新課標背景下小學科學技術史教育的單元設計與教學

史加祥

【摘? ?要】《義務教育科學課程標準（2022年版）》明確提出科學課程需要幫助學生理解科學與技術的發展歷史。實踐證明，從2022年版課標的要求出發，開展基于HPST的單元設計和教學實踐能促進學生科學核心素養的培養。以“時間”主題的教學為例，教師在完成HPST單元設計，確定教學模式的基礎上帶領學生開展多種活動，同時關注學生的學習經歷，對教學模式進行調整和完善，為落實課程標準，促進學生科學課程核心素養的發展提供了有效抓手。

【關鍵詞】課程標準;科學技術史教育;核心素養;單元教學

2022年4月頒布的《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“2022年版課標”）明確指出，科學課程需要幫助學生從整體上認識自然世界，理解科學、技術、社會與環境的關系，在課程實施和教學建議中也多次提及要滲透科學史教育。科學史（History of Science，簡稱HOS）是人類歷史發展與文明進程中的重要組成部分，是科學教育的重要資源。自近代科學教育改革實行以來，科學史對科學教學的作用越來越受到重視，科學史教育從邊緣進入中心，發揮出促進學生對科學本質的了解與把握和科學素養的提升的作用。[1]科學史教育是科學史與科學哲學的融合，在科學教育中被稱為HPS（History and Philosophy of Science），小學階段的科學史教育不僅要關注千百年來的自然世界，即科學歷史與哲學，還應該關注改變和操控自然世界的能力，即技術。這也就是科學技術史教育，稱為HPST（History and Philosophy of Science and Technology）教育。

在對目前小學科學課程教育教學現狀進行分析的基礎上，筆者嘗試對小學階段HPST的教育教學現狀、學科核心素養背景下對HPST的作用的理解、單元教學中有效融合HPST的方法等進行探析與研究，助力HPST教育與小學科學課堂的融合。

一、HPST的教學設計與實踐現狀

小學科學教材中有著豐富的科學史內容，包括科學家的故事、科學事件等，也有對古代科學技術的介紹。在科學教學中，教師會選擇部分內容進行展開。對已有研究進行文獻搜索與分析，可以發現，部分科學教師對如何將科學史融入課堂教學進行了探索。張勇老師總結出了插入方式、再現方式和滲透方式的科學史教育策略，如在講授“光的顏色”時插入牛頓發現七色光的歷史事件[2];連勇老師在實踐后總結出組織學生講科學史故事，播放與科學史相關的微課短視頻和開展課后科學任務的教學策略，以提升科學史教育的價值[3];王曉利老師認為從教材出發，穿插一些科學史故事或科學家故事是科學史教學的有效策略，有助于學生理解科學知識和科學本質[4]。

不難發現，在中學階段開展科學史融入課堂教學的設計與研究活動較小學階段更為活躍，且科學史教學的整體性和連續性更強。如劉本舉老師對“細胞呼吸”進行了整體梳理，形成了連續的科學史實驗教學設計與實施方法策略[5]，還有很多教師針對不同的教學內容進行了教學設計和實踐，如“人類對細菌和真菌的利用”“胰島素的作用”“減數分裂的過程”“氣體摩爾體積”等。

從已有教學設計和課堂實踐中可以看出，在科學教學中融入科學史與技術史內容是必要且可行的。然而，通過比較可以發現：小學階段進行科學史教學主要是為了激發學生的學習興趣，中學階段則主要是為了幫助學生認識科學概念的發展和形成過程;小學階段科學史的融入以點狀為主，強調教學策略的研究，中學階段則以縱向的線性主題融入為主，強調學生的實驗探究與概念理解。雖然小學和中學在科學史教學中存在差異，但現有的研究為小學階段HPST教學提供了實踐方向的指引。

二、小學HPST教學的作用與過程理解

小學科學課程對學生科學素養的發展有著獨特的作用，在小學階段開展HPST教學能夠促進課程功能與價值的落實。然而，在實際教學中也出現了HPST教學的形式化問題，HPST教學成了“走過場”，只是增加了課堂的觀賞性;有的教師使HPST教學工具化，沒有引導學生進行深度思考;有的教師對HPST內容進行了簡單的講解，突出結論，遮蔽了科學技術史發展的背景、細節和真實歷程;有的教師對HPST內容進行了“輝格”解讀，即站在現代科學的背景下，用當代視野來看科學與技術的發展，僅僅關注教材中的零散內容[6]……由此可見，小學階段的HPST教學依然處于起步階段。在小學進行HPST教學之前，仍需要對HPST教學的作用與過程進行必要的理解。

（一）從興趣激發到素養培育的轉變

在小學科學課堂中引入科學與技術史料圖片、科學家故事、科學發明等內容，并在簡約化后進行教學，目的是激發學生學習科學的興趣，增強其對科學事件和科學家的了解[7]，作為常規教學的點綴。對于科學與技術史教學的作用，袁維新老師在分析的基礎上總結出四點，分別是促進學生理解科學的本質，促進學生科學知識的建構，培養學生的批判與創新精神，同時提高學生的人文素養[8]。還有很多學者也認為HPST教學有助于普及科學知識，幫助學生認識科學本質[9]，促進學生理解科學概念，發展科學思維，全面認識人類文明[10]。可見，HPST教學的作用不能僅僅局限于激發興趣，而應該向培育科學課程核心素養的方向轉變。“2022年版課標”將科學課程核心素養歸為科學觀念、科學思維、探究實踐、責任態度四個方面，HPST教學能夠有效促進科學課程核心素養的培育，達成教育目標。

（二）從穿插融入到單元貫穿的轉變

在科學教學中，HPST的內容通常只會在其中某一個環節出現，如教學開始的導入和結束時的拓展，也有部分教師從某一科學技術史內容出發進行課時教學設計與實施。但無論是片段教學還是課時教學，HPST都是穿插在常規教學中的補充，而未作為科學教學的重要與必要組成。單元是學科教學的基本單位，開展單元設計能有效落實學科核心素養，并且能夠較好地回應教學目標、探究活動和學生評價之間的一致性[11]。小學階段的HPST教學需要從點綴與穿插轉變為以HPST的單元整體設計為基礎，從科學發展和本質的視角出發，為學生整體設計HPST內容和情境以及科學探究活動。遵循學生科學思維發展的規律并在單元設計中加以體現，能夠發揮HPST教學培育課程核心素養的獨特價值。

（三）從點線設計到立體呈現的轉變

很多科學教師認為科學課程的目的是傳授當前公認的科學知識與方法，引入科學技術史的目的是為了強化科學知識教學。這樣科學技術史就成了說服學生的工具，HPST教學就成了“輝格式科學史”教學，即以現代科學知識為標準來衡量和評價歷史事件以及對當今科學知識的貢獻程度，沒有考慮真實以及復雜的社會與歷史背景[12]。傳統的涉及科學史的課堂中，教師以引入科學家故事、科學事件等散點為主要教學方式。且為了突出教學效果，教師會對很多內容進行加工與處理，最終在學生頭腦中留下的是一個個平面的片段。在科學課程深度改革的今天，開展HPST教學，需要教師對科學發展歷史進行全面了解，將當時的歷史現實融入其中，同時根據學生的認知水平進行教學設計，從關注科學知識與結論轉變為關注過程發展與問題的提出和解決，為學生呈現立體的科學事件與科學人物。這些事件既包括科學知識和概念的形成與更替，又包括科學發展過程中的成功與失敗，能夠為學生呈現鮮活的科學發展歷程和有靈魂的科學家。

三、HPST教學視野下的單元設計

“2022年版課標”建議小學科學課程教學從教學目標和教學內容出發，按照學習進階的規律設計促進學生自主探究、獨立思考、合作交流的教學活動，并且指出從單元出發進行教學設計與評價是整體落實課程目標，發展核心素養的有效方法。因此，從單元出發進行HPST教學設計是落實“2022年版課標”的探索嘗試。筆者對國內外科學史教學設計與實踐模式進行了梳理，并在此基礎上結合單元教學設計要求制作了HPST單元設計與教學模式（如圖1）。HPST單元設計是指以單元為整體開展的系統化、科學化的教學設計，是在對科學技術史整體分析與梳理的基礎上，對單元教學目標、活動、作業、評價與資源進行整體設計的過程。“單元”可以是教材中的內容單元，也可以是教師在對教材進行梳理與重組之后的單元，還可以是教師根據自身理解自行擬定的單元。HPST單元一般由三個以上的課時組成，每個課時教學包含5個具體環節。在課堂教學中，教師應根據實際情況對教學環節進行靈活調整。

在完整的HPST課時教學中，第一階段是“情境、任務導入”，可以呈現歷史性處理后的現象、情境或任務及早期科學家或科學發展歷史的主題。第二階段為“發現問題、引出觀念”，即利用各種方法啟發學生，收集學生的問題、觀念，可利用問答程序、概念圖、繪圖、實例等，鼓勵學生提出多樣問題和多元觀點，啟發學生感受科學家不僅僅是發現“科學事實”，還通過他們的創造力和想象力來“構建”事實。同時提供合適的機會讓學生表達對情境、任務的理解，意識到他們現有的思維與早期科學思維之間的相似之處。第三階段為“科學探究與實踐”，即給予學生足夠的時間進行實驗探究、實踐活動。在此環節中，教師根據需要讓學生開展科學技術史的研究，也可給出HPST的資料與信息。比如當時的政治、經濟和社會背景、科學技術史發展的簡要年表、當時的一些數據和支持證據、科學技術史上與情境、任務相關的例子及觀點，包括同一時期不同科學家對同一事件的不同觀點。第四階段為“問題解決、觀念重構”，是在學生深入探究與實踐后的梳理，也是對現代科學觀點的介紹。目的是讓學生意識到現代科學觀點不是單一的、毫無疑問的觀點，科學觀點不是簡單的斷言，現代科學為一些現象提供了更準確的解釋，所以得到了更廣泛的應用。最后是“評價、思考與拓展”，即讓學生以小組的方式進行討論，對學習過程進行反思，對科學觀點進行評價，使學生意識到歷史上科學技術的發展是人類智慧的體現，科學思想也并不總是建立在“不言而喻”的基礎上，很多時候需要用到人們的想象力和創造性思維。

HPST單元設計與教學模式為科學技術史教學提供了支架。在實際教學中，教師可根據不同的科學、技術史內容進行調整，延展教學的時間與空間，由此發展學生的科學課程核心素養，同時認識到科學教育如果不涉及科學、技術發展歷史和性質，就會成為口號。

四、HPST教學的實踐與反思

在對HPST教學價值和模式進行理解的基礎上，教師應梳理相關課程標準和教材內容，而后進行具體的單元設計與教學實踐，在實踐中完善HPST教學方法，關注教學過程中學生的經歷與發展。某教師以“時間”主題，進行了HPST教學的課堂實踐。

（一）HPST單元設計——“時間”

無論是對科學技術的發展，還是對學生對自然、科學的認識、學習，“時間”都有著非常重要的作用。人類對“時間”的感知有著漫長的歷史，計時工具與技術的發展也經歷了多個時期，因此該主題非常適合開展HPST單元教學。在分析了目前與“時間”相關的教學實踐的優點與不足后，教師進行了“時間”單元的教學設計，具體如圖2。

“時間”單元由三大內容組成，分別是日晷、漏刻和擺鐘，既體現了人類對時間的認識與理解過程，又有利于學生理解技術發展對計時工具的改變。這些內容也較為適合小學生的認知水平。三大內容由不同的課時組成。如“感受時間”包括“快與慢”“時間的估計”兩個內容，用一至兩個課時完成教學;“漏刻”包括“沉沒時間”“水鐘”“中國的漏刻”等內容，可以根據實際需要確定課時。總體上，“時間”單元共設計了16個課時的教學，既可以整體實施，又可以分成三個主題分別進行教學。對于主題之間的聯系，教師需要進行鋪墊與介紹，讓學生對科學、技術的發展有整體的認識，由此在充分的科學實踐中促進學生科學核心素養的發展。

（二）HPST課堂教學實踐

在單元設計后進行扎實的課堂教學實踐才能保證HPST教學目標的落實。通過實踐不僅能夠完善HPST教學模式，還能對科學技術史出現的方式和時機進行論證。

1.HPST主題教學實踐與反思

“時間”單元的內容豐富，涉及到的教學時間較長，主題較多。在實施過程中，教師可以根據實際情況進行靈活的處理與調整。如“日晷”主題教學，教師改變了以往僅制作日晷和使用日晷的教學方式，從HPST教學模式出發進行了實踐，取得了較好的教學效果。

（1）情境、任務的導入實踐

在“日晷”主題教學中，教師先從“感受時間”開始，讓學生寫一寫“做什么比較快，做什么比較慢”。同時在小組內交流介紹自己寫的“快”與“慢”的事件，與同伴比較一下有沒有重合的事件。這一設計為學生認識“時間”的重要性創設了情境。通過活動，學生對自己和同伴有了更深的認識。如有學生在梳理自己的“快”與“慢”時，會發現自己與其他同學存在矛盾的地方。以“完成作業”一事為例，有的同學寫在“快”類，有的寫在“慢”類。經過思考討論，學生認識到快和慢是相對的，只有以一定時間為參考標準才能確定是快還是慢。

隨后，教師組織學生進行“時間估計”活動（如表1），如估計完成“穿針”“將10顆玻璃球從一個碗里夾到另一個碗里”“頭上頂一本書走20米”等事情需要的時間。在導入任務后，學生認識到計時方法和計時工具的重要性。

對寫作內容進行梳理之后，學生表示從太陽每天的移動、“我們”在慢慢長大、爺爺奶奶在慢慢變老、冬天會下雪、每年秋天樹葉會掉落等現象中都能感受到時間的變化。還有學生寫道：“時間意味著我們每個人的生命都有開始和結束，意味著四季變換和春去秋來。”HPST教學的目的不僅僅是介紹科學、技術的發展，更在于讓學生進入教師設計的歷史情境與任務中，引發學生產生問題，形成對現象的認識。

（2）“發現問題、引發觀念”的實施

在情境與任務的引導下，學生會自然地產生比較多的問題，對現象也會有自己的認識。如在了解了太陽影子的變化規律后，學生進行了設計日晷的活動，該活動環節層層遞進。學生先思考古人的計時方法，再思考太陽影子變化與時間之間的關系，最后確定南北方向（如圖3），為日晷的設計和制作做了充分的準備。

對于古人的計時方式，很多學生能說出用看太陽或者影子位置變化的方法，還有學生說出用沙漏計時、滴水計時等方法，但他們對于古人準確計時工具的科學名稱知道的并不多，且對古代計時工具的結構和制作方式也產生了疑問。如對于日晷如何準確計時這一問題，學生產生了許多困惑。通過討論，學生意識到自己面臨的問題與古人曾經面臨的問題是相似的，并受到了古人的鼓舞。下面是其中一個小組在活動中的交流對話。

生A：老師怎么不提供制作方法或步驟呢？

生B：我們碰到了很多問題，需要幫助呀！

生C：想象一下，如果我們在1000多年前，該怎么來設計和制作呢？

生A：是的，古人面臨的問題可能比我們還多，我們自己再想想吧。

在設計制作日晷的過程中，學生產生了大量的問題。10個小組中，完成日晷制作的小組有7個，但在使用制作的日晷進行計時后，學生發現這些日晷都無法準確計時，于是產生了對“日晷到底應該是什么樣的”“如何才能制作出能準確計時的日晷”等問題的探究欲望。讓學生提出問題并嘗試解決問題是科學課堂教學的重要目標，也是輸入HPST內容與信息的最佳時機。

（3）HPST教學的深入實施階段

在HPST內容與信息輸入后應進行科學探究與實踐、問題解決與觀念重構兩個環節。日晷的發展與形成經過了漫長的歷史，教學時間不允許教師在課堂上呈現完整的過程，但教師可以根據目標，帶領學生進行過程的延伸與拓展。在“時間”單元中，學生在產生強烈學習需求之后，利用教師提供的豐富多樣的材料進行了日晷的制作，在制作完成后與不同小組進行比較，找出差異，并從提供的材料與信息中了解日晷的結構與功能，具體過程如圖4。

在HPST教學的深入實施階段，教師需要遵循以下幾個原則。首先是給予學生充足的時間。在制作日晷和了解日晷結構功能活動中，教師安排了1個課時進行教學，同時多次利用課后服務時間組織學生進行拓展活動。其次是提供足夠充分的資源支持。教師在單元設計中將教學資源的準備作為重點，為學生提供了豐富的學習資源包。除了動手制作的材料、活動任務單之外，學習資源還包括文字、圖片和視頻等。同時還提供移動終端供學生查閱歷史文獻資料，幫助學生完成撰寫日晷使用說明書的任務。最后是凸顯科學、技術發展歷史在人類文化積累過程中的重要性。日晷是科學技術發展過程中的重要成果，除了讓學生領悟日晷設計的精妙之外，教師還需要對日晷在人類發展過程中的作用進行深入分析，讓學生進一步了解中國人和中華文化對時間的關注。

2.HPST教學方式的設計與實施

對“時間”單元進行整體設計、系統實施的同時，教師還基于科學課程核心素養，開展了多樣的教學活動。具體而言，核心素養包括學生利用統計圖表等記錄和整理信息，并進行比較與推理的能力。在“漏刻”主題教學中，教師帶領學生開展了統計不同壓力下帶孔盒子的沉沒時間的活動（如圖5），在統計和繪制圖表后了解漏刻計時的方法與原理。

除此之外，在“時間”單元中，教師還設計了鼓勵學生提出問題的活動，對素養中“提出可探究的科學問題”的要求進行落實;設計了科學寫作的活動，培養學生采用不同方式呈現探究過程與結論的能力;在了解中國漏刻的活動中，設計了讓學生閱讀不同時期描寫漏刻的古文獻，幫助學生在任務單的支持下，形成對漏刻動態變化的認識;在擺的探究活動中，除了帶領學生探究擺的規律，還設計了利用沙擺了解擺動模式的活動，讓學生提出一些新穎、合理的觀點，同時進行簡單的創意設計;在了解完不同階段計時工具的發展后，引導學生從科學、技術、社會等方面思考科學技術發展的過程，培養學生正確的科學態度與價值觀念。

基于HPST教學的單元設計與教學是落實“2022年版課標”和促進學生科學核心素養發展的有效探索與嘗試，旨在讓學生系統了解科學、技術史的發展，彌補單課時教學的不足。實踐證明，只有在單元多個課時的疊加與迭代實施中，學生的素養培育才能真正落地。

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（上海市金山區教育學院? ?201508）