跨學(xué)科視域下高中化學(xué)HPS教學(xué)實(shí)踐

周萍 朱琴梅

[摘要] HPS作為科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)與科學(xué)社會(huì)學(xué)交織的科學(xué)教育理念，凸顯了其對(duì)科學(xué)知識(shí)由來、基源與應(yīng)用的延展，有助于創(chuàng)設(shè)跨學(xué)科敘事力、提升跨學(xué)科的交響力與表達(dá)跨學(xué)科的共情力。以“原電池的百年變遷”主題進(jìn)行教學(xué)探索，生成了以追溯化學(xué)發(fā)展，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情;鋪陳趣味實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建電池模型;模擬科學(xué)歷程，思考模型本質(zhì);改進(jìn)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，體悟科學(xué)本質(zhì)為主要步驟的HPS教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)化學(xué)學(xué)科育人價(jià)值的深度開發(fā)。

[關(guān)鍵詞] 高中化學(xué);HPS;跨學(xué)科主題學(xué)習(xí);科學(xué)史;科學(xué)本質(zhì)

當(dāng)前，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)已然成為化學(xué)學(xué)科育人的根本目標(biāo)。為了進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生具身性、能動(dòng)性地獲取化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，經(jīng)由廣泛且深入的科學(xué)實(shí)踐成為必由之路。高中生處于知識(shí)結(jié)構(gòu)的自我重建與深化階段，其認(rèn)知水平與思辨能力的限制，制約了“真學(xué)實(shí)做”的科學(xué)實(shí)踐展開。而HPS作為“科學(xué)史”“科學(xué)哲學(xué)”和“科學(xué)社會(huì)學(xué)”三者的簡(jiǎn)稱，能讓學(xué)生在歷史、哲學(xué)和社會(huì)學(xué)語(yǔ)境中對(duì)于科學(xué)本質(zhì)多維透視[1]。跨學(xué)科視域下的高中化學(xué)HPS教學(xué)探索，旨在改變以“知識(shí)為中心”和“學(xué)科為中心”的觀念，培養(yǎng)跨學(xué)科的開放、多元思維，更好地理解科學(xué)的知識(shí)本質(zhì)、探究思維本質(zhì)與事業(yè)本質(zhì)[2]。現(xiàn)以HPS理念跨學(xué)科教育的價(jià)值意義探討，借由“原電池的百年變遷”這一主題，進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐探索。

一、HPS理念下的跨學(xué)科教育價(jià)值意義

（一）HPS教學(xué)創(chuàng)設(shè)了跨學(xué)科的敘事力

無論是科學(xué)簡(jiǎn)史，還是人類社會(huì)簡(jiǎn)史，其變遷表象的背后闡釋了歷史發(fā)展的必然規(guī)律，即從歷史的敘事當(dāng)中抽取可以貫穿整個(gè)歷史進(jìn)程的隱性規(guī)律。對(duì)于科學(xué)教育而言，科學(xué)史包含了如何讓科學(xué)知識(shí)生長(zhǎng)出來并發(fā)現(xiàn)事物的內(nèi)在發(fā)展規(guī)律。而HPS教學(xué)可以借由科學(xué)變遷歷史，借助其中跨學(xué)科方法與思維的應(yīng)用，加強(qiáng)對(duì)背后哲學(xué)觀點(diǎn)的挖掘，通過現(xiàn)實(shí)應(yīng)用進(jìn)而整合跨學(xué)科的上位知識(shí)。可見，HPS教學(xué)理念為跨學(xué)科的知識(shí)關(guān)聯(lián)提供了一個(gè)教學(xué)敘事框架，其不僅可以橫向鏈接本學(xué)科的專業(yè)知識(shí)與跨學(xué)科知識(shí)，還可以縱深挖掘?qū)W科理解能力，凸顯跨學(xué)科素養(yǎng)的培育。實(shí)則，HPS教學(xué)以學(xué)科發(fā)展歷史長(zhǎng)河中一個(gè)又一個(gè)真實(shí)場(chǎng)景，統(tǒng)整了各學(xué)科知識(shí)間的相互聯(lián)動(dòng)。這樣的教學(xué)理念或模式下，不僅有助于教學(xué)構(gòu)建課堂積極的敘事脈絡(luò)，也能夠幫助學(xué)生涵育一種增長(zhǎng)敘事的思維系統(tǒng)，從而提煉出化學(xué)學(xué)科，乃至自然科學(xué)的核心要義。

（二）HPS教學(xué)提升了跨學(xué)科的交響力

時(shí)至今日，化學(xué)學(xué)科的發(fā)展早已經(jīng)不在于學(xué)科本體，其發(fā)展歷史、基本探究方法思維，乃至現(xiàn)實(shí)問題的解決早已經(jīng)圓融科學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)與社會(huì)學(xué)等方方面面。而HPS教學(xué)理念恰恰交織著科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)與科學(xué)社會(huì)學(xué)三者：透過中外化學(xué)史，能夠看到其中閃耀的科學(xué)思想史之光，而科學(xué)思想史本身則是拋開歷史細(xì)節(jié)，以相對(duì)抽象的形式表述、思維深化融入與現(xiàn)實(shí)需求的問題解決，體現(xiàn)了人類科學(xué)知識(shí)的過程和成果。由此可見，HPS教學(xué)可以讓學(xué)生觸摸到史實(shí)背后的哲學(xué)價(jià)值和實(shí)踐應(yīng)用，提升了學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)科系統(tǒng)與整合之美的交響力。如教授化學(xué)學(xué)科時(shí)，為了追溯學(xué)科哲學(xué)觀點(diǎn)與實(shí)踐化學(xué)知識(shí)的生產(chǎn)應(yīng)用，可以縱向聯(lián)系物理學(xué)的第一性原理（其思考方式是一層層剝開事物的表象，找到問題最開始的起點(diǎn)，即“元起點(diǎn)”或者“元問題”，再?gòu)谋举|(zhì)一層層往上走），幫助學(xué)生理解貫穿化學(xué)發(fā)展史中經(jīng)濟(jì)學(xué)按需發(fā)展的供需理論。而為了體現(xiàn)化學(xué)知識(shí)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，可以采用綜合性的化學(xué)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活主題，跨學(xué)科聯(lián)動(dòng)地體會(huì)科學(xué)為人類生產(chǎn)服務(wù)而發(fā)展的本質(zhì)。

（三）HPS教學(xué)表達(dá)了跨學(xué)科的共情力

HPS教學(xué)讓學(xué)生在跨學(xué)科思考與實(shí)踐的同時(shí)，也讓學(xué)生透過紛繁復(fù)雜的表象發(fā)現(xiàn)規(guī)律，看見更為廣闊的世界與深層的視角。其實(shí)，世界是普遍聯(lián)系的且遵循基本的科學(xué)規(guī)律或法則。以自組織理論的視角來看，自然界物理運(yùn)動(dòng)、化學(xué)物質(zhì)變化，以及生命體的繁衍、進(jìn)化均經(jīng)歷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)耗散、突變，進(jìn)而再協(xié)同的過程。具體而言，當(dāng)體系中溫度、壓力、濃度等某個(gè)變量或行為與其平均值發(fā)生偏差時(shí)，體系的漲落變化將呈現(xiàn)出一種啟動(dòng)力，從而躍遷到一個(gè)新的穩(wěn)定的有序態(tài)，形成耗散結(jié)構(gòu)。通過這一普適性的理論遷移應(yīng)用，可以使學(xué)生頓悟眾多的科學(xué)知識(shí)及其內(nèi)涵，如物理中的水位差（重力勢(shì)能差）是促使物質(zhì)自發(fā)產(chǎn)生位移的原動(dòng)力;生物中的濃度差是促使離子（和其他微粒）自發(fā)擴(kuò)散的原動(dòng)力……自組織的變化不僅存在于化學(xué)領(lǐng)域，也普遍存在于整個(gè)自然界乃至人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域[3]。而HPS教學(xué)理念恰恰是以學(xué)科間的共性與本質(zhì)查找，去幫助學(xué)生獲取跨學(xué)科的共情力。當(dāng)學(xué)生以HPS科學(xué)觀來共情宇宙，統(tǒng)整世界的變化規(guī)律時(shí)，便水到渠成地理解了某一科學(xué)方法論背后的哲學(xué)價(jià)值。

二、“原電池的百年變遷”主題的HPS教學(xué)

“原電池的百年變遷”主題以人類電源發(fā)展簡(jiǎn)史的歷史為明線，同時(shí)又以人類科學(xué)研究方法與思維的脈絡(luò)變化為暗線，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理和模型認(rèn)知及宏微結(jié)合的跨學(xué)科的大化學(xué)素養(yǎng)，體現(xiàn)人類社會(huì)“按需設(shè)計(jì)”的發(fā)展理念[4]。而在教學(xué)內(nèi)容對(duì)科學(xué)本質(zhì)的觸及上，則分為如下三個(gè)方面：第一，科學(xué)探究方式的實(shí)證性。電池的最基本的結(jié)構(gòu)層次是電極與電解液，通過對(duì)比觀察電池的變遷，從實(shí)踐角度驗(yàn)證電池的差異性與統(tǒng)一性。第二，科學(xué)知識(shí)與方法的累積性[5]。從1780年伽伐尼的青蛙實(shí)驗(yàn)開始到1836年的丹尼爾電池細(xì)胞確立，再到目前燃料電池的持續(xù)發(fā)展，體現(xiàn)了科學(xué)的局限性和累積性。第三，科學(xué)事業(yè)的創(chuàng)造性[6]。借助物理學(xué)的第一性原理，單液電池需要解決的關(guān)鍵問題是將鋅與硫酸分池存放，讓氧化劑和還原劑不接觸，開創(chuàng)雙液電池先河;再依據(jù)電極的本質(zhì)繼而發(fā)展了燃料電池，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)科學(xué)創(chuàng)造性本質(zhì)的理解。

（一）追溯化學(xué)發(fā)展，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情

教學(xué)過程：先幫助學(xué)生追溯電池發(fā)展史，從2000年新型H2燃料電池→1992年鋰離子電池→1887的干電池→1859年的鉛蓄電池→1836年的丹尼爾電池→1799年的伏打電池→原電池的雛形（1780年伽伐尼的青蛙實(shí)驗(yàn)），讓學(xué)生從電池簡(jiǎn)史中探討電池的共性。與此同時(shí)，教師給出先行組織者材料：1800年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(gè)電池“伏打電堆”，并實(shí)際展示弓形電極（焊接在一起的一端為鋅一端為銅）。AFE3AC2F-3F52-4C9D-BDDE-E709A904FAC9

[設(shè)計(jì)意圖]該教學(xué)過程采用倒敘的方式幫助學(xué)生追溯電源的百年史，以歷史故事激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。將蘊(yùn)含HPS的科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)的相關(guān)知識(shí)，以情境來設(shè)疑，以問題來導(dǎo)學(xué)，讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)知識(shí)本質(zhì)中的歷史階段的暫定性與局限性，并理解科學(xué)事業(yè)的本質(zhì)。而后具體示例的弓形電極，讓學(xué)生有可視的過程，進(jìn)行更深入的探究與實(shí)踐。

（二）鋪陳趣味實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建電池模型

教學(xué)過程1：讓學(xué)生自己動(dòng)手利用現(xiàn)有鋅粒、彎曲的銅絲和電解質(zhì)溶液稀硫酸，設(shè)計(jì)并制作簡(jiǎn)易原電池裝置，做一個(gè)創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)，即將一小粒鋅置于培養(yǎng)皿中，向培養(yǎng)皿中加入少量稀硫酸，使其浸沒鋅粒;將彎曲的銅絲一端浸在稀硫酸中，然后另一端抵觸在鋅粒表面。通過該實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生分析原電池構(gòu)成設(shè)計(jì)要素有哪些，各部分起什么作用。緊接著，繼續(xù)追問學(xué)生能否看見SO42-等陰離子的移動(dòng)，并設(shè)問：如果負(fù)極為鋅片，正極為比鋅活性差的不同電極材料，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象會(huì)有差異嗎？

[設(shè)計(jì)意圖]鋪陳的首個(gè)趣味實(shí)驗(yàn)中銅絲既是導(dǎo)線又作為正極。通過右側(cè)銅絲上生成的氣泡，既“看見”了外電路中的電流和內(nèi)電路中H+的流動(dòng)，論證了電子從無序走向有序和H+移動(dòng)的內(nèi)驅(qū)力為電場(chǎng)力、擴(kuò)散力。根據(jù)氧化還原理論，SO42-在溶液中不放電，必須通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)。通過傳感器測(cè)SO42-的濃度變化“看見”了陰離子的移動(dòng)，進(jìn)一步提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，教師提出連環(huán)問題，引導(dǎo)學(xué)生以宏微結(jié)合視角看待問題，深化科學(xué)實(shí)踐的實(shí)證研究意識(shí)。

教學(xué)過程2：讓學(xué)生完成第二個(gè)趣味實(shí)驗(yàn)“雙手電池”，即將鋅片用導(dǎo)線與靈敏電流表負(fù)極相連接，鋁片、鐵片、錫片、銅片、石墨棒分別用導(dǎo)線與靈敏電流表的正極相連。左手觸摸鋅片，右手分別觸摸鋁、鐵等正極材料，記錄靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn)大小及方向（說明：由于每位同學(xué)手上的汗液不均，可先在飽和食鹽水中浸濕）。之后，便讓學(xué)生通過討論得出結(jié)論：電極活性相差越大，電流計(jì)偏轉(zhuǎn)越大，電勢(shì)差越大。緊接著，讓學(xué)生完成另一個(gè)趣味實(shí)驗(yàn)“串聯(lián)實(shí)驗(yàn)”，讓一些同學(xué)手牽手，一位同學(xué)左手觸摸鋅片，另一位同學(xué)右手可以分別觸摸鋅片、鐵片、錫片、銅片、石墨棒，發(fā)現(xiàn)電流計(jì)偏轉(zhuǎn)比一個(gè)人稍會(huì)小一點(diǎn)，論證了兩個(gè)人的電阻更大的想法。

[設(shè)計(jì)意圖]在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生以孫子兵法中的“激水之疾至于漂石者，勢(shì)也”形象地比喻了鋅—石墨組合中失電子能力的差異，論證了外電路中電子從無序走向有序的本質(zhì)為電勢(shì)差。此外，他們借助物理學(xué)的第一性原理，找到了問題最開始的起點(diǎn)，頓悟了解決問題的關(guān)鍵是將鋅與硫酸分池存放，讓氧化劑和還原劑不接觸。學(xué)生面對(duì)存在的問題自然而然地與科學(xué)家遇到的困難產(chǎn)生共鳴。而通過創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)生物（人體）電池，學(xué)生領(lǐng)悟了“耗散結(jié)構(gòu)理論”：電勢(shì)差是電荷自發(fā)定向移動(dòng)的原動(dòng)力。通過自主探究，學(xué)生對(duì)比總結(jié)，體驗(yàn)了科學(xué)的局限性，深刻領(lǐng)悟了HPS的科學(xué)思想史觀。

（三）模擬科學(xué)歷程，思考模型本質(zhì)

教學(xué)過程：教師首先給出一則先行組織者材料，即1836年英國(guó)化學(xué)家丹尼爾發(fā)明了以鋅負(fù)極浸于硫酸鋅電解質(zhì)與銅正極浸入硫酸溶液所形成的丹尼爾雙液電池，大大提高了電池的效率。緊接著，追問學(xué)生從單液電池的自放電到雙液電池需解決的關(guān)鍵問題是什么。此時(shí)，學(xué)生提取丹尼爾電池的搭“橋”思路，找到了“鏈接”方案。接下來，教師便讓學(xué)生完成“鹽橋電池”的模擬科學(xué)歷程實(shí)驗(yàn)，即鋅與硫酸溶液不接觸，隔開，讓氧化還原反應(yīng)在不同區(qū)域進(jìn)行，并用各種創(chuàng)意鹽橋：吸管（內(nèi)有氯化鉀溶液與瓊脂）、濾紙、棉線（KCl溶液中浸泡過）將裝置連接，使化學(xué)能全轉(zhuǎn)化為電能。

[設(shè)計(jì)意圖]以上的教學(xué)模擬科學(xué)歷程，讓學(xué)生討論并深入理解了雙液電池的優(yōu)點(diǎn)和鹽橋的作用。該過程不僅修正了原電池模型的不足之處，還讓學(xué)生自主、具身性地嘗試采用多張濾紙橋解決電流小、不穩(wěn)定的問題。這一教學(xué)方式不僅幫助學(xué)生建構(gòu)了科學(xué)敘事完整性與改進(jìn)型的思維系統(tǒng)，還促進(jìn)了學(xué)生對(duì)原電池模型及其改進(jìn)的過程性思考，以便他們能夠領(lǐng)悟科學(xué)實(shí)踐中應(yīng)用并改進(jìn)模型的探究與生產(chǎn)實(shí)踐本質(zhì)。

（四）改進(jìn)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，體悟科學(xué)本質(zhì)

教學(xué)過程：教師給出另一則背景材料，雙液鹽橋原電池在體積上較大且電解質(zhì)用溶液，移動(dòng)不便，缺乏簡(jiǎn)易性。我們?nèi)粘Ｉ钚枰氖求w積小、重量輕、單位重量（或體積）能量比高的電池。之后，教師告訴學(xué)生1887年英國(guó)赫勒森提出了最早的干電池，且干電池中有多層牛皮紙。緊接著，便詢問學(xué)生吸管、濾紙、牛皮紙與鹽橋是否有異曲同工之處。為了進(jìn)一步遷移應(yīng)用，進(jìn)行現(xiàn)實(shí)改進(jìn)，詢問能否用水果膜代替鹽橋，并給予了“橘子電池”的一系列實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果，讓學(xué)生回答上述問題（如下表）。接下來，讓學(xué)生探討為什么最早的化學(xué)電源的負(fù)極材料會(huì)選擇鋅，這是因?yàn)殇嚒⑩c、鎂、鋁電池開發(fā)得比較晚，提示學(xué)生19世紀(jì)初人們還不具備大量獲取活潑金屬鈉、鎂、鋁的能力，鋅是最易接觸到的活潑金屬，就成為人們最初的選擇。

對(duì)照實(shí)驗(yàn) 現(xiàn)象 結(jié)論

鋅片、銅片插入同一瓣桔子中 有電流 鹽橋與膜異曲同工

鋅片、銅片插入不同的兩瓣桔子中 無電流

鋅片、銅片插入不同的兩瓣桔子中，將吸管（內(nèi)有氯化鉀溶液與瓊脂）把兩瓣桔子連起來 有電流

鋅片、銅片插入不同的兩瓣桔子（兩瓣緊貼）中 有電流

[設(shè)計(jì)意圖]通過一組創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅穿越了電池從單液電池—雙液電池—離子交換膜電池的百年HPS史，且完成了兼具科學(xué)性和創(chuàng)造性的建模，從電源發(fā)展史中看見了歷史的邏輯和人類的思維脈絡(luò)，潤(rùn)物細(xì)無聲地滲透了HPS的“科學(xué)社會(huì)學(xué)教育”。之后的鋅作為負(fù)極材料的探討說明了人類社會(huì)是按需發(fā)展的，人們的選擇受到資源和技術(shù)的制約。該過程讓學(xué)生明白，現(xiàn)實(shí)開發(fā)中會(huì)明確考慮“投入—產(chǎn)出”比的問題，且科學(xué)技術(shù)進(jìn)步會(huì)受到時(shí)代性的影響。

在本節(jié)課堂教學(xué)的尾聲，教師引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)知識(shí)、科學(xué)探究和科學(xué)事業(yè)三個(gè)科學(xué)本質(zhì)觀的角度出發(fā)，展開交流。從分類的角度、聯(lián)系的角度認(rèn)識(shí)形形色色的電池，培養(yǎng)系統(tǒng)思考力和洞見本質(zhì)的能力[7]。縱觀化學(xué)電源發(fā)展簡(jiǎn)史，形式多樣的電源并非同時(shí)出現(xiàn)，是人類在使用過程中，為了更好地滿足自身的需求不斷研究、改進(jìn)發(fā)展起來的。這些底層邏輯都是以伏打電堆為基本模型認(rèn)知，在跨學(xué)科視域下打破學(xué)科界限，使單液電池走向雙液電池和未來電池。

[本文系江蘇省教育科學(xué)“十三五”重點(diǎn)課題“基于核心素養(yǎng)提升的普通高中跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：B-b/2020/02/12）和江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃立項(xiàng)課題“基于‘生活即教育思想的中學(xué)化學(xué)深度學(xué)習(xí)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：E-c/2020/05）研究成果]

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