指向科學本質認識的IHV教學新樣式

摘要： 為緊扣《義務教育科學課程標準（2022年版）》的要求，滿足課堂的實際需要，對科學史教育中的IHV教學模式進行改良設計，確定以下四個教學環節：確定中心事件和教學目標、創作和實施、思考和設問和回顧與評價，并以“構成物質的微觀粒子”為例進行教學設計和實踐。旨在加強學生對科學本質的認識，為提高科學教育質量提供新方法。

關鍵詞： 義務教育科學課程標準； 科學史教育； IHV； 構成物質的微觀粒子； 科學本質

文章編號： 1005-6629（2024）06-0045-06 中圖分類號： G633．8 文獻標識碼： B

《義務教育科學課程標準（2022年版）》（簡稱“新課標”）的發布，正式實現課程目標從落實三維目標提升至培育核心素養的轉變。新課標強調要從“追求學習的結果”轉向“強調學習的過程”，注重學生對學習過程的積極體驗、科學方法的掌握和情感態度價值觀的形成與轉化［1］。同時，新課標中也多次提到要引入科學史素材，讓學生在科學史的探究中了解科學家解釋自然現象、發現科學規律的過程，引導學生學習科學家研究世界的方法，從而幫助學生進一步認識科學本質［2］。

科學本質包括科學知識、科學探索和科學事業三個維度［3］。在教學中滲透科學本質教育，可以幫助學生形成正確的科學觀，培養創新和辯證意識，提升探究和思維能力。研究表明，科學史教育可以有效提高學生對科學本質的認識［4］。科學史教育通過模擬和重演科學家的探究過程，既能幫助學生理解科學知識的產生和發展的內在邏輯，促進科學觀念的形成，還可以幫助學生勇敢地基于事實和推理提出質疑和批判，促進科學思維的提升。同時，學生在了解科學家的生平和理論產生的歷史背景后，能理解科學與社會的關系，形成客觀、嚴謹的科學態度與社會責任。因此，融入科學史教育對推動科學課程改革和核心素養落地扎根有重要作用，值得深入探究和實踐。其中，“互動歷史小故事”（Interactive Historical Vignettes， IHV）是科學史教育一種有效的教學模式。

1 IHV教學模式

IHV是由美國旺德西［5］等開發的一種教學設計，其流程如圖1所示。這種教學設計通過搭建一個以學生設計科學史互動式情景劇的課堂形式，讓學生主動參與到科學史的特定歷史故事線的構建。在重現科學家之間不同觀點的交鋒、融合、替代和理論創建過程中，不僅能提升學生交流、表達和反思能力，也能促進學生對科學本質的理解。

IHV教學模式適用于科學史中曲折復雜的基本理論的建立和發展過程的學習。而科學理論的建立和發展又往往伴隨著不同學派間的爭論，包含著學科的整體脈絡及科學概念在歷史發展中的演進過程。研究者倡導在教學內容上應當豐富這塊內容，從而幫助學生構建歷史思維的探究模式和解讀矛盾論點的系統方法［6］。

為了讓IHV更好地融入課堂，滿足新課標的要求，也為了方便教師的實施和操作，提高學生的參與度，筆者在結合實際教學需要后對操作流程作了改良設計，具體流程如圖2所示。

2 融入IHV的教學設計：以“構成物質的微觀粒子”教學為例

2.1 教學設計的背景分析

從新課標的角度來看，“構成物質的微觀粒子”隸屬于“物質的結構與性質”這一核心概念，該課程內容和學業要求是讓學生了解已知的絕大多數物質是由分子、原子等微觀粒子構成的，認識這些微觀粒子的基本特征，并能從微觀粒子的角度認識物質。在教學策略方面，新課標建議教師創建真實問題情景，融入科學史素材，引導學生“經歷”理論創立的過程，體會觀察與實驗、預測、建構模型等科學方法，從而增進對科學本質的理解。

從教材的角度分析，“構成物質的微觀粒子”位于浙教版科學（2013版）八下第二章第二節，是學生學習化學部分的啟蒙內容。該階段學生需要形成正確的物質微粒觀，這對學生后續學習、理解并解釋宏觀的事實與現象背后的微觀邏輯，體會化學反應的實質具有重要意義。在教材中，有關原子、分子等微粒的介紹主要按照以下順序進行（見圖3）。教材中并無科學史素材的介紹，主要是引導學生通過模型來認識原子、分子等微粒。

從教學結果評價角度分析，此階段學生對顯現的宏觀事實認識和學習相對容易，對微觀和符號的學習卻較為困難，通過構建模型可以有效解決該問題，大部分學生基本能達成知識層面的學習目標。但也發現，學生雖能理解分子是由原子構成的，但對原子和分子的定義卻較為模糊，不能清晰地說出分子和原子間的區別。甚至幾乎所有的學生都會產生先發現分子再發現原子的錯誤認知，并得出分子比原子大，所以才更容易被發現的錯誤結論。

基于此，本節課嘗試將有關“原子-分子論”創立過程的科學史融入到教學設計中，通過情景劇展現形式，構建“真實情境”，引導學生主動參與到理論發展和探究實踐中。這一設計可以幫助學生初步構建物質的微粒觀，廓清原子和分子概念并能進行區分，實現從宏觀認識向微觀認識的過渡。同時，也能促使學生進一步理解唯物辯證法的基本規律，掌握用觀察、假設與檢驗、建構模型等科學方法來認識和研究微觀世界的不同種微粒，并能利用這些方法去理解化學反應前后的微粒變化情況，為后續認識化學反應本質及質量守恒定律做鋪墊。

2.2 教學過程

2.2.1 確定中心事件和教學目標

2.2.1.1 “原子”和“分子”的中文譯名的由來

近代科學理論基本上都來自于西方文明，西方將物質微粒稱為“Atom”和“Molecule”。其實“Atom”和“Molecule”中文譯文的變化，也是物質微粒理論不斷完善過程的一個縮影。19世紀初，只有“Atom”一詞，被翻譯成微點。直到1899年，美國人福開森在其翻譯的“化學新編”一文中對“Atom”和“Molecule”進行了細致和準確的論述：“在一質內，其微點皆同，亦與質同形，此微點，名為質點（Molecule）。質點獨立，即不能再分，如與它可化合之質即能分。其所能分者，乃質點內極小之點，名為小質點（Atom）。［7］”該內容表明了質點和小質點的概念及其相互的關系。20世紀初，我們通過日本引入西方科學，受日文的影響，虞和欽先生將“Atom”和“Molecule”翻譯為原子和分子，并沿用至今［8］。

2.2.1.2 “原子-分子”理論及中心事件的確定

華彤文教授和唐有祺院士［9］在“化學的繼往開來和化學教育”一文中指出，“原子-分子論”是近代化學總體的理論基礎，其創立預示著近代化學進入了新的篇章。根據本節課的課時及教學內容，選取的科學史中心事件包括：道爾頓的“原子論”、蓋·呂薩克的“半個原子矛盾”、阿伏伽德羅的“分子論”以及康尼扎羅的“原子-分子論”。

2.2.1.3 教學目標

本節課的教學目標是：

（1） 通過閱讀“原子”和“分子”中文譯名變化的歷史，知道原子和分子一詞的由來；

（2） 通過體驗物質微粒理論發展過程，廓清原子和分子的概念，知道物質是由原子、分子構成的，能初步從微觀粒子的角度認識物質；

（3） 通過理論的探究和形成過程，體會科學發展的曲折性和上升性，并能掌握認識和研究微觀世界的科學方法；

（4） 通過了解科學家的歷史故事和社會背景，感受科學家堅韌不拔、刻苦鉆研的品質，同時也初步了解科學、科技和社會的關系。

2.2.2 創作和實施、思考和設問

2.2.2.1 劇本的創作和彩排

教師首先要組織學生開展劇本創作的人員征集工作，包括編劇、導演、演員、后勤工作人員等。人員征集完畢后，教師要指導學生如何去獲取科學史素材并將其編纂成劇本，同時引導學生進行合理分工、履行崗位職責和完成劇本的彩排工作。

2.2.2.2 劇本的實施

［引入］從人類誕生的那一天起，我們就用自己的肉眼去丈量和感受著世界。這個世界無邊無際，從地球到太陽系再到銀河系，銀河系外還有浩瀚無垠的宇宙，那宇宙之外呢？我們收回視線，再看實驗桌上放著的樂高模型，隨機取下一塊，可以看到整個模型就是由一塊塊積木搭建而成的。這些積木又是由什么構成的呢？是不是由更小的積木搭建而成的呢？那更小的積木是不是由更微小的“積木”構成呢？幾千年來，在強烈的求知欲和探索欲推動下，科學家們前赴后繼地進行探究，構成物質的微觀粒子也逐漸被揭開神秘的面紗。下面就讓我們一起來見證那段發生在19世紀的學術爭論。

（1） 第一幕

［旁白］近2000多年，人們普遍認為物質是由各式各樣的元素組成的，如土、氣、水、火。到了17世紀，波義爾通過化學實驗，得到了更為準確的元素種類（如氧氣由氧元素組成），但元素依舊屬于宏觀概念范疇。盡管古希臘時期的哲學家德謨克利特就提出過萬物皆由極小且不可分割的質點所組成的猜想，但因缺乏證據，一直被束之高閣。直到19世紀，道爾頓提出了微粒的思想，并通過實驗把臆測的質點變成了科學的原子理論。

［旁白］道爾頓坐在實驗桌前，盯著近期的研究報告，隨之而來的疑問也越來越深。

［道爾頓］“混合氣體壓力等于各部分氣體壓力之和，這意味著氣體間的存在互不干擾，為什么呢？”

［旁白］道爾頓百思不得其解，直到有一天他看到幾種豆子混合在一起的場景時，突然靈光一現。

［道爾頓］“如果氣體是一顆顆微粒構成的，不就很好地解釋這個現象了？這種微粒用顯微鏡看不見，我要找到更多證據來證明它的存在！”

［旁白］看，經過大量實驗，道爾頓又有了新進展。

［道爾頓］“由兩種不同元素組成的不同物質，當其中一種元素質量一定時，另一種元素的質量會成整數比。例如甲烷（CH4）和乙烯（C2H4），當碳元素質量一樣時，氫元素的質量比為2∶1。”

［旁白］道爾頓敏銳地意識到，只有原子論才能解釋這種倍比現象。

［道爾頓］“組成物質的元素以微粒為基本單位化合，各微粒在不同化合物中的數量又不同，這才導致它們在不同的化合物中表現出整數比。我決定將這種微粒稱為原子，原子是真實存在的，相同原子的質量和大小應該是不變的。”

［旁白］道爾頓并沒有停止他的工作，又繼續投入對不同原子的相對質量和參加反應的原子數目的研究。最終在1808年，他提出了自己完備的“原子論”。

［道爾頓］“所有物質都是由原子構成，原子是不可再分的物質粒子；不同的原子以簡單數目的比例相結合形成化合物，這些化合物的“原子”被稱為“復雜原子”。正如氫氣和氧氣反應形成水所展示的那樣。

［實驗］用模型演示（圖4）。

［提問］同學們，這就是道爾頓提出“原子論”的全過程，他采用了哪些研究方法？

［學生］道爾頓通過認真觀察，發現問題，然后做出一個合理的假設，再通過實驗和收集數據，最后得出自己的結論，所以他采用了觀察、假設、實驗論證、數據收集等方法。

［追問］那么收集到的數據要做怎樣的處理才能得到結論呢？

［學生］還需要對數據進行分析、推理和演繹。

（2） 第二幕

［旁白］在幾千人環繞的大會議場上，道爾頓和蓋·呂薩克正在激烈爭吵，我們一起來看下，到底發生了什么？

［蓋·呂薩克］“通過大量的實驗，我發現同溫同壓下相同體積的不同氣體可能都含有相同數目的原子，但實驗中卻發現1體積的氫氣和1體積的氧氣反應卻生成了2體積的水蒸氣？這不就意味著水原子中含有半個氧原子和半個氫原子？”

［實驗］用模型演示（圖5）。

［旁白］為了維護自己理論的正確性，道爾頓大聲駁斥。

［道爾頓］“你的測量數據有問題！”

［旁白］鑒于道爾頓當時的威望，再加上技術水平的限制，所以蓋·呂薩克的假說并沒有引起太大的關注。但隨著技術的發展，科學家們證實了蓋·呂薩克實驗的精準性。這表明“原子論”需要進行補充和完善。

［提問］請結合蓋·呂薩克的實驗，簡要說一說道爾頓的“原子論”的矛盾點出現在哪里？

［學生］同體積的氫氣和氧氣反應生成兩倍體積的水蒸氣，那復雜水原子就是由半個氫原子和半個氧原子構成了，這和原子不可再分是矛盾的。

［追問］為什么蓋·呂薩克的“真理”反而敗下了陣？

［學生］蓋·呂薩克主要受困于當時道爾頓的權威和科學技術水平，不敢堅持真理。

（3） 第三幕

［旁白］遠在意大利，一位教授正在自己的辦公室翻閱著一堆資料，嘴里還念念有詞，越發興奮。我們一起來看下，他又有哪些重大的發現。

［阿伏伽德羅］“如果將復雜的水原子看成是一個可以分割的新微粒——分子，那半個原子矛盾不就迎刃而解了嗎？”

［旁白］隨后，阿伏伽德羅在以蓋·呂薩克等科學家的實驗基礎上，進行了合理的推理，創造性地提出了分子的概念。但“分子論”觀點的傳播依舊困難重重。阿伏伽德羅缺乏實驗的論證，他錯誤地將能變成氣態的硫、磷、汞等物質也認為是由分子構成的，并推理所有物質都是由分子構成的，這也成為他理論的致命缺陷。

［旁白］而后，阿伏伽德羅又發表了三篇有關分子論的論文，但當時的科學界卻選擇性忽視他。

［提問］為什么阿伏伽德羅的“分子論”最后變得無人問津？

［學生1］主要是因為阿伏伽德羅并沒有進行大量的實驗論證，所以導致理論存在漏洞卻無法有效地進行補充。

［學生2］也和當時科學界的偏好性有關，使他的理論并未得到重視。

［追問］道爾頓、蓋·呂薩克和阿伏伽德羅的探究過程帶給你哪些啟示？

［學生1］科學理論需要進行大量的實驗以獲得支撐理論的證據。

［學生2］還需要豐富的想象力和創造力。

［學生3］還受到當時權威、社會背景、科技發展的制約。

［學生4］要有敢于質疑的勇氣、堅韌不拔的毅力和永不放棄的決心。

（4） 第四幕

［旁白］1844年，道爾頓去世，“原子論”這座不可逾越的大山也開始動搖。1860年，康尼查羅帶著自己的論文，面向幾千名同行宣告自己的驚人發現。

［康尼查羅］“我重讀了道爾頓和阿伏伽德羅的論文，并經過大量的推理和論證，發現如果將二者有機整合在一起，那么許多的問題可以迎刃而解。這就是‘原子-分子論’。”

［旁白］“原子-分子論”的核心是構成物質的微粒有原子也有分子，原子是化學反應中的最小微粒；由分子構成物質，分子是保持其化學性質的最小微粒。至此，科學的“原子-分子論”開始被人們廣泛接受。

［提問］康尼查羅提出的“原子-分子論”是完全通過實驗得出的嗎？

［學生］并不是。康尼查羅并沒有做大量的實驗，他主要是在總結前人實驗和理論成果的基礎上進行綜合分析，最后經過大量的推理和論證得出自己的理論。

2.2.3 回顧與評價

表演結束，教師組織學生以小組為單位進行討論，主要圍繞以下幾點展開：（1）通過本節課，你能準確說出原子和分子的區別嗎？（2）科學結論的得出需要經歷哪些步驟，使用哪些科學方法？（3）成為科學家需要具備怎樣的品質和能力？（4）談談科學研究和社會科技的關系，這對你今后的學習和生活有什么啟發？（5）完成評價量表（表1）。

學生通過小組內的自由討論和總結，各選派一位代表上講臺匯報分享。在分享中，教師要引導學生對構成物質微粒的發展史進行整理，再用ppt展示現代科學技術手段下實際觀察到的原子、分子的圖像，并依次介紹由原子、分子構成的物質。最后提問學生“原子-分子論”就是微粒理論的終點了嗎？再次引發學生思考，以深化學生對科學研究的過程性、科學結論的暫時性、科學結論的實踐性和科學研究的社會性的感悟，促進學生科學本質觀的形成。

3 結論和啟示

基于學科知識升華出來的認識世界與改造世界的價值觀和方法論，能夠讓學生自覺基于學科視角思考問題與解決問題，具有超越事實的持久價值和遷移價值［10］。立足新課標改良的IHV教學，有效地將知識教學上升為觀念教學，引導學生主動去體驗知識背后科學理論的發生和發展過程，感受科學知識的暫定性和可變性，體會科學發展的艱辛，學會用辯證、發展的觀點去審視書本知識，客觀公正地評價歷史人物，正確掌握科學研究的方法，從而促進學生全面地理解科學本質。

IHV融入科學課程也面臨著諸多的挑戰。站在教師層面來看，從文山書海的科學史素材中高效且精準地篩選出緊扣教學內容的科學史，凝練出合理的教學目標，并引導和組織學生進行編劇和構建情景劇，不僅要求教師對科學史要有一定的了解，還要求教師對教學內容和新課標要求了然于胸，更要具備較強的課程開發和把控情景劇的能力。從學生的角度分析，課堂實踐的成敗一方面是學生能否主動參與到情境劇中，另一方面是學生能否具備科學史演繹發掘和感受科學本質的能力。此外，課堂上的時間容量和課堂教師、學生所需要耗費的時間也是一個重要問題。

綜上，筆者認為IHV融入科學課程契合新課標的出發點，豐富了科學課堂模式，是一種促進學生能力素養和科學本質認識發展的有效教學模式。但在課堂實踐中，教師也不能泛化IHV，要在結合教學內容、學生學情、新課標內容、課堂時長、教學評價等多方面情況下，有選擇性地進行融入和實踐。也期待廣大同仁能加入到IHV的課程資源的開發和實踐中，共同為提高科學課程教學的質量而努力。

參考文獻：

［1］［2］中華人民共和國教育部制定. 義務教育科學課程標準（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學出版社， 2022.

［3］Mccomas W F， Almazroa H， Clough M P. The Nature of Science in Science Education： An Introduction ［J］. Science & Education， 1998， 7（6）： 511～532.

［4］張健， 王華， 李春密. 促進科學本質認識的HPS教學過程構建——以“牛頓第一定律”教學為例［J］. 物理教師， 2021， 42（2）： 12～16.

［5］Wandersee J H， Griffard P B. Chapter 2-The History of Chemistry： Potential and Actual Contributions to Chemical Education. In John K. Gilbert et al， Chemical Education： Towards Research based Practice［M］. Kluwer Academic Publishers， 2002： 36～37.

［6］劉琪. 科學史融入科學教學的價值邏輯［J］. 教學與管理， 2022， （21）： 71～75.

［7］［8］袁振東， 杜衛民， 王曉瑾. 原子-分子論發展史教育中值得注意的問題［J］. 化學教學， 2014， （2）： 75～77.

［9］華彤文， 唐有祺. 化學的繼往開來和化學教育［J］. 中國大學教學， 1995， （3）： 19～22.

［10］吳星. 全面提高學生義務教育化學課程所要培養的核心素養——《義務教育化學課程標準（2022年版）》解讀（一） ［J］. 化學教學， 2022， （9）： 3～8.

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*浙江省教師教育規劃課題支持項目（編號：ZX2022158）的研究成果。