基于證據推理的HPS教學設計研究

閆雪 任莉君 趙衛星 王冬梅 王宏社

摘要：證據推理是科學探究活動中重要的科學方法。結合證據推理對傳統的HPS教學模式提出改進，細化了科學探究的程序，將證據推理模塊的作用凸顯出來，并選取“硅及其化合物的性質”進行教學設計，為教師開展探究性課堂教學提供思路。

關鍵詞：證據推理：科學探究；HPS教學模式：教學設計

文章編號：1008-0546（ 2022 ）11x-0051-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.11x.013

一、引言

《普通高中化學課程標準（2017年版）》的頒布，對學生的證據推理能力提出了新要求。[1]與此同時，高中化學課程改革也越來越重視培養學生的科學素養，隨著課程理念的進步以及各界對“科學一技術一社會”的關注，迫切需要教師探索新的教學模式。

HPS是科學史、科學哲學及科學社會學的簡稱。[2]1999年，英國學者孟克和奧斯本提出將HPS教育應用于教學以來，與各學科相關的HPS教學模式研究成果不斷涌現。研究者基于化學學習的特點將HPS教學模式分為六個程序，如圖1所示。[3]

在HPS教學模式中，科學探究活動是凸顯科學哲學內涵的重要環節，學生在課堂邏輯嚴密和教學環節連貫的學習過程中，能夠沉浸在基于證據推理的良好課堂氛圍中。該教學模式可促使學生獨立完成科學探究過程，探尋科學本質，從而有效提升證據推理能力，同時也為教師順利開展高質量課堂教學提供有力保障。

二、基于證據推理的HPS教學模式

基于證據推理的HPS教學模式如表1，將科學史內容放入課程導人部分，縮短了教學時長，將更多的時間留給學生進行探究活動，并且細化了科學探究的步驟，突出“確定證據”在探究中的首要地位。設計的合作推理環節，不僅能夠增強學生的課堂參與感，而且也能培養學生的團隊合作精神。在活動小結環節中，學生在對實驗結果分析的基礎之上，通過總結個人收獲來深刻體會化學知識的發現、探索與積累過程，并領悟到化學知識能夠服務社會，從而增強學生的社會責任感與歷史使命感。

三、HPS教學模式的實踐應用

元素的學習需要建立“位一構一性”的思維模式。然而學生對于“為什么位置決定結構，結構決定性質？”之間的關系理解不夠深刻。在探究活動中可設置證據推理環節，引導學生根據物質的結構預測性質。“硅及其化合物的性質”是高中教材探究活動的典型課例，既有完整的知識體系，其化合物在生活中也有廣泛應用，將HPS教學模式與證據推理相結合來進行教學活動會相得益彰。

1．化學史引入

環節1：歷史情境

師：約在1萬年前，第一批陶匠用柔軟的黏土制成堅硬的陶器，至唐宋年代，我國的陶瓷制品已享譽海外。現代工藝制成的玻璃與陶瓷成分相近，但是性質更加優越，給我們的生活帶來了很大便利。同學們知道陶瓷和玻璃的主要成分嗎？

生：陶瓷以黏土為主要原料，黏土的主要成分為含水的硅鋁酸鹽。普通玻璃的主要成分為二氧化硅、硅酸鈉和硅酸鈣。

師：它們都含有硅元素，硅在地殼中含量豐富，僅次于氧元素，它以硅酸鹽或二氧化硅的形式存在于自然界中。1787年，拉瓦錫首次發現了巖石中的硅，直到1823年硅首次以一種元素形式被瑞典化學家貝采利烏斯發現。當今的電子工業以集成電路為基礎，單晶硅成了不可或缺的電子工業原材料。

為什么與硅有關的化學制品如陶瓷、玻璃和單晶硅用途差別很大？

設計意圖：通過闡述硅及其化合物的相關發展歷史片段，導入新課，不僅能夠激發學生學習興趣，而且學生對硅元素也會有更深刻的認識。教師根據情境提出問題，引起學生對下一環節的思考，順利開展科學探究活動。

2．科學探究活動

環節2：確定證據

師：幻燈片展示單晶硅和二氧化硅的結構（見圖2）。學生根據所學內容總結，填寫表2。

環節3：合作推理

實驗一：演示實驗。教師在一塊干凈的玻璃上滴一滴0.1 mol/L氫氟酸溶液，發現有氣泡產生，并且玻璃和氫氟酸接觸的地方變得粗糙。之后，教師分別將0.1 mol/L硫酸、0.1 mol/L鹽酸、0.1 mol/L硝酸滴到玻璃上，玻璃表面沒有變化。學生仔細觀察實驗現象后推測玻璃只能被氫氟酸腐蝕。

實驗二：學生實驗。教師要求學生吸取3-5 mL飽和硅酸鈉溶液放入試管中，滴入1-2滴酚酞溶液，搖勻后發現溶液變紅。然后用膠頭滴管滴加0.1 mol/L的稀鹽酸，一邊滴加一邊振蕩，溶液紅色變淺直至消失后停止滴加，觀察到溶液變為白色膠狀。學生根據實驗現象推測硅酸鈉和稀鹽酸反應生成了新物質。

師：總結學生的推理及實驗現象，書寫相關反應方程式（見表3）。

環節4：探究反思

師：教師展示兩瓶0.1 mol/L氫氧化鈉溶液，其中一瓶以玻璃塞作為瓶蓋，另一瓶以橡膠塞作為瓶蓋，兩瓶氫氧化鈉溶液都存放了一段時間。讓學生嘗試打開瓶蓋，學生發現玻璃塞很難拔出。這是什么原因呢？

生：因為玻璃塞和玻璃瓶的打磨接口處，二氧化硅和氫氧化鈉溶液發生反應生成黏稠性物質硅酸鈉。[5]3

設計意圖：在構建證據推理模型的過程中，[6]選擇符號證據、微觀證據和實驗證據，從三個方面幫助學生建立起硅及其化合物的性質模型。學生從符號證據中推測得到硅在元素周期表中的位置和化合價，[7]從整理得到的證據中能夠得到硅與碳的性質具有相似性，推斷出硅與氧氣的反應及二氧化硅與堿的反應，并且在實驗過程中驗證猜想，學生不再是被動接受知識，而是主動參與并獲取知識。

3．科學與社會、生活

環節5：總結與收獲

師：單晶硅的主要用途是用作半導體材料和利用太陽能光伏發電、供熱等；陶瓷的主要成分硅酸鹽中的原子排列緊密，可作為人造骨髓植入人體，也可制成刀刃，切削鋼鐵；二氧化硅原材料成本低廉，是玻璃的主要成分，目前已經研發上市了各種不同用途的玻璃，如：原料中添加鉛制造的玻璃透光性好且折射率高，而加入硼酸鹽制成的玻璃耐化學腐蝕，能夠承受溫度急劇變化，可用作炊具、汽車擋風玻璃、光導纖維等。

設計意圖：化學知識最終要應用于生活，通過我們對物質的結構及其性質的充分了解，才能夠在生活中學會應用，實現社會價值。

總結：學生通過對以前所學概念、知識及實驗事實等相關證據的掌握，預測物質性質，參與實驗，并對實驗結果進行分析。HPS教學模式將科學知識放在歷史的坐標系中學習，從知識發生的過程中學習化學知識．符合課程標準對學生科學素養的要求，為教師開展探究性課堂教學提供了新思路。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部．普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[s].北京：人民教育出版社，2020.

[2]王靜.HPS教育理念在高中化學教學中應用的策略研究[D].甘肅．西北師范大學，2021．

[3] 張克龍，化學學科實施HPS教學模式的策略[J].中學化學教學參考，2006（12）：12-14.

[4] 楊玉琴，倪娟，證據推理與模型認知：內涵解析及實踐策略[J].化學教育，2019，40（23）：23-29.

[5]吳晗清，何婷，新課標“硅及其化合物”定位的嬗變與教學重構——基于HPS模式改進的教學設計[J].化學教育，2021，42（9）：46-52.

[6]孫思海，“二氧化硅的化學性質”生活化情境教學設計[J].中學化學教學參考，2020（ 24）：18-19.

[7]楊梅，莫尊理，張英，王培．從證據推理視角對“離子反應”教學案例的分析及其啟示[J].化學教育，2020，41（17）：60-65．