基于HPS理念培育學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計

摘" 要：HPS理念是一種將科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)與中小學(xué)科學(xué)課程融合的綜合性教育理念。本文以HPS理念為理論依據(jù)，以金屬材料中“銅的冶煉與應(yīng)用”為例進行教學(xué)設(shè)計與實踐，在課堂教學(xué)中培育學(xué)生的科學(xué)思維核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：銅的冶煉；HPS理念；單元教學(xué)；核心素養(yǎng)

文章編號：

1008-0546（2024）14-0038-03

中圖分類號：

G632.41

文獻標(biāo)識碼：

B

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《初中新課標(biāo)》）在課程理念中指出，重視開展核心素養(yǎng)導(dǎo)向的化學(xué)教學(xué)，基于大概念建構(gòu)，整體設(shè)計合理實施單元教學(xué)。［1］化學(xué)是一門自然科學(xué)，對學(xué)生證據(jù)推理、模型建構(gòu)、批判創(chuàng)新等多種思維的培育發(fā)揮著獨特而重要的課程價值，同時這也是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中所要培育的科學(xué)思維核心素養(yǎng)。

HPS（History， Philosophy and Sociology of Science）教育是將科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)的有關(guān)內(nèi)容與中小學(xué)科學(xué)課程融合，不斷提升學(xué)生對科學(xué)哲學(xué)思考、科學(xué)本質(zhì)理解的教學(xué)模式。［2］在化學(xué)課堂教學(xué)中融合HPS教育理念與科學(xué)思維的培育，能夠加深學(xué)生對科學(xué)知識理解的深度與廣度，不斷提升學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)素養(yǎng)。［3］HPS理念與化學(xué)核心素養(yǎng)之間的關(guān)系如圖1所示。

基于此，本文以HPS理念為理論依據(jù)，以“銅的冶煉與應(yīng)用”為例開展教學(xué)設(shè)計與實踐。

一、單元整體分析

《初中新課標(biāo)》中學(xué)習(xí)主題“物質(zhì)的性質(zhì)與應(yīng)用”中常見的物質(zhì)就包括金屬與金屬礦物，滬教版化學(xué)九年級上冊第5章“金屬的冶煉與利用”包含三節(jié)內(nèi)容：金屬的性質(zhì)和利用、金屬礦物" 鐵的冶煉、金屬防護和廢金屬回收。學(xué)生在學(xué)習(xí)本章內(nèi)容后已掌握了鐵等金屬的相關(guān)性質(zhì)、鐵的冶煉原理、合金及其特性等知識。這些知識可幫助學(xué)生預(yù)測銅的性質(zhì)及冶煉方法。在金屬與金屬材料的復(fù)習(xí)課中，筆者選擇我國古代銅合金的冶煉為案例，通過化學(xué)史的閱讀、加工，進一步引導(dǎo)學(xué)生加深對銅的冶煉與應(yīng)用的認(rèn)識，同時培育、發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維核心素養(yǎng)。

二、教學(xué)片段

1. 融入化學(xué)史，用古人智慧點燃學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

人類認(rèn)識化學(xué)的過程是漫長的，化學(xué)中蘊含著眾多古人的智慧結(jié)晶。在本節(jié)課的教學(xué)中，通過展現(xiàn)金屬材料利用的化學(xué)史，讓學(xué)生身臨其境地感受化學(xué)的發(fā)展，同時揭示其中蘊含的科學(xué)思維和方法。學(xué)生在親身體驗中感受到了化學(xué)是一門研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與變化規(guī)律的科學(xué)。

筆者選擇與自然界中銅的發(fā)現(xiàn)與利用、青銅的發(fā)現(xiàn)與利用、古代煉銅技藝之火法煉銅與濕法煉銅、黃銅的發(fā)現(xiàn)與利用等相關(guān)的史實，遵循時間發(fā)展順序，整理成閱讀材料。學(xué)生在閱讀這些史實材料過程中，捕集并獲取有效信息，結(jié)合已有的知識儲備，解決一系列的問題。通過這樣的學(xué)習(xí)，學(xué)生將深刻感受到古代人民高超的煉銅技藝、煉鐵技藝、合金制備技藝，從而體悟古人智慧。

2. 借哲學(xué)思想，用科學(xué)思維提升思考品質(zhì)

在科學(xué)教育中對物質(zhì)及變化進行哲學(xué)思考有助于提升學(xué)生理性思維的發(fā)展。通過追溯金屬材料的發(fā)展歷程，使學(xué)生認(rèn)識到事物的發(fā)展是一個動態(tài)變化的過程。

（1）用辯證觀點認(rèn)識事物及其發(fā)展。

銅和石頭相比有著巨大的優(yōu)勢，銅有特殊的金屬光澤，常用作裝飾品，有延展性且質(zhì)軟，便于敲打錘鍛，可制成工具及生活用品等器物。然而，人們在使用過程中發(fā)現(xiàn)銅在潮濕的空氣中容易生銹、產(chǎn)生裂紋且焊接性能會變差。這一過程深刻體現(xiàn)了物質(zhì)的性質(zhì)決定其用途，物質(zhì)的用途反映物質(zhì)的性質(zhì)的化學(xué)觀念，同時啟示學(xué)生應(yīng)辯證統(tǒng)一地看待事物。在充分認(rèn)識到銅的兩面性后，人們不斷嘗試探索，尋找到了其他更優(yōu)質(zhì)的可替代的材料。

青銅與銅相比有更優(yōu)的性能，熔點低，便于冶煉；熔化時的填充性能提升，有利于得到氣孔更少的鑄造物；硬度變大可制造武器等。即便如此，青銅在受潮或是埋入土中很多年后仍會生銹。青銅在使用過程中同樣存在兩面性，需要辯證地認(rèn)識事物。古代勞動人民鍥而不舍地改進，又獲取了黃銅合金的制備方法，黃銅與青銅相比抗腐蝕性更強，時至今日黃銅制品仍舊在大規(guī)模應(yīng)用。

（2）由個例歸納總結(jié)一般規(guī)律。

在《滇南新語》中記載了銅綠山煉銅的技藝，學(xué)生遷移已有的煉鐵原理，即一氧化碳還原氧化鐵，推測出銅的冶煉可能也涉及一氧化碳還原氧化銅的反應(yīng)。部分學(xué)生還考慮到木炭和一氧化碳一樣具有還原性，也能與氧化銅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)得到銅，從而總結(jié)出一氧化碳、木炭等物質(zhì)能與某些金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)得到金屬單質(zhì)的一般規(guī)律，并據(jù)此提出了火法冶煉金屬的方法。

在對比銅的火法冶煉和現(xiàn)代高爐煉鐵的過程中，學(xué)生從冶煉目的、冶煉原理角度出發(fā)，尋找兩者之間的共同點。以鐵的冶煉、銅的冶煉為基礎(chǔ)，歸納總結(jié)出活動性較強的金屬的一般冶煉方法，認(rèn)識并運用木炭、一氧化碳能與金屬氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)得到金屬單質(zhì)的性質(zhì)，從冶煉目的、冶煉設(shè)備、冶煉原理、冶煉產(chǎn)品等多個角度認(rèn)識古往今來在金屬冶煉方面的一致性，感受中華文明冶煉技藝的傳承與發(fā)展。

在《宋史·食貨志》中記載了濕法煉銅的具體方法“浸銅之法，以生鐵煅成薄鐵片，排置膽水（CuSO4溶液）槽中，浸漬數(shù)日，鐵片為膽水所薄”，在《淮南萬畢術(shù)》中記載“曾青得鐵則化為銅”，開啟了我國濕法冶金工藝。學(xué)生發(fā)現(xiàn)原理都是鐵和硫酸銅溶液發(fā)生置換反應(yīng)得到銅單質(zhì)，總結(jié)歸納出可嘗試?yán)媒饘倥c某些金屬的鹽溶液發(fā)生置換反應(yīng)，以此得到相應(yīng)的金屬單質(zhì)。這一發(fā)現(xiàn)使他們得到了金屬冶煉的又一種方法。

（3）生疑引發(fā)討論思考。

在探討古代金屬冶煉的發(fā)展歷程時，我們發(fā)現(xiàn)了從火法煉銅到濕法煉銅，再到火法煉鐵的一個明確順序。為了幫助學(xué)生更好地理解這一順序背后的時代背景與化學(xué)原理，我們可以將其拆分為以下兩個問題進行分析：①關(guān)于濕法煉銅為何會在火法煉銅之后出現(xiàn)。學(xué)生經(jīng)過思考，提出了合理的解釋：濕法煉銅依賴于大量的鐵單質(zhì)作為原材料，而鐵單質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用在時間上相對較晚。此外，古代人民早期更擅長利用火進行冶煉，因此火法煉銅作為更直接、更原始的方法首先被采用。隨著技術(shù)的進步和對金屬性質(zhì)認(rèn)識的加深，濕法煉銅作為一種更為高效、經(jīng)濟的冶煉方式逐漸發(fā)展起來。②關(guān)于火法煉鐵為何在順序上是最晚出現(xiàn)的，以及它與火法煉銅之間的區(qū)別。學(xué)生認(rèn)為這主要源于鐵與銅在金屬活動性上的差異。鐵的金屬活動性更強，意味著其更難從礦石中還原出來，同時鐵的熔點也高于銅，對冶煉設(shè)備和技術(shù)水平提出了更高的要求。因此，火法煉鐵的出現(xiàn)需要更先進的冶煉技術(shù)和更完善的設(shè)備支持。此外，冶煉技術(shù)的不斷發(fā)展和進步也是推動火法煉鐵出現(xiàn)的重要因素。學(xué)生還從這一過程中感受到了我國勞動人民執(zhí)著于提高冶煉水平、勇于探索創(chuàng)新的工匠精神。通過這樣的拆分和分析，學(xué)生不僅能夠更清晰地理解古代金屬冶煉的發(fā)展歷程和背后的化學(xué)原理，還能夠深刻體會到技術(shù)進步和工匠精神在推動歷史發(fā)展中的重要作用。

璀璨的青銅時代，是人類智慧與汗水的結(jié)晶，孕育了精湛的工藝技術(shù)與價值連城的藝術(shù)品。時代更迭，現(xiàn)代黃銅制品以精美外觀融入日常生活。學(xué)生對合金的制備過程一直充滿好奇，若在課堂上親手制作黃銅制品，不僅可以激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，還能深化其對合金制備的理解。

自制黃銅“金片”的實驗步驟：①在燒杯中加入適量的白色固體（如硫酸鋅等，具體取決于實驗設(shè)計）后加入約10mL熱水，將燒杯置于酒精燈上加熱并用玻璃棒不斷攪拌，確保固體充分溶解。②放入預(yù)先準(zhǔn)備好的銅片和鋅粒，注意保持燒杯穩(wěn)定，避免溶液濺出。③等待一段時間，直至觀察到銅片兩面都均勻覆蓋上了一層白色固體（這實際上是銅與鋅反應(yīng)生成黃銅的初步跡象）。④使用鑷子將銅片夾出，用濾紙輕輕擦干表面的殘留溶液。用坩堝鉗夾持銅片，在酒精燈上短暫加熱至其表面呈現(xiàn)金黃色（注意控制火候，避免過度加熱導(dǎo)致變形或熔化）。⑤將加熱后的黃銅“金片”迅速放入冷水中進行淬火處理，以增強其硬度和穩(wěn)定性。

在此之前，學(xué)生對合金的認(rèn)識大多停留在表面。通過這一系列的實驗步驟，學(xué)生不僅能夠親手制作出屬于自己的黃銅“金片”，還能在實踐中學(xué)習(xí)到合金制備的基本原理和技巧，進一步加深對化學(xué)學(xué)科的興趣和熱愛。

3. 滲透社會學(xué)，用發(fā)展意識增強社會責(zé)任感

HPS社會教育倡導(dǎo)在教學(xué)中，讓學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)不僅推動物質(zhì)文明進步，還深受社會條件影響，并伴隨著社會責(zé)任。例如，火法煉銅與濕法煉銅的對比，前者雖有效但能耗高、污染大，后者則更環(huán)保、簡便，這體現(xiàn)了科技發(fā)展需兼顧環(huán)境保護的理念。

當(dāng)前，隨著生態(tài)文明建設(shè)的重要性日益凸顯，習(xí)近平總書記提出的高質(zhì)量發(fā)展與生態(tài)保護相協(xié)調(diào)的理念，為科學(xué)教育提供了新的方向。在教學(xué)中，通過討論和評價不同冶煉方法，不僅能增強學(xué)生的科學(xué)知識，還能培養(yǎng)他們的環(huán)保意識和社會責(zé)任感。以義烏國工新材料為例，其技術(shù)突破打破了國際壟斷，展示了中國在銅合金領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力。這一成就不僅是對傳統(tǒng)冶煉技藝的傳承與發(fā)展，也是對未來科技革新的鼓舞。鼓勵學(xué)生以此為榜樣，立志為中華民族偉大復(fù)興而學(xué)習(xí)，未來在金屬冶煉等領(lǐng)域發(fā)揮創(chuàng)造力，實現(xiàn)技術(shù)革新。

三、教學(xué)反思

1. 以HPS素材為中心，體現(xiàn)化學(xué)特色

HPS理念依賴于豐富多樣的素材來吸引學(xué)生興趣，并促進學(xué)生構(gòu)建堅實的化學(xué)知識體系?；瘜W(xué)教材中潛藏著諸多與HPS理念相關(guān)的內(nèi)容，這些內(nèi)容的融入能夠豐富教學(xué)維度，有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，教學(xué)可以圍繞化學(xué)史實的發(fā)展素材展開，按年代順序梳理特定物質(zhì)的變遷歷程。在這一過程中，學(xué)生運用所學(xué)化學(xué)知識解決實際問題，從而深刻體驗化學(xué)學(xué)科的獨特魅力。這種教學(xué)方法不僅展示了化學(xué)知識的應(yīng)用性和實踐性，還引導(dǎo)學(xué)生深入探索科學(xué)本質(zhì)，培養(yǎng)他們解決真實問題的能力，提升科學(xué)思維品質(zhì)，并學(xué)會辯證地看待事物發(fā)展的規(guī)律。

2. 精選HPS教育素材，匹配化學(xué)課程

HPS教育緊緊圍繞科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)，這三部分內(nèi)容在初中化學(xué)教材中都有所涉獵，貫穿化學(xué)課程始終，但由于科學(xué)哲學(xué)具有抽象性，難以講解，往往只能在課堂教學(xué)中逐步滲透?；诖耍處熢诮虒W(xué)設(shè)計時需結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)要求、學(xué)生的已有認(rèn)知與迷茫困惑點，挑選適合于本節(jié)課的HPS素材內(nèi)容，以內(nèi)容為載體，讓學(xué)生運用所學(xué)知識來解決實際的化學(xué)問題，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

3. 借助現(xiàn)代信息技術(shù)，多樣化呈現(xiàn)

融入HPS理念的化學(xué)課程通常會選用化學(xué)史、化學(xué)科學(xué)及其前沿知識等為素材，學(xué)生在面臨大篇幅文字時會感到枯燥無趣。

為了解決此問題，需要對內(nèi)容的呈現(xiàn)方式進行創(chuàng)新，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用為此提供了新路徑，教師應(yīng)緊跟時代步伐，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)營造更為直觀、生動的教學(xué)環(huán)境，以提升教學(xué)效果。

在本節(jié)課中，筆者嘗試將HPS教育理念融入化學(xué)教學(xué)中，但在素材選擇、展示方式以及現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用等方面還有諸多要改進的地方。在未來教學(xué)中，筆者將致力于采用多樣化方法激發(fā)學(xué)生的探究興趣并促進學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。

參考文獻

［1］ 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［M］.北京：北京師范大學(xué)出版，2022．

［2］ 霍愛新，靳瑩，李雙.基于HPS和STS培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計——以“發(fā)展中的化學(xué)電源”為例［J］.化學(xué)教學(xué)，2018（5）：33-36．

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