基于學(xué)生視角的科學(xué)HPS教育設(shè)計初探
——以《時間的測量》單元教學(xué)為例

廣東廣州市荔灣區(qū)詹天佑小學(xué)（510140）張愛民

2017年教育部頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》提出，小學(xué)科學(xué)課程的總目標(biāo)是要按照立德樹人的要求來培養(yǎng)小學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，并為他們的繼續(xù)學(xué)習(xí)、成為合格公民和終身發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。同時，將目標(biāo)細(xì)分為“科學(xué)知識”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度”“科學(xué)、技術(shù)、社會和環(huán)境”四個方面。科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)重視學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，重視培養(yǎng)學(xué)生的優(yōu)秀品德，關(guān)注科學(xué)與社會和環(huán)境之間的關(guān)系。HPS是科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會學(xué)的英文縮寫。在科學(xué)課程教學(xué)過程中，融入相關(guān)的科學(xué)史和科學(xué)社會學(xué)等人文教育資源，并引導(dǎo)學(xué)生就這些內(nèi)容進(jìn)行哲學(xué)思考，讓學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)科技的發(fā)展與應(yīng)用的價值。這樣既可以幫助學(xué)生聯(lián)系當(dāng)時的社會情況去了解前人探索科學(xué)科技的過程與方法，正確地把握科學(xué)的本質(zhì)，又可以使學(xué)生更好地客觀評價、理解和欣賞科學(xué)家及其從事的科學(xué)事業(yè)，激發(fā)其探究科學(xué)的熱情、勇氣與欲望，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神、堅忍不拔的意志品質(zhì)、社會責(zé)任感等人文精神。可見，開展HPS教育有利于達(dá)成科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)提出的課程目標(biāo)。但是，目前新舊版本的教科版小學(xué)科學(xué)教科書中，比較欠缺與各學(xué)習(xí)主題有關(guān)的HPS方面的教育內(nèi)容，沒有可直接用于教學(xué)活動的現(xiàn)成的HPS教育資源，需要教師自己或安排學(xué)生圍繞教學(xué)主題去收集整理相關(guān)的HPS資源，去探索HPS資源的呈現(xiàn)形式和途徑、應(yīng)用環(huán)節(jié)和方式方法等。

開展小學(xué)科學(xué)HPS教育，教師在選擇和編排學(xué)習(xí)資源內(nèi)容、設(shè)計單元教育方案時，不僅要考慮學(xué)科知識自身的邏輯，而且要基于學(xué)生視角，充分考慮學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”，符合由易到難、循序漸進(jìn)的程序教學(xué)理論。這樣，學(xué)生才有能力更好地利用HPS資源去建構(gòu)新知、培養(yǎng)能力和情感態(tài)度與價值觀，更好地達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。下面，以《時間的測量》單元教學(xué)為例，談?wù)劸唧w做法。

一、設(shè)計并編碼HPS教育單元資源庫

《時間的測量》是教科版小學(xué)科學(xué)五年級下冊的內(nèi)容。依據(jù)小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)和HPS教育理念，本研究對該單元的學(xué)習(xí)內(nèi)容和目標(biāo)作了調(diào)整，即基于學(xué)生視角另行安排單元學(xué)習(xí)內(nèi)容和設(shè)定單元學(xué)習(xí)目標(biāo)。基本設(shè)計思路（如圖1）是整體教學(xué)按照計時器發(fā)展的先后順序開展，即把單元教學(xué)內(nèi)容整合成五個教學(xué)模塊：《時間在流逝》《太陽鐘》《水鐘》《擺鐘》和《從哲學(xué)視角看計時器的發(fā)展歷程》。對每一種計時器，讓學(xué)生先學(xué)習(xí)相關(guān)的HPS資源，然后重歷當(dāng)時歷史上科研人員探索影響其計時準(zhǔn)確性因素及其科學(xué)原理的研究過程；之后，在懂得科學(xué)原理和學(xué)會控制影響因素的基礎(chǔ)上，設(shè)計制作太陽鐘、水鐘和擺鐘并進(jìn)行檢測的實踐活動。通過學(xué)習(xí)HPS資源和實踐探索活動，了解計時器的發(fā)展歷程，知道人類不斷增加的需求，促進(jìn)人類不斷地探索和發(fā)展科學(xué)技術(shù)，并應(yīng)用科學(xué)技術(shù)來改進(jìn)計時器，從而使計時器得到了不斷的發(fā)展。同時，引導(dǎo)學(xué)生基于歷史環(huán)境和哲學(xué)視角去看待計時器發(fā)展過程中科學(xué)科技的應(yīng)用，感悟中國古人刻苦鉆研的精神和令人嘆服的智慧。

圖1 《時間的測量》單元教學(xué)思路圖

有關(guān)人類計時器的發(fā)展與應(yīng)用史料豐富，如太陽影子變化的規(guī)律、伽利略對擺的等時性的發(fā)現(xiàn)以及日晷和圭表、水鐘、惠更斯擺鐘的發(fā)明與應(yīng)用等，這些都是開展科學(xué)教育活動的寶貴的科學(xué)人文資源。專題收集和整理了各類計時器有關(guān)的HPS資源，并與其他資源一起，按照該類計時器的發(fā)展歷程、科學(xué)原理、使用優(yōu)缺點和未來發(fā)展前景的教學(xué)邏輯進(jìn)行分類編碼，構(gòu)建了便于提取的《時間的測量》單元HPS教育資源庫。

二、基于學(xué)生視角設(shè)計班級授課內(nèi)容

如圖1，本單元的第1～7課既有HPS資料學(xué)習(xí)，又有實踐操作。其中HPS資料學(xué)習(xí)主要包括計時器的創(chuàng)造發(fā)明史和所依據(jù)的科學(xué)原理的發(fā)現(xiàn)史，實踐操作部分體驗了古人創(chuàng)造發(fā)明計時器的歷程并感知各種計時器的優(yōu)缺點。也就是說，通過前面7課的學(xué)習(xí)與探索，學(xué)生完成了知識和工程技術(shù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，對“人類認(rèn)識時間和測量時間的歷史”有了大致的了解。“以史為鏡，可以知興替。”那么，“人類認(rèn)識時間和測量時間的歷史”對現(xiàn)在的學(xué)生有什么啟發(fā)呢？為了幫助學(xué)生學(xué)會辯證地看待史實，特設(shè)第8課《從哲學(xué)視角看計時器的發(fā)展歷程》，旨在引導(dǎo)學(xué)生基于哲學(xué)視角，學(xué)習(xí)歷史地看待人類計時器的發(fā)展歷程，包括各類計時器的發(fā)明史以及在使用過程中所展現(xiàn)的優(yōu)缺點和發(fā)展前景等。

第1課，學(xué)生體驗在無計時器的情況下估算時間流逝速度快慢的活動，領(lǐng)悟到估算時間誤差非常大、不靠譜，無計時器的古人計時只能準(zhǔn)確到“天”，從而理解古人對計時器的需要，從而順勢引入“時間的測量及其歷史”探究課題。

第2和第3課《太陽鐘》，通過學(xué)習(xí)太陽鐘計時器（包括圭表和日晷）的發(fā)明史HPS資源，模擬實驗探索太陽鐘的科學(xué)原理，并經(jīng)歷設(shè)計、制作、檢測等自主實踐探索活動，由此感悟人類的需求是創(chuàng)造發(fā)明的動力，科學(xué)知識是創(chuàng)造發(fā)明的前提條件；感悟我國古人的智慧和長期堅持觀測與研究影子刻苦鉆研的精神和毅力。同時，理解由于地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，廣州地區(qū)每天與太陽的相對位置都會發(fā)生變化，所以陽光下物體的影子也會發(fā)生變化。以陽光下物體影子的變化方向規(guī)律為原理的日晷，只能記錄大概數(shù)而非準(zhǔn)確數(shù)，大概只能準(zhǔn)確到“時辰”，而沒有太陽的陰雨天、夜晚等時間無法使用日晷，又不便于攜帶，不能滿足人們的需求。因此，人類將繼續(xù)探索更好的計時器。

第4和第5課《水鐘》，通過學(xué)習(xí)水鐘的發(fā)明史HPS資源，實踐探索水位變化對滴水速度的影響等科學(xué)規(guī)律，并經(jīng)歷設(shè)計、制作、測量等自主實踐探索活動。由此使學(xué)生進(jìn)一步感悟人類的需求是創(chuàng)造發(fā)明的動力，科學(xué)知識和科學(xué)技術(shù)是創(chuàng)造發(fā)明的前提條件。認(rèn)識到控制水鐘的水流均速流動和解決不斷添加水的難題需要高超的技藝，感悟我國古人創(chuàng)造水鐘的聰明才智；體會到雖然水鐘每時每刻都可以計時，卻仍然不準(zhǔn)確，在計時準(zhǔn)確和使用方便等方面并沒有實質(zhì)性的突破；體悟到由于聰明的古人將太陽鐘和水鐘配合起來使用，使計時的準(zhǔn)確性得到了較大提高，故太陽鐘和水鐘共存了多個年代。

第6和第7課《擺鐘》，呈現(xiàn)擺鐘相關(guān)的HPS資源：17世紀(jì)，伽利略發(fā)現(xiàn)了擺的等時性原理，惠更斯修正了這一原理，進(jìn)而研究其在機械上的應(yīng)用，設(shè)計出了嚴(yán)格等時的擺鐘結(jié)構(gòu)。擺鐘的精確度是歐洲以前計時器的100倍，將平均每天15分鐘的誤差改進(jìn)到每周大約1分鐘的誤差。學(xué)生通過學(xué)習(xí)這些HPS資源，實踐探索影響單擺擺動速度的因素，并設(shè)計、制作與檢測擺鐘的準(zhǔn)確性等實踐活動，進(jìn)一步領(lǐng)悟到科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步會促進(jìn)計時器的發(fā)展。

在第8課內(nèi)容中新增近現(xiàn)代石英鐘和原子鐘的發(fā)展歷程HPS資源：1880年，法國人皮埃爾·居里和保羅·居里就發(fā)現(xiàn)石英晶體具有正反壓電效應(yīng)——這正是制造鐘表“心臟”的良好材料。1929年，科學(xué)家以石英晶體制成的振蕩計時器和電子鐘組合，制成了石英鐘。經(jīng)過測試，一只高精度的石英鐘，每年誤差僅為3～5秒。石英鐘雖然精確度極高，但是仍不能滿足科學(xué)家科學(xué)研究的需要。19世紀(jì)30年代開始，科學(xué)家們對原子振動研究和原子鐘進(jìn)行富有成效的研究，如今的原子鐘極其精確，其誤差為10萬年內(nèi)不大于1秒。這一課繼續(xù)將學(xué)生的學(xué)習(xí)活動引向近現(xiàn)代社會生活和科學(xué)科技研究的前沿陣地，體會人類不斷增加的需求、科學(xué)科技的發(fā)展、創(chuàng)新創(chuàng)造對人類社會進(jìn)步的重要性。

我們期望學(xué)生通過本課的學(xué)習(xí)，學(xué)會聯(lián)系各個時代的社會、政治、經(jīng)濟(jì)、人文環(huán)境和當(dāng)時科學(xué)科技發(fā)展的狀況等因素，去體悟古往今來科研人員的精神和智慧，正確地把握科學(xué)的本質(zhì)，產(chǎn)生和保持探究科學(xué)的熱情、勇氣與欲望，養(yǎng)成實事求是、創(chuàng)新創(chuàng)造的精神和堅忍不拔的意志品質(zhì)，樹立科技報國的理想信念和社會責(zé)任感。

三、通過個別輔導(dǎo)提高實踐操作效果

為了提高實踐操作的準(zhǔn)確性，教師對部分學(xué)生進(jìn)行一對一指導(dǎo)，幫助被指導(dǎo)學(xué)生以最佳狀態(tài)完成設(shè)計、制作和測量實踐。如有的學(xué)生參考教科書和網(wǎng)上視頻制作了晷面刻度均勻的地平式日晷，觀測時卻發(fā)現(xiàn)一天當(dāng)中光影并不是均勻地移動的，計時非常不準(zhǔn)，于是向老師求助。通過教師的一對一指導(dǎo)，學(xué)生終于弄清楚晷面刻度均勻的日晷應(yīng)該安裝成為赤道式日晷，其晷面的朝向和傾斜角度如圖2所示。最后，利用地球儀和三球儀做模擬實驗，使學(xué)生體會到制作相對準(zhǔn)確的太陽鐘非常不容易，感悟到我國古人刻苦鉆研的精神和智慧。

圖2 廣州地區(qū)日晷面的朝向和傾斜角度圖解

又如，在學(xué)生研究擺的過程中，教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生對擺幅大小這個條件的控制不到位，影響了實驗的效果。通過一對一指導(dǎo)，這部分學(xué)生懂得了利用參照物來確定擺幅，實現(xiàn)了有效的實驗控制，并和班上的同學(xué)進(jìn)行了分享。

四、組建幫扶小組幫助弱勢學(xué)生學(xué)習(xí)

本單元的實踐探索存在一定的難度，弱勢學(xué)生無法獨立完成全部的實踐操作。教師挑選班上領(lǐng)悟能力和實踐操作能力強的學(xué)生組成幫扶小組，在學(xué)習(xí)上對弱勢學(xué)生進(jìn)行一對一幫扶。優(yōu)秀學(xué)生反饋，幫扶弱勢同學(xué)并沒有浪費自己的時間，因為在這個過程中自己也鞏固了所學(xué)的知識，而且在幫助同學(xué)的過程中體會到了助人的快樂。弱勢學(xué)生在優(yōu)秀學(xué)生的幫扶下突破了學(xué)習(xí)難點，體會到學(xué)習(xí)成功的喜悅，對學(xué)習(xí)更有興趣、更有信心了，班級歸屬感也增強了。

立德樹人是教師開展教育活動的出發(fā)點與歸屬。在設(shè)計教學(xué)時，教師不僅要深入研究本學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容，而且要善于運用古往今來中國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化去影響、感化教育學(xué)生，讓學(xué)生從小樹立文化自信和科技報國有我參與的愛國熱情、理想信念。HPS教育為科學(xué)教師開展中國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育，實現(xiàn)立德樹人教育目的提供了一條很好的教育途徑。如何在科學(xué)學(xué)科教學(xué)過程中更好地融入HPS教育？對于這個問題，仍然有許多未知的方面需要我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>