基于HPS教學模式的單元教學實踐

孫幸 黃勁嵩 李惠云 李玲

摘要：以“氯及其化合物”為例，將HPS教學模式應用于高中化學單元教學實踐。在單元教學目標的引領下，通過厘清史實脈絡，分析教學中的哲學思想。以“氯及其化合物的發現史和應用史”為明線設計教學情境，以“氯及其化合物的性質”為暗線融匯學科知識實施教學，旨在培養學生的哲學思維和提升化學學科核心素養。基于課前制定的《課堂活動表現評價表》對整個單元學生課堂學習表現進行評價，落實“教學評”一體化觀念。

關鍵詞：HPS教學模式；核心素養；單元教學；氯及其化合物

文章編號：10056629（2023）12004807

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出，結合人類探索物質及其變化的歷史與化學科學發展的趨勢，引導學生形成化學學科觀念、培養社會責任感，并強調實施發展學生核心素養的單元教學，讓學生在形成完整的知識體系的基礎上發展化學學科核心素養和思維能力^［1］。化學作為一門自然科學，滲透著守恒、平衡、辯證唯物主義等哲學思想。在化學教學中培養學生的哲學思想，有利于學生更好地理解化學知識，形成科學的世界觀。以往“氯及其化合物”的教學多以單課時為主，進行單元整體教學的實踐較少，尚未在教學中滲透通過現象看本質、實踐認識實踐和辯證地看待問題等哲學思想^［2，3］。為此，本文以“氯及其化合物”為例，實施基于HPS教學模式的單元教學，擬為高中化學元素化合物教學提供參考。

1 設計理念

HPS（History，Philosophy and Sociology of Science）教育是融入科學史、科學哲學和科學社會學的教育，教學模式有孟克和奧斯本“融合模式”、馬修斯對話模式等^［4］。HPS教育以史為鑒，體現科學技術與社會發展的聯系，引導學生運用哲學觀點看待事物的發展，培養學生的思辨能力和社會責任感。單元教學是連結宏觀課程與微觀課時的橋梁，要求教師鉆研課標、分析教材和學情、整合重組教學內容、規劃設計課時教學^［5］。

將HPS教學模式應用于單元教學實踐，以化學史為“明線”設計單元情境，以化學知識為“暗線”融匯其中，引導學生關注化學理論推演的論證過程，根據史實提出假設，設計實驗與檢驗等，感悟科學知識發展過程中的爭論和更替；以哲學視角審視科學知識的動態生成過程，闡述科學的性質與意義，辯證看待科學知識、科學方法的發展，為學生認識世界提供有效手段；以科學社會學的角度追問科學知識的傳播，感悟知識的產生與社會背景之間的關聯，明白科學的時代性和發展性，提高學生運用所學知識參與社會性議題討論的意識。

2 內容分析

2.1 教學內容分析

本單元選自人教版（2019年）高中化學必修第一冊第二章第二節，課標情境活動建議結合真實情境或通過實驗探究了解氯及其化合物的主要性質^［6］。2019年版教材增加了氯氣的工業應用、氯氣的毒性等內容，加強化學與社會生產的聯系，引導學生形成正確的價值觀。氯氣可類比活潑金屬鈉的學習，綜合應用物質的分類及轉化、氧化還原反應等內容，建構“結構性質用途”的認識思路，為后續鐵及其化合物的學習建立物質性質及轉化的思維框架。

2.2 科學史實梳理

本案例通過分析社會背景，厘清史實脈絡，以“氯及其化合物的發現史和應用史”（見表1）為明線設計教學情境，以“氯及其化合物的性質”為暗線融匯學科知識，從社會學的角度感悟學科實踐意義，升華學科價值。

2.3 科學哲學分析

本案例通過分析氯及其化合物知識中蘊含的化學基本觀念，確定要培育的化學學科核心素養，并通過對科學知識發展過程進行哲學省思，提煉本單元培育的哲學觀念（見表2）。

3 單元教學設計

3.1 教學目標

（1）通過設計和實施實驗方案驗證氯氣的史料，了解氯及其化合物性質并形成“實踐認識實踐”的哲學思維。

（2）通過對不同價態含氯物質轉換過程的理論分析、實驗驗證和符號表征，初步建立基于原子結構、元素價態和物質類別對物質性質進行預測和檢驗的認知模型。

（3）通過探討含氯物質在生活中的應用等社會性科學議題，建立氯及其化合物性質與生活應用的聯系，認識化學學科的社會價值，形成正確的價值觀念。

（4）通過分析含氯物質的研究和應用的史料，感悟知識的修正過程與科學發展的艱辛，形成辯證思維和探索未知、崇尚真理的態度。

3.2 教學流程

本單元采用HPS孟克和奧斯本融合模式，將其“六階段”操作步驟與單元內容相結合，劃分為4課時進行教學。教學流程見圖1。

3.3 評價方案

依據課標學業要求，結合教學活動細化評價內容，制定單元課堂活動表現評價表（表3），為教師的后續教學和學生的學習活動提供參考^［10］。

4 教學實錄

上述教學流程所展示的4個課時均已實施，以下教學實錄展示本單元核心活動第2課時整課時與第4課時活動44如下。

4.1 活動21：探究氯水的漂白性

［回溯歷史］第3組學生分享貝托萊對氯氣的研究史（見圖2）。

［史料分析］舍勒發現氯氣可使有色鮮花退色，認為氯氣具有漂白性；貝托萊發現氯水具有漂白性。可將有色紙條分別放入氯氣和氯水中，觀察紙條的退色情況，檢驗他們的結論。

［設計并完成實驗］如何制取氯氣？

［舍勒、貝托萊制取氯氣］舍勒用鹽酸和軟錳礦混合加熱制取氯氣，可當時鹽酸成本昂貴，貝托萊做了改進，但制取裝置較為復雜，且氯氣有毒，不宜大量制取。

［聚焦社會應用：創新制法］疫情期間大量使用的84消毒液，主要成分是NaClO，潔廁靈主要成分是濃鹽酸，兩者混用會發生反應：NaClO+2HCl====NaCl+H₂O+Cl₂↑，此反應可簡易制取少量氯氣，探究氯氣與氯水的漂白性。

［史實檢驗：學生實驗1］

實驗物品：84消毒液、濃鹽酸、紅紙條（干、濕）、深井穴、大燒杯

實驗設計：氯水與氯氣的漂白性探究設計及現象。

［實驗總結］氯氣沒有漂白性，氯水有漂白作用。

［深入探究：學生實驗2］將紫色石蕊溶液迅速滴入氯水中，觀察顏色變化。

［實驗總結］氯水先變紅說明呈酸性，后退色說明具有漂白性。

［教師引導：學生反思］氯氣與水的反應為歧化反應，氯元素一部分做氧化劑，化合價升高到+1價，生成HClO；一部分做還原劑，化合價降低。請同學們根據氧化還原理論書寫化學方程式。

［學生板書］Cl₂+H₂O====HCl+HClO。

［教師補充］次氯酸具有弱酸性，酸性小于碳酸，也能使紫色石蕊溶液變紅。

［史實感悟］根據以上研究，氯水中漂白性的物質是什么？貝托萊發現的“含氧化物”是什么？在貝托萊研究過程中得到何種啟發？

［學生］鹽酸不具有漂白性，具有漂白性的物質是次氯酸。貝托萊并未質疑“氧化學說”的正確性，他發現的“含氧化物”是氯氣與水反應生成的次氯酸，我們應明白科學知識是發展變化的，要敢于質疑，追求真理。

［活動表現評價］學生能在貝托萊研究史中發現問題，提出假設，根據氯氣的實驗室制法設計方案驗證氯水的漂白性，同時能用氧化還原理論書寫氯氣與水反應的方程式，實現氯元素不同價態間的物質轉化，但實驗創新部分仍需教師引導，小組合作完成操作。

4.2 活動22：探究次氯酸的性質

［史料分析］貝托萊將氯水置于陽光下，失去了漂白作用，同時生成鹽酸與氧氣，說明“含氯化物”不穩定。

［數字化實驗］采用數字化實驗驗證次氯酸光照分解產物結果如圖3所示，請同學們觀察曲線變化，得出相應結論。

［圖像分析］根據圖3可得：（1）氯水的pH隨時間增加而減小，說明H⁺濃度增大，酸性增強；（2）溶液中生成了Cl^-；（3）生成了O₂，即次氯酸光照分解生成HCl

和O₂。

［學生板書］2HClO光照2HCl+O₂↑。

［教師引導］請從氯元素價態的角度分析HClO的性質。

［學生］HClO中氯元素的價態為+1價，易得電子，具有強氧化性。

［教師］次氯酸的漂白性是由于其具有強氧化性能使有機色素和某些染料退色，且次氯酸的強氧化性能殺死水中病毒，起到殺菌消毒的作用。

［生活應用］貝托萊發現氯水具有漂白性，但是易失效，不利于使用，我們如何將次氯酸的漂白性應用于生活呢？

［史實應用］臺耐特對氯氣進行研究，制成了漂白粉。

［活動表現評價］多數學生能分析HClO中氯元素的價態得出其具有強氧化性，認識到氯水漂白性的實質；但圖像分析作為高中化學難點，僅少數學生能依據圖像數據得出HClO的分解產物，并用化學方程式進行表征。

4.3 活動23：推理漂白粉制造、漂白、失效原理

［回溯歷史］第4組學生分享臺耐特對氯氣的研究史（圖4）。

［社會應用］隨著英國工業革命的發展，紡織業興旺起來，漂白需求量增大，臺耐特發明的漂白粉漂白效率高、成本低，可供尋常百姓使用，現今除漂白粉外還有漂白液（主要成分NaClO）。書寫Cl₂與NaOH溶液反應的方程式可類比Na與CuSO₄溶液反應，先分步后綜合。

［學生板書］（1）Cl₂+H₂O====HCl+HClO；

（2）HCl+HClO+2NaOH====NaClO+NaCl+2H₂O；

（3）Cl₂+2NaOH====NaClO+NaCl+H₂O。

［漂白原理分析］從離子反應的角度，如何將NaClO轉化為HClO發揮漂白作用？

［師生共同討論］空氣中CO₂與水反應生成H₂CO₃，H₂CO₃酸性強于HClO，可提供H⁺與ClO^-結合成HClO。

［學生板書］Ca（ClO）₂+CO₂+H₂O====CaCO₃↓+2HClO。

［失效分析］次氯酸不穩定，見光易分解，應密封避光保存。

［史實感悟］臺耐特雖然并未認識到氯是一種新的元素，但他積極將其化合物的性質運用于社會生活，充分體現了化學對人類生產生活的應用價值。

［活動表現評價］多數學生能根據臺耐特的研究體會化學對社會的貢獻，簡明清晰地表述小組成果，跟隨教師的引導得出漂白粉的漂白原理，但僅有少數學生建構先分步再綜合的認識模型，正確書寫方程式。

4.4 活動44：反思歷史，分享感悟

［回溯歷史］教師分享氯氣被用于戰爭中的歷史（見圖5）。

［學生交流反思］氯氣從發現到確認長達三十多年，且用途廣泛，是重要的化工原料，對社會生活具有重大意義。但一戰期間被用作毒氣彈，使受害者身體遭受嚴重傷害，對此請談談你的感想^［12］。

［學生感悟1］氯氣在生活中應用廣泛對社會發展有益，科學家哈伯合成氨解決了糧食危機，但將氯氣用于戰爭，造成近百萬人傷亡。氯氣的有毒或有害的關鍵是人們如何使用。

［學生感悟2］氯氣在不斷的“試錯”中被證實，告訴我們科學研究中要以大量的事實為依據，要有批判質疑的精神，不能迷信權威，也不能主觀臆斷。

［活動表現評價］學生能對氯氣發現史和運用史發表看法，運用所學知識辯證看待化學對社會發展帶來的影響，批判化學武器的危害，形成正確的價值觀和哲學思辨能力。

5 教學實踐反思

5.1 依托史料情境，實施單元教學，培育哲學思維

本案例在單元教學目標引領下充分挖掘史料的教學意義，統籌規劃課時安排。學生采用畫報記錄、角色扮演等形式分享課前搜尋的史料，總結氯及其化合物的相關性質、設計實驗與檢驗，并反思史實，落實教學目標（1）（4）。例如“活動15”中學生在舍勒的研究中得出“氯氣可與金屬反應”，類比鐵在氧氣中燃燒實驗設計銅、鐵與氯氣反應的實驗進行驗證，教師引導學生思考“如何證明氯氣與鐵反應的產物”等問題，得出氯氣的強氧化性；“活動33”中學生反思史實，感悟科學理論發展過程中的爭論與更替，理解科學知識的主觀性和發展性，形成批判質疑、敢于創新的精神和用實踐檢驗真理的哲學思維。

5.2 聚焦社會應用，融匯學科知識，形成正確價值觀念

實踐基于HPS教學模式的單元教學，可將物質性質或化學理論的社會應用作為紐帶，利用身邊物質進行探究，實驗藥品的選用和實驗創新作為高中化學培育的重點亦是難點，例如“活動21”中需教師引導學生用84消毒液作為研究對象，采用微型化實驗探究，培養學生綠色化學的理念和合理使用化學藥品的意識。此時實驗中還有少量氯氣逸出未進行尾氣處理，經反思研究后續教學宜采用圖6裝置進行吸收處理^［13］；“活動44”中學生能辯證看待氯氣的社會應用及毒性，大膽發言，批判化學武器的危害，形成正確的價值觀念和辯證唯物主義思維，落實教學目標（3）。

5.3 實施“教學評”一體化，以評促教

制定與教學目標及學業質量要求相匹配的評價內容是促進“教學評”一體化融合的關鍵點。例如“活動21”中絕大多數學生對次氯酸分解的數字化實驗圖像信息應用存在問題，超出了評價內容的預設，該不合理的設計不能達到依據學情檢驗學生學習效果的目的，于是后續教學將圖像信息轉化成文字信息，學生能很快提煉信息并應用。評價的目的在于為教師教學和學生學習提供反饋；“活動23”中僅有少數學生能類比Na與CuSO₄反應寫出Cl₂與NaOH反應的方程式；設計含氯化合物之間的轉化路徑，多數學生未能達到學業質量要求（2）和（4），即后續教學需要加強教學目標（2）的培養，提升學生綜合運用知識的能力。

參考文獻：

［1］［6］中華人民共和國教育部制定. 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，2020：16.

［2］陳禛天，侯丹，占小紅. 基于3DTG發展學生“證據推理與模型認知”核心素養——以“科學使用含氯消毒劑”為例［J］. 化學教學，2021，（3）：51～56.

［3］陸大勇，張麗萍. 高中化學教育游戲制作實踐研究——以“富集在海水中的元素氯”為例［J］. 化學教學，2014，（8）：15～17，20.

［4］崔世峰，王娟. 國內HPS教育融入中學化學教學的研究綜述［J］. 化學教學，2022，（4）：3～8.

［5］馬蘭. 整體化有序設計單元教學探討［J］. 課程·教材·教法，2012，32（2）：23～31.

［7］（英）托馬斯·湯姆森. 化學史［M］. 北京：中國大地出版社，2016：333～334.

［8］［9］張文根. 科學批判的結晶：氯元素的發現［J］. 寶雞文理學院學報（自然科學版），1999，（2）：51～53.

［10］［11］［12］王晶，鄭長龍主編. 普通高中教科書·化學·必修第一冊［M］. 北京：人民教育出版社，2019：48.

［13］趙東洋. 微型制氣裝置［J］. 教學儀器與實驗（中學版），2007，（5）：40～41.