薛勇軍 王偉群 孫明軍

摘 ? ?要：介紹HPS教育（科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會學(xué)）理論，以“天然氣的利用 甲烷”一課為例，嘗試把HPS教育作為指導(dǎo)思想設(shè)計化學(xué)課堂教學(xué)，促進學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)。分析了HPS元素與教學(xué)內(nèi)容有機融合的教學(xué)設(shè)計思路，并在教學(xué)實踐的基礎(chǔ)上思考高中化學(xué)課堂教學(xué)中的HPS教育實施的注意點。

關(guān)鍵詞：HPS教育;核心素養(yǎng);甲烷;教學(xué)設(shè)計

一、 HPS教育簡介

HPS是三個英文單詞的首字母，關(guān)于它的含義，有兩種解釋。第一種解釋，H代表歷史（History），P代表哲學(xué)（Philosophy），S代表科學(xué)（Science）。HPS是“科學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)”（History，Philosophy of Science）的英文縮寫。20世紀(jì)90年代之后，隨著科學(xué)建構(gòu)主義理論的流行，科學(xué)社會學(xué)尤其是科學(xué)知識社會學(xué)漸漸被納入到了科學(xué)教育中。自此一種新的、作為“科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)”（History、Philosophy&Sociology of Science）這一共存體的簡稱的HPS開始形成[1]。目前第二種解釋被絕大多數(shù)學(xué)者接受。

HPS不僅是一種科學(xué)教育的價值取向，更重要的是HPS也是一種教學(xué)模式。目前，許多發(fā)達(dá)國家的科學(xué)教育都比較注重HPS教育，美國在這方面表現(xiàn)尤為突出，無論是過去的《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》還是現(xiàn)在的《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》，都體現(xiàn)了HPS教育思想。加拿大一些省的科學(xué)課程、英國國家課程中科學(xué)課程部分、荷蘭中學(xué)物理PLON課程、挪威的核心課程、丹麥的科學(xué)技術(shù)課程以及西班牙的新科學(xué)課程等，都對HPS課程與教學(xué)有明確的要求[2]。

二、 基于HPS教育的“天然氣的利用 甲烷”教學(xué)設(shè)計

2018年1月教育部正式頒布《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，提出化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括五個方面的內(nèi)容：宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任。核心素養(yǎng)的這幾個方面并非相互獨立，而是相互關(guān)聯(lián)，相輔相成?；瘜W(xué)教學(xué)中采用HPS模式，可以有機融合核心素養(yǎng)的多方面內(nèi)容，實現(xiàn)學(xué)生核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。我們以“天然氣的利用 甲烷”的教學(xué)設(shè)計為例來說明。

（一）教學(xué)指導(dǎo)思想

結(jié)合甲烷研究的歷史和社會應(yīng)用價值設(shè)計教學(xué)，通過學(xué)生了解人類研究甲烷的歷史、理解人類當(dāng)前對甲烷的利用方式，關(guān)注人類未來開發(fā)利用甲烷的方向，在傳授化學(xué)知識的同時培養(yǎng)學(xué)生對化學(xué)（科學(xué)）的興趣，引導(dǎo)學(xué)生思考化學(xué)（科學(xué)）給人類生活和發(fā)展帶來的影響，逐漸滲透理解科學(xué)本質(zhì)的理念;在促進學(xué)生對化學(xué)知識的逐步建構(gòu)的同時，發(fā)展學(xué)生理性思維、批判性思維和勇于探索等方面的素養(yǎng)。

（二）教學(xué)內(nèi)容分析

本節(jié)是蘇教版《化學(xué)2》專題3第一單元第一課時的教學(xué)內(nèi)容，是學(xué)生高中階段學(xué)習(xí)有機化合物的第一節(jié)課。有機化合物是人類賴以生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，對國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的提高都起著極為重要的作用。教材內(nèi)容關(guān)注了化學(xué)與社會的聯(lián)系，貼近生活和生產(chǎn)實際，但沒有與科學(xué)史相結(jié)合。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確學(xué)生要知道簡單有機化合物分子式及空間結(jié)構(gòu)，以甲烷為例認(rèn)識碳原子的成鍵特點;結(jié)合實例認(rèn)識有機化合物在生產(chǎn)、生活中的重要應(yīng)用;建議把討論可燃冰、頁巖氣等資源的開發(fā)利用作為學(xué)習(xí)活動。結(jié)合這些要求和內(nèi)容，我們挖掘甲烷結(jié)構(gòu)研究的歷史及其對立體化學(xué)的作用，甲烷未來開發(fā)途徑——可燃冰和頁巖氣等的自然資源利用，將化學(xué)史融合其中。

（三）教學(xué)目標(biāo)設(shè)計

（1）回顧甲烷分子結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史，體驗科學(xué)家從宏觀現(xiàn)象逐步認(rèn)識微觀世界的過程;了解科學(xué)研究與合理想象、化學(xué)理論與實驗技術(shù)之間的關(guān)系，了解人類認(rèn)知能力有一定的局限性。

（2）認(rèn)識甲烷是重要的燃料，通過查閱甲烷性質(zhì)參數(shù)表，知道甲烷的燃燒熱;認(rèn)識甲烷存在爆炸范圍，提高安全意識;提升信息處理能力。

（3）通過搭建球棍模型掌握甲烷的空間結(jié)構(gòu)，并能夠借助球棍模型演示甲烷的取代反應(yīng)。

（4）知道甲烷是一種化工原料;了解頁巖氣、可燃冰及其開采現(xiàn)狀和發(fā)展前景，激發(fā)創(chuàng)新意識，提升社會責(zé)任。

（四）教學(xué)思路設(shè)計

本節(jié)課教學(xué)以HPS創(chuàng)設(shè)的情境為明線、以知識為主線，提供素材，組織學(xué)生活動，在活動中發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)。課堂教學(xué)線索圖如圖1所示。

1.HPS創(chuàng)設(shè)情境線

教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)以時間為序，甲烷的前世→甲烷的今生→甲烷的未來，整節(jié)課源于人類探索甲烷結(jié)構(gòu)的歷史，重點討論當(dāng)前利用甲烷的方式，展望甲烷未來開發(fā)利用的新方向，甲烷研究的歷史和社會應(yīng)用價值構(gòu)成了課堂教學(xué)的明線，情境創(chuàng)設(shè)真實且富有價值。

如甲烷的前世部分，以時間軸的形式呈現(xiàn)于課件中。從我國西周時期成書的《易經(jīng)》中關(guān)于自然現(xiàn)象的記載開始，象曰：澤中有火→伏打收集甲烷并點燃，火焰藍(lán)色，需要10～12倍體積的空氣→奧斯汀確定甲烷比氫氣重，燃燒生成水和二氧化碳→道爾頓認(rèn)為甲烷由2個氫原子和1個碳原子構(gòu)成→凱庫勒提出碳原子四價→布特列洛夫提出甲烷分子的平面結(jié)構(gòu)→范特霍夫提出碳原子具有正四面體結(jié)構(gòu)→近代X射線和電子衍射進一步證實甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)→霍夫曼從理論上證明碳原子成鍵的立體結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。這個過程展現(xiàn)了人類對甲烷認(rèn)識過程的逐步深入，不僅反映了科學(xué)理論和技術(shù)對人類認(rèn)識甲烷組成和結(jié)構(gòu)的促進作用，而且體現(xiàn)了甲烷立體結(jié)構(gòu)的構(gòu)建對有機化學(xué)、立體化學(xué)里程碑式的貢獻(xiàn)。這種從科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)的角度認(rèn)識甲烷的組成和結(jié)構(gòu)，使有機化學(xué)的教學(xué)過程有血有肉，富有哲理。

2.學(xué)科邏輯形成知識線

HPS教育模式并非忽視學(xué)科知識本身，只是以與以往不同的方式組織這些學(xué)科知識。在整個甲烷的課堂教學(xué)中，甲烷的組成和結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、存在和用途等知識點構(gòu)成了教學(xué)的暗線。通過HPS教育思想，連貫起這些知識點之間的相互關(guān)系，結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定存在和用途。從知識線可以看到，人類認(rèn)識甲烷是從其簡單的物理性質(zhì)（可燃性、密度、溶解性等）開始的，逐步認(rèn)識其組成，分析其結(jié)構(gòu)。在認(rèn)識甲烷化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，學(xué)生就能理解甲烷被用作燃料和化工原料的原因。這是人類認(rèn)識自然的順序，也是知識產(chǎn)生的順序，按照這樣的順序組織教學(xué)符合學(xué)生的認(rèn)知心理。

作為一種清潔能源，天然氣的需求正逐年增長，近幾年冬季我國北方甚至出現(xiàn)“氣荒”現(xiàn)象。日常生活與社會發(fā)展離不開化學(xué)，化學(xué)教學(xué)不能與社會脫節(jié)。人類開發(fā)利用甲烷的方向在哪里？進展如何？我國在這個領(lǐng)域又是什么樣的水平……一系列的問題，激發(fā)起學(xué)生的求知欲，迫切希望了解甲烷開發(fā)利用領(lǐng)域的前沿信息。

3.學(xué)生學(xué)習(xí)活動線

在中學(xué)化學(xué)課堂中開展HPS教學(xué)，并非進行科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)知識的教學(xué)，更側(cè)重于學(xué)生對科學(xué)的理解和感悟。設(shè)計多樣化的活動，使學(xué)生成為教學(xué)活動的主體，這是教學(xué)設(shè)計的重點。只有調(diào)動學(xué)生的積極性，學(xué)生才會高效地參與課堂教學(xué)，才能真正理解歷史中的科學(xué)，社會中的科學(xué)。根據(jù)本節(jié)教學(xué)內(nèi)容，安排學(xué)生閱讀史料，進行討論分析;安排了計算練習(xí)，實驗觀察，書寫化學(xué)方程式和熱化學(xué)方程式，理解化學(xué)知識本身的意義;分組交流討論，搭建球棍模型，并利用模型解釋化學(xué)反應(yīng)，理解微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)的關(guān)系;觀看紀(jì)錄片（片段），課后查找資料，制作關(guān)于可燃冰或頁巖氣的思維導(dǎo)圖，進而撰寫關(guān)于未來能源開發(fā)和利用的科學(xué)小論文。

4.目標(biāo)達(dá)成素養(yǎng)線

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是化學(xué)學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，基于HPS的教學(xué)設(shè)計能較為全面地幫助學(xué)生形成正確的價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。本節(jié)課的教學(xué)活動能促進學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”等5個方面學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。例如通過回顧人類探索甲烷分子結(jié)構(gòu)的歷史，能培養(yǎng)學(xué)生從宏觀和微觀相結(jié)合的視角分析化學(xué)物質(zhì)，解決化學(xué)問題。純凈甲烷能夠安靜地燃燒，而煤礦坑道氣則可能引發(fā)瓦斯爆炸，甲烷在光照條件下發(fā)生取代反應(yīng)，這些發(fā)展了學(xué)生的變化觀念，化學(xué)反應(yīng)是在一定條件下完成的。借助球棍模型，學(xué)生認(rèn)識了甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)，利用球棍模型解釋甲烷與氯氣的取代反應(yīng)，學(xué)生理解了反應(yīng)過程中化學(xué)鍵的斷裂和形成[3]。

豐富的情境素材、多樣化的課堂活動以及HPS視角下的教學(xué)組織，能幫助學(xué)生更好地理解科學(xué)的本質(zhì)。甲烷為生產(chǎn)生活提供能源、原材料，滿足人們?nèi)找嬖鲩L的美好生活需要;另一方面，人類對甲烷的利用必須遵循科學(xué)規(guī)律，違規(guī)操作有可能引發(fā)事故和災(zāi)害。觀看紀(jì)錄片，學(xué)生了解前沿科技信息，我國利用國產(chǎn)的“藍(lán)鯨1號”鉆井平臺試采可燃冰打破了世界紀(jì)錄，我國制造的“阿波羅”壓裂車已出口到第一個實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)開采的國家——美國。這不只是中國科學(xué)技術(shù)前進的一小步，更是人類開發(fā)利用清潔能源的一大步。既要培養(yǎng)學(xué)生的民族自信心，能客觀、理性看待當(dāng)前中國在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的進步與不足，又要發(fā)展學(xué)生的全球意識和開放心態(tài)，關(guān)注全人類面臨的能源問題，逐步理解人類是一個命運發(fā)展共同體。自信而不自大，驕傲但不狹隘。基于HPS理念的“甲烷”教學(xué)能全面指向“人文底蘊、科學(xué)精神、學(xué)會學(xué)習(xí)、健康生活、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、實踐創(chuàng)新”六大核心素養(yǎng)，涉及核心素養(yǎng)18個基本要點中的11個。

三、 關(guān)于HPS教育的幾點思考

（1）HPS是科學(xué)教育中人文教育的途徑?？茖W(xué)教育中的人文缺失一直為人詬病，從重視“雙基”到“三維目標(biāo)”的提出，再到“核心素養(yǎng)”的出臺，時代呼喚教師重視科學(xué)教育的人文價值?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)看似沒有直接涉及“人文底蘊”，需要教師充分挖掘化學(xué)課程在發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)方面的價值。在化學(xué)（科學(xué)）教學(xué)中，如何發(fā)展學(xué)生“人文素養(yǎng)”，培養(yǎng)全面發(fā)展的人，HPS教育是一個非常值得研究的方向。

（2）深刻理解HPS的內(nèi)涵有利于發(fā)展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)改革。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?！毖芯空哒J(rèn)為科學(xué)技術(shù)史既是HPS教育的一個主題，更是實施HPS教育的主要載體[4]。以HPS教育理念指導(dǎo)教學(xué)，教師首先需要多讀書，多思考?；瘜W(xué)教師不僅需要掌握化學(xué)史，了解相關(guān)化學(xué)史實對化學(xué)發(fā)展的意義;也要懂得科學(xué)史，了解這些化學(xué)史實對科技發(fā)展的作用;還要清晰人類文明史，把科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進步放到社會發(fā)展演變的大歷史背景中去理解，了解科技與政治、經(jīng)濟、文化發(fā)展的關(guān)系。只有教師對科學(xué)史有深刻的認(rèn)識，才有可能將各種有關(guān)科學(xué)的史料、素材加工整理，融于課堂教學(xué)活動，促進學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的全面理解，進而發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

（3）HPS教育的實施需要豐富的素材和多樣的活動?！肮Ψ蛟谠娡狻保诮虒W(xué)設(shè)計中合理選用各種素材開展教學(xué)活動，事半功倍。教師可以借助已有的研究成果、科普短視頻、紀(jì)錄片片段來設(shè)計學(xué)生的學(xué)習(xí)活動。如“天然氣的利用 甲烷”教學(xué)第一部分“甲烷的前世”，是根據(jù)期刊論文內(nèi)容[5]以時間軸的形式呈現(xiàn)甲烷分子結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史，討論主要科學(xué)家及其貢獻(xiàn);而借助FOCUSKY軟件，動畫演示“科學(xué)史帶給人類的啟示”，從隱藏到呈現(xiàn)，學(xué)生能逐漸感悟科學(xué)發(fā)展對人類文明發(fā)展的促進作用。第三部分“甲烷的未來”，可以利用最新的科普短視頻和紀(jì)錄片片段，來展現(xiàn)科學(xué)研究、工程技術(shù)的前沿成果。本節(jié)課的紀(jì)錄片片段選自《大國重器（第二季）》，這是中央電視臺重點紀(jì)錄片項目，于2018年2月開播。強大的制作團隊確保影片的高質(zhì)量，其宏大的視角、恢弘的畫面與震撼的音效能夠吸引學(xué)生的注意力。從中截取需要的片段用于課堂播放，再組織學(xué)生討論，氣氛非常熱烈，HPS觀念深入人心。

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