基于HPS教學模式培養科學思維的實踐研究

朱韶紅

摘要：以化學史實為主線，從水的生成和水的分解兩個角度展開，融合HPS教學模式，充分挖掘教學內容與學科思維培養之間的關系，設計指向發展學生科學思維的探究活動，注重將宏觀的實驗現象與微觀的反應原理的整合，力求形成對“水的組成”全面而整體的認識。

關鍵詞：HPS教學模式;科學思維;水的組成

文章編號：1008-0546（2022）04-0014-06

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04.003

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

一、教學內容分析

1.教學內容分析

“水的組成”是人教版九年級上冊教材第四單元“自然界的水”課題3的內容。內容在“氧氣”之后，學生初步具有定性認識物質的性質、變化及用途的能力，但是對具體物質的研究模型還是比較模糊的。在《義務教育化學課程標準（2011版）》的五個內容主題中，“水的組成”在內容上隸屬于課標主題2“身邊的化學物質”，與其他幾個主題之間的關系如圖1所示。

本節課需要達成的頂層目標是認識水的組成，整節課通過科學探究的方法，以“水的組成的發現史”為線索，最終達成區分單質和化合物、從微觀角度認識化學變化的本質特征等教學目標，初步架構宏觀物質和微觀粒子之間的橋梁。教學過程中筆者通過整合、擴展教材中相關化學史的內容，引導學生通過科學探究的方式，通過分析“氫氣的燃燒”和“水的電解”實驗的宏觀現象，運用宏微結合的化學思維方法揭開兩個反應的微觀本質，引導學生初步學習用“宏觀—微觀—符號”三重表征方法來闡釋分子、原子及元素等物質結構和組成。

2.教學現狀分析

水的組成這個課題是初中化學教學研究的熱點之一，知網收錄的文獻中關于“水的組成”內容的課例十分豐富。筆者查閱了從1957年-2019年期間的共78篇文獻，其中碩士論文7篇，期刊等發表71篇，文獻對本內容的研究大多集中在“策略的選擇”“案例的設計”“實驗的改進”等方面。例如何彩霞認為應在化學元素觀視角下認識水的組成[1]。白建娥認為史實性的情景是探究水的組成的良好載體[2]。周文榮對氫氣燃燒及氫氣的爆鳴實驗進行改進，不僅增加了實驗的安全性和可操作性，還通過對生活中的素材的開發，讓化學實驗更加貼近學生[3]。但已有文獻中對于如何運用HPS教學模式，培養學生科學思維涉足的不多。

3.教學模式分析

HPS（History，Philosophy and Sociology of science）教育的核心是“促進對科學本質的理解”。HPS教育是以科學史料為基礎，展示科學方法的進化，讓學生感受和體驗科學發展的過程，從中學到科學研究的方法，領悟科學家嚴謹求實、敢于質疑、勇于創新的科學精神[4]。

基于“HPS教育理念”的化學課程中，學生不僅僅學到化學學科的具體知識，還要通過滲透有關科學史、科學哲學和社會學等人文內容，模擬或重演科學家的探究過程，使學生了解知識的產生和發展過程中所蘊含的科學思維、科學精神，了解知識的來源和科學家的思維方式，認識到化學知識的發展也是受到社會因素與個體因素影響的，認識到學科知識不是累加得來，而是科學研究范式不斷變化或改進、不斷糾錯的結果;在學習那些一度被質疑、被否定的過程中，讓學生厘清對某個科學問題發展的脈絡，在此過程中還能增強學生對化學學科的歷史認同感，使學生真正領悟科學的本質。

二、教學創新點設計

1.精選化學史料

開展HPS教學首先要重新建構科學知識體系，從科學史、哲學和社會學角度將大量的自然科學內容進行重組與整合[5]。本節課梳理了中國古代的五行說、拉瓦錫研究空氣成分的經典實驗、普利斯特里與卡文迪許的氫氣燃燒實驗以及拉瓦錫的水的分解實驗等眾多的化學史實，引發一系列的問題，形成具有邏輯性的問題鏈。

2.改進有安全隱患的實驗

在學生的生活經驗里，氫氣填充氫氣球已是事實，但是氫氣球爆炸的新聞也使學生對化學產生了畏懼心理。本節課使用圖2的器材按下列步驟完成實驗：把鋅粒和稀硫酸裝入簡易氫氣發生器中，將制氣裝置擰緊蓋子（帶針狀導氣管）;用另一套簡易制取裝置把瓶蓋和瓶塞去掉，瓶中裝約半瓶水，把收集氣體的瓶口套在制氣裝置上，用“排水法”收集氫氣;待收集瓶中水排盡，用電子脈沖點火器點火。瓶中的氫氧混合氣體被點燃發生爆炸，塑料瓶被氣浪沖上天花板，因瓶子容量小，整個模擬爆炸實驗僅僅發生了爆鳴而沒有任何危險。

3.精選教具

教師使用了高中物質結構的球棍模型為本節課的教具。在氫氣燃燒和水的電解實驗完成后，學生動手拆解水分子的球棍模型，組裝氫分子和氧分子的球棍模型，模擬電解水的微觀過程，體會到化學變化的微觀本質。同時還及時利用這些球棍模型進行初步的物質分類內容的教學，為抽象的概念教學搭建了一個直觀平臺。

三、學情分析

學生通過小學科學和中學物理課程的學習及生活經驗的積累，對水的性質不完全陌生，但對于水的組成并不完全了解，對水的化學式“H2O”僅僅停留在記憶層面，尤其化學式在歷史上是怎么得到的，又代表了怎樣的含義并不十分清楚。本節課是初中化學學習過程中學生接觸的第一種化合物，不僅需要了解化合物的組成，還隱含著“定組成定律”，所以本課題的學習對學生而言具有一定的挑戰性。

四、教學目標設計

基于HPS模式培養科學思維的教學目標應將多維目標進行整合，通過設計科學探究活動等學習方式，達成對科學方法、科學觀念、科學過程的學習?；诖瞬⒖紬钣袂俳淌诘摹皩W科核心素養視域下的教學目標的科學研制和準確表達”，設計并制定如表1所示的教學目標。

五、教學結構設計gzslib202204022055

本節課的教學結構以教材原有的知識結構為明線，同時注意暗線（即問題線、素養線）的設計。學科知識結構與人的認識結構往往有沖突，教學過程中首先應尊重學生的認識結構，學科知識結構設計成有一定邏輯關系的問題，通過問題兼顧學科知識和人的認知。筆者設計的教學結構如圖3。

六、教學實錄

環節一：導入[導入]播放動漫《可愛的小水滴》

環節二“：水的組成”之化學史料

[教師]有些家長在給孩子起名時會用“鑫”“森”“淼”等字，這與什么觀念有關？

[學生]五行學說。

[資料]PPT呈現中國的五行學說和西方的四元素說的相關資料（見表2）。

[教師]對于“水”的認識，古今的觀念有了很大的不同。在古代，無論是中國還是西方，都將“水”作為組成宇宙萬物的一種元素?，F在的理論卻認為“水”并不是一種元素，在十八世紀，已經有科學家對“水”的組成進行了科學探索，卡文迪許和普利斯特里就是其中的代表，但兩位科學家不敢挑戰當時錯誤的主流學說，與發現“水的組成”失之交臂。直到拉瓦錫才算是將“水的組成”確定下來。

[資料]播放視頻：卡文迪許和普利斯特里的氫氣燃燒實驗。

設計意圖：通過展示認識“水的組成”這一問題的化學史發展脈絡，讓學生了解科學發現是在曲折中前進的，深挖化學史在教學中的育人價值。

環節三“：水的組成”之研究思路

[教師]PPT顯示拉瓦錫研究空氣成分的實驗裝置。

[教師]提問：曲頸甑中產生的紅色固體是什么？含有哪些元素？

[學生1]氧化汞。含有汞元素和氧元素。因為反應物中有汞元素和氧元素，反應前后元素種類不變，所以反應后生成的紅色固體也必然有這兩種元素。

[教師]對紅色固體進行加熱后再次得到汞和氧氣，能否得到和剛才相同的結論呢？

[學生2]可以，也能利用反應前后元素種類不變來解釋。

[教師]研究物質的元素組成，可以通過正反兩個角度來驗證，即物質的生成與分解。

設計意圖：通過梳理拉瓦錫空氣成分的相關實驗，給“水的組成”提供了探究思路，并厘清物質元素組成的一般研究方法。

環節四“：水的組成”之氫氣燃燒

教學活動見圖4。

設計意圖：步驟1借助生活中常見兒童玩具“泡泡水”來進行實驗探究，拉近了學生與實驗探究之間的距離感，也更好地激發了學生進行探究的欲望，更重要的是促進了學生在生活中進行科學探究的意識的養成。另外通過氫氣可以吹起泡泡，且吹起的泡泡往天上飛，以此推測出氫氣難溶于水、密度比空氣小等物理性質。步驟2通過創新實驗裝置，使得具有危險性的演示實驗轉變成安全系數更高的小組實驗，增加學生動手的機會，讓學生自身體驗實驗探究的過程。步驟3通過點燃電解水產生的氫氣，引起學生的認知沖突——為什么點燃電解水產生的氫氣不需要驗純？這里是通過實驗讓學生產生困惑，而不是教師提出問題。接著教師可以通過追問為什么步驟2中裝滿水的收集器中的氫氣安靜的燃燒而沒有裝滿水的卻發生了爆炸，引導學生進行自我推演。三個步驟設計了三種不同的教學活動，內隱著具有一定邏輯關系的思維方法。

[教師]上述氫氣燃燒的實驗，能說明水的元素組成嗎？

[教師]講解“最調皮的科學家—普利斯特里”。普利斯特里把金屬和酸液反應生成的可燃氣體和空氣混合在一起裝在試管里，碰到朋友來訪，就開始演示，只見他一點火，試管立馬吐出長長的火舌，并發出震耳欲聾的爆炸聲，他把他的道具叫做“爆鳴氣”。在他干了很多次“爆鳴氣”惡作劇之后，終于有一天，他發現用于演示的試管里會出現一些“露珠”，一開始他以為是試管沒有擦干凈，或者是因為英國的空氣太潮濕。后來，他把試管擦得很干凈，也用了干燥的空氣，還是發現有水滴，他只能推論，金屬碰到酸液產生的可燃氣體可以燃燒生成水，但他就此并未繼續深入研究，錯失了發現“水的組成”的機會。

設計意圖：因教材內容的呈現上“氫氣燃燒”僅是驗證性實驗，但本課結合了“最調皮的科學家—普利斯特里”的故事，賦予了“氫氣燃燒”實驗一定的歷史背景，讓學生跟著科學家的腳步來進行實驗探究。

[學生3]討論后得出結論：氫氣（H2）+氧氣（O2）點燃水，根據化學反應前后元素不變，說明水中有氫元素和氧元素。

環節五“：水的組成”之電解水

[教師]視頻：拉瓦錫的紅熱槍管實驗。

[演示實驗]電解水。

[學生4]兩電極上都冒氣泡，負極產生的氣泡比正極產生的要快。

[教師]（補充）一段時間后，負極產生的氣體體積約是正極的兩倍。

[演示實驗]打開水電解器上方的活塞，用燃著的木條分別檢驗正極和負極產生的氣體。

[學生5]正極產生的氣體能使燃著的木條燃得更旺，說明正極產生的氣體是氧氣;負極產生的氣體能被點燃，出現微弱的淡藍色火焰，說明負極產生的氣體可能是氫氣。

[教師]在負極的管口罩一個干冷的燒杯，出現水霧，說明負極產生的氣體確為氫氣。根據電解水的實驗現象，能否也能得出水的元素組成呢？

[學生6]討論后得出結論：水通電氫氣（H2）+氧氣（O2），根據化學反應前后元素不變，也能說明水中有氫元素和氧元素。

[教師]提出下列問題供學生思考討論：1在實驗中，負極產生的氫氣為什么不用驗純即可直接點燃？2在實際的實驗中，產生的氫氣和氧氣的體積比往往大于2∶1，說說你的猜想？3氫氣和氧氣的密度分別是0.0899g/L，1.429g/L，你能計算出水分子中氫原子和氧原子的個數比嗎？

[學生7]1在實驗開始前，水電解器的負極玻璃管中充滿了水，因此產生的氫氣中不會混有空氣或氧氣;2可能是氫氣比氧氣的溶解度小，也可能是水電解器中的電極對氧氣的吸附能力大，也可能是加入的氫氧化鈉或硫酸鈉對結果造成影響......3可以通過計算出產生的氫分子和氧分子的個數比為2∶1，確定水分子中氫原子和氧原子的個數比也是2∶1。gzslib202204022056

[教師]因此水的組成可以用H2O表示;

[學生]兩人一組，用硬幣來模擬電解水的微觀過程（一塊硬幣代表氧原子，五角硬幣代表氫原子）。

設計意圖：在教學中結合三個問題對電解水實驗進行深度挖掘，首先是培養學生理解實驗、解讀實驗的能力;其次是培養學生進行科學猜想的習慣;最后結合對粒子個數的計算，培養學生定量分析實驗數據的觀念。并通過硬幣之間的拆分、重組，將不可視的化學變化微觀過程可視化，達到宏觀和微觀的有機結合。

通過氫氣的燃燒和水的電解兩個實驗展開對水的組成的探討，但也應該追根溯源，為什么要從氫氣的燃燒和水的電解這兩個實驗來研究水的組成呢？這是有歷史依據的，從普利斯特里和卡文迪許兩位科學家沒能擺脫錯誤觀念的束縛，到拉瓦錫從研究空氣組成實驗中受到的啟發等化學史實，引導學生從不同的角度認識物質元素組成的研究方法，并學以致用解決新的問題——水的組成。但是通過定性的實驗只能得到水是由氫元素和氧元素組成的，并不能得出水的化學式。這就需要拓展的內容，這里可以給學生提供氫氣和氧氣的密度，這樣學生結合物理知識，就能算出氫氣和氧氣的質量，此時教師再給出提示，氫分子和氧分子的相對質量分別是2和32，不難算出氫氧原子的個數比，再推論得到水的化學式為H2O。這樣的推理就像一個鏈條一樣，一個齒輪一個齒輪間緊緊契合著，培養了學生的思維能力，也培養學生基于證據的推理意識。

環節六“：水的組成”之物質分類

[教師]從物質分類上來看，水是一種什么樣的物質？是純凈物還是混合物？它與氫氣在組成元素的種類上又有什么不同？

[學生9]水是純凈物，含有兩種元素，氫氣只有一種元素。

[教師]單質、化合物、氧化物的概念辨析。

[學生]活動：給十種物質找到其“分類之家”。

七、教學反思

1.培養科學思維是立德樹人的根本要求《義務教育化學課程標準（2011版）》在開篇就明確指出“義務教育階段的化學教育，要引導學生體驗科學探究的過程，啟迪學生的科學思維”“引導學生認識化學、技術、社會、環境的相互關系，理解科學的本質”。

2020年伊始新型冠狀病毒疫情爆發，各式各樣的消毒液走進人們的生活，然而因缺乏化學常識，“大量噴灑酒精引起火災”“喝消毒液殺死病毒”“將潔廁靈和84混用來增強消毒效果”等“事故”也曾一度上過各大網站的熱搜。社會人運用化學思維解決生活實際問題的能力堪憂。鑒于此，中學化學的課堂需要全面、準確、高效地落實“為誰培養人，培養什么樣的人，怎樣培養人”的教育目標。

2.讓科學思維成為真正的教學目標

初中階段的化學教學應引導學生學會認識科學、掌握科學探究的基本方法，引導學生逐步認識并理解科學本質，培養科學思維。讓學生了解研究物質及其變化規律的思路和方法，能從宏觀、微觀、符號三者的結合分析物質組成、結構及其變化。

本節課沿著“水的組成”的發現過程這條明線，引領著學生“用科學家的視角”體驗這一段歷史的重演，循著化學科學史的足跡幫助學生建構知識，讓學生在化學史中領悟科學探究的艱辛，逐漸養成不屈不撓的科學探索精神和勇于質疑的批判精神。教師引導學生對氫氣燃燒和水的電解兩個實驗事實的對比，引領學生進行基于證據的推理，運用比較、分析、綜合、歸納、分類科學方法，構建對“純凈物中元素組成”的研究模型，為后續純凈物組成的學習起到很好的示范和引領作用，并為后續質量守恒定律的學習打下基礎。HPS教育模式的使用，學生更多收獲的是從定性、定量多角度地對化合物組成研究思路的洞察，通過模式中“Philosophy”分析科學的起源、科學發現的邏輯起點、科學理論的邏輯結構、科學方法的認識論意義等，達到對科學知識的理性思考。

3.充分挖掘科學思維培養的教學內容

許多成功的教學實例，都是因為教師對學科內容有著深入、獨到的解讀，對學科的知識發展有著深入的理解，對學科知識如何轉化為學生的認知有著恰當的把握，對學科核心素養的形成有著深層次追問[6]。就科學知識本身而言，是一種事實性的描述，但對科學知識的理解卻是一種價值判斷，負荷了認知主體的價值判斷。教材文本中呈現的事實性知識，全部了解也未必能轉化為學科素養，這些學習內容隱含的科學思維需要通過教師的課堂講解（實驗、探究、剖析等），需要教師不斷挖掘相關的教學內容，讓學生體驗在實際問題的解決過程科學家的思維方法，使他們主動并有效地運用科學思維去解決陌生和復雜的情境問題，幫助學生形成學科理解，這些由學科角度出發的理解概括起來才能稱之為科學思維，最終真正轉化為學生的關鍵能力。

參考文獻

[1]何彩霞.圍繞“化學元素觀”展開深入學習——以“水的組成”教學為例[J].化學教育，2013，34（4）：36-39.

[2]白建娥.利用化學史促進探究教學的案例研究[J].化學教育，2013，34（9）：21-23.

[3]周文榮.優化演示實驗培養創新能力——以“水的組成”演示實驗為例[J].中學化學教學參考，2017（18）：59-60.

[4]李君玉.HPS教育融入中學科學教育[J].教學月刊：中學版，2007（9）：8-10.

[5]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.