòu)→再復(fù)習(xí)→重構(gòu)→應(yīng)用”的學(xué)習(xí)過程,最終接近原子結(jié)構(gòu)模型在課程標(biāo)準(zhǔn)中的最終要求,教材如此布局符合學(xué)生認知發(fā)展規(guī)律。人教版化學(xué)教材及“四新”高考結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)和心理特點將原子結(jié)構(gòu)模型認知迭代的學(xué)習(xí)任務(wù)分布在義務(wù)教育、高一、高二、高三四個階段,在學(xué)生認知螺旋上升的過程中使學(xué)習(xí)者了解科學(xué)發(fā)展的一般規(guī)律和研究方法,在一次次認知迭代中發(fā)展化學(xué)核心素養(yǎng)。

通過以上分析,發(fā)現(xiàn)目前的各新版本基礎(chǔ)教育化學(xué)教材都充分重視化學(xué)史的介紹,但沒有形成HPS具體教學(xué)案例,對一線化學(xué)教師的指導(dǎo)有限。如何尋找更多且恰當(dāng)?shù)腍PS素材、如何科學(xué)地融入化學(xué)常態(tài)教學(xué),是研究的主要問題。下面以高二年級《有機化學(xué)基礎(chǔ)》模塊的常態(tài)化課“VC的認識與合成”為例說明實施HPS融合的化學(xué)教學(xué)策略?？蓺w納為“確定可選取的化學(xué)史→圍繞主題設(shè)計實驗探究實踐活動→創(chuàng)設(shè)情境激發(fā)學(xué)生發(fā)表觀點→綜合學(xué)生觀點呈現(xiàn)化學(xué)觀念→課堂評價與反饋后的化學(xué)思維建構(gòu)”等五個核心步驟。

2.HPS融合下“VC的認識與合成”的實施方案

維生素C(以下簡稱“VC”)是人體健康必不可少的維生素之一。VC是一種水溶性維生素,人類身體無法自主合成,是世界衛(wèi)生組織基本藥物、目前家庭之中常備藥物之一。VC最早發(fā)現(xiàn)于1912年,在1928年首次被分離出來,在1933年首次被制造出來,目前VC的認識和合成已經(jīng)非常成熟。在高中階段學(xué)生理解VC的性質(zhì)及合成方法難度適中、知識跨學(xué)段應(yīng)用與整合明顯,“VC的認識與合成”可作為HPS融合的高三化學(xué)復(fù)習(xí)課,發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”等學(xué)科核心素養(yǎng),充分理解化學(xué)學(xué)科本質(zhì),形成研究物質(zhì)的一般思路與方法。

2.1 了解化學(xué)史料

從小到大常聽到“多吃水果、蔬菜能補充維生素C”,VC到底是如何被發(fā)現(xiàn)其重要作用的呢?見表1。

表1 維生素C發(fā)現(xiàn)史

隨著時代發(fā)展,人們逐漸發(fā)現(xiàn)樹葉、小草、蔬菜和水果等能夠防治壞血病,1741年英國海軍上將霍金斯發(fā)現(xiàn)其他條件不變時,長期航海時海員發(fā)生壞血病的概率和只攝入干糧的時間成正比例(控制變量法);1747年,英國海軍醫(yī)官林德完成了人類有記載的首次對照試驗,見表2。

表2 確定壞血癥治療藥物對照試驗

直至1930年,匈牙利生理學(xué)家圣捷爾吉從辣椒中分離出一種有機物,發(fā)現(xiàn)與檸檬中的抗壞血病因子完全一致,于是將其命名為“抗壞血酸”,即維生素C。VC的結(jié)構(gòu)簡式,見圖3。

圖3 維生素C的結(jié)構(gòu)簡式

VC的發(fā)現(xiàn)史非常有科學(xué)發(fā)展典范性,而林德為何在他的試驗中加入“稀硫酸”這一對照組呢?這是因為當(dāng)時人們認為“有酸味”的是“酸”,那么VC有無酸性呢?又如何證明呢?現(xiàn)代證明,VC有抗氧化的作用,又如何證明呢?

2.2 設(shè)計實驗探究

學(xué)生依據(jù)“酸性”“抗氧化性”的特點,設(shè)計并完成實驗如下,見表3。

表3 學(xué)生實驗

通過實驗依據(jù),可以得出維生素C具有還原性及酸性,基于有機化學(xué)常見酸性官能團和還原性官能團的原有認知,觀察圖3,維生素C不具有“—COOH” “酚羥基”等常見酸性基團、具有“羥基”“碳碳雙鍵”等還原性基團,引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)思考:維生素C的性質(zhì)從物質(zhì)結(jié)構(gòu)角度如何解釋。

2.3 引導(dǎo)發(fā)表觀點

學(xué)生分組討論后進行班級匯報?；凇敖Y(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”觀念,學(xué)生發(fā)現(xiàn)維生素C分子結(jié)構(gòu)中具有連二烯醇的結(jié)構(gòu),可能發(fā)生電離,故水溶液呈酸性。教師補充材料:維生素C分子結(jié)構(gòu)中具有烯二醇結(jié)構(gòu),C2位—OH由于受共軛效應(yīng)影響,酸性極弱(pK2=11.57),C3位—OH酸性則較強(pK1=4.17),故維生素一般表現(xiàn)為一元弱酸;同樣由于烯二醇結(jié)構(gòu),使C2位—OH和C3位—OH易被氧化成二酮基而成為脫氫抗壞血酸,見圖4。

圖4 從結(jié)構(gòu)討論維生素C性質(zhì)

2.4 呈現(xiàn)科學(xué)觀念

通過以上分析可見,“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”等化學(xué)觀念助力理解學(xué)科本質(zhì)。維生素C的特殊結(jié)構(gòu)決定了其特殊化學(xué)性質(zhì)和合成方法。有機合成是人類文明史上里程碑式的科學(xué)成就。工業(yè)上合成VC最常用的方法是二步發(fā)酵法(Reichstein合成法),見圖5。

圖5 VC的Reichstein合成法

設(shè)問如下,涉及的步驟為①葡萄糖氫化為山梨糖醇,請分析反應(yīng)類型(學(xué)生回答:以鎳為催化劑在高溫高壓下催化加氫,是加成或還原反應(yīng))。②在pH 4～6和30℃下,用醋桿菌將山梨糖醇微生物發(fā)酵為山梨糖,請分析反應(yīng)類型(學(xué)生回答:根據(jù)反應(yīng)前后結(jié)構(gòu)分析為氧化反應(yīng))。③山梨糖直接在氧氣和鉑的作用下制備中間體,請分析反應(yīng)類型(學(xué)生回答:根據(jù)反應(yīng)條件判斷為氧化反應(yīng))。④最后一步形成閉環(huán)結(jié)構(gòu),請分析反應(yīng)類型(學(xué)生回答:根據(jù)官能團前后變化判斷為酯化反應(yīng))。

2.5 歸納評價建構(gòu)

課堂中化學(xué)史與化學(xué)觀念和具體教學(xué)相互融合,將VC的化學(xué)性質(zhì)及驗證、結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)觀念、有機合成分析等統(tǒng)籌整合,可形成對VC的認識和合成的具體路徑。見表4。

表4 歸納、評價與模型建構(gòu)

3.應(yīng)用HPS反思與建議

教師教學(xué)中應(yīng)利用教材相關(guān)的化學(xué)實驗素材、化學(xué)史素材、生產(chǎn)生活應(yīng)用素材、化學(xué)科技素材等創(chuàng)設(shè)情境,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣引導(dǎo)學(xué)生積極參與活動,解決或解釋情境中的相關(guān)問題,在課堂中落實化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。我國著名教育家、化學(xué)家傅鷹先生曾說:“一門科學(xué)的歷史是那門科學(xué)中最寶貴的一部分,因為科學(xué)只能給我們知識,而歷史卻能給我們智慧?！币蚨鴼v史既是HPS融合教學(xué)的關(guān)鍵內(nèi)容與環(huán)節(jié),更是開展整體教學(xué)的主要載體。了解歷史、學(xué)習(xí)歷史、應(yīng)用歷史的整個過程,可以讓化學(xué)學(xué)習(xí)“遷移而發(fā)展、開放而有序”,避免了傳統(tǒng)教學(xué)中的“想當(dāng)然”和“不知其所以然”。

3.1 以化學(xué)史為坐標(biāo)開展教學(xué)

HPS融合化學(xué)教學(xué)做到了將化學(xué)知識放在歷史長河的坐標(biāo)中,解析知識發(fā)生的起源、爭鳴、確立、重構(gòu)、再迭代,體現(xiàn)了科學(xué)和社會發(fā)展進步的真實情況,學(xué)生置身其中能夠體會人文和科技的協(xié)同發(fā)展,再把化學(xué)課堂中獲取的化學(xué)知識應(yīng)用于重現(xiàn)、改進、對照科學(xué)家的原始實驗,延續(xù)并發(fā)展科學(xué)家的研究路線,形成科學(xué)探究的思路方法,最終形成創(chuàng)新意識。HPS融合化學(xué)教學(xué)模式符合《課程標(biāo)準(zhǔn)》 《高考評價體系》 《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》等對學(xué)生全面發(fā)展的要求,同時也為化學(xué)教師開展有效課堂研究提供了實施載體。以化學(xué)史為坐標(biāo)設(shè)計合理情境和驅(qū)動任務(wù),注重過程性評價,旨在幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)活動中認識化學(xué)本質(zhì),自主建構(gòu)系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的化學(xué)知識體系,自然完成思維進階。

3.2 著力提升教師HPS教學(xué)能力

HPS有效融入化學(xué)課堂才能真正發(fā)展學(xué)生對化學(xué)本質(zhì)的認知和化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng),而“有效”的關(guān)鍵在于教師對HPS的觀點、實施方略和個人素養(yǎng),若處理不好“融合”設(shè)計,會造成“生搬硬套”,使化學(xué)知識教學(xué)與HPS滲透相互分離,讓化學(xué)史的引入變?yōu)椤芭d趣教學(xué)”或“可有可無”。因而化學(xué)教師不僅需要主動了解、熟悉化學(xué)史,更要通過讀史明確化學(xué)科學(xué)發(fā)展脈絡(luò)?；瘜W(xué)教師更要讀懂人類文明史,在歷史坐標(biāo)中理解化學(xué)史實對科技發(fā)展和社會進步的不可替代作用。如此化學(xué)教師才能對化學(xué)史有深刻認知,從而提升個人素質(zhì),胸有成竹地將化學(xué)史與所教化學(xué)的學(xué)段、內(nèi)容、學(xué)情等具體聯(lián)系在一起,能夠合理地將素材加工整理后有效融于化學(xué)教學(xué)。

綜上所述,HPS融合化學(xué)教學(xué)有助于推動學(xué)生改變學(xué)習(xí)觀念,在認識化學(xué)本質(zhì)過程中建構(gòu)知識體系,其對化學(xué)課堂有效性的提升毋庸置疑。但常態(tài)化的HPS融合教學(xué)真正落地存在種種困難。教師應(yīng)厘清HPS理念及實施路徑、提升個人素質(zhì),更應(yīng)集化學(xué)教育人之力,共同開發(fā)HPS素材及案例讓化學(xué)教學(xué)樣態(tài)更豐富。這是化學(xué)教育的未來發(fā)展路徑之一,也同樣是所有化學(xué)教師的責(zé)任。

北京市教育學(xué)會“十四五”教育科研2023年度課題“化學(xué)新課標(biāo)落實中指向核心素養(yǎng)提升的大單元教學(xué)研究”(項目編號:DC2023-027)的階段性研究成果。