基于HPS教育的化学课堂教学*——以“天然气的利用甲烷”为例

□薛勇军 王伟群 孙明军

（苏州市吴中区甪直高级中学，江苏苏州 215127；苏州大学材料与化学化工学部，江苏苏州 215000；江苏省泗洪中学，江苏泗洪 223900）

一、HPS教育简介

HPS是三个英文单词的首字母，关于它的含义，有两种解释。第一种解释，H代表历史（History），P代表哲学（Philosophy），S代表科学（Science）。HPS是“科学史与科学哲学”（History，Philosophy of Science）的英文缩写。20世纪90年代之后，随着科学建构主义理论的流行，科学社会学尤其是科学知识社会学渐渐被纳入到了科学教育中。自此一种新的、作为“科学史、科学哲学和科学社会学”(History、Philosophy＆Sociology of Science)这一共存体的简称的HPS开始形成[1]。目前第二种解释被绝大多数学者接受。

HPS不仅是一种科学教育的价值取向，更重要的是HPS也是一种教学模式。目前，许多发达国家的科学教育都比较注重HPS教育，美国在这方面表现尤为突出，无论是过去的《国家科学教育标准》还是现在的《下一代科学标准》，都体现了HPS教育思想。加拿大一些省的科学课程、英国国家课程中科学课程部分、荷兰中学物理PLON课程、挪威的核心课程、丹麦的科学技术课程以及西班牙的新科学课程等，都对HPS课程与教学有明确的要求[2]。

二、基于HPS教育的“天然气的利用甲烷”教学设计

2018年1月教育部正式颁布《普通高中化学课程标准（2017年版）》，提出化学学科核心素养包括五个方面的内容：宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任。核心素养的这几个方面并非相互独立，而是相互关联，相辅相成。化学教学中采用HPS模式，可以有机融合核心素养的多方面内容，实现学生核心素养的全面发展。我们以“天然气的利用甲烷”的教学设计为例来说明。

（一）教学指导思想

结合甲烷研究的历史和社会应用价值设计教学，通过学生了解人类研究甲烷的历史、理解人类当前对甲烷的利用方式，关注人类未来开发利用甲烷的方向，在传授化学知识的同时培养学生对化学（科学）的兴趣，引导学生思考化学（科学）给人类生活和发展带来的影响，逐渐渗透理解科学本质的理念；在促进学生对化学知识的逐步建构的同时，发展学生理性思维、批判性思维和勇于探索等方面的素养。

（二）教学内容分析

本节是苏教版《化学2》专题3第一单元第一课时的教学内容，是学生高中阶段学习有机化合物的第一节课。有机化合物是人类赖以生存的重要物质基础，对国民经济的可持续发展和人民生活水平的提高都起着极为重要的作用。教材内容关注了化学与社会的联系，贴近生活和生产实际，但没有与科学史相结合。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》明确学生要知道简单有机化合物分子式及空间结构，以甲烷为例认识碳原子的成键特点；结合实例认识有机化合物在生产、生活中的重要应用；建议把讨论可燃冰、页岩气等资源的开发利用作为学习活动。结合这些要求和内容，我们挖掘甲烷结构研究的历史及其对立体化学的作用，甲烷未来开发途径——可燃冰和页岩气等的自然资源利用，将化学史融合其中。

（三）教学目标设计

（1）回顾甲烷分子结构的发展历史，体验科学家从宏观现象逐步认识微观世界的过程；了解科学研究与合理想象、化学理论与实验技术之间的关系，了解人类认知能力有一定的局限性。

（2）认识甲烷是重要的燃料，通过查阅甲烷性质参数表，知道甲烷的燃烧热；认识甲烷存在爆炸范围，提高安全意识；提升信息处理能力。

（3）通过搭建球棍模型掌握甲烷的空间结构，并能够借助球棍模型演示甲烷的取代反应。

（4）知道甲烷是一种化工原料；了解页岩气、可燃冰及其开采现状和发展前景，激发创新意识，提升社会责任。

（四）教学思路设计

本节课教学以HPS创设的情境为明线、以知识为主线，提供素材，组织学生活动，在活动中发展学生核心素养。课堂教学线索图如图1所示。

图1甲烷课堂教学线索图

1.HPS创设情境线

教学情境创设以时间为序，甲烷的前世→甲烷的今生→甲烷的未来，整节课源于人类探索甲烷结构的历史，重点讨论当前利用甲烷的方式，展望甲烷未来开发利用的新方向，甲烷研究的历史和社会应用价值构成了课堂教学的明线，情境创设真实且富有价值。

如甲烷的前世部分，以时间轴的形式呈现于课件中。从我国西周时期成书的《易经》中关于自然现象的记载开始，象曰：泽中有火→伏打收集甲烷并点燃，火焰蓝色，需要10～12倍体积的空气→奥斯汀确定甲烷比氢气重，燃烧生成水和二氧化碳→道尔顿认为甲烷由2个氢原子和1个碳原子构成→凯库勒提出碳原子四价→布特列洛夫提出甲烷分子的平面结构→范特霍夫提出碳原子具有正四面体结构→近代X射线和电子衍射进一步证实甲烷的正四面体结构→霍夫曼从理论上证明碳原子成键的立体结构更稳定。这个过程展现了人类对甲烷认识过程的逐步深入，不仅反映了科学理论和技术对人类认识甲烷组成和结构的促进作用，而且体现了甲烷立体结构的构建对有机化学、立体化学里程碑式的贡献。这种从科学史、科学哲学的角度认识甲烷的组成和结构，使有机化学的教学过程有血有肉，富有哲理。

2.学科逻辑形成知识线

HPS教育模式并非忽视学科知识本身，只是以与以往不同的方式组织这些学科知识。在整个甲烷的课堂教学中，甲烷的组成和结构、物理性质、化学性质、存在和用途等知识点构成了教学的暗线。通过HPS教育思想，连贯起这些知识点之间的相互关系，结构决定性质，性质决定存在和用途。从知识线可以看到，人类认识甲烷是从其简单的物理性质（可燃性、密度、溶解性等）开始的，逐步认识其组成，分析其结构。在认识甲烷化学性质的基础上，学生就能理解甲烷被用作燃料和化工原料的原因。这是人类认识自然的顺序，也是知识产生的顺序，按照这样的顺序组织教学符合学生的认知心理。

作为一种清洁能源，天然气的需求正逐年增长，近几年冬季我国北方甚至出现“气荒”现象。日常生活与社会发展离不开化学，化学教学不能与社会脱节。人类开发利用甲烷的方向在哪里？进展如何？我国在这个领域又是什么样的水平……一系列的问题，激发起学生的求知欲，迫切希望了解甲烷开发利用领域的前沿信息。

3.学生学习活动线

在中学化学课堂中开展HPS教学，并非进行科学史、科学哲学和科学社会学知识的教学，更侧重于学生对科学的理解和感悟。设计多样化的活动，使学生成为教学活动的主体，这是教学设计的重点。只有调动学生的积极性，学生才会高效地参与课堂教学，才能真正理解历史中的科学，社会中的科学。根据本节教学内容，安排学生阅读史料，进行讨论分析；安排了计算练习，实验观察，书写化学方程式和热化学方程式，理解化学知识本身的意义；分组交流讨论，搭建球棍模型，并利用模型解释化学反应，理解微观结构与宏观性质的关系；观看纪录片（片段），课后查找资料，制作关于可燃冰或页岩气的思维导图，进而撰写关于未来能源开发和利用的科学小论文。

4.目标达成素养线

化学学科核心素养是化学学科育人价值的集中体现，基于HPS的教学设计能较为全面地帮助学生形成正确的价值观念、必备品格和关键能力。本节课的教学活动能促进学生“宏观辨识与微观探析”等5个方面学科核心素养的发展。例如通过回顾人类探索甲烷分子结构的历史，能培养学生从宏观和微观相结合的视角分析化学物质，解决化学问题。纯净甲烷能够安静地燃烧，而煤矿坑道气则可能引发瓦斯爆炸，甲烷在光照条件下发生取代反应，这些发展了学生的变化观念，化学反应是在一定条件下完成的。借助球棍模型，学生认识了甲烷的正四面体结构，利用球棍模型解释甲烷与氯气的取代反应，学生理解了反应过程中化学键的断裂和形成[3]。

丰富的情境素材、多样化的课堂活动以及HPS视角下的教学组织，能帮助学生更好地理解科学的本质。甲烷为生产生活提供能源、原材料，满足人们日益增长的美好生活需要；另一方面，人类对甲烷的利用必须遵循科学规律，违规操作有可能引发事故和灾害。观看纪录片，学生了解前沿科技信息，我国利用国产的“蓝鲸1号”钻井平台试采可燃冰打破了世界纪录，我国制造的“阿波罗”压裂车已出口到第一个实现页岩气商业开采的国家——美国。这不只是中国科学技术前进的一小步，更是人类开发利用清洁能源的一大步。既要培养学生的民族自信心，能客观、理性看待当前中国在科学技术领域的进步与不足，又要发展学生的全球意识和开放心态，关注全人类面临的能源问题，逐步理解人类是一个命运发展共同体。自信而不自大，骄傲但不狭隘。基于HPS理念的“甲烷”教学能全面指向“人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新”六大核心素养，涉及核心素养18个基本要点中的11个。

三、关于HPS教育的几点思考

（1）HPS是科学教育中人文教育的途径。科学教育中的人文缺失一直为人诟病，从重视“双基”到“三维目标”的提出，再到“核心素养”的出台，时代呼唤教师重视科学教育的人文价值。化学学科核心素养看似没有直接涉及“人文底蕴”，需要教师充分挖掘化学课程在发展学生核心素养方面的价值。在化学（科学）教学中，如何发展学生“人文素养”，培养全面发展的人，HPS教育是一个非常值得研究的方向。

（2）深刻理解HPS的内涵有利于发展“素养为本”的教学改革。我国著名教育家、化学家傅鹰先生曾说：“一门科学的历史是那门科学中最宝贵的一部分，因为科学只能给我们知识，而历史却能给我们智慧。”研究者认为科学技术史既是HPS教育的一个主题，更是实施HPS教育的主要载体[4]。以HPS教育理念指导教学，教师首先需要多读书，多思考。化学教师不仅需要掌握化学史，了解相关化学史实对化学发展的意义；也要懂得科学史，了解这些化学史实对科技发展的作用；还要清晰人类文明史，把科学技术的发展进步放到社会发展演变的大历史背景中去理解，了解科技与政治、经济、文化发展的关系。只有教师对科学史有深刻的认识，才有可能将各种有关科学的史料、素材加工整理，融于课堂教学活动，促进学生对科学本质的全面理解，进而发展学生的核心素养。

（3）HPS教育的实施需要丰富的素材和多样的活动。“功夫在诗外”，在教学设计中合理选用各种素材开展教学活动，事半功倍。教师可以借助已有的研究成果、科普短视频、纪录片片段来设计学生的学习活动。如“天然气的利用甲烷”教学第一部分“甲烷的前世”，是根据期刊论文内容[5]以时间轴的形式呈现甲烷分子结构的发展历史，讨论主要科学家及其贡献；而借助FOCUSKY软件，动画演示“科学史带给人类的启示”，从隐藏到呈现，学生能逐渐感悟科学发展对人类文明发展的促进作用。第三部分“甲烷的未来”，可以利用最新的科普短视频和纪录片片段，来展现科学研究、工程技术的前沿成果。本节课的纪录片片段选自《大国重器（第二季）》，这是中央电视台重点纪录片项目，于2018年2月开播。强大的制作团队确保影片的高质量，其宏大的视角、恢弘的画面与震撼的音效能够吸引学生的注意力。从中截取需要的片段用于课堂播放，再组织学生讨论，气氛非常热烈，HPS观念深入人心。□◢