基于HPS教育的化學教學設計

鄭海鵬 梁秋嬋 陳博

摘要：在教學中將化學教學與化學歷史結合，可以使教學不只局限于現成的知識結論，還可以追溯知識的來源和發展。在歷史發展的過程所體現的科學本質思想，有助于提升學生的科學素養。文章以人教版九年級化學“氧氣”課題為例，以氧氣的發現歷程為教學主線，運用實驗探究，學習氧氣的物理性質、化學性質和常見用途。

關鍵詞：HPS教育;化學史;氧氣教學設計;科學探究

文章編號：1008-0546（2019）02-0057-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

一、引言

HPS是科學史（History）、科學哲學（Philosophy）、科學教學（Science Teaching）三者的簡稱。HPS最早源于19世紀末，由物理學家恩斯特·馬斯（Mach，E）提出，他認為可以用歷史和哲學的方式教授科學[1]。

其中H代表科學史（History），主要是科學隨著時間、空間、人物、事件的發展過程。當代科學課程改革與發展的一大特點就是將科學思想觀念的演變過程和典型事例融入科學教學之中。通過科學史的學習，體會科學發展的動態過程，有助于學生把握科學的本質，深入理解科學與人、社會之間的關系及科學的發展對人的精神的影響[2]。P代表科學哲學（Philosophy），著重于從哲學思辨的角度出發關注科學本質是什么，而科學本質的教學是科學教育內容的重要組成部分，所以將科學哲學與科學教育相融合，能夠引導學生樹立正確的科學觀，加深對科學本質的理解[3]。S代表科學教學（Science Teaching），主要是學習科學的內在含義，關注科學進展，了解當代科學技術最新成果和新的科學思想，以及科學與社會、經濟和政治之間的聯系，同時使學生深刻領悟化學知識所蘊含的人文價值，從而增強學生的社會責任感與歷史使命感[4]。

HPS教育充分體現了自然科學與人文學科的跨學科聯系，不僅僅局限于科學知識本身的學習，還可以反映出人們在確定知識中的思想和方法。將科學概念放在歷史的坐標系中學習，從知識發生過程中學習科學概念，要比照本宣科更有趣味，也更易理解和掌握[5]，幫助學生多角度了解科學的本質及其規律。將鮮活的科學史與化學教學相結合，理應成為教師順應國際化學教育改革趨勢、提升中學生科學素養的重要途徑[6]。

筆者于2018年8月中旬查閱中國知網期刊數據庫，以“氧氣”和“教學設計”為篇名進行文獻檢索，發現僅有3篇文獻進行了“氧氣”的課例設計[7][8][9]，但并沒有融入HPS教育。因此，從檢索結果看，關于氧氣課例設計這方面的研究有著豐富的發展空間和必要性。本文以“氧氣”為例，進行教學設計，并融入HPS教育，為我國HPS教育提供參考和借鑒。

二、“氧氣”教學設計

1.設計思路

在人教版化學九年級上冊第二單元課題2"氧氣”[10]中，設置了關于氧氣的化學性質的實驗，但卻沒有設置關于氧氣的化學史知識。在傳統的教學設計中，教師通常利用課本上呈現的實驗內容進行教學，僅通過實驗了解氧氣的化學性質。筆者通過搜索、整理關于氧氣的歷史資料，在改進后的教學設計中呈現了普里斯特里、舍勒和拉瓦錫這3段關于氧氣發現的化學史資料，并將其作為歷史線索。發掘這段化學史資料中最引人入勝、具有關鍵作用的事件，包括科學家面臨的難題，運用已有知識解決問題或提出新的科學理論，以及將科學發現的關鍵問題轉化為學生可以參與研究的問題[11]，一方面補充了相關的教材內容，另一方面為教學提供了真實的歷史背景，使課堂教學變得豐富有趣。

教學流程如圖1所示，首先，普里斯特里的發現鏈接氧氣的物理性質和常見用途、蠟燭燃燒實驗和木條復燃的實驗，然后通過舍勒的發現進行氧氣與木炭、硫粉、鐵絲反應的演示實驗，最后通過拉瓦錫的發現回顧、總結整節課的學習。本教學設計從歷史事件與“氧氣”這一課題知識的關聯點出發，通過重現歷史事件中關于氧氣的實驗和設計探究實驗，讓學生了解氧氣的歷史發展的過程，從中學習氧氣的性質和用途，體會勇于質疑的科學精神，初探科學的本質。

2.教學目標

（1）知識與技能

①認識氧氣的物理性質和常見用途;

②觀察和描述木炭、硫粉、鐵絲等在氧氣中燃燒的現象，從中歸納出氧氣的化學性質以及掌握化合反應的定義;

③了解氧氣與人類關系密切。

（2）過程與方法

①通過探究蠟燭在氧氣和空氣中燃燒的現象，體驗科學探究的過程;

②通過活動和探究，培養學生觀察、分析和歸納的能力。

（3）情感態度與價值觀

①通過化學史的發展體會敢于質疑的科學態度;

②認識科學發展的過程是一個不斷完善的過程。

3.教學過程

（1）新課引入

在我們身邊的各行各業中都需要使用氧氣，例如金屬的高溫切割、登山氧氣瓶和醫用氧氣面罩（圖片展示），說明氧氣與我們生活生產的關系非常密切。

氧氣在我們的生活生產中應用廣泛，無處不在，缺它不可，既然氧氣對人類至關重要，那么它是怎么被人類發現的呢？接下來，我將帶領大家一起重溫氧氣的發現之路。

【設計意圖】對于圖片所展示的內容，學生往往再熟悉不過，突出氧氣對人類社會活動的重要性，由生活問題轉向化學學習，符合建構主義的學習方式。

（2）發現之路第一站：普里斯特里

【歷史事件】《氧氣的滋味，普里斯特里和老鼠都知道》：我叫普里斯特里，來自英國，是一個化學家，在1773年的時候，我用透鏡聚焦太陽光加熱氧化汞（Hg0）時，得到一種無色氣體。我將兩只小老鼠放進充滿這種氣體的玻璃罩里，發現老鼠存活的時間要比在等體積的空氣中長3-4倍，我還親自嘗試吸了一口這種氣體，發現沒有氣味，但能使身心覺得十分輕松愉快。

【提出問題】普里斯特里所發現的氣體就是氧氣，正如我手中這瓶制取好的氧氣，我們可以得到關于氧氣的哪些信息？

【講述】氧氣的物理性質：在標準狀況下，氧氣的密度為1.429g/L，比空氣的密度（1.293gAL）略大，不易溶于水。在室溫下，1L水能溶解約30mL氧氣。在壓強為101kPa時，氧氣在-183℃變為淡藍色液體，在-218℃變為淡藍色雪花狀固體。

【歷史事件】隨后，我發現這種氣體能使蠟燭的燃燒更劇烈。當時，我對“燃素說”也有很深的了解（即：可以燃燒的物質=灰燼+燃素），我知道蠟燭燃燒會產生燃素，空氣中含有的燃素多了就會使蠟燭熄滅，而且空氣中原來就含有較多的燃素。而這種氣體能使蠟燭發出更明亮的光，有可能是因為這種氣體的燃素含量極少甚至是沒有[12]，所以我把該氣體命名為“脫燃素空氣”。

【提問】根據普里斯特里的描述，如何驗證氧氣能使蠟燭的燃燒更劇烈？

【設計并完成實驗】請一位學生點燃兩根大小粗細均相當的蠟燭，但其中一根蠟燭系有一根堅固的硬鐵絲，兩根蠟燭點燃后，我迅速把系有硬鐵絲的蠟燭伸人盛滿氧氣的集氣瓶中。

【實驗現象】在集氣瓶中的蠟燭燃燒得比在空氣中劇烈。

【追問】既然氧氣能使燃燒更劇烈，能否使帶火星的木條復燃？

【演示實驗】將帶有火星的小木條伸進裝有氧氣的集氣瓶內。

【實驗現象】小木條復燃。

【得出結論】氧氣支持燃燒，同時這是檢驗氧氣的方法。

【講述】普里斯特里觀察到了氧氣發生化學反應的現象，卻不知道這是氧氣，局限于當時的“燃素說”理論，沒能真正地發現氧氣，但是人類對于氧氣的發現不會止步于普里斯特里的發現。

【設計意圖】通過普利斯特里的發現，學生能依據歷史資料以及現場展示總結出氧氣的部分物理性質以及常見用途。學生還處于化學學習的初始階段，讓學生設計一個簡單的對比實驗驗證氧氣的助燃性，不僅可以提升學生的興趣，還可以培養學生關于對比實驗的動手設計能力和思維。同時，助燃性這一知識點銜接著下一站的歷史事件。

（3）發現之路第二站：舍勒

【歷史事件】我是舍勒，來自瑞典，我熱愛化學研究。1774年，我把硝石（硝酸鉀KNO₃）放進曲頸甑中加熱，得到了一種無色氣體，這是一種能夠維持生命活動的氣體。我把這種氣體收集起來，把紅熱的木炭放進去，木炭一下子就燒起來了，比在普通空氣中燃燒得更亮。接著，我把氫氣、蠟燭和硫磺都嘗試過一遍，發現該氣體能使燃燒更加旺盛，發出更為明亮的光，我把該氣體命名為“火空氣”。根據我對“燃素說”的了解，我知道物質燃燒會釋放燃素，而“火空氣”能使木炭燃燒，還能發出更亮的光，有可能因為燃素與“火空氣”結合，形成了更明亮的火焰。

【演示實驗】從上述事件中可以發現氧氣參與了反應，現在我們重現舍勒的實驗。

【實驗現象】木炭在空氣中燃燒的現象為表面發紅，放出熱量;在氧氣中劇烈燃燒，發出白光，放出熱量。

【得出結論】碳+氧氣直燮卜二氧化碳

【追問】若把木炭換成硫和鐵，會有什么現象？

【演示實驗】

實驗1（播放視頻）：取少量硫粉于燃燒匙中，用酒精燈在空氣中點燃后伸入盛有氧氣的集氣瓶中。

實驗2（現場演示）：將一條細鐵絲繞成螺旋狀，一端系上一根火柴，點燃火柴，待火柴臨近燒完時，迅速伸人盛有氧氣的集氣瓶里。

【實驗現象】

實驗1：在空氣中燃燒發出微弱淡藍色火焰;在氧氣中燃燒發出藍紫色火焰，放出熱量，均生成有刺激性氣味的氣體。

實驗2：在氧氣中劇烈燃燒，火星四射，生成黑色固體。

【得出結論】四氧化三鐵。

【解釋并總結規律】進一步證實，氧氣具有助燃性，支持燃燒，能使燃燒更為劇烈。由于氧氣濃度不同，導致現象不一樣。以上反應都是兩種物質反應生成另一種物質的反應，因此，這類反應為化合反應。同時，我們可以發現以上的反應都是物質與氧發生的反應，這一類反應屬于氧化反應。

【講述】與普里斯特里一樣，舍勒也發現了氧氣，而且他還進一步研究了氧氣的化學性質，大家已經開始意識到可能發現了一種新的物質，但當時權威的“燃素說”認為物質燃燒是釋放燃素，同時發光發熱的過程，便再一次錯過了氧氣的發現，而推翻陳舊的“燃素說”的任務，便落在了拉瓦錫身上。

【設計意圖】第二站的事件內容，承接著上一站中氧氣的助燃性。演示實驗的順序相對于課本有所調整，由于歷史資料中舍勒進行了氧氣與木炭的反應實驗，首先在課堂上重現該實驗，再進行氧氣與硫粉、鐵絲的反應，從中學習氧氣的化學性質，進一步掌握氧氣的助燃性。同時，通過普利斯特里和舍勒的故事讓學生明白科學家不是圣人，他們并不是總能發現真理，在科學研究時也會受到已有錯誤理論的影響和束縛。

（4）發現之路第三站：拉瓦錫

【歷史事件】我叫拉瓦錫，是一個法國化學家。我發現金屬在燃燒中會增重，是因為結合了空氣中的某種成份，究竟是什么成份，我不能確定。在1774年，普里斯特里和舍勒先后向我介紹了他們得到“脫燃素空氣”和“火空氣”的過程。我靈光一閃，在第二年，我將水銀（汞Hg）放在曲頸甑中連續加熱12天，反應結束后，我發現容器里空氣的體積減少了大約1/5，水銀表面出現了紅色粉末（氧化汞HgO），重量增加，我再把紅色粉末放在另外一個容器里加熱，發現得到了一種氣體（氧氣）和水銀，得到的水銀與曲頸顫中剩下的水銀加起來的質量剛好等于原來水銀的質量，氣體體積也剛好等于容器中減少的體積。我把得到的氣體加入前一個容器里剩下的4/5的氣體中，發現混合氣體與空氣的性質一致。我本來對“燃素說”是深信不疑的，但是后來發現它無法解釋金屬在燃燒后為何增重，我開始產生懷疑，我認為這種氣體是一種新的物質，存在于我們身邊的空氣中，金屬的燃燒是金屬與這種氣體化合的過程，而不是釋放燃素的過程，因此反應后質量增加，我否定了“燃素說”。在1777年的時候，我正式把這種氣體命名為“氧”（Oxygen），含義是酸的元素。

【回顧知識】這節課了解了氧氣的發現過程，同時學習了氧氣的性質，請同學總結氧氣的物理性質和化學性質。

【總結】至此，人類最終發現了一種新元素——氧。氧氣的發現，是化學史上一個重要的里程碑，徹底糾正了包括“燃素說”在內的許多錯誤理論，建立了新的“燃燒學說”，這為后續的化學科學發展奠定了基礎。氧氣的發現不是一帆風順的，而是一個曲折的過程，普里斯特里和舍勒都受到了“燃素說”的束縛，只有拉瓦錫敢于沖破“燃素說”的思想牢籠，解釋了燃燒和氧的本質，所以他才成為化學發展史上真正發現氧氣的人。拉瓦錫勇于質疑的可貴品質，成為了發現氧氣的關鍵所在，這才是科學的本質思想。

【作業布置】根據今天所了解到關于氧氣的發現的化學史實，把普里斯特里、舍勒和拉瓦錫三人的研究成果聯系起來，寫一篇關于氧氣發現過程的感想，談談自己對化學史的學習和科學本質思想的感受，在下次的課上分享自己的感想，并且預習“氧氣的制取”，收集有關氧氣制取的化學史資料，在下一節課中展示。

【設計意圖】拉瓦錫發現氧氣的實驗不僅僅是發現了氧氣，也是在課題1“空氣”中研究空氣成分的實驗，能夠有效結合學生已學習的知識。這三段歷史事件不僅是氧氣發現史，也提及了關于燃燒現象本質揭示的部分發展過程，為第七單元課題1“燃燒與滅火”的學習提供知識基礎。通過拉瓦錫的發現，學生可以了解到拉瓦錫在前人的成果基礎上，進一步思考、提出新的觀點，同時讓學生回顧之前的學習內容，并且由學生總結，杭理歷史發展路線。教師總結氧氣發現史的哲學道理，讓學生初步體會科學探究的本質，培養學生科學探究的思維，體會科學精神的本質。作業布置的目的在于讓學生進一步理解和掌握本節課的內容，緊扣和深化本節課的HPS主題，加深學生對化學史和科學本質的理解，以第一人稱的身份分享知識的學習方式是最高效率的學習方式。預習任務在于讓學生感受到化學史的豐富，由于舍勒的發現已經涉及了制取氧氣的方法，不僅可以承接下一節課的學習，還可以讓學生從同一化學史中學習不同的知識。

參考文獻

[1]戴敏.中美初中物理教科書中HPS內容比較研究[D].武漢：華中師范大學，2017

[2]袁維新.HPS教育：一種新的科學教育范式[J].教育科學研究，2010（7）：48-51，55

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[4]王向坤.基于HPS的中學化學教學設計研究與實踐[D].長沙：湖南師范大學，2014

[5]陳鋒，楊麗娟.基于HPS理論的概念教學范式研究——以科學史建構科學概念的視角[J].教育參考，2017（5）：79-86

[6]陳廣俊.基于蘇科版教材中物理學史的“HPS”實踐研究——以“電磁感應發電機”為例[J].中學物理：初中版，2017，35（12）：31-33