大概念視域下基于HPS理念探尋科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)研究

［摘 要］大概念視域下基于HPS理念的科學(xué)教學(xué)將科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會學(xué)等知識融入科學(xué)教學(xué)中，具體可分為五步：第一，創(chuàng)設(shè)情境，提出問題；第二，引發(fā)沖突，激活思維；第三，引入歷史，探尋歷程；第四，模擬實(shí)驗(yàn)，直觀感知；第五，總結(jié)評價(jià)，知識遷移。學(xué)生的認(rèn)知從“學(xué)科小概念階段”到“次位概念階段”再到“大概念階段”逐級提升。該教學(xué)模式引導(dǎo)學(xué)生從整體觀念建構(gòu)的角度，對科學(xué)觀念和科學(xué)方法進(jìn)行思辨和爭辯，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對科學(xué)本質(zhì)的領(lǐng)悟。

［關(guān)鍵詞］大概念；科學(xué)本質(zhì)；HPS理念；地球表面的板塊

［中圖分類號］" " G633.98" " " " ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］" " A" " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）17-0096-04

一、研究背景

（一）初中生科學(xué)學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀分析

目前初中科學(xué)所涉及的概念、定律和理論等知識大多較為繁雜，各知識點(diǎn)之間也缺乏系統(tǒng)的聯(lián)系，因此學(xué)生并不能很好地將各知識進(jìn)行有機(jī)的整合，最終導(dǎo)致學(xué)生對一些科學(xué)知識的理解停留在表面，對科學(xué)本質(zhì)的領(lǐng)悟也停留在粗淺的層次，甚至形成錯(cuò)誤認(rèn)知。

（二）與科學(xué)本質(zhì)相關(guān)的大概念

哈·溫倫在《以大概念理念進(jìn)行科學(xué)教育》一書中提出了14個(gè)科學(xué)大概念［1］，其中涉及科學(xué)本質(zhì)的大概念分別是：探索自然現(xiàn)象的原因是科學(xué)的使命；科學(xué)上的解釋、理論和模型都是在特定的時(shí)期內(nèi)與可獲得的實(shí)證最為吻合的；科學(xué)研究的目的之一就是創(chuàng)造服務(wù)于人類的產(chǎn)品；運(yùn)用科學(xué)可能會對人類社會產(chǎn)生影響。

（三）HPS教育理念

HPS是History、Philosophy、Pociology of Science的簡稱。基于HPS理念的科學(xué)教學(xué)的核心思想是在科學(xué)課程中加入科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會學(xué)的有關(guān)內(nèi)容， 著力于促使學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)的本質(zhì)，增強(qiáng)他們的創(chuàng)新和創(chuàng)造能力［2］。

二、大概念視域下基于HPS理念探尋科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)策略

大概念視域下基于HPS理念探尋科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)策略主要是將科學(xué)大概念中有關(guān)科學(xué)本質(zhì)的部分與HPS 教育中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行融合，進(jìn)而形成滲透科學(xué)、社會、前沿科技等的學(xué)科知識為主要載體的教學(xué)范式。

該策略的基本步驟為：以真實(shí)情境為切入點(diǎn)來開展教學(xué)，關(guān)注理論研究的過程，在其中加入科學(xué)史的相關(guān)內(nèi)容，促使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感受科學(xué)的研究方法，正確的思維模式以及科學(xué)家堅(jiān)持不懈、不屈不撓的精神，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣進(jìn)行研究，模擬他們研究的過程，使知識與方法、思維等同步進(jìn)階。在學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)和已有的能力發(fā)展水平基礎(chǔ)上，有機(jī)地將科學(xué)的本質(zhì)滲透到學(xué)生所學(xué)知識中，引導(dǎo)學(xué)生站在當(dāng)時(shí)的歷史背景下去領(lǐng)悟科學(xué)家的思維、研究方法和科學(xué)精神，進(jìn)而使學(xué)生的認(rèn)知從“學(xué)科小概念階段”“次位概念階段”“大概念階段”逐級提升［3］。該教學(xué)策略建構(gòu)圖如圖1所示。

三、教學(xué)過程

下面以“地球表面的板塊”一課為例，呈現(xiàn)大概念視域下基于HPS理念探尋科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)實(shí)踐，具體教學(xué)流程如圖2所示。

（一）創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

首先，教師向?qū)W生展示世界地圖的模型，并要求學(xué)生仔細(xì)觀察南美洲和非洲的輪廓。學(xué)生通過觀察發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)大洲的輪廓重合度較高，甚至可以嘗試拼接起來。隨后，教師拿出南美洲和非洲的模型，請學(xué)生親自動(dòng)手拼接，同時(shí)輔以電腦動(dòng)畫，讓學(xué)生更直觀地認(rèn)識到這兩個(gè)大洲可以拼接成功。據(jù)此，教師引出魏格納的大陸漂移學(xué)說并提出問題：僅憑兩個(gè)大洲在輪廓上可以基本拼接起來就可以說這兩個(gè)大洲曾經(jīng)是一個(gè)整體嗎？

評析：通過創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生自己動(dòng)手操作，切身體會，從而使學(xué)生的思維從抽象到具體，為后續(xù)引發(fā)思維沖突做好鋪墊，并為學(xué)生正確領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì)打下深厚基礎(chǔ)。

（二）引發(fā)沖突，激活思維

根據(jù)問題的討論結(jié)果，將學(xué)生分成兩組：一組學(xué)生為支持方，他們覺得既然兩塊大陸能夠拼接，那么已經(jīng)具有了充分的證據(jù)去證明兩塊大陸曾經(jīng)連在一起；另一組學(xué)生為質(zhì)疑方，他們認(rèn)為除此之外還應(yīng)該有更多的證據(jù)，否則不足以體現(xiàn)科學(xué)研究的可信度。質(zhì)疑組學(xué)生拿出兩張準(zhǔn)備好的報(bào)紙來證明輪廓重合并不代表曾經(jīng)就是一個(gè)整體（如圖3），這一簡單的實(shí)驗(yàn)讓支持組學(xué)生瞬間理解了其觀點(diǎn)。

評析：學(xué)生觀點(diǎn)的呈現(xiàn)和辯論，可以很好地提升學(xué)生的思維能力，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來證明自己的觀點(diǎn)，這也符合科學(xué)研究的一般步驟——從抽象到具體再到抽象的過程。

（三）引入歷史，探尋歷程

科學(xué)史一：基于學(xué)生的認(rèn)知，教師順勢引入“大陸漂移學(xué)說”的科學(xué)史，并介紹魏格納經(jīng)過不懈努力找到的支持自己學(xué)說的4大證據(jù)（如圖4）：（1）地形證據(jù)：非洲和南美洲的一些海岸線在某種程度上有著巧妙的對應(yīng)，山脈的褶皺能契合在一起。（2）生物證據(jù)。非洲和南美洲在地理位置上相隔很遠(yuǎn)，但是存在很多相似的生物。（3）化石證據(jù)。在南美洲、南極洲、印度和非洲等地都發(fā)現(xiàn)了舌羊齒化石。（4）氣候證據(jù)。北冰洋以北地區(qū)發(fā)現(xiàn)了一些熱帶植物化石，在南非發(fā)現(xiàn)了冰川存在的痕跡。

評析：科學(xué)家的探究歷程是HPS教育必不可少的素材，教師可以利用科學(xué)史來讓學(xué)生更真實(shí)地感知科學(xué)家的探究歷程，從而更充分地領(lǐng)悟科學(xué)家的研究方法、思維過程等。

教師請學(xué)生勇敢質(zhì)疑大陸漂移學(xué)說有哪些方面的問題還沒解決。有學(xué)生提出：大陸漂移學(xué)說沒有說明大陸漂移的動(dòng)力來源。教師進(jìn)而向?qū)W生介紹新的科學(xué)史。

科學(xué)史二：在1962年前后赫斯和迪茨經(jīng)過多次的海底探測發(fā)現(xiàn)了大洋中脊（海嶺），在此基礎(chǔ)上科學(xué)家提出了海底擴(kuò)張學(xué)說，這就很好地解釋了大陸漂移說的動(dòng)力來源，即地幔對流（如圖5），為大陸漂移學(xué)說的發(fā)展提供了保障。

科學(xué)史三：1965年，加拿大地質(zhì)學(xué)家威爾遜在“大陸漂移學(xué)說”“海底擴(kuò)張學(xué)說”的基礎(chǔ)上創(chuàng)造性地提出了“板塊構(gòu)造學(xué)說”。

評析：科學(xué)史的引入和介紹是HPS教學(xué)理論中非常重要的環(huán)節(jié)，教師可以步步深入地向?qū)W生介紹科學(xué)史，并在這個(gè)過程中讓學(xué)生嘗試扮演科學(xué)史的主角。該做法對于學(xué)生正確地領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì)是大有好處的。具體設(shè)計(jì)思路如圖6所示。

（四）模擬實(shí)驗(yàn)，直觀感知

對于板塊之間的運(yùn)動(dòng)形式，教師雖然可以通過動(dòng)畫的方式展示給學(xué)生，但是不利于學(xué)生直觀感受板塊之間的運(yùn)動(dòng)。為此，教師可以讓學(xué)生進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，即利用手邊的材料來模擬板塊間的運(yùn)動(dòng)。具體安排如圖7所示：一組學(xué)生用兩本科學(xué)書進(jìn)行撞擊，另一組學(xué)生用一本科學(xué)書與一本作業(yè)本進(jìn)行撞擊，以此來模擬板塊之間的碰撞；同時(shí)還有一組學(xué)生通過輕拉科學(xué)書來模擬板塊之間的張裂。

評析：模擬實(shí)驗(yàn)可以很好地展示一些復(fù)雜的過程，這也是HPS教育和大概念教學(xué)倡導(dǎo)的內(nèi)容。讓學(xué)生親自動(dòng)手設(shè)計(jì)并做實(shí)驗(yàn)，對其思維和動(dòng)手能力的提升有很大幫助。

（五）總結(jié)評價(jià)，知識遷移

教師首先向?qū)W生展示一則最新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)：地中海在縮小，而紅海在不斷地?cái)U(kuò)張。其次，請學(xué)生進(jìn)行小組討論，根據(jù)課本板塊構(gòu)造圖來討論這個(gè)現(xiàn)象發(fā)生的原因。最后，對學(xué)生的解釋進(jìn)行總結(jié)，并提出問題引導(dǎo)學(xué)生分析地球上類似現(xiàn)象的成因，比如大西洋的成因，日本地震和火山頻發(fā)的原因，印尼是多地震國家的地理緣由等。通過小組合作討論，學(xué)生能夠很好地領(lǐng)悟“板塊構(gòu)造學(xué)說”，并用于解決現(xiàn)實(shí)存在的科學(xué)問題。

知識與思維的遷移本質(zhì)上是一種思想的創(chuàng)新。知識遷移，就是將學(xué)到的知識從一個(gè)載體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)載體的創(chuàng)造過程，這符合基于大概念的HPS教育理念。具體設(shè)計(jì)思路如圖8所示。

四、實(shí)踐反思

在初中科學(xué)的教學(xué)過程中，教師可以嘗試依據(jù)現(xiàn)有的實(shí)際情境提出相關(guān)的科學(xué)問題，讓學(xué)生可以親歷科學(xué)家探究科學(xué)的歷史發(fā)展過程，這樣學(xué)生的主觀能動(dòng)性可以得到充分的發(fā)揮，同時(shí)邏輯思維和解決問題的能力也可以得到相應(yīng)的提高，在新的維度理解科學(xué)的本質(zhì)［4］。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)有以下幾點(diǎn)值得思考。

（一）創(chuàng)情境和激思維是基礎(chǔ)

在本節(jié)課的教學(xué)中，教師通過讓學(xué)生觀察地圖、展示動(dòng)畫模擬等形式，讓學(xué)生身臨其境地體驗(yàn)魏格納當(dāng)初提出“大陸漂移學(xué)說”的初始情境，因此學(xué)生的代入感會很強(qiáng)。在實(shí)際教學(xué)中，很快就有學(xué)生提出了疑問，即要判斷兩塊大陸曾經(jīng)連在一起僅憑所謂的大部分輪廓重合這一點(diǎn)是不具有足夠的說服力的。可見，這種教學(xué)模式有利于培養(yǎng)學(xué)生勇于質(zhì)疑的精神，讓學(xué)生能夠理解科學(xué)理論知識是與發(fā)現(xiàn)該理論的歷史時(shí)期的證據(jù)最為吻合的，理解科學(xué)家探究的艱辛。

（二）科學(xué)史的尋找和引入是關(guān)鍵

在實(shí)際教學(xué)過程中，教師需要在教材之外尋找豐富的科學(xué)史，并要確保科學(xué)史的嚴(yán)謹(jǐn)性，同時(shí)結(jié)合學(xué)生的實(shí)際水平和發(fā)展特點(diǎn)來篩選適當(dāng)?shù)目茖W(xué)史。教師還應(yīng)采取恰當(dāng)?shù)姆绞饺ヒ肟茖W(xué)史，讓它能較好地嵌入課堂，讓課堂流程順暢，如讓學(xué)生演繹歷史情境等。學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)史不僅是為了學(xué)習(xí)歷史，更是為了學(xué)習(xí)其背后的科學(xué)本質(zhì)，因此需要教師在引入科學(xué)史的過程中同步滲透科學(xué)家的思維過程、研究方法和探究精神，這樣學(xué)生的腦海中才會產(chǎn)生更深刻的認(rèn)知。

（三）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與知識遷移是提升

學(xué)生在學(xué)習(xí)了科學(xué)史，并初步領(lǐng)悟了科學(xué)家的思維過程、研究方法和探究精神之后，再針對其中所產(chǎn)生的某些問題來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)或是模擬實(shí)驗(yàn)，會更有助于學(xué)生在實(shí)際操作中去運(yùn)用這些研究方法和推理過程。同時(shí)，知識的遷移運(yùn)用，即以所學(xué)知識來解釋生活中的現(xiàn)象或是解決生活中的問題，也是對科學(xué)本質(zhì)進(jìn)行再理解的一個(gè)過程。在這個(gè)過程中，學(xué)生對于科學(xué)家在探索過程中所用的科學(xué)方法、所具有的不屈不撓的精神、科學(xué)發(fā)現(xiàn)所經(jīng)歷的曲折以及科學(xué)的本質(zhì)都有了較深的理解。

［" "參" "考" "文" "獻(xiàn)" "］

［1］" 哈倫.以大概念理念進(jìn)行科學(xué)教育［M］.北京：科學(xué)普及出版社，2016.

［2］" 蔡興鋒，朱琴梅.HPS教育在高中化學(xué)科學(xué)探究中的實(shí)踐研究［J］.化學(xué)教與學(xué)，2015（5）：10-12，31.

［3］" 劉徽.“大概念”視角下的單元整體教學(xué)構(gòu)型；兼論素養(yǎng)導(dǎo)向的課堂變革［J］.教育研究，2020（6）：64-77.

［4］" 張晶. HPS 教育的五個(gè)主要特征及其對我國科學(xué)教育改革的啟示［J］.科學(xué)技術(shù)哲學(xué)研究，2010（1） ：92-96.

（責(zé)任編輯" " 羅" " 艷）