基于學生視角的科學HPS教育設計初探
——以《時間的測量》單元教學為例

廣東廣州市荔灣區詹天佑小學（510140）張愛民

2017年教育部頒布的《義務教育小學科學課程標準》提出，小學科學課程的總目標是要按照立德樹人的要求來培養小學生的科學素養，并為他們的繼續學習、成為合格公民和終身發展奠定良好的基礎。同時，將目標細分為“科學知識”“科學探究”“科學態度”“科學、技術、社會和環境”四個方面。科學課程標準重視學生對科學本質的理解，重視培養學生的優秀品德，關注科學與社會和環境之間的關系。HPS是科學史、科學哲學、科學社會學的英文縮寫。在科學課程教學過程中，融入相關的科學史和科學社會學等人文教育資源，并引導學生就這些內容進行哲學思考，讓學生認識到科學科技的發展與應用的價值。這樣既可以幫助學生聯系當時的社會情況去了解前人探索科學科技的過程與方法，正確地把握科學的本質，又可以使學生更好地客觀評價、理解和欣賞科學家及其從事的科學事業，激發其探究科學的熱情、勇氣與欲望，培養其創新精神、堅忍不拔的意志品質、社會責任感等人文精神。可見，開展HPS教育有利于達成科學課程標準提出的課程目標。但是，目前新舊版本的教科版小學科學教科書中，比較欠缺與各學習主題有關的HPS方面的教育內容，沒有可直接用于教學活動的現成的HPS教育資源，需要教師自己或安排學生圍繞教學主題去收集整理相關的HPS資源，去探索HPS資源的呈現形式和途徑、應用環節和方式方法等。

開展小學科學HPS教育，教師在選擇和編排學習資源內容、設計單元教育方案時，不僅要考慮學科知識自身的邏輯，而且要基于學生視角，充分考慮學生的“最近發展區”，符合由易到難、循序漸進的程序教學理論。這樣，學生才有能力更好地利用HPS資源去建構新知、培養能力和情感態度與價值觀，更好地達成教學目標。下面，以《時間的測量》單元教學為例，談談具體做法。

一、設計并編碼HPS教育單元資源庫

《時間的測量》是教科版小學科學五年級下冊的內容。依據小學科學課程標準和HPS教育理念，本研究對該單元的學習內容和目標作了調整，即基于學生視角另行安排單元學習內容和設定單元學習目標。基本設計思路（如圖1）是整體教學按照計時器發展的先后順序開展，即把單元教學內容整合成五個教學模塊：《時間在流逝》《太陽鐘》《水鐘》《擺鐘》和《從哲學視角看計時器的發展歷程》。對每一種計時器，讓學生先學習相關的HPS資源，然后重歷當時歷史上科研人員探索影響其計時準確性因素及其科學原理的研究過程；之后，在懂得科學原理和學會控制影響因素的基礎上，設計制作太陽鐘、水鐘和擺鐘并進行檢測的實踐活動。通過學習HPS資源和實踐探索活動，了解計時器的發展歷程，知道人類不斷增加的需求，促進人類不斷地探索和發展科學技術，并應用科學技術來改進計時器，從而使計時器得到了不斷的發展。同時，引導學生基于歷史環境和哲學視角去看待計時器發展過程中科學科技的應用，感悟中國古人刻苦鉆研的精神和令人嘆服的智慧。

圖1 《時間的測量》單元教學思路圖

有關人類計時器的發展與應用史料豐富，如太陽影子變化的規律、伽利略對擺的等時性的發現以及日晷和圭表、水鐘、惠更斯擺鐘的發明與應用等，這些都是開展科學教育活動的寶貴的科學人文資源。專題收集和整理了各類計時器有關的HPS資源，并與其他資源一起，按照該類計時器的發展歷程、科學原理、使用優缺點和未來發展前景的教學邏輯進行分類編碼，構建了便于提取的《時間的測量》單元HPS教育資源庫。

二、基于學生視角設計班級授課內容

如圖1，本單元的第1～7課既有HPS資料學習，又有實踐操作。其中HPS資料學習主要包括計時器的創造發明史和所依據的科學原理的發現史，實踐操作部分體驗了古人創造發明計時器的歷程并感知各種計時器的優缺點。也就是說，通過前面7課的學習與探索，學生完成了知識和工程技術內容的學習，對“人類認識時間和測量時間的歷史”有了大致的了解。“以史為鏡，可以知興替。”那么，“人類認識時間和測量時間的歷史”對現在的學生有什么啟發呢？為了幫助學生學會辯證地看待史實，特設第8課《從哲學視角看計時器的發展歷程》，旨在引導學生基于哲學視角，學習歷史地看待人類計時器的發展歷程，包括各類計時器的發明史以及在使用過程中所展現的優缺點和發展前景等。

第1課，學生體驗在無計時器的情況下估算時間流逝速度快慢的活動，領悟到估算時間誤差非常大、不靠譜，無計時器的古人計時只能準確到“天”，從而理解古人對計時器的需要，從而順勢引入“時間的測量及其歷史”探究課題。

第2和第3課《太陽鐘》，通過學習太陽鐘計時器（包括圭表和日晷）的發明史HPS資源，模擬實驗探索太陽鐘的科學原理，并經歷設計、制作、檢測等自主實踐探索活動，由此感悟人類的需求是創造發明的動力，科學知識是創造發明的前提條件；感悟我國古人的智慧和長期堅持觀測與研究影子刻苦鉆研的精神和毅力。同時，理解由于地球自轉和公轉，廣州地區每天與太陽的相對位置都會發生變化，所以陽光下物體的影子也會發生變化。以陽光下物體影子的變化方向規律為原理的日晷，只能記錄大概數而非準確數，大概只能準確到“時辰”，而沒有太陽的陰雨天、夜晚等時間無法使用日晷，又不便于攜帶，不能滿足人們的需求。因此，人類將繼續探索更好的計時器。

第4和第5課《水鐘》，通過學習水鐘的發明史HPS資源，實踐探索水位變化對滴水速度的影響等科學規律，并經歷設計、制作、測量等自主實踐探索活動。由此使學生進一步感悟人類的需求是創造發明的動力，科學知識和科學技術是創造發明的前提條件。認識到控制水鐘的水流均速流動和解決不斷添加水的難題需要高超的技藝，感悟我國古人創造水鐘的聰明才智；體會到雖然水鐘每時每刻都可以計時，卻仍然不準確，在計時準確和使用方便等方面并沒有實質性的突破；體悟到由于聰明的古人將太陽鐘和水鐘配合起來使用，使計時的準確性得到了較大提高，故太陽鐘和水鐘共存了多個年代。

第6和第7課《擺鐘》，呈現擺鐘相關的HPS資源：17世紀，伽利略發現了擺的等時性原理，惠更斯修正了這一原理，進而研究其在機械上的應用，設計出了嚴格等時的擺鐘結構。擺鐘的精確度是歐洲以前計時器的100倍，將平均每天15分鐘的誤差改進到每周大約1分鐘的誤差。學生通過學習這些HPS資源，實踐探索影響單擺擺動速度的因素，并設計、制作與檢測擺鐘的準確性等實踐活動，進一步領悟到科學技術的進步會促進計時器的發展。

在第8課內容中新增近現代石英鐘和原子鐘的發展歷程HPS資源：1880年，法國人皮埃爾·居里和保羅·居里就發現石英晶體具有正反壓電效應——這正是制造鐘表“心臟”的良好材料。1929年，科學家以石英晶體制成的振蕩計時器和電子鐘組合，制成了石英鐘。經過測試，一只高精度的石英鐘，每年誤差僅為3～5秒。石英鐘雖然精確度極高，但是仍不能滿足科學家科學研究的需要。19世紀30年代開始，科學家們對原子振動研究和原子鐘進行富有成效的研究，如今的原子鐘極其精確，其誤差為10萬年內不大于1秒。這一課繼續將學生的學習活動引向近現代社會生活和科學科技研究的前沿陣地，體會人類不斷增加的需求、科學科技的發展、創新創造對人類社會進步的重要性。

我們期望學生通過本課的學習，學會聯系各個時代的社會、政治、經濟、人文環境和當時科學科技發展的狀況等因素，去體悟古往今來科研人員的精神和智慧，正確地把握科學的本質，產生和保持探究科學的熱情、勇氣與欲望，養成實事求是、創新創造的精神和堅忍不拔的意志品質，樹立科技報國的理想信念和社會責任感。

三、通過個別輔導提高實踐操作效果

為了提高實踐操作的準確性，教師對部分學生進行一對一指導，幫助被指導學生以最佳狀態完成設計、制作和測量實踐。如有的學生參考教科書和網上視頻制作了晷面刻度均勻的地平式日晷，觀測時卻發現一天當中光影并不是均勻地移動的，計時非常不準，于是向老師求助。通過教師的一對一指導，學生終于弄清楚晷面刻度均勻的日晷應該安裝成為赤道式日晷，其晷面的朝向和傾斜角度如圖2所示。最后，利用地球儀和三球儀做模擬實驗，使學生體會到制作相對準確的太陽鐘非常不容易，感悟到我國古人刻苦鉆研的精神和智慧。

圖2 廣州地區日晷面的朝向和傾斜角度圖解

又如，在學生研究擺的過程中，教師發現學生對擺幅大小這個條件的控制不到位，影響了實驗的效果。通過一對一指導，這部分學生懂得了利用參照物來確定擺幅，實現了有效的實驗控制，并和班上的同學進行了分享。

四、組建幫扶小組幫助弱勢學生學習

本單元的實踐探索存在一定的難度，弱勢學生無法獨立完成全部的實踐操作。教師挑選班上領悟能力和實踐操作能力強的學生組成幫扶小組，在學習上對弱勢學生進行一對一幫扶。優秀學生反饋，幫扶弱勢同學并沒有浪費自己的時間，因為在這個過程中自己也鞏固了所學的知識，而且在幫助同學的過程中體會到了助人的快樂。弱勢學生在優秀學生的幫扶下突破了學習難點，體會到學習成功的喜悅，對學習更有興趣、更有信心了，班級歸屬感也增強了。

立德樹人是教師開展教育活動的出發點與歸屬。在設計教學時，教師不僅要深入研究本學科的教學內容，而且要善于運用古往今來中國優秀傳統文化去影響、感化教育學生，讓學生從小樹立文化自信和科技報國有我參與的愛國熱情、理想信念。HPS教育為科學教師開展中國優秀傳統文化教育，實現立德樹人教育目的提供了一條很好的教育途徑。如何在科學學科教學過程中更好地融入HPS教育？對于這個問題，仍然有許多未知的方面需要我們去探索。