科學過程視野下HPS融入初中科學教學的案例研究

● 顏石珍

科學過程視野下HPS融入初中科學教學的案例研究

● 顏石珍

科學教學改革應回歸到“原點”——科學過程。本文在科學過程視野下，以《光合作用》為例，探討HPS的應用之道：演示現象；引出觀念；學習歷史；設計實驗、呈現科學觀念和實驗檢驗；總結與評價。

HPS；科學教學；科學本質

HPS是科學史、科學哲學和科學社會學（History Philosophy and Sociology of Science)的縮寫詞。HPS融入科學教學是指把科學史、科學哲學和科學社會學的有關內容融入科學教學，以提高科學教育的質量，并將科學本質觀凸顯在教學中，使學生更好地把握科學本質，知道科學究竟是什么，科學知識是怎樣產生的，科學在社會發展和進步中的作用是什么，科學和科學方法的局限性等等，從而培養學生的科學素養。將HPS融入科學教學可以發展學生對科學本質的理解，使學生建構科學知識，體驗科學方法，感受科學精神。這無疑會使科學課堂更加充滿活力，讓學習更加精彩。本文擬在科學過程視野下，以《光合作用》為例，探討HPS的應用之道。

一、科學教學改革的“原點”——科學過程

長期以來，由于受“應試教育”的影響，我國科學教育存在不少問題，許多學者進行過反思，并將其概括為：重理論輕實驗，重結論輕過程，重知識輕能力，重模仿輕創造。[1]就當前的科學教育實踐而言，這種概括無疑是十分正確的。為改善這一現狀，科學教育改革勢在必行。基于建設性后現代主義觀點，科學教育改革回歸“原點”是我們所持有的主體思想。原點就是事物的本質，即原型或原創，是一個文化積淀和生成的核心，它與環境和歷史的人文心理積淀相通暗合，它在漫長的歷史進程中逐漸形成了文化凝聚起來的原型結構。[2]因此，原點問題的本質內涵是文化生成和更新的那種原始的力量，它起到對倫理、道德、宗教、習俗、制度、禮儀、藝術和審美等多種形式的規范。通過考察文化史發現，人類文化的基本發展走向就是從“原點或原創”的文化萌發時期進入到文化生成和變異的整體發展與共建的時代。

追問科學教育本身，其改革的“原點”何在呢？我們試圖從不同專業領域的大家思想“共鳴”處尋找答案。

恩格斯說：“世界不是既成事物的集合體，而是過程的集合體。”[3]英國數學家、教育理論家、過程哲學家懷特海在其巨著《過程與實在》中把恩格斯思想進一步發展為：過程是事物的根本存在形式，世界的本質就是過程的存在，即過程就是實在、實在就是過程。美國哲學家、教育家杜威在論述“教育即生長”主題時也曾說到：“教育過程是一個不斷改組、不斷改造和不斷轉化的過程。”[4]還有，美國社會學家、科學學專家李克特更是從多維視角有力地證明了“科學是一種文化過程”，并富有創見性地提出：“科學暫且被定義為一個過程，或一組相互關聯的過程；通過這個或這組過程，我們獲得了現代的、甚至是正在變化中的關于自然界（包括無生命的自然界、生命和社會在內）的知識。通過這個過程獲得的知識可以被稱為是‘科學的’，而且在某個時期被認為是科學的知識很有可能在以后的日子里被認為是過時的。”[5]

從思想大家們的論述中不難體悟，他們暢談問題的角度雖有不同，例如恩格斯和懷特海強調事物內在的有機聯系、杜威從教育實踐經驗出發、李克特基于文化視角，但作為一種共同的賦有遠見的睿智探索，都把著眼點投向了復雜、豐富而又奇妙、無窮的“過程”問題。注重結果更強調過程，這雖對傳統的理論視野提出了嚴峻挑戰，卻給我們的科學教育改革帶來了啟示和指引，從而回答了上面提出的問題，即科學教育改革的“原點”應是科學過程。事實上，在當前國內外的科學教育改革實踐的不斷努力下，科學過程作為科學教育改革的“原點”問題，雖不明晰，但已凸現。例如，科學探究已成為當今科學教育的基本理念和思想，這是國際上專家們達成的共識并給予高度評價。在美國《國家科學教育標準》所描述的預想狀態下，探究比“作為過程的科學”又前進了一步，學生在探究的過程中可以學到各種技能，例如觀察、推論和實驗。新的預想狀態包括“科學的過程”，它要求學生在進行科學推理和批評性思維時把過程和科學知識結合在一起。[6]我國《科學課程標準》（包括綜合和分科科學）中也明確提出，科學探究的主要目標是使學生領悟科學探究的思想，培養學生進行科學探究所需要的能力，增進對科學探究方法和過程的理解。[7]

由上論述得出，科學教育改革回歸到“原點”——科學過程，科學教育將被賦予新的內涵和使命：習得科學知識是科學教育的根基，而形成良好的科學素質才是科學教育之魂，即讓學生在參與、體驗和享受科學過程中習得多種適應生活的能力，以及對科學問題做出明智的判斷和選擇，從而成功地解決問題并加以自主創新。而將HPS融入科學教學，其目的即在于此。

二、科學過程視野下HPS融入初中科學教學的一個案例

（一）演示現象

多媒體演示：一粒種子經萌發生長到長成參天大樹的過程。教師提出植物生長的養料究竟是從哪里來的問題讓學生思考。學生根據書本知識或已有經驗可能知道植物的生長和光合作用有關，那么光合作用中的條件和過程是怎么樣的？科學家是如何一步步研究得到光合作用的過程的？從問題出發，促使學生產生探究的強烈欲望。科學離不開對現象的觀察，從現象出發提出問題，科學的產生也來源于問題的提出。愛因斯坦說過，提出問題比解決問題更重要。

（二）引出觀念

教師引導學生就上述有關光合作用問題說出自己的看法并提出證據支持自己的觀點，激發學生的積極地和創造性地思考。收集學生的觀點如下：

●植物白天進行光合作用，吸收二氧化碳，放出氧氣；晚上進行呼吸作用，吸收氧氣，放出二氧化碳，所以植物白天不會吸收氧氣。

●因為土壤中養分不足，所以植物才需要進行光合作用。

●光合作用需要二氧化碳嗎？產物是淀粉和氧氣嗎？

●是不是植物體的任何葉片都能進行光合作用呢？

教師不對觀點進行評價。

（三）學習歷史

科學知識是植根于社會和文化背景中的，不同歷史時期，科學家的觀點也不一樣，不同的人對于同一現象也會有不同的觀點。科學知識也是暫定性的。

亞里士多德根據動物的生長來源是食物而提出觀點：植物生長來源應該是土壤。給學生提供科學史料，引導學生討論或探索這些觀念產生的背景和條件，幫助學生認識到科學認識的時代制約性，重點突出科學家研究的過程和方法。結合科學史中幾個著名的實驗引導學生思考討論并歸納這些科學家關于光合作用的探究歷程（表1）。

表1 科學家光合作用的探究歷程

此外，還可以補充英格豪斯通過實驗證明綠色植物只有在光下才能凈化空氣。他還發現光照下的綠色植物能夠釋放氣體，這種釋放氣體的能力在夕陽西下是降低，日落后完全停止，進而得出綠色植物進行光合作用需要光。還可以補充說明恩吉爾曼用水綿和好氧細菌證明氧氣是由葉綠體釋放出來的等相關研究。

（四）設計實驗、呈現科學觀念和實驗檢驗

全班分組后，引導學生要從多種多樣的觀點中選擇某種觀點進行實驗設計，證明自己的觀點和科學家的觀點。如設計證明光合作用的產物主要是淀粉；實驗證明光合作用需要光和葉綠體；證明光合作用的原料之一是二氧化碳；證明光合作用釋放氧氣等。這一環節能激發學生的想象力和創造力，引導學生設身處地地體驗科學家的思考和探究，同時理解對同一自然想象科學家會有不同的解釋。

教師講解光合作用過程，引導學生進一步明確光合作用過程中物質的變化。如果學生還有自己的觀點與當前的科學概念不一致，就需要引導學生自己設計實驗檢驗，由實驗現象的觀察、資料的收集與整理，最終得出結論，形成科學觀念，即實現由原有的錯誤觀念向科學觀念的轉變。例如，有學生認為葉子的任何部位都能進行光合作用，為了消除學生這一迷思概念，可以讓學生利用銀邊吊蘭進行對比實驗，從而幫助學生明白葉綠體是光合作用的場所。也有學生認為植物在晚上進行呼吸作用，吸收氧氣，而在白天只進行光合作用放出氧氣，不會進行呼吸作用放出二氧化碳。這可以讓學生做測量白天綠色植物呼吸作用釋放二氧化碳的實驗，從而促使學生認識到綠色植物白天也能進行呼吸作用。

（五）總結與評價

引導學生總結歸納：討論科學家關于光合作用的探究過程的內容、方法的歷史意義與局限性，如海爾蒙特的實驗結論完全正確嗎？從植物生活環境的角度分析植物生長需要的物質來源，還應該考慮什么因素？當人們重復普利斯特利的實驗時，有的獲得成功，有的卻失敗，甚至有時發現植物還會更嚴重地污染空氣。為什么學者們會得到不同的實驗結果呢？光合作用的內容是什么？有關光合作用還有什么問題？僅僅通過上述的幾個實驗能否揭示光合作用的機制？其實還有更多的科學家繼續探究光合作用的機制。

HPS融入科學教學，上述的五個步驟可以完整地呈現，也可以著重體現學習歷史、科學觀念和檢驗這兩個環節，這樣也能很好地體現科學本質。科學家的探究過程蘊含了科學的發展歷程。而且歷史上也會出現錯誤的觀念。經過科學家的不斷探索和歸納總結，使新的科學概念被人們接受，能更好地解釋自然。很多經驗性研究證明學生對科學的認識過程會重述科學知識發展過程的某些特征，而且學生對一些科學概念的錯誤認識，同古代科學家或哲學家的認識相似。如果教師可以預期學生可能存有的先前概念，及學習上可能遭遇的困難。那么利用科學史的學習可以引導學生進行批判思考，有利于建構更成熟的科學概念。

三、實踐反思

為了更有效地把HPS教育融入到科學課堂教學中，筆者認為：

對科學本質的教學應該是顯性教學而不是隱含在教學過程中，也就是需要教師詮釋和科學本質相關聯的內容；

這種教學法并不適用于所有內容。另外教師需要選擇利用科學史教學不是還原前人的科學研究全過程，而是對發現過程中的難點進行一定程度的簡化。將HPS融入科學課堂教學，要有目的，適時適度，對于不同內容應以不同的教學方式以體現HPS的教育價值；

將HPS融入科學教學中并不需要一次就體現很多方面的科學本質內容，要根據教材內容和學期計劃逐步滲透。

[1]郭玉英．從傳統到現代——綜合科學課程的發展[M]．北京：北京師范大學出版社，2002.116．

[2]詩哲魂．世界跨文化傳播的若干理論問題，博客網思想評論專題http://column.bokee.com/67580.html．略有修改．

[3]馬克思恩格斯選集（第 4 卷）[M]．北京：人民出版社，1995.244．

[4][美]杜威.杜威教育論著選[M]．趙祥麟、王承緒編譯．上海：華東師范大學出版社，1981.154．

[5][美]李克特.科學是一種文化過程[M]．顧昕、張小天譯．北京：三聯書店，1989.3．

[6][美]國家研究理事會.國家科學教育標準[M]．北京：科學技術文獻出版社，1999.127．

[7]教育部.科學（7-9年級）課程標準[M]．北京：北京師范大學出版社，2003.11.

顏石珍/杭州市文海實驗學校

（責任編輯：劉 明）