新课标背景下小学科学技术史教育的单元设计与教学

□ 史加祥

2022 年4 月颁布的《义务教育科学课程标准（2022 年版）》（以下简称“2022 年版课标”）明确指出，科学课程需要帮助学生从整体上认识自然世界，理解科学、技术、社会与环境的关系，在课程实施和教学建议中也多次提及要渗透科学史教育。科学史（History of Science，简称HOS）是人类历史发展与文明进程中的重要组成部分，是科学教育的重要资源。自近代科学教育改革实行以来，科学史对科学教学的作用越来越受到重视，科学史教育从边缘进入中心，发挥出促进学生对科学本质的了解与把握和科学素养的提升的作用。［1］科学史教育是科学史与科学哲学的融合，在科学教育中被称为HPS（History and Philosophy of Science），小学阶段的科学史教育不仅要关注千百年来的自然世界，即科学历史与哲学，还应该关注改变和操控自然世界的能力，即技术。这也就是科学技术史教育，称为HPST（History and Philosophy of Science and Technology）教育。

在对目前小学科学课程教育教学现状进行分析的基础上，笔者尝试对小学阶段HPST的教育教学现状、学科核心素养背景下对HPST的作用的理解、单元教学中有效融合HPST的方法等进行探析与研究，助力HPST教育与小学科学课堂的融合。

一、HPST的教学设计与实践现状

小学科学教材中有着丰富的科学史内容，包括科学家的故事、科学事件等，也有对古代科学技术的介绍。在科学教学中，教师会选择部分内容进行展开。对已有研究进行文献搜索与分析，可以发现，部分科学教师对如何将科学史融入课堂教学进行了探索。张勇老师总结出了插入方式、再现方式和渗透方式的科学史教育策略，如在讲授“光的颜色”时插入牛顿发现七色光的历史事件［2］；连勇老师在实践后总结出组织学生讲科学史故事，播放与科学史相关的微课短视频和开展课后科学任务的教学策略，以提升科学史教育的价值［3］；王晓利老师认为从教材出发，穿插一些科学史故事或科学家故事是科学史教学的有效策略，有助于学生理解科学知识和科学本质［4］。

不难发现，在中学阶段开展科学史融入课堂教学的设计与研究活动较小学阶段更为活跃，且科学史教学的整体性和连续性更强。如刘本举老师对“细胞呼吸”进行了整体梳理，形成了连续的科学史实验教学设计与实施方法策略［5］，还有很多教师针对不同的教学内容进行了教学设计和实践，如“人类对细菌和真菌的利用”“胰岛素的作用”“减数分裂的过程”“气体摩尔体积”等。

从已有教学设计和课堂实践中可以看出，在科学教学中融入科学史与技术史内容是必要且可行的。然而，通过比较可以发现：小学阶段进行科学史教学主要是为了激发学生的学习兴趣，中学阶段则主要是为了帮助学生认识科学概念的发展和形成过程；小学阶段科学史的融入以点状为主，强调教学策略的研究，中学阶段则以纵向的线性主题融入为主，强调学生的实验探究与概念理解。虽然小学和中学在科学史教学中存在差异，但现有的研究为小学阶段HPST教学提供了实践方向的指引。

二、小学HPST教学的作用与过程理解

小学科学课程对学生科学素养的发展有着独特的作用，在小学阶段开展HPST教学能够促进课程功能与价值的落实。然而，在实际教学中也出现了HPST教学的形式化问题，HPST教学成了“走过场”，只是增加了课堂的观赏性；有的教师使HPST教学工具化，没有引导学生进行深度思考；有的教师对HPST 内容进行了简单的讲解，突出结论，遮蔽了科学技术史发展的背景、细节和真实历程；有的教师对HPST内容进行了“辉格”解读，即站在现代科学的背景下，用当代视野来看科学与技术的发展，仅仅关注教材中的零散内容［6］……由此可见，小学阶段的HPST 教学依然处于起步阶段。在小学进行HPST 教学之前，仍需要对HPST 教学的作用与过程进行必要的理解。

（一）从兴趣激发到素养培育的转变

在小学科学课堂中引入科学与技术史料图片、科学家故事、科学发明等内容，并在简约化后进行教学，目的是激发学生学习科学的兴趣，增强其对科学事件和科学家的了解［7］，作为常规教学的点缀。对于科学与技术史教学的作用，袁维新老师在分析的基础上总结出四点，分别是促进学生理解科学的本质，促进学生科学知识的建构，培养学生的批判与创新精神，同时提高学生的人文素养［8］。还有很多学者也认为HPST 教学有助于普及科学知识，帮助学生认识科学本质［9］，促进学生理解科学概念，发展科学思维，全面认识人类文明［10］。可见，HPST 教学的作用不能仅仅局限于激发兴趣，而应该向培育科学课程核心素养的方向转变。“2022年版课标”将科学课程核心素养归为科学观念、科学思维、探究实践、责任态度四个方面，HPST 教学能够有效促进科学课程核心素养的培育，达成教育目标。

（二）从穿插融入到单元贯穿的转变

在科学教学中，HPST 的内容通常只会在其中某一个环节出现，如教学开始的导入和结束时的拓展，也有部分教师从某一科学技术史内容出发进行课时教学设计与实施。但无论是片段教学还是课时教学，HPST都是穿插在常规教学中的补充，而未作为科学教学的重要与必要组成。单元是学科教学的基本单位，开展单元设计能有效落实学科核心素养，并且能够较好地回应教学目标、探究活动和学生评价之间的一致性［11］。小学阶段的HPST教学需要从点缀与穿插转变为以HPST 的单元整体设计为基础，从科学发展和本质的视角出发，为学生整体设计HPST内容和情境以及科学探究活动。遵循学生科学思维发展的规律并在单元设计中加以体现，能够发挥HPST教学培育课程核心素养的独特价值。

（三）从点线设计到立体呈现的转变

很多科学教师认为科学课程的目的是传授当前公认的科学知识与方法，引入科学技术史的目的是为了强化科学知识教学。这样科学技术史就成了说服学生的工具，HPST教学就成了“辉格式科学史”教学，即以现代科学知识为标准来衡量和评价历史事件以及对当今科学知识的贡献程度，没有考虑真实以及复杂的社会与历史背景［12］。传统的涉及科学史的课堂中，教师以引入科学家故事、科学事件等散点为主要教学方式。且为了突出教学效果，教师会对很多内容进行加工与处理，最终在学生头脑中留下的是一个个平面的片段。在科学课程深度改革的今天，开展HPST 教学，需要教师对科学发展历史进行全面了解，将当时的历史现实融入其中，同时根据学生的认知水平进行教学设计，从关注科学知识与结论转变为关注过程发展与问题的提出和解决，为学生呈现立体的科学事件与科学人物。这些事件既包括科学知识和概念的形成与更替，又包括科学发展过程中的成功与失败，能够为学生呈现鲜活的科学发展历程和有灵魂的科学家。

三、HPST教学视野下的单元设计

“2022 年版课标”建议小学科学课程教学从教学目标和教学内容出发，按照学习进阶的规律设计促进学生自主探究、独立思考、合作交流的教学活动，并且指出从单元出发进行教学设计与评价是整体落实课程目标，发展核心素养的有效方法。因此，从单元出发进行HPST教学设计是落实“2022年版课标”的探索尝试。笔者对国内外科学史教学设计与实践模式进行了梳理，并在此基础上结合单元教学设计要求制作了HPST单元设计与教学模式（如图1）。HPST 单元设计是指以单元为整体开展的系统化、科学化的教学设计，是在对科学技术史整体分析与梳理的基础上，对单元教学目标、活动、作业、评价与资源进行整体设计的过程。“单元”可以是教材中的内容单元，也可以是教师在对教材进行梳理与重组之后的单元，还可以是教师根据自身理解自行拟定的单元。HPST 单元一般由三个以上的课时组成，每个课时教学包含5个具体环节。在课堂教学中，教师应根据实际情况对教学环节进行灵活调整。

图1 HPST单元设计与教学模式［13］

在完整的HPST 课时教学中，第一阶段是“情境、任务导入”，可以呈现历史性处理后的现象、情境或任务及早期科学家或科学发展历史的主题。第二阶段为“发现问题、引出观念”，即利用各种方法启发学生，收集学生的问题、观念，可利用问答程序、概念图、绘图、实例等，鼓励学生提出多样问题和多元观点，启发学生感受科学家不仅仅是发现“科学事实”，还通过他们的创造力和想象力来“构建”事实。同时提供合适的机会让学生表达对情境、任务的理解，意识到他们现有的思维与早期科学思维之间的相似之处。第三阶段为“科学探究与实践”，即给予学生足够的时间进行实验探究、实践活动。在此环节中，教师根据需要让学生开展科学技术史的研究，也可给出HPST的资料与信息。比如当时的政治、经济和社会背景、科学技术史发展的简要年表、当时的一些数据和支持证据、科学技术史上与情境、任务相关的例子及观点，包括同一时期不同科学家对同一事件的不同观点。第四阶段为“问题解决、观念重构”，是在学生深入探究与实践后的梳理，也是对现代科学观点的介绍。目的是让学生意识到现代科学观点不是单一的、毫无疑问的观点，科学观点不是简单的断言，现代科学为一些现象提供了更准确的解释，所以得到了更广泛的应用。最后是“评价、思考与拓展”，即让学生以小组的方式进行讨论，对学习过程进行反思，对科学观点进行评价，使学生意识到历史上科学技术的发展是人类智慧的体现，科学思想也并不总是建立在“不言而喻”的基础上，很多时候需要用到人们的想象力和创造性思维。

HPST单元设计与教学模式为科学技术史教学提供了支架。在实际教学中，教师可根据不同的科学、技术史内容进行调整，延展教学的时间与空间，由此发展学生的科学课程核心素养，同时认识到科学教育如果不涉及科学、技术发展历史和性质，就会成为口号。

四、HPST教学的实践与反思

在对HPST 教学价值和模式进行理解的基础上，教师应梳理相关课程标准和教材内容，而后进行具体的单元设计与教学实践，在实践中完善HPST 教学方法，关注教学过程中学生的经历与发展。某教师以“时间”主题，进行了HPST教学的课堂实践。

（一）HPST单元设计——“时间”

无论是对科学技术的发展，还是对学生对自然、科学的认识、学习，“时间”都有着非常重要的作用。人类对“时间”的感知有着漫长的历史，计时工具与技术的发展也经历了多个时期，因此该主题非常适合开展HPST单元教学。在分析了目前与“时间”相关的教学实践的优点与不足后，教师进行了“时间”单元的教学设计，具体如图2。

图2 “时间”单元教学设计

“时间”单元由三大内容组成，分别是日晷、漏刻和摆钟，既体现了人类对时间的认识与理解过程，又有利于学生理解技术发展对计时工具的改变。这些内容也较为适合小学生的认知水平。三大内容由不同的课时组成。如“感受时间”包括“快与慢”“时间的估计”两个内容，用一至两个课时完成教学；“漏刻”包括“沉没时间”“水钟”“中国的漏刻”等内容，可以根据实际需要确定课时。总体上，“时间”单元共设计了16 个课时的教学，既可以整体实施，又可以分成三个主题分别进行教学。对于主题之间的联系，教师需要进行铺垫与介绍，让学生对科学、技术的发展有整体的认识，由此在充分的科学实践中促进学生科学核心素养的发展。

（二）HPST课堂教学实践

在单元设计后进行扎实的课堂教学实践才能保证HPST 教学目标的落实。通过实践不仅能够完善HPST教学模式，还能对科学技术史出现的方式和时机进行论证。

1.HPST主题教学实践与反思

“时间”单元的内容丰富，涉及到的教学时间较长，主题较多。在实施过程中，教师可以根据实际情况进行灵活的处理与调整。如“日晷”主题教学,教师改变了以往仅制作日晷和使用日晷的教学方式，从HPST 教学模式出发进行了实践，取得了较好的教学效果。

（1）情境、任务的导入实践

在“日晷”主题教学中，教师先从“感受时间”开始，让学生写一写“做什么比较快，做什么比较慢”。同时在小组内交流介绍自己写的“快”与“慢”的事件，与同伴比较一下有没有重合的事件。这一设计为学生认识“时间”的重要性创设了情境。通过活动，学生对自己和同伴有了更深的认识。如有学生在梳理自己的“快”与“慢”时，会发现自己与其他同学存在矛盾的地方。以“完成作业”一事为例，有的同学写在“快”类，有的写在“慢”类。经过思考讨论，学生认识到快和慢是相对的，只有以一定时间为参考标准才能确定是快还是慢。

随后，教师组织学生进行“时间估计”活动（如表1），如估计完成“穿针”“将10颗玻璃球从一个碗里夹到另一个碗里”“头上顶一本书走20 米”等事情需要的时间。在导入任务后，学生认识到计时方法和计时工具的重要性。

表1 “时间估计”活动

对写作内容进行梳理之后，学生表示从太阳每天的移动、“我们”在慢慢长大、爷爷奶奶在慢慢变老、冬天会下雪、每年秋天树叶会掉落等现象中都能感受到时间的变化。还有学生写道：“时间意味着我们每个人的生命都有开始和结束，意味着四季变换和春去秋来。”HPST教学的目的不仅仅是介绍科学、技术的发展，更在于让学生进入教师设计的历史情境与任务中，引发学生产生问题，形成对现象的认识。

（2）“发现问题、引发观念”的实施

在情境与任务的引导下，学生会自然地产生比较多的问题，对现象也会有自己的认识。如在了解了太阳影子的变化规律后，学生进行了设计日晷的活动，该活动环节层层递进。学生先思考古人的计时方法，再思考太阳影子变化与时间之间的关系，最后确定南北方向（如图3），为日晷的设计和制作做了充分的准备。

图3 确定南北方向的过程

对于古人的计时方式，很多学生能说出用看太阳或者影子位置变化的方法，还有学生说出用沙漏计时、滴水计时等方法，但他们对于古人准确计时工具的科学名称知道的并不多，且对古代计时工具的结构和制作方式也产生了疑问。如对于日晷如何准确计时这一问题，学生产生了许多困惑。通过讨论，学生意识到自己面临的问题与古人曾经面临的问题是相似的，并受到了古人的鼓舞。下面是其中一个小组在活动中的交流对话。

生A：老师怎么不提供制作方法或步骤呢？

生B：我们碰到了很多问题，需要帮助呀！

生C：想象一下，如果我们在1000多年前，该怎么来设计和制作呢？

生A：是的，古人面临的问题可能比我们还多，我们自己再想想吧。

在设计制作日晷的过程中，学生产生了大量的问题。10 个小组中，完成日晷制作的小组有7 个，但在使用制作的日晷进行计时后，学生发现这些日晷都无法准确计时，于是产生了对“日晷到底应该是什么样的”“如何才能制作出能准确计时的日晷”等问题的探究欲望。让学生提出问题并尝试解决问题是科学课堂教学的重要目标，也是输入HPST内容与信息的最佳时机。

（3）HPST教学的深入实施阶段

在HPST 内容与信息输入后应进行科学探究与实践、问题解决与观念重构两个环节。日晷的发展与形成经过了漫长的历史，教学时间不允许教师在课堂上呈现完整的过程，但教师可以根据目标，带领学生进行过程的延伸与拓展。在“时间”单元中，学生在产生强烈学习需求之后，利用教师提供的丰富多样的材料进行了日晷的制作，在制作完成后与不同小组进行比较，找出差异，并从提供的材料与信息中了解日晷的结构与功能，具体过程如图4。

图4 “日晷”探究与实践活动流程

在HPST教学的深入实施阶段，教师需要遵循以下几个原则。首先是给予学生充足的时间。在制作日晷和了解日晷结构功能活动中，教师安排了1个课时进行教学，同时多次利用课后服务时间组织学生进行拓展活动。其次是提供足够充分的资源支持。教师在单元设计中将教学资源的准备作为重点，为学生提供了丰富的学习资源包。除了动手制作的材料、活动任务单之外，学习资源还包括文字、图片和视频等。同时还提供移动终端供学生查阅历史文献资料，帮助学生完成撰写日晷使用说明书的任务。最后是凸显科学、技术发展历史在人类文化积累过程中的重要性。日晷是科学技术发展过程中的重要成果，除了让学生领悟日晷设计的精妙之外，教师还需要对日晷在人类发展过程中的作用进行深入分析，让学生进一步了解中国人和中华文化对时间的关注。

2.HPST教学方式的设计与实施

对“时间”单元进行整体设计、系统实施的同时，教师还基于科学课程核心素养，开展了多样的教学活动。具体而言，核心素养包括学生利用统计图表等记录和整理信息，并进行比较与推理的能力。在“漏刻”主题教学中，教师带领学生开展了统计不同压力下带孔盒子的沉没时间的活动（如图5），在统计和绘制图表后了解漏刻计时的方法与原理。

图5 带孔盒子的沉没时间

除此之外，在“时间”单元中，教师还设计了鼓励学生提出问题的活动，对素养中“提出可探究的科学问题”的要求进行落实；设计了科学写作的活动，培养学生采用不同方式呈现探究过程与结论的能力；在了解中国漏刻的活动中，设计了让学生阅读不同时期描写漏刻的古文献，帮助学生在任务单的支持下，形成对漏刻动态变化的认识；在摆的探究活动中，除了带领学生探究摆的规律，还设计了利用沙摆了解摆动模式的活动，让学生提出一些新颖、合理的观点，同时进行简单的创意设计；在了解完不同阶段计时工具的发展后，引导学生从科学、技术、社会等方面思考科学技术发展的过程，培养学生正确的科学态度与价值观念。

基于HPST 教学的单元设计与教学是落实“2022年版课标”和促进学生科学核心素养发展的有效探索与尝试，旨在让学生系统了解科学、技术史的发展，弥补单课时教学的不足。实践证明，只有在单元多个课时的叠加与迭代实施中，学生的素养培育才能真正落地。