HPS教育在高中化學科學探究中的實踐研究

蔡興鋒 朱琴梅

（江蘇省前黃高級中學 江蘇 常州 213161）

一、問題的提出

當代科學教育的一個基本目標是培養學生的科學素養，而科學探究學習是實現該目標的重要途徑之一。學生處于知識結構的構建階段，其自身的認知水平不高，制約了探究的能力。目前HPS 教育已成為當前國際科學教育改革的新理念與新趨勢，它是“科學史（History of Science）教育” 、“科學哲學（Philosophy of Science） 教育”和“科學社會學（Sociology of Science） 教育”三者的簡稱，其主要內容是把科學史、科學哲學、科學社會學的相關知識引入到科學教育活動中，讓學生在歷史、哲學和社會學語境中重新審視科學、理解科學，對科學本質形成多維透視，培養科學精神，提高科學素養。

二、HPS 教育功能的價值分析

1．科學史故事促進了教學的生態化

教育生態學強調在真實、自然的環境中摸爬滾打和不同方向、不同維度、不同質地信息的碰撞交流。而科學史故事以豐滿、生動的科學家的成長以及他做出的科學發現誘發學生對神奇的科學世界的向往，激發學生學習化學的興趣，形成勇于創新、實事求是的科學態度，實現化學探究教學的情境性和生態化。例如，在學習必修1“氧化還原反應”內容時，針對難度較大的特點， 通過介紹燃素說的破滅到氧化學說的建立、原子結構的揭示、電子得失氧化觀建立的系列化學史感染了學生，激發了學生求知欲望。我們的學生在跟隨科學家攀登智能高山、思維的高山、情感的高山、人格的高山的過程中體驗“氧化還原反應”概念產生的來龍去脈。

2．科學哲學思想史提升了學生的探究力

縱觀中外化學史，在每一個化學概念、學說、理論的產生和發展過程中， 無不閃耀著科學思想史之光，科學思想史拋開繁雜的歷史細節，以相對抽象的形式再現人類科學知識的過程和成果。學生不僅能深刻理解知識，還能感受知識本身發生的過程以及科學家勇于創新的科學精神和鍥而不舍的探索態度。英國科學史家丹皮爾曾經說過：“再沒有什么故事能比科學思想發展的故事更有魅力了”。科學思想史的運用關鍵是“恰到好處”，不僅為教學目標達成和揭示化學核心探究思想所用， 更重要的是讓學生透過史實對科學家、科學發現的思想與思路的深刻領悟，觸摸到史實背后的哲學價值和觀念。“化學電源”的進化史就是典型的科學思想史的推進史。剛開始發現生物電的是意大利著名生物學家伽伐尼，他通過一個偶然的機會發現解剖刀能使蛙腿抽搐，并提出“生物電”的概念；“生物電”又引起了伏打的興趣，他反復實驗，后來又偶然發現了銅鋅原電池，繼而發明了伏打電池；再后來偉大的法拉第進一步拉進了人與自然的距離——電磁感應。

3．科學社會史觀的“滲透”培育學生的科學價值觀

科學社會史觀是對科學史的哲學思考，左右著人們對科學及其發展的基本看法和態度。不僅可以培養學生“學會做事”的科學精神，也可以培養學生“學會做人”的人文精神。美國《哈佛化學課程》的編寫以歷史發展為主線，不僅結合了相當數量的史料，并且把最基本的化學史、科學哲學和概念、規律熔為一體，成為美國最有影響的化學教材之一。我們可以借鑒這種思路，采用“滲透螺旋式”的學習方式，讓學生“走進歷史”，形成健康的科學觀，理解科學的本質，培育科學精神，認識到科學不但會犯錯誤，而且恰恰是在不斷認識和糾正錯誤的過程中進步的。科技成果具有相對性，這要求我們具有探索求真的理性精神、實事求是的嚴謹精神、批判進取的創新精神和科學合作精神，科學技術才能向更高境界發展，化學科學才能真正為社會進步和人類幸福服務。

4．案例研究：“化學電源”

［教學設計理念］

人類對熱能的利用， 不僅改變了人類的生活方式，也促進了人們對化學本質的進一步認識。而化學能與電能的相互轉化， 則是能量轉化的又一重要形式，這種轉化形式在生產生活和科學研究中的應用更為廣泛。要使燃燒（氧化還原反應）釋放的能量不通過熱能直接轉變為電能，就需要設計一種裝置，使氧化和還原反應分別在不同的區進行。然而形式多樣的電源并非同時出現的，人類在使用過程中，為了更好地滿足自身的需求不斷研究、改進發展起來的，體現了人類社會“按需設計”的發展理念。電池發展從1780年伽伐尼的青蛙實驗→1800年的伏打電池→1836年的丹尼爾電池， 直到目前的新型電池的百年歷史，引導學生用可持續發展的眼光學習化學、發展科學。本文基于學生對原電池的認知發展規律，以科學史重演設置持續的問題情境來展示知識發生過程，引導學生進行探究實驗，構建從氧化還原視角建構化學能轉化為電能的基本觀念；通過分析發現簡單原電池存在的問題并能尋找出該進的辦法，引入含鹽橋的銅鋅原電池的學習，全面認識構建原電池的條件，及原電池的放電效率，拓展原電池的視野及運用。

教學片段：

［背景材料1］1780年伽伐尼的“青蛙實驗”提出“用銅叉和鐵叉觸碰剝皮后的蛙腿，蛙腿會抽搐”這種現象可能與生物電有關， 伏打閱讀了伽伐尼的論文，進行了多次實驗，得出“只要有兩種不同金屬互相接觸，中間隔以濕的硬紙、皮革或其他海綿狀的東西，不管有沒有蛙腿，都有電流產生。”的猜想。

［提出問題］你同意伏打的猜想嗎？ 請你設計實驗來驗證，要注意控制實驗變量。實驗用品：檸檬、西紅柿、橙子、蘋果、銅片、鐵片、鋅片、碳棒、靈敏電流計、稀硫酸、醋酸、硫酸鈉固體、蔗糖溶液、導線。

［分組實驗1］探究電流形成的條件。

假設1：與金屬的相對活動性有關（金屬種類）。

假設2：與溶液的導電性有關（溶質種類）。

假設3：與線路是否閉合有關（很容易得到結果，不需要驗證）。

展示學生的實驗方案，評價修改后確定最終實驗方案。

［設計意圖］學生通過對文獻資料的分析，必然會對生物電產生質疑。通過仔細分析伏打的實驗，引導學生通過實驗的方法來驗證電流產生條件的猜想與假設。

［背景材料2］1800年初， 伏打把許多鋅片與銀片之間墊上浸透鹽水的絨布或紙片， 平疊起來制成了世界上第一個電池“伏打電堆”。這是第一個可以產生穩定、持續電流的裝置，為電化學研究開創了新局面。

［提出問題］探究伏打電池原理， 你能自制電池嗎？

［分組實驗2］自制音樂電池

實驗用品：鋅片、銅片、碳棒、硫酸銅溶液、燒杯、萬用表、導線、電子溫度計、音樂賀卡

課堂記錄卡（一）

鋅片銅片 預期現象鋅片變細，銅片上有氣泡實驗現象鋅片變細、黑，金屬上都有氣泡電解液溫度是否改變電流計指針不變改變偏轉偏轉，但慢慢變小換成音樂賀卡響斷斷續續

問題討論： 當音樂賀卡的旋律此起彼伏響起時，課堂一下子安靜了下來，大家用心地傾聽，盡享這美好激動的時刻。美中不足的是聲音斷斷續續。同學們不由自主地討論了起來。會不會化學能沒全轉化為電能？ 測一下反應液前后的溫度不就知道了。實驗結果是溶液溫度升高了，這與預測的化學能全轉化成了電能，溶液溫度不變發生了認知沖突，說明真實的反應化學能部分轉成了熱能，細心的同學還發現鋅片上也有銅析出，又再次證實鋅與硫酸銅直接反應了，使溶液溫度升高；若鋅片與銅斷開連接，反應還在繼續，溫度計升高幅度更大，學生為自己摸索出的成果激動不已。是什么原因造成鋅片上的多種反應可能性的呢？鋅與硫酸銅溶液直接接觸，使得化學能只是一部分變成了電能，電池工作效率低。面對存在的問題解決的根本方法是什么呢？ 學生自然而然地產生了與科學家的共鳴，將鋅與硫酸銅分池存放，分池存放又帶來了新的問題，如何構建閉合回路？ 通過什么現象可以說明改進后的電池已經克服了原來的問題？ 學生在層層追問中體驗著科學發展史的過程之美。

［設計意圖］通過了解伏打電池原理，自制音樂電池，引導學生分析原電池的反應原理。且在實驗中發現了伏打電池的一些缺點，與科學家遇到的困難產生共鳴。

［背景材料3］1836年英國的化學家丹尼爾發現長時間觀察伏打電池存在著明顯的缺陷，電流計讀數變小，于是發明了以鋅負極浸于硫酸鋅電解質與銅正極浸入硫酸銅溶液所形成的丹尼爾雙液電池，兩個電極反應是在彼此隔離的條件下進行的，提高了電池的利用效率，大大推進了電池實用化發展進程。

［提出問題］雙液電池有哪些優點？ 丹尼爾電池的結構給了你什么啟發？ 你采取的措施是什么？

［分組實驗3］提取丹尼爾電池的搭“橋”思路，創新電池

實驗用品：鋅片、銅片、碳棒、硫酸銅溶液、燒杯、萬用表、導線、鹽橋（丹尼爾電池）、吸管（內有氯化鉀溶液與瓊脂）、濾紙（KCl 溶液中浸泡過）、電子溫度計。

課堂記錄卡（二）

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問題討論：鋅與硫酸銅溶液不接觸，隔開，讓氧化還原反應在不同區域進行，并用鹽橋將裝置連接，使化學能全轉化為電能。學生大膽地嘗試了吸管（內有氯化鉀溶液與瓊脂）、濾紙（KCl 溶液中浸泡過）解決了電流小、不穩定的問題。丹尼爾電池帶來了實用價值，可如何設計出攜帶、使用方便的電池，還有待改進。

［設計意圖］通過探究讓學生認識到在雙液電池中，負極材料Zn 不與正極的電解質溶液直接接觸。改進以后原電池裝置產生了持久、穩定的電流，減少了鋅的消耗，提高了電池的利用效率。深刻解讀了雙液電池反應原理、優點和鹽橋的作用。

［背景材料4］雙液鹽橋原電池在體積上較大，因此不是很實用，且電解質用溶液，移動不便，缺乏簡易性。我們日常生活需要的是體積小，重量輕，單位重量（或體積）能量比高的電池。1860年法國的雷克蘭士的鋅錳電池、1887年英國赫勒森提出了最早的干電池。干電池的問世使電池走進了千家萬戶。老師當堂解剖了一節干電池，發現干電池中有多層牛皮紙。

［提出問題］吸管、濾紙、牛皮紙與鹽橋是否有異曲同工之處？ 你能用水果膜代替鹽橋嗎？

問題討論：學生豁然了牛皮紙的作用神似搭在兩個燒杯之間的濾紙，頓悟了剛才的濾紙實驗電流計指針偏轉較小，原來是只用了一張濾紙條。于是又逐漸增加濾紙條，果然電流計偏轉的角度越來越大，同學們對濾紙和牛皮紙兩者的異曲同工驚嘆不已。

［學生實驗4］自制創新水果電池

實驗用品：鋅片、銅片、碳棒、桔子、萬用表、導線

課堂記錄卡（三）

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［設計意圖］讓學生在新穎的“情境”中體驗鹽橋與膜，從生活中的桔子瓣膜到工業中的離子交換膜的過渡使學生的認知水到渠成。老師的引領，學生的感悟，讓學生感到自己也是小小科學家了，科學發展史創設的外環境為培養學生的科學假設能力發揮了重要的作用。

三、教學思考

1．回到教育的原點， 使學生的認知過程與HPS的發展過程相似

HPS 教育告訴我們化學不過是人類的一種文化活動，人人可學，人人可做，盡管并非人人都有化學家的才能， 而從事這種文化活動的化學家也是平凡的人，同樣會遇到困難、挫折、失敗。歷史上大多數化學家遇到的困難，正是學生也會遇到的學習障礙。學生是教育的原點。教師一定要堅定學生立場，按照學生的認知需求組織活動，把學生的活動經歷、思想感情、情感心理因素都納入課堂教學視線。我們的任務就是讓學生的思維經歷祖先之所經歷， 迅速通過某些階段而不跳過任何階段。只有理解人類如何獲得某些事實或概念的知識， 我們才能對學生應該如何獲得這樣的知識作出更好的判斷。鑒于此， 科學史應該是我們的指南。在“化學電源”的案例教學中通過“背景資料—發現問題—提出問題—作出假設—實驗驗證—問題討論”的探究過程為主線，讓學生親自踏著科學家的足跡進行科學研究。教師的作用是提供問題情境，引導學生提出觀點，通過評價，學生發現假設思維過程的缺陷，不僅獲得了真知灼見，還獲得克服困難的勇氣。

2．追尋教育的視點，開設HPS 教育選修課程

教育需要自己的視點，否則難以吸引學生。教育的視點就是教育故事。其實，一個個教育行為就是一個個教育故事。教育故事隱藏著學生成長、成才、成功的密碼。根據霍金的理論，宇宙中所有的事情，都是時間的事情。美國作家拉克瑟說：“構成宇宙的是故事，而不是原子”。借此，我們把時間都凝聚為故事，把教師、學生、課程的相遇凝聚為教育故事，將這些教育故事拍成系列微視頻，整合成系列微課程，形成系統完整的HPS 課程，演繹化學教學的精彩篇章，促進學生深入理解化學。在“化學電源”的案例教學中，我們把從伽伐尼的“生物電”實驗，到伏打發明的“伏打電池”， 再到丹尼爾研制的丹尼爾電池的原電池進化之旅的教育故事拍成微視頻，將科學史、科學哲學、科學社會學圍繞“對科學本質的追問與探索”進行對話與交流，不僅傳遞了化學思想，而且展現了化學的社會價值，充分體現了HPS 的核心價值。

［1］王祖浩，張天若．化學問題設計與問題解決［M］．北京：高等教育出版社，2003．8

［2］馬宏佳．化學教學論［M］．南京：南京師范大學出版社，2000

［3］王慧君．HPS 教育及對我國科學教育改革的啟示 ［J］．河南職業技術師范學院學報，2008，（3）