基于歐盟HIPST計劃的地理學科素養培養體系構建與實踐*

殷興宇 李小妹

（陜西師范大學 地理科學與旅游學院,陜西 西安 710119）

一、HIPST計劃的研究回顧

HPS學科（History,Philosophy and Sociology of Science）是科學史、科學哲學和科學社會學的英文縮寫。其建立與發展過程是人類探索科學本質的過程，是HPS學者逐步探索其教育價值的過程。科學教育研究者認識到HPS學科的教育價值，然而在科學教育實施過程中由于課程資源、教師素質、科學課堂文化等因素的制約，HPS的教育價值難以實現。歐盟為此實施HIPST計劃（History and Philosophy in Science Teaching Project），[1]旨在提升人們對科學、技術和社會之間關系的理解，促進社會的科學教育發展和提升公眾的科學素養。在HIPST計劃提出后，眾多學者開始進行補充HPS教育的HIPST計劃教學模式的研究。[2][3]加利利（Igal Galili）結合物理學史對HPS相關本體論和認識論方面的特定概念進行解釋，指出HPS課程的開發資料應清楚闡釋科學知識的性質和主要特征：客觀性和積累性，綜合提出了HPS教育和HIPST計劃的核心理論“學科文化理論”。[4]因此，國外相關研究較為清晰地闡述了科學史教育中的科學本質觀，并能夠結合學生認識論和方法論提出具體的課程策略。

目前我國對于科學史和科學哲學教學的研究較多集中在HPS教育的應用方面。有些學者從理論基礎、目標與質量標準、開發路徑、開發模式四個方面對HIPST項目進行了總體的簡述以及探討了HIPST項目的案例開發與案例教學策略。[5][6][7]地理學科科學史的重要性也引起地理學者的廣泛關注：提出應按照地理學思想方法構建地理教學理論體系，并明確指出開展實證研究的必要性，[8]對地理學史的研究范式和研究方向進行了歸納，[9]提出地理學史是培養學生地理素養的重要載體；對地理教師開展地理教學提出了一定的實施建議，即需從知識、方法、意識和精神四個方面進行地理學思想史的應用，[10][11]并嘗試將HPS應用在地理教學實踐中。[12][13][14]從HIPST計劃的框架上看，雖然目前我國地理教學中HPS教育有一定的實踐應用，但較多的課堂更偏向于地理學思想史部分，而在地理科學哲學和科學社會學方面涉及較少。同時，課堂傾向于地理科學史知識的講述，由學生通過地理科學史進程自我建構知識體系的較少。此外，目前缺乏供教師直接開展地理學思想史教學的“趁手”教材，一線教師普遍缺少地理學思想史的系統學習和相應的教學培訓，容易忽視教學過程中學生科學精神的培養，因此很難形成具有體系化的HPS特色地理教學策略。

二、HIPST計劃與地理學科的契合

我國《普通高中地理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課程標準”）的培養目標中也提到，學生應具有科學文化素養和終身學習的能力。[15]HIPST計劃與我國高中地理培養目標相契合，為我國學生地理科學精神素養的培養提供新的教學實踐指引。[16]HIPST計劃指導下的課堂可以改變傳統地理課堂以教師灌輸式的教學方式為主的現狀。讓學生感悟地理學知識的起源與發展，學習科學家思想與方法，切身體會知識理論被確立或推翻的過程，塑造完整健全的科學本質觀念。

1.地理學科HIPST計劃的構建

HIPST計劃的核心理論為“學科文化理論”，[17]即某一學科對應的科學應該是一種文化，科學史是整個文化的生命主線，它承擔著知識的結構組成和排列，同時也象征著知識的意義所在。其內容框架主要由內核—主體—外緣三部分組成。其中內核主要是本學科最基本的定理、原則、基本規律等。中圈為主體，主要是核心原則、規律的應用，如解決問題、建模或者運用理論去解釋現實中各種現象等，同時也包括實驗室對于各種實驗物品的使用。最外面的一圈是外緣，它包含了與核心知識相矛盾的知識、過去提出的原則和概念等，以及一些運用已有知識無法解釋的現象和人們基于目前的知識提出尚未驗證的猜想或誤解。

地理學科HIPST計劃的內容根據“學科文化理論”可以構建為如圖1所示的模型圖。內核主要由地理學核心理論及其發展完善過程構成，主體包括了地理學核心理論和發展過程中的應用和影響，外緣包括了與整個地理學核心理論共生的地理學哲學思想、過去的舊概念以及地理學至今未證實的猜想等。這三個部分構成了共生且相互作用的緊密整體。地理學科在落實HIPST計劃的學科性實踐方面，包括地理學史、地理科學哲學和地理科學社會學三個部分。

圖1 地理學科HIPST計劃的構建

(1)地理學史

地理學史主要包括地理概念與規律的演化、地理學家探究史、地理學思想史等。地理學思想史是較長的時間尺度和較大的空間尺度下一系列重要的地理學思想的發展歷程，它展現了科學家通過地域性、等級概念、空間要素的相互關系和相互作用等方法認識世界和理解世界的過程，是地理學方法論的體現。結合地理學科育人價值的取向，本文所論述的地理學史教學是偏向于地理學史中的地理學思想史部分。

(2)地理科學哲學

地理科學哲學突出地理科學中地理知識的本質，體現地理學知識既是前人發現的積累，又具有依據時代不斷變化的發展特征。地理科學哲學是人類在使用地理知識指導生產生活實踐，并對一系列自然現象進行認識和改造的認識論與方法論，具有高度凝練性的地理學科特色。地理科學哲學的研究促進地理學思想與理論的創新。[18]地理科學哲學還包括地理學思想，如人地關系思想、區位思想、因地制宜思想、可持續發展思想等，也包括地理學思想論證過程的實證性、邏輯性與創新性等。

(3)地理科學社會學

地理科學社會學呈現了地理學知識產生與發展的背景以及地理核心理論和技術的出現對社會帶來的具體影響。地理科學是自然科學與社會科學的交叉學科，核心知識的社會化應用也是地理學科的研究重點，故根據地理學科的學科特性，本文對只著重強調科學史和科學哲學的原HIPST計劃內涵進行了地理科學社會學的補充。地理科學社會學更有助于學生加深對所學的科學史知識和其功能的認識和理解，培養學生的觀察力和責任感。

2.地理學科與HIPST計劃的契合

地理學科HIPST計劃的實施表現在地理學科特性綜合、地理學思想史豐富、契合地理學科核心素養三大部分，它們的關系如圖2所示。

圖2 地理學科與HIPST計劃的契合

(1)地理學科特性綜合

“地理學是以要素、要素群、系統為對象，以空間為核心特征，以時間演化為特色的獨特的自然、人文和社會領域的綜合、交叉學科”。[19]地理學科的綜合性是開展地理學科HIPST計劃的前提。①自然與社會特性融合：地理學研究的核心之一是陸地表層自然要素與人文要素及其共同構成的全要素系統，兼有自然科學的理性與社會科學的感性。②具體性與抽象性融合：除進行單一要素的具體研究外，地理學也將若干自然要素與人文要素相結合構成研究整體，研究多個要素之間的相互作用過程得出抽象的概念結論。③區域性與過程性融合：地理系統是解釋地理區域或空間的基礎，地理區域或空間是地理過程發生的前提。作為一門交叉學科，地理學學科特性充分體現了科學的多元性與包容性，為HIPST計劃提供了前提。

(2)地理學思想史豐富

地理學最早于古希臘時期產生，經過了漫長的歷史發展過程。不同的地理學思想相互交織，極大地豐富了地理學思想框架，使地理學及其分支學科形成了一套具有地理學特性的核心理論體系。地理學思想史很好地契合了HIPST計劃的核心理論“學科文化理論”，幾乎每一個地理學核心理論的形成與發展都有與之相對應的地理學思想史脈絡。地理學核心理論伴隨著時代更新發展的同時，該理論對自然現象的解釋和社會化應用也在相應地發生變化，產生了不同的影響，例如荷蘭開拓地上聚落系統的設計就是中心地理論的地理學思想的成功應用，這些構成了“地理學學科文化理論”中的“主體”。任何現代地理學核心理論與規律都會經過去蕪存菁的過程才能被廣泛采納和使用，而與現代核心理論相矛盾的理論或者過去相應提出的未被采納的概念、原則或是未被證實的猜想等也是地理學思想史上重要的精神產物，這些組成了“地理學學科文化理論”中的“外緣”。地理學思想史環環相扣、聯系緊密，為地理學科HIPST計劃的開展提供了豐富的素材。

(3)契合地理學科核心素養

人地協調觀要求學生不僅能夠正確認識地理環境和人類活動之間的關系，同時也需要理解人們對于人地關系認識的階段性表現及其原因。地理學科HIPST計劃教學通過科學史學習，讓學生能夠在動態的視角下通過不同時間尺度的科學史學習人類與地理環境關系的變化以及其蘊含的哲學思想。綜合思維要求學生從綜合的視角認識與分析地理現象和地理事物間的相互聯系，從而全面觀察與解釋地理現象特點，辯證地看待地理問題。HIPST計劃中，地理科學史教學包含科學家觀察與分析地理現象和提出地理核心理論的過程，可以讓學生學習地理學家綜合看待地理事物聯系以及觀察和思考的方式，以整體的觀念看待地理事物間的相互聯系。區域認知要求學生能夠以區域視角觀察和認識區域內的地理事物和地理現象，能夠運用區域綜合分析等方法認識和評價區域。地理科學史中地理學思想的形成也是在一定的研究區域中產生，并進行區域比較得出地理規律。地理科學史的學習，不僅能夠培養學生在特定區域或空間的覺察能力，也能夠培養學生在不同時間尺度下進行區域對比分析的能力、不同尺度空間疊加的能力。地理實踐力要求學生能夠在真實環境中運用所學習的知識和工具獲取地理信息并嘗試解釋和解決地理問題。地理學科HIPST計劃教學鼓勵學生重演科學家發現地理現象的過程，將自己的做法與科學家方法相對比，提升學生收集和處理地理信息的能力，并能夠自主應用地理學原理解決地理問題。

三、地理學科HIPST計劃的教學實施策略

地理學科HIPST計劃教學實施策略，包括圍繞課程標準中的核心知識，再依據“學科文化理論”對核心知識進行“內核—主體—外緣”的拆解，選取合適的地理科學史表征內核，并結合地理科學哲學和社會學進行細化補充，構成完整的地理學科HIPST計劃課堂骨架。課堂中應通過創設情境還原地理科學發現場景、關注學生地理科學思維結構與表現的培養，如圖3所示。

圖3 地理學科HIPST計劃教學實施策略

1.滲透地理學思想史，構建核心知識內核

地理學科HIPST計劃課堂骨架的核心在于用地理科學史展示核心知識中的內核，如圖4所示。依據“學科文化理論”對課程標準中的核心知識進行“內核—主體—外緣”的拆解，內核主要是指地理基礎概念、理論或原則等，它是若干地理學史相互關聯發展的智慧結晶。這些地理學史可分為相關科學家探索發現的過程、與基礎地理原理本身的爭論以及同步產生的其他相關概念原則等。教師結合課程標準確定核心知識并依據“學科文化理論”完成內核的拆解。在若干地理學史中擇優選擇符合課程標準要求且合適的地理學史作為內核的主線展開教學，引導學生自主探究內核中地理核心理論等的產生過程、掌握科學家的探究思路和科學方法，同時培養學生的科學精神。例如，“大氣的垂直分層”中的內核為大氣不同高度下的垂直分層以及對應的大氣成分，對應的地理科學史有大氣垂直分層的發現史、人類飛行高度突破的記錄等。結合課程標準教師可選擇人類飛行高度突破的記錄作為本節課的地理科學史，通過人類飛行高度的不斷提升學習對應高度下的垂直分層和大氣組成的變化。

圖4 篩選地理學思想史展示核心知識

2.凝練地理科學哲學和社會學知識，整合核心知識

在確定核心知識的內核對應的科學史后，教師應根據地理科學哲學和社會學對地理學科HIPST計劃課堂骨架進行“學科文化理論”中的“主體”和“外緣”兩個部分的細化和補充，如圖5所示。將核心知識中解決科學問題、解釋地理現象以及對社會的應用和影響等劃分為“主體”，將整個核心知識對應的地理學史探究過程中同步產生的概念、還未能解決的問題、所體現的科學探索精神和地理學思想劃分為“外緣”。“主體”和“外緣”兩個部分的完善使整個課堂教學內容充實、主干完整、邏輯清晰、核心突出，重點培養學生的科學本質觀。例如，在“中心地理論”部分，只選取克里斯泰勒（W·Christaller）的《德國南部的中心地》的地理學思想史是不夠的，通過補充荷蘭圍海陸地上聚落系統的設計（主體）以及展示《中心地理論》在自然條件、城市體系、經濟活動整體性等方面的不完善之處（外緣），將地理學思想史、地理科學哲學與社會學有效結合，有利于學生在更好地掌握科學知識的本質之外，認識到知識是可以質疑和修正的，從而有助于學生辯證思維的培養，塑造正確的科學觀。

圖5 細化的地理學科HIPST計劃課堂骨架圖

3.創設多元情境，促進學生自主建構核心知識

因為地理科學核心知識的產生具有不同方式，例如地理實驗、數據測量、理論推演、實地觀察等，所以需要多樣化的地理學科HIPST計劃教學方式進行展開，引導學生“開悟”地理本質。[20]首先是必要的課堂教學情境方面，教師應為學生鋪墊核心知識的社會原始背景、學界此時的主流理論及其對應的知識盲區、新理論方法萌生并被認可和確立的困難程度等，通過聚焦人類發展過程中的科學實踐問題增強學生具身化感受。[21]其次在地理實驗方面可采用“復刻經典實驗”的教學方式，學生通過重演經典實驗，能夠洞察科學家的實驗設計理念和方法以及更細致地理解實驗背后的科學思想。在課堂開展過程中，在地理實踐活動方面可采用角色扮演法，將學生帶入到歷史上科學家的角度去感悟科學知識得出的心路歷程，增強對當今完善的地理學理論體系的理解。在理論推演方面可以采用與科學家對話的方式，學生通過與科學家的“討論與交流”共同完成問題的解決，得出結論。這便于加深學生對于科學問題的全面思考，整個過程設計如圖6所示。以上地理學科HIPST計劃教學方式除了保證學生掌握重、難點知識以外，更注重讓學生在教師構建的多樣化地理科學知識的發現場景中走進重、難點的形成過程，體驗和領悟地理科學家的思維過程，自主建構知識并形成更深層次的科學認知觀。

圖6 地理學科HIPST計劃教學方式

4.重視過程性評價，助力達成地理學科核心素養目標

為更好地促進學生在地理學科HIPST計劃課堂中地理核心素養和科學探究素養的形成以及教師教學計劃的組織開展，需要對學生在課堂中的綜合表現進行地理思維結構評價和表現性評價，如圖7所示。在地理思維結構方面，教師合理設置具有層次性的學習任務，關注學生在地理學史學習中基于已有知識體系和情境中的地理信息自我建構認知結構的過程，即從主動提取情境中的地理信息到表述自己零散的觀點，再到學生能夠加工地理信息形成一套完整的邏輯結構或方法步驟并予以實踐論證。同時教師也要關注知識結構生成過程中學生的具象化表現。重點觀察學生對地理信息深度加工整合能力、地理術語專業化的邏輯論述能力、小組合作溝通反思能力以及復雜作品科學性創造與實踐能力等。通過地理思維結構評價和表現性評價，教師評估自身地理學科HIPST計劃課堂設計的同時，可以不局限于學生的核心知識掌握過程，需更關注學生運用地理學思想方法創建科學作品的探究能力提升過程，進而逐步推進學生地理學科核心素養和科學素養的雙達成。學方式展開教學，有助于學生在科學史探究中自主建構科學知識并認識到其重要性。同時，不斷地完善學生的科學本質觀、辯證思維、科學論述等關鍵能力。

圖7 地理學科HIPST計劃思維結構評價與表現性評價

課程標準要求：運用示意圖，說明水循環的過程及其地理意義。結合地理學科HIPST計劃的“學科文化理論”對水循環內容進行“內核—主體—外緣”的定義。確定“內核”為水循環的過程，“主體”為水循環的地理意義，“外緣”為水文學家的水文學方法和塞納河水主要來源的傳說等。本節課的地理學史為法國水文學家佩羅定量化的水文實驗，證明降水是河水的主要來源。在此課例中，結合高中地理水循環部分知識和對應科學史的特點及學生的認知水平，將“內核—主體—外緣”進行了新的邏輯融合，共同構成了本課教學設計的邏輯框架，如圖8所示。具體的關鍵教學過程設計圍繞“地理學史的情境創設”“科學思維的問題鏈設計”“重現和驗證地理歷史實驗”“領悟地理哲學思維”等幾個層層遞進環節，將學生的思維不斷引向深入，激發其對地理科學探究的興趣，領悟地理科學的求真、求實、求善的科學精神。

圖8 水循環HIPST計劃教學思路設計

四、地理學科HIPST計劃的案例設計

本文選擇人教版必修《地理一》“水循環及其地理意義”這節內容，主要利用教材自學窗中佩羅水文實驗科學史介紹的內容。從水循環的發展過程來看，水文學家佩羅是首個在水文科學領域進行定量化研究的先驅。他進行的塞納河水來源探究實驗是水文學史上第一次通過定量化調查證實降水足以維持河流水流的實驗。[22]佩羅的實驗結論為水循環中“降水—地表徑流”環節提供了實證性的數據支持，對完整水文循環的得出有著巨大的貢獻。綜上所述，本文選擇佩羅水文實驗作為課堂案例的地理科學史脈絡，采取“復刻經典實驗”的教