基于HPS的實驗教學設計與實踐

一、教學主題內容及教學現狀分析

（一）教學主題內容

“一定物質的量濃度溶液的配制”作為高中化學實驗教學的核心內容，是學生理解化學計量學原理、掌握定量分析能力的重要載體。該實驗涉及物質的量濃度計算、儀器規范操作及誤差分析等關鍵知識點，同時承載著培養學生科學探究能力與社會責任意識的教育價值。隨著《普通高中化學課程標準》（2017年版2020年修訂，以下簡稱《課標》）對核心素養的強調，實驗教學需從“知識傳授”向“素養培育”轉型，通過科學史、哲學反思與社會議題的融合，重構實驗教學的價值鏈。

（二）HPS教育理念的應用進展及局限

HPS（History，philosophy and sociologyofscience）教學模式由孟克和奧斯本（均為英國著名科學教育學家和倫敦大學國王學院教授）于1997年提出，以建構主義理論為基礎、融合科學本質教育[2]。目的是促進學生對科學本質的認識，包括科學史、科學哲學、科學社會學三個方面的內容。科學史的學習可以幫助學生更深層次地認識科學課程，科學哲學的學習有利于培養學生的批判性思維，而科學社會學的有利于提高學生的綜合能力，促進學生全面發展和健康成長[3]。HPS教育模式在學生對科學本質的理解、促進科學知識的建構、培養學生科學思維以及探究能力等方面都具有一定的效果[4]。在科學課程教材研究方面，有的從HPS教育理念的三個維度出發，對比分析了兩種版本（人教版與蘇教版）的高中化學教材中涉及“物質結構元素周期律”相關知識融入HPS教育的情況。有的以2019年人教版、浙科版必修2的高中生物學教材為例，對教材中HPS內容的呈現形式與分布特征進行了比較研究，有的將STS與HPS融合到初中化學課堂教學中，為尋求更加合理有效的教學方式提供了依據，這些研究為一線教師開展HPS 教學提供了有益的參考。但現有研究多聚焦單一維度（如歷史案例引入），缺乏HPS三要素的系統整合，且與AI技術工具深度協同方面的研究。

（三）跨學科融合教學的實踐探索

跨學科融合教學通過學科間的知識聯結，促進學生綜合問題解決能力的發展。在“一定物質的量濃度溶液的配制”實驗中，其融合路徑主要表現為（見表1）：

表1“一定物質的量濃度溶液的配制”實驗跨學科融合路徑

盡管跨學科融合教學已取得一定進展，但其案例多停留在“生活化”情境（如自制溶液），缺乏前沿科研與復雜社會問題的深度關聯，且未與HPS框架形成協同效應。難以實現“知識—技能一素養”的協同發展。

（四）溶液配制實驗的研究焦點

中國知網檢索顯示（截至2025年2月），以“一定物質的量濃度溶液的配制”為主題的文獻共128篇，跟本文相關的研究聚焦以下方向：操作技能與誤差分析，通過歸納學生常見操作錯誤（如未冷卻定容、未洗滌燒杯），提出針對性訓練策略；高考命題趨勢，揭示考查重心向“誤差歸因與倫理反思”轉型；虛擬實驗技術應用開發AI虛擬實驗平臺，顯著降低學生操作錯誤率，提升實驗效率；核心素養導向教學設計，構建“操作一誤差一倫理”三維一體的教學模式，強化學生的科學態度與社會責任。多數研究仍以應試導向為主，缺乏對科學本質觀（如認知演進規律）與社會責任（如技術倫理）的系統化設計，AI工具多局限于“操作糾錯”，未賦能素養培育。

將HPS理念貫穿實驗教學全流程（從歷史情境引入到倫理反思總結），并借助AI技術工具實現抽象理念的具象化表達理念的系統化應用、倫理教育的可量化評價以及前沿案例的深度開發，通過實驗教學設計，將社會責任轉化為具象任務（如環保方案設計），使倫理教育“可觸達、可評價”，平衡AI的“技術輔助”與“人文浸潤”功能，使其既提升實驗效率，又成為科學價值觀培養的媒介，是未來研究的重要方向。本研究以“HPS—AI—社會問題”三維融合為框架，旨在填補上述空白，為化學實驗教學改革提供理論與實踐參考。

二、教學理念與創新點

（一）教學理念

基于《課標》提出的化學學科五大核心素養，本節課以素養為本的教學理念為指導，通過“歷史情境導入一虛擬實驗探究一社會議題遷移”的三階段模型，設計“一定物質的量濃度溶液配制”的高三復習課。本教學設計中的教學活動充分貫徹了發展學生化學學科核心素養的理念，具體如表2、表3所示。

表2教學理念與具體行動對應表

表3化學學科核心素養與學生活動對應表

（二）教學創新點

1.構建系統化的HPS教育理念應用教學設計的框架。將HPS理念貫穿實驗教學全流程（從歷史情境引入到倫理反思總結），并通過AI工具將抽象哲學問題（如誤差的不可避免性）轉化為可視化數據分析，實現理論與實踐的閉環。

2.提出AI工具的雙重角色——“技術輔助者”（提升實驗效率）與“思維引導者”（通過社會影響分析報告連接科學與社會）。將AI技術工具從“效率提升手段”升級為“素養培養媒介”，不僅模擬“定容俯視”的操作錯誤，還生成該錯誤對疫苗有效性的潛在影響數據，觸發學生反思“精確性”的社會意義。

3.跨學科案例與前沿科研和真實社會問題深度關聯。選擇“疫苗緩沖液配制”與“水質檢測試劑開發”兩類案例，體現“科學一技術一社會”的復雜互動。

4.遷移應用場景具有科研前沿性和社會真實性。mRNA疫苗案例關聯諾貝爾化學獎成果，賦予實驗教學時代性；水質檢測案例直擊環境治理痛點，引導學生從“溶液配制”到“社會公平”的批判性思考。

5.創新核心素養的培養路徑。核心素養研究多關注學科能力（如實驗操作、計算），較少涉及科學倫理與社會參與。即便涉及，也多以理論說教為主，缺乏具象化載體。本研究通過“設計低成本水質檢測試劑盒”等任務，將社會責任轉化為可操作的實驗目標，使素養培養落地于真實問題解決（如貧困地區檢測資源短缺）。

三、教學目標

（一）通過貝采里烏斯科學史案例，理解科學研究的動態性與自我修正特性，培養批判性思維和科學本質觀。結合水質檢測案例，討論科學資源分配的公平性，樹立“科學服務社會”的價值觀，提升社會責任意識。

（二）通過AI虛擬實驗平臺，重現溶液的精確配制，熟練使用天平、容量瓶等儀器。通過分析誤差數據并生成修正方案，培養學生實驗操作與數據處理能力。通過AI工具量化誤差后果，指導科學決策。

（三）結合數學計算、物理原理，在準真實的生物和環境場景中培養學生跨學科解決問題的能力。

四、教學流程

本節課以“HPS理念 +AI 技術 + 跨學科案例”三維融合，通過“歷史情境導入一虛擬實驗探究一社會議題遷移”的三階段模型，重構高三化學實驗復習課，使溶液配制從高考考點升華為科學使命，發展化學科核心素養，助力學生成為兼具操作精度、批判思維與社會擔當的未來公民。嘗試為科學教育中的倫理教育與社會參與提供可復制的實踐范式，具體教學流程如圖1所示。

環節 目標 內容 AI工具應用 教學形式AI生成歷史時間線貝采利烏斯 1.小組討論：“若你是擔示科學認知的 19世紀貝采利烏斯溶液配制 實驗經歷；對比視頻展示： 19世紀的化學家，如何

情境導入 進規律，激發 誤善案例；阿倫尼烏斯電離 deepseek結合即夢AI生成19世 修正誤蓋？”（歷史） 學習興 理論的提出；現代溶液配制 經溶液配制場景與學生高一做 2.AI生成歷史案例報告，技術的發展 實驗的歷史視頻的美異 輔助學生理解科學史配制500mL0.1mol/LNaCi液 1.虛實驗平臺（如Nobook）實

保規律案例1：疫菌緩沖液配制 1.社會影響報告生成器（如“疫苗2.AI評估方案的可行性與社會影 苗失效，是否維續生產？”）

五、教學過程

六、教學反思

（一）教學成效總結

本研究基于“HPS—AI—社會問題”三維融合框架，以“一定物質的量濃度溶液的配制”為例，構建了“歷史情境導入一虛擬實驗探究一社會議題遷移”教學模式。實踐表明，該模式在以下方面取得顯著成效：

科學本質觀的內化：通過科學史案例（貝采里烏斯的誤差修正）與哲學辯論（“誤差的不可避免性”），學生逐漸理解科學研究的動態性與自我修正特性，其批判性思維與科學探究能力顯著提升。

技術賦能的效率提升：AI虛擬實驗平臺的應用，重現實驗操作流程和關鍵操作要點，同時使學生的操作錯誤率降低 45% ，實時反饋機制有效縮短了技能訓練周期。

社會責任感的覺醒：結合疫苗緩沖液配制與水質檢測試劑開發案例， 85% 的學生在《科學責任宣言》中提出了具象化的倫理行動方案（如“實驗廢液零排放”），體現了科學教育從“知識傳遞”向“價值引領”的轉型。

（二）實踐創新與不足

1．創新點

三維融合設計：

HPS理念系統化：科學史、哲學與社會學的有機融合，突破了傳統教學中三者割裂的局限。例如，通過貝采里烏斯案例，學生不僅學習操作步驟，更理解科學認知的演進規律。

AI工具的雙重角色：AI既是技術輔助者（虛擬實驗操作和糾錯），又是思維引導者（倫理決策樹模擬），推動“技術一人文”協同發展。

素養評價的可視化：通過AI生成的誤差分析報告與社會影響模擬器，將抽象的倫理素養（社會責任）轉化為可量化的行為指標（試劑盒設計公平性評分），為核心素養評價提供新范式。

2.現存問題與改進方向

技術依賴的潛在風險：部分學生過度依賴AI工具的實時反饋，弱化了自主反思能力。例如，在虛擬實驗中，學生更關注“操作是否被AI判定正確”，而非主動分析誤差根源。未來可優化技術賦能路徑：如開發更具交互性的AI工具（如虛擬實驗室中的“反思模式”），要求學生在接受反饋前自主提交誤差分析報告，平衡技術輔助與自主探究；引入生成式AI（如ChatGPT），模擬科學家的決策過程（如“如果你是貝采里烏斯，如何回應質疑？”），強化角色代入式學習。

跨學科案例的深度不足：疫苗緩沖液案例雖關聯生物醫學，但因課時限制，未能深入探討mRNA技術的分子機制，部分學生仍停留在“配方記憶”層面。聯合生物、環境科學教師，開發“疫苗研發全流程”或“流域污染治理”等長周期項目，以項目式課程將溶液配制嵌入真實科研鏈條，拓展學科整合深度。

教師角色的轉型和學生適應挑戰：與傳統教學模式相比，教師對HPS理念與AI工具的應用尚不熟練，教學中陷入“技術主導”和“哲學空談”，學生也陷入眼花繚亂的AI工具使用和操作中，核心素養達成不盡如人意。未來可以通過設計“HPS—AI融合教學”工作坊加強教師專業培訓，幫助教師掌握科學史敘事技巧、AI工具操作與倫理議題引導策略，促進教學理念的迭代升級。構建“知識一技能一倫理”三維評價體系，結合學生實驗報告、倫理辯論表現與社會實踐成果，實現核心素養的多維度追蹤。

結束語

“一定物質的量濃度溶液的配制”實驗教學的改革實踐表明，化學教育需超越“操作訓練”與“公式記憶”的傳統框架，在科學史中汲取智慧，在技術賦能中提升效率，在社會議題中升華價值。未來的教學探索應更注重“人本”與“技術”的平衡，使科學教育真正成為培養“有溫度的未來公民”的搖籃。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.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.

[2]錢仁凱，程國勝.HPS教學模式在培養學生科學思維中的教學實踐：以“植物生長素的發現”為例[].中學生物學，2022，38（8）：9-11.

[3]李明洋.融合HPS和STS的教學模式在初中化學教學中的實踐探究[D].貴陽：貴州師范大學，2024.

[4]湯志浩.高中物理教學中應用HPS教學模式提高科學本質認識的研究[D].聊城：聊城大學，2023.

[5]朱韶紅.基于HPS教學模式培養科學思維的實踐研究：以“水的組成”為例凹].化學教與學，2022（7）：14-19.

本文系2024年度福建省教育科學規劃常規課題 ∵APS 教育理念下跨學科融合的化學課程資源開發與利用”（課題編號：FJJKZX24-244）研究階段性成果。