基于HPS理念培育學生核心素養的教學設計

摘" 要：HPS理念是一種將科學史、科學哲學和科學社會學與中小學科學課程融合的綜合性教育理念。本文以HPS理念為理論依據，以金屬材料中“銅的冶煉與應用”為例進行教學設計與實踐，在課堂教學中培育學生的科學思維核心素養。

關鍵詞：銅的冶煉；HPS理念；單元教學；核心素養

文章編號：

1008-0546（2024）14-0038-03

中圖分類號：

G632.41

文獻標識碼：

B

《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《初中新課標》）在課程理念中指出，重視開展核心素養導向的化學教學，基于大概念建構，整體設計合理實施單元教學。［1］化學是一門自然科學，對學生證據推理、模型建構、批判創新等多種思維的培育發揮著獨特而重要的課程價值，同時這也是化學學科核心素養中所要培育的科學思維核心素養。

HPS（History， Philosophy and Sociology of Science）教育是將科學史、科學哲學和科學社會學的有關內容與中小學科學課程融合，不斷提升學生對科學哲學思考、科學本質理解的教學模式。［2］在化學課堂教學中融合HPS教育理念與科學思維的培育，能夠加深學生對科學知識理解的深度與廣度，不斷提升學生的科學思維與科學素養。［3］HPS理念與化學核心素養之間的關系如圖1所示。

基于此，本文以HPS理念為理論依據，以“銅的冶煉與應用”為例開展教學設計與實踐。

一、單元整體分析

《初中新課標》中學習主題“物質的性質與應用”中常見的物質就包括金屬與金屬礦物，滬教版化學九年級上冊第5章“金屬的冶煉與利用”包含三節內容：金屬的性質和利用、金屬礦物" 鐵的冶煉、金屬防護和廢金屬回收。學生在學習本章內容后已掌握了鐵等金屬的相關性質、鐵的冶煉原理、合金及其特性等知識。這些知識可幫助學生預測銅的性質及冶煉方法。在金屬與金屬材料的復習課中，筆者選擇我國古代銅合金的冶煉為案例，通過化學史的閱讀、加工，進一步引導學生加深對銅的冶煉與應用的認識，同時培育、發展學生的科學思維核心素養。

二、教學片段

1. 融入化學史，用古人智慧點燃學生的學習興趣

人類認識化學的過程是漫長的，化學中蘊含著眾多古人的智慧結晶。在本節課的教學中，通過展現金屬材料利用的化學史，讓學生身臨其境地感受化學的發展，同時揭示其中蘊含的科學思維和方法。學生在親身體驗中感受到了化學是一門研究物質的組成、結構、性質與變化規律的科學。

筆者選擇與自然界中銅的發現與利用、青銅的發現與利用、古代煉銅技藝之火法煉銅與濕法煉銅、黃銅的發現與利用等相關的史實，遵循時間發展順序，整理成閱讀材料。學生在閱讀這些史實材料過程中，捕集并獲取有效信息，結合已有的知識儲備，解決一系列的問題。通過這樣的學習，學生將深刻感受到古代人民高超的煉銅技藝、煉鐵技藝、合金制備技藝，從而體悟古人智慧。

2. 借哲學思想，用科學思維提升思考品質

在科學教育中對物質及變化進行哲學思考有助于提升學生理性思維的發展。通過追溯金屬材料的發展歷程，使學生認識到事物的發展是一個動態變化的過程。

（1）用辯證觀點認識事物及其發展。

銅和石頭相比有著巨大的優勢，銅有特殊的金屬光澤，常用作裝飾品，有延展性且質軟，便于敲打錘鍛，可制成工具及生活用品等器物。然而，人們在使用過程中發現銅在潮濕的空氣中容易生銹、產生裂紋且焊接性能會變差。這一過程深刻體現了物質的性質決定其用途，物質的用途反映物質的性質的化學觀念，同時啟示學生應辯證統一地看待事物。在充分認識到銅的兩面性后，人們不斷嘗試探索，尋找到了其他更優質的可替代的材料。

青銅與銅相比有更優的性能，熔點低，便于冶煉；熔化時的填充性能提升，有利于得到氣孔更少的鑄造物；硬度變大可制造武器等。即便如此，青銅在受潮或是埋入土中很多年后仍會生銹。青銅在使用過程中同樣存在兩面性，需要辯證地認識事物。古代勞動人民鍥而不舍地改進，又獲取了黃銅合金的制備方法，黃銅與青銅相比抗腐蝕性更強，時至今日黃銅制品仍舊在大規模應用。

（2）由個例歸納總結一般規律。

在《滇南新語》中記載了銅綠山煉銅的技藝，學生遷移已有的煉鐵原理，即一氧化碳還原氧化鐵，推測出銅的冶煉可能也涉及一氧化碳還原氧化銅的反應。部分學生還考慮到木炭和一氧化碳一樣具有還原性，也能與氧化銅發生化學反應得到銅，從而總結出一氧化碳、木炭等物質能與某些金屬氧化物發生反應得到金屬單質的一般規律，并據此提出了火法冶煉金屬的方法。

在對比銅的火法冶煉和現代高爐煉鐵的過程中，學生從冶煉目的、冶煉原理角度出發，尋找兩者之間的共同點。以鐵的冶煉、銅的冶煉為基礎，歸納總結出活動性較強的金屬的一般冶煉方法，認識并運用木炭、一氧化碳能與金屬氧化物發生化學反應得到金屬單質的性質，從冶煉目的、冶煉設備、冶煉原理、冶煉產品等多個角度認識古往今來在金屬冶煉方面的一致性，感受中華文明冶煉技藝的傳承與發展。

在《宋史·食貨志》中記載了濕法煉銅的具體方法“浸銅之法，以生鐵煅成薄鐵片，排置膽水（CuSO4溶液）槽中，浸漬數日，鐵片為膽水所薄”，在《淮南萬畢術》中記載“曾青得鐵則化為銅”，開啟了我國濕法冶金工藝。學生發現原理都是鐵和硫酸銅溶液發生置換反應得到銅單質，總結歸納出可嘗試利用金屬與某些金屬的鹽溶液發生置換反應，以此得到相應的金屬單質。這一發現使他們得到了金屬冶煉的又一種方法。

（3）生疑引發討論思考。

在探討古代金屬冶煉的發展歷程時，我們發現了從火法煉銅到濕法煉銅，再到火法煉鐵的一個明確順序。為了幫助學生更好地理解這一順序背后的時代背景與化學原理，我們可以將其拆分為以下兩個問題進行分析：①關于濕法煉銅為何會在火法煉銅之后出現。學生經過思考，提出了合理的解釋：濕法煉銅依賴于大量的鐵單質作為原材料，而鐵單質的發現和應用在時間上相對較晚。此外，古代人民早期更擅長利用火進行冶煉，因此火法煉銅作為更直接、更原始的方法首先被采用。隨著技術的進步和對金屬性質認識的加深，濕法煉銅作為一種更為高效、經濟的冶煉方式逐漸發展起來。②關于火法煉鐵為何在順序上是最晚出現的，以及它與火法煉銅之間的區別。學生認為這主要源于鐵與銅在金屬活動性上的差異。鐵的金屬活動性更強，意味著其更難從礦石中還原出來，同時鐵的熔點也高于銅，對冶煉設備和技術水平提出了更高的要求。因此，火法煉鐵的出現需要更先進的冶煉技術和更完善的設備支持。此外，冶煉技術的不斷發展和進步也是推動火法煉鐵出現的重要因素。學生還從這一過程中感受到了我國勞動人民執著于提高冶煉水平、勇于探索創新的工匠精神。通過這樣的拆分和分析，學生不僅能夠更清晰地理解古代金屬冶煉的發展歷程和背后的化學原理，還能夠深刻體會到技術進步和工匠精神在推動歷史發展中的重要作用。

璀璨的青銅時代，是人類智慧與汗水的結晶，孕育了精湛的工藝技術與價值連城的藝術品。時代更迭，現代黃銅制品以精美外觀融入日常生活。學生對合金的制備過程一直充滿好奇，若在課堂上親手制作黃銅制品，不僅可以激發他們的學習興趣，還能深化其對合金制備的理解。

自制黃銅“金片”的實驗步驟：①在燒杯中加入適量的白色固體（如硫酸鋅等，具體取決于實驗設計）后加入約10mL熱水，將燒杯置于酒精燈上加熱并用玻璃棒不斷攪拌，確保固體充分溶解。②放入預先準備好的銅片和鋅粒，注意保持燒杯穩定，避免溶液濺出。③等待一段時間，直至觀察到銅片兩面都均勻覆蓋上了一層白色固體（這實際上是銅與鋅反應生成黃銅的初步跡象）。④使用鑷子將銅片夾出，用濾紙輕輕擦干表面的殘留溶液。用坩堝鉗夾持銅片，在酒精燈上短暫加熱至其表面呈現金黃色（注意控制火候，避免過度加熱導致變形或熔化）。⑤將加熱后的黃銅“金片”迅速放入冷水中進行淬火處理，以增強其硬度和穩定性。

在此之前，學生對合金的認識大多停留在表面。通過這一系列的實驗步驟，學生不僅能夠親手制作出屬于自己的黃銅“金片”，還能在實踐中學習到合金制備的基本原理和技巧，進一步加深對化學學科的興趣和熱愛。

3. 滲透社會學，用發展意識增強社會責任感

HPS社會教育倡導在教學中，讓學生認識到科學不僅推動物質文明進步，還深受社會條件影響，并伴隨著社會責任。例如，火法煉銅與濕法煉銅的對比，前者雖有效但能耗高、污染大，后者則更環保、簡便，這體現了科技發展需兼顧環境保護的理念。

當前，隨著生態文明建設的重要性日益凸顯，習近平總書記提出的高質量發展與生態保護相協調的理念，為科學教育提供了新的方向。在教學中，通過討論和評價不同冶煉方法，不僅能增強學生的科學知識，還能培養他們的環保意識和社會責任感。以義烏國工新材料為例，其技術突破打破了國際壟斷，展示了中國在銅合金領域的自主創新能力。這一成就不僅是對傳統冶煉技藝的傳承與發展，也是對未來科技革新的鼓舞。鼓勵學生以此為榜樣，立志為中華民族偉大復興而學習，未來在金屬冶煉等領域發揮創造力，實現技術革新。

三、教學反思

1. 以HPS素材為中心，體現化學特色

HPS理念依賴于豐富多樣的素材來吸引學生興趣，并促進學生構建堅實的化學知識體系?；瘜W教材中潛藏著諸多與HPS理念相關的內容，這些內容的融入能夠豐富教學維度，有效培養學生的科學思維能力。為了實現這一目標，教學可以圍繞化學史實的發展素材展開，按年代順序梳理特定物質的變遷歷程。在這一過程中，學生運用所學化學知識解決實際問題，從而深刻體驗化學學科的獨特魅力。這種教學方法不僅展示了化學知識的應用性和實踐性，還引導學生深入探索科學本質，培養他們解決真實問題的能力，提升科學思維品質，并學會辯證地看待事物發展的規律。

2. 精選HPS教育素材，匹配化學課程

HPS教育緊緊圍繞科學史、科學哲學和科學社會學，這三部分內容在初中化學教材中都有所涉獵，貫穿化學課程始終，但由于科學哲學具有抽象性，難以講解，往往只能在課堂教學中逐步滲透。基于此，教師在教學設計時需結合課程標準要求、學生的已有認知與迷茫困惑點，挑選適合于本節課的HPS素材內容，以內容為載體，讓學生運用所學知識來解決實際的化學問題，發展化學學科核心素養。

3. 借助現代信息技術，多樣化呈現

融入HPS理念的化學課程通常會選用化學史、化學科學及其前沿知識等為素材，學生在面臨大篇幅文字時會感到枯燥無趣。

為了解決此問題，需要對內容的呈現方式進行創新，以激發學生的學習興趣。

現代信息技術的應用為此提供了新路徑，教師應緊跟時代步伐，充分利用現代信息技術營造更為直觀、生動的教學環境，以提升教學效果。

在本節課中，筆者嘗試將HPS教育理念融入化學教學中，但在素材選擇、展示方式以及現代信息技術應用等方面還有諸多要改進的地方。在未來教學中，筆者將致力于采用多樣化方法激發學生的探究興趣并促進學生科學思維的發展。

參考文獻

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

［2］ 霍愛新，靳瑩，李雙.基于HPS和STS培養學生化學核心素養的教學設計——以“發展中的化學電源”為例［J］.化學教學，2018（5）：33-36．

［3］ 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．