指向科學本質的小學科學HPS單元教學

【摘 要】科學本質的認識和理解是核心素養發展的基礎與保障。對于科學本質的教育僅僅依靠隱性教學是不夠的，還需要科學史、科學哲學、科學社會學相融合的顯性教學。文章基于科學本質的內涵，明確科學本質的顯性教學，并以“計量時間”單元為例，按照HPS融合模式的六個環節開展單元整體教學，即還原科學史情境，聚焦發現問題；引發各種觀點，培養思辨能力；呈現科學史料，理解探究內涵；尋找實驗材料，設計科學實驗；科學哲學指導，親歷科學探究；緊扣科學社會學，回顧發現歷程。

【關鍵詞】科學本質；HPS教學；單元整體教學

《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）明確指出，義務教育科學課程是一門體現科學本質的綜合性基礎課程［1］。科學本質及其教學是近年來國際科學教育領域的一個研究熱點，越來越多的專家學者也都認識到，科學本質的理解對科學學習有著積極的意義，是發展科學核心素養的基礎。那么在小學科學教學中，如何實現學生對科學本質的理解呢？本文以教科版小學科學五年級上冊“計量時間”單元為例，按照融合模式開展單元整體教學，增強學生對科學本質的認識，提升學生的科學核心素養。

一、明確科學本質的內涵

科學本質是指對科學知識、科學研究過程、科學方法、科學的歷史、科學的價值、科學的限度等方面最基本特點的認識，是一種對科學本身全面的、哲學性的基礎認識。［2］40-41科學本質觀具有內隱性、深層次的特點［3］?？茖W本質即是回答“科學是什么”“科學從何產生”等與科學本質屬性相關的問題?？茖W本質的內涵是復雜的，不同歷史時期、不同的人對科學本質的認識不盡相同，但大多數學者還是會采用美國科學促進協會在《面向全體美國人的科學》一書中的說法，將科學本質的認識概括為科學知識的本質、科學研究的本質、科學事業的本質三個方面［2］41。筆者將其整理如圖1所示。

科學本質的教學有隱性和顯性兩種路徑，隱性教學就是通過科學探究、做科學等方式，將科學本質隱藏在教學中，以潛移默化的方式讓學生體會科學本質。但學生很難在做科學和探究活動中理解科學本質，只有把科學史、科學哲學和科學社會學三者有機整合在一起，形成一種綜合性的科學教育方式，才能幫助學生在更廣闊的背景下全面理解科學知識，明白科學知識的產生和發展過程，以及科學與社會的關系，從而多維視角達成對科學本質的理解。

二、科學本質的顯性教學

HPS是科學史（History of science）、科學哲學（Philosophy of science）和科學社會學（Sociology of science）的簡稱，是與當今科學本質顯性教學高度契合的跨學科教學方法。首先，HPS教學強調以科學史為基礎，因為科學史可以讓學生了解科學知識的產生、發展和修正過程，包括其蘊含的科學方法、科學精神和人文精神，有利于激發學生的學習動機，使學生更好地理解科學知識的本質。其次，HPS教學強調以科學哲學為核心，因為科學哲學既有利于學生從知識論、認識論和方法論角度認識科學本質，培養他們的批判性思維和思辨能力，又可以使學生理解科學的局限性和不確定性，使學生更好地運用科學方法和科學精神解決實際問題。最后，HPS教學強調以科學社會學為背景，因為通過科學社會學，學生可以了解科學知識在社會中的影響和作用，認識科學、技術、社會、自然之間的關系，從而更好地理解科學知識的社會價值和文化意義。

最具典型意義的HPS教學模式有兩種。一是美國學者萬達西提出的“互動式歷史小故事”教學模式。教學者將一個科學史小故事分成幾個小片段，用互動的方式呈現故事，讓學生推測后續的發展，以此描述一個單一事件的科學本質。二是英國學者孟克與奧斯本提出的“融合模式”，這個教學模式分為“演示實驗—引出觀點—學習歷史—設計實驗—呈現科學觀念和實驗驗證—總結與評價”六個階段。

三、基于HPS融合模式的單元教學

教科版小學科學五年級上冊“計量時間”單元由“時間在流逝”“用水計量時間”“我們的水鐘”“機械擺鐘”“擺的快慢”“制作鐘擺”“計量時間和我們的生活”等七個部分組成。仔細分析可以發現此內容是很好的HPS教學素材，為此，筆者在充分了解相關科學史、科學哲學、科學社會學的基礎上，把鐘擺出現的科學史作為本單元的重點，用HPS融合模式組織單元教學，具體設計如圖2所示。

在重構的單元教學中，教師遵循單元整體教學的“總—分—總”結構，先以科學史設置單元大情境，提出單元核心問題，然后把科學哲學融于各個分課時的科學探究活動中，最后把科學發現置于科學社會學中回顧審視，形成一個完整的教學過程。HPS融合模式各環節在單元教學具體實施時，也就轉化為“還原科學史情境，聚焦發現問題—引發各種觀點，培養思辨能力—呈現科學史料，理解探究內涵—尋找實驗材料，設計科學實驗—科學哲學指導，親歷科學探究—緊扣科學社會學，回顧發現歷程”六個步驟。由此，科學史、科學哲學、科學社會學實現了有效融合，直指科學本質。

1.還原科學史情境，聚焦發現問題

在傳統的科學教學中，教師往往能考慮學生的年齡特征和認知規律，但對科學知識本身和學習知識的意義卻思考得不夠深入，這會在無形中影響學生科學知識體系的建構。因為科學史不僅包含科學知識本身，也包含科學知識的形成歷程，而這個過程恰是最有意義的。HPS教學引入科學史，讓學生在學到科學知識的同時，也了解科學知識的來龍去脈，體會前概念與科學史之間的關系，這對學生科學知識體系的建構具有積極的意義。

在教學“計量時間”單元時，教師還原了古代人的生活場景，讓學生思考“在鐘表出現之前，人們是如何計時的”，把學生的研究置于廣闊的科學歷史背景中。學生研究用太陽計時、用香計時、用水計時，直至用鐘表計時的過程，也是人類對計時器的研究史，這有利于激發學生科學學習的深層動機，體會科學家的精神。比如，在研究“擺”時，教師用視頻還原“伽利略看到吊燈因點火松手后來回擺動，引發思考”的場景，引導學生觀察科學家曾經研究過的現象，站在科學家的角度思考問題、提出問題。

需要注意的是，科學史不僅僅是以科學故事的講解來滿足學生的好奇心開啟單元學習，而是以此為切入點著重展示自然現象，引導學生聚焦人類科學發展歷程中的實際問題，讓學生在科學史的問題場景中切身感受什么是科學發現，以此幫助學生理解科學本質的內涵。

2.引發各種觀點，培養思辨能力

哲學思維是學生學會學習和認識世界的關鍵能力，HPS教學十分重視科學哲學的融入。有科學哲學指引的HPS教學，常常將實證思維和辯證思維引入教學中，培養學生勇于質疑、敢于爭辯、積極求證的精神。在引出觀點的環節，教師要調動和挖掘學生關于現象的既有知識與經驗，激發他們發表觀點的熱情，同時可適時引出錯誤觀點、局限觀點和最新科學觀點，催生學生面對同一事物的不同觀點開展激烈的思辨活動。

如鼓勵學生對“擺的快慢與哪些因素有關”做出猜想時，即使學生提出錯誤猜測，教師也不急于否認，而是以此為他們認識科學發展的曲折性埋下伏筆。當學生沒有新的觀點產生時，教師可適時拋出科學家的觀點“擺經過短弧要比經過長弧快一些”，以起到推波助瀾的作用。由此，學生真正經歷思辨后體會到科學允許想象，但科學反對盲從，科學不迷信書本，不迷信權威，科學應該以經驗事實為基礎，基于證據進行邏輯推斷。

3.呈現科學史料，理解探究內涵

科學課程倡導探究式學習，要求學生像科學家那樣“真刀真槍搞科學”。但如何從科學家的專業探究到學生通用的學習方式，中間的理論并不完善，這也是目前實際教學中淺層次的“假探究”“偽探究”廣泛存在的真正原因。HPS教學中的科學史既包含科學家探索出來的客觀規律，也包括科學探索過程及運用到的思維方法和論證方法。因此，在呈現科學史料過程中，教師要注重剖析科學家探究的史料，幫助學生搭建和科學家科學探究之間的橋梁，讓他們真正理解科學探究的內涵。

如在本單元研究擺的分課時教學時，教師適時呈現伽利略研究鐘擺的科學史料。在學生學習史料之后，教師用“伽利略為什么要制作一個擺進行研究？”“伽利略在做擺的實驗時每次改變幾個條件？”“伽利略每次實驗做多次，為什么？”等問題引導學生對史料進行剖析。學生在剖析中不難理解：伽利略制作一個擺代替吊燈，這種建立模型的辦法更有利于把研究的事物理想化；伽利略在研究單擺時，每次只改變一個條件，這種控制變量的方法更有利于尋找科學規律；伽利略用同一個方法做多次實驗是為了精確地搜集實驗數據。

這樣，學生在學習科學史的過程中，將思想與歷史上科學家的思想建立起聯系，使得科學史中蘊含的思維方式、研究方法得以真實還原。學生在了解科學家發現科學規律的過程中，體驗到科學家科學探究的內涵，掌握了科學探究的方法，真正像科學家那樣思考和解決問題。

4.尋找實驗材料，設計科學實驗

從科學哲學的角度知道，科學講究證據，實踐是檢驗觀點的唯一標準。HPS教學強調模擬科學家角色，思考科學家思考過的問題，重復科學家做過的實驗，親身體驗科學家的探究過程。但需要讓學生知道，歷史上科學家所選擇的研究材料和研究方法取決于當時的社會背景，而科學結論是經得起無數次重復檢驗的。

在設計實驗環節，教師引導學生依據科學家實驗的內涵，使用現代技術重新設計科學實驗，親歷科學探究，檢驗科學家得出的結論。如啟發學生思考由于時代條件的局限性，伽利略研究鐘擺實驗的不足之處，思考如果伽利略在科技發達的今天，他會如何改進和設計實驗？學生想到用秒表替代伽利略實驗的脈搏計時，用同體積但不同重量的小球替代不同體積的鐵塊、石塊、木塊作為擺錘，用量角器控制擺幅的改變，還可以采用數字化實驗設備重演擺的實驗等。

在這個過程中，雖然學生使用的實驗材料與伽利略時代不完全相同，但卻更趨于實驗的本質內涵，也更便于搜集反映客觀現實的真實數據。學生在重新經歷科學家探尋規律的過程中，體會到科學不僅是邏輯與想象相結合的產物，更是建立在觀察和實驗基礎上的創造性工作，從而進一步理解科學本質。

5.科學哲學指導，親歷科學探究

科學的發展與人類的價值觀、世界觀和認知方式密切相關，科學哲學為HPS教學提供了全面認識科學教育認識論和方法論基礎。科學實踐哲學對于科學的哲學討論面向科學實踐而不再是科學知識，并將科學視為介入世界的方式而非觀察世界的方式［4］，是行動者與世界之間不斷交互的一系列連續活動。科學哲學視域下的科學教學不是通過科學史“告訴”學生科學知識，而是讓學生從“懷疑”出發，像科學家那樣思考和探究世界，體驗學習科學的樂趣，提升科學探究能力。學生的科學學習不再簡單重復已存在的思維模式，而是親身經歷實踐探究過程。在此過b11f64c91ea497a7195b5f19e0b07ce2程中，學生觀察實驗的視角、基于數據的科學態度、推理論證的思維方式以及研究問題的方法，都是科學哲學重要的組成部分。教師要引導學生實事求是地獲得事實數據，幫助學生選用合理的方法分析觀察數據，在出現異常數據時引導學生分析原因，將辯證思維引入推理過程，引導學生基于證據歸納推理、得出結論。

比如，在學生像伽利略那樣經歷科學探究過程得出“擺的等時性”結論后，教師可以引導學生像科學家惠更斯那樣觀察“機械擺鐘”和“制作鐘擺”，以檢驗實驗的可靠性。在這個過程中，科學哲學和科學史內容相互滲透，學生真正體會科學發現歷程的艱辛，認識科學知識的產生、發展、演變的過程，并思考什么是科學，什么是偽科學。從而學會用發展的眼光看待科學知識，用辯證的眼光看待科學實踐，深刻理解科學是一個“懷疑—批判—更正”的過程。

6.緊扣科學社會學，回顧發現歷程

科學與社會有著千絲萬縷的聯系，科學發展與社會進步也有著辯證關系。HPS教學要注意從科學社會學的角度出發，幫助學生正確理解影響科學進程的社會因素，了解科學的社會成就，正確認識科學的社會功能，感受科學和社會發展的相互促進關系，促進學生從歷史、社會和人文的角度對科學進行辯證認識，進而加強社會責任感，自覺促進科學、技術與社會協調發展。

“計量時間和我們的生活”這節課是單元總結課。教師引導學生通過回顧人類計量時間的歷程，明白科學知識的產生和發展受到社會、經濟和文化因素的影響，認識到科學知識不但具有主觀性、相對性、可驗證性，而且具有社會性，從而更好地理解伽利略實事求是、敢于實踐、不迷信權威的行為不僅是一種科學態度，更是一種對社會負責任的表現。從科學史料中，學生知道科學研究對社會的貢獻，理解科學發現是技術發明的基礎，科學要通過技術才能改變現實世界。同時，理解科學的發展是無止境的，科學史是動態的理論體系，只有相信科學、相信事實，才能有新發現、新發明。

實踐證明，指向科學本質的小學科學HPS單元教學是一種行之有效的教學方式，它使科學史中蘊含的哲學思想、科學社會學等內涵與潛在價值得到充分挖掘。學生在現實與歷史的雙向互動中，與科學家的思想建立連接，促進了對科學本質的理解，有效地提升了科學核心素養和綜合實踐能力。

參考文獻：

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

［2］義務教育科學課程標準修訂組. 義務教育科學課程標準（2022年版）解讀［M］. 北京：高等教育出版社，2022.

［3］黃曉. 促進科學本質理解的多元教學路徑：科學本質教學的國際視角與啟示［J］. 教育科學研究，2023（9）：52-59.

［4］李剛，呂立杰. 實現真正的STEM教育：來自科學實踐哲學視角的理解［J］. 中國教育科學，2021（2）：84-91.

（責任編輯：羅小熒）