基于欧盟HIPST计划的地理学科素养培养体系构建与实践*

殷兴宇 李小妹

（陕西师范大学 地理科学与旅游学院,陕西 西安 710119）

一、HIPST计划的研究回顾

HPS学科（History,Philosophy and Sociology of Science）是科学史、科学哲学和科学社会学的英文缩写。其建立与发展过程是人类探索科学本质的过程，是HPS学者逐步探索其教育价值的过程。科学教育研究者认识到HPS学科的教育价值，然而在科学教育实施过程中由于课程资源、教师素质、科学课堂文化等因素的制约，HPS的教育价值难以实现。欧盟为此实施HIPST计划（History and Philosophy in Science Teaching Project），[1]旨在提升人们对科学、技术和社会之间关系的理解，促进社会的科学教育发展和提升公众的科学素养。在HIPST计划提出后，众多学者开始进行补充HPS教育的HIPST计划教学模式的研究。[2][3]加利利（Igal Galili）结合物理学史对HPS相关本体论和认识论方面的特定概念进行解释，指出HPS课程的开发资料应清楚阐释科学知识的性质和主要特征：客观性和积累性，综合提出了HPS教育和HIPST计划的核心理论“学科文化理论”。[4]因此，国外相关研究较为清晰地阐述了科学史教育中的科学本质观，并能够结合学生认识论和方法论提出具体的课程策略。

目前我国对于科学史和科学哲学教学的研究较多集中在HPS教育的应用方面。有些学者从理论基础、目标与质量标准、开发路径、开发模式四个方面对HIPST项目进行了总体的简述以及探讨了HIPST项目的案例开发与案例教学策略。[5][6][7]地理学科科学史的重要性也引起地理学者的广泛关注：提出应按照地理学思想方法构建地理教学理论体系，并明确指出开展实证研究的必要性，[8]对地理学史的研究范式和研究方向进行了归纳，[9]提出地理学史是培养学生地理素养的重要载体；对地理教师开展地理教学提出了一定的实施建议，即需从知识、方法、意识和精神四个方面进行地理学思想史的应用，[10][11]并尝试将HPS应用在地理教学实践中。[12][13][14]从HIPST计划的框架上看，虽然目前我国地理教学中HPS教育有一定的实践应用，但较多的课堂更偏向于地理学思想史部分，而在地理科学哲学和科学社会学方面涉及较少。同时，课堂倾向于地理科学史知识的讲述，由学生通过地理科学史进程自我建构知识体系的较少。此外，目前缺乏供教师直接开展地理学思想史教学的“趁手”教材，一线教师普遍缺少地理学思想史的系统学习和相应的教学培训，容易忽视教学过程中学生科学精神的培养，因此很难形成具有体系化的HPS特色地理教学策略。

二、HIPST计划与地理学科的契合

我国《普通高中地理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课程标准”）的培养目标中也提到，学生应具有科学文化素养和终身学习的能力。[15]HIPST计划与我国高中地理培养目标相契合，为我国学生地理科学精神素养的培养提供新的教学实践指引。[16]HIPST计划指导下的课堂可以改变传统地理课堂以教师灌输式的教学方式为主的现状。让学生感悟地理学知识的起源与发展，学习科学家思想与方法，切身体会知识理论被确立或推翻的过程，塑造完整健全的科学本质观念。

1.地理学科HIPST计划的构建

HIPST计划的核心理论为“学科文化理论”，[17]即某一学科对应的科学应该是一种文化，科学史是整个文化的生命主线，它承担着知识的结构组成和排列，同时也象征着知识的意义所在。其内容框架主要由内核—主体—外缘三部分组成。其中内核主要是本学科最基本的定理、原则、基本规律等。中圈为主体，主要是核心原则、规律的应用，如解决问题、建模或者运用理论去解释现实中各种现象等，同时也包括实验室对于各种实验物品的使用。最外面的一圈是外缘，它包含了与核心知识相矛盾的知识、过去提出的原则和概念等，以及一些运用已有知识无法解释的现象和人们基于目前的知识提出尚未验证的猜想或误解。

地理学科HIPST计划的内容根据“学科文化理论”可以构建为如图1所示的模型图。内核主要由地理学核心理论及其发展完善过程构成，主体包括了地理学核心理论和发展过程中的应用和影响，外缘包括了与整个地理学核心理论共生的地理学哲学思想、过去的旧概念以及地理学至今未证实的猜想等。这三个部分构成了共生且相互作用的紧密整体。地理学科在落实HIPST计划的学科性实践方面，包括地理学史、地理科学哲学和地理科学社会学三个部分。

图1 地理学科HIPST计划的构建

(1)地理学史

地理学史主要包括地理概念与规律的演化、地理学家探究史、地理学思想史等。地理学思想史是较长的时间尺度和较大的空间尺度下一系列重要的地理学思想的发展历程，它展现了科学家通过地域性、等级概念、空间要素的相互关系和相互作用等方法认识世界和理解世界的过程，是地理学方法论的体现。结合地理学科育人价值的取向，本文所论述的地理学史教学是偏向于地理学史中的地理学思想史部分。

(2)地理科学哲学

地理科学哲学突出地理科学中地理知识的本质，体现地理学知识既是前人发现的积累，又具有依据时代不断变化的发展特征。地理科学哲学是人类在使用地理知识指导生产生活实践，并对一系列自然现象进行认识和改造的认识论与方法论，具有高度凝练性的地理学科特色。地理科学哲学的研究促进地理学思想与理论的创新。[18]地理科学哲学还包括地理学思想，如人地关系思想、区位思想、因地制宜思想、可持续发展思想等，也包括地理学思想论证过程的实证性、逻辑性与创新性等。

(3)地理科学社会学

地理科学社会学呈现了地理学知识产生与发展的背景以及地理核心理论和技术的出现对社会带来的具体影响。地理科学是自然科学与社会科学的交叉学科，核心知识的社会化应用也是地理学科的研究重点，故根据地理学科的学科特性，本文对只着重强调科学史和科学哲学的原HIPST计划内涵进行了地理科学社会学的补充。地理科学社会学更有助于学生加深对所学的科学史知识和其功能的认识和理解，培养学生的观察力和责任感。

2.地理学科与HIPST计划的契合

地理学科HIPST计划的实施表现在地理学科特性综合、地理学思想史丰富、契合地理学科核心素养三大部分，它们的关系如图2所示。

图2 地理学科与HIPST计划的契合

(1)地理学科特性综合

“地理学是以要素、要素群、系统为对象，以空间为核心特征，以时间演化为特色的独特的自然、人文和社会领域的综合、交叉学科”。[19]地理学科的综合性是开展地理学科HIPST计划的前提。①自然与社会特性融合：地理学研究的核心之一是陆地表层自然要素与人文要素及其共同构成的全要素系统，兼有自然科学的理性与社会科学的感性。②具体性与抽象性融合：除进行单一要素的具体研究外，地理学也将若干自然要素与人文要素相结合构成研究整体，研究多个要素之间的相互作用过程得出抽象的概念结论。③区域性与过程性融合：地理系统是解释地理区域或空间的基础，地理区域或空间是地理过程发生的前提。作为一门交叉学科，地理学学科特性充分体现了科学的多元性与包容性，为HIPST计划提供了前提。

(2)地理学思想史丰富

地理学最早于古希腊时期产生，经过了漫长的历史发展过程。不同的地理学思想相互交织，极大地丰富了地理学思想框架，使地理学及其分支学科形成了一套具有地理学特性的核心理论体系。地理学思想史很好地契合了HIPST计划的核心理论“学科文化理论”，几乎每一个地理学核心理论的形成与发展都有与之相对应的地理学思想史脉络。地理学核心理论伴随着时代更新发展的同时，该理论对自然现象的解释和社会化应用也在相应地发生变化，产生了不同的影响，例如荷兰开拓地上聚落系统的设计就是中心地理论的地理学思想的成功应用，这些构成了“地理学学科文化理论”中的“主体”。任何现代地理学核心理论与规律都会经过去芜存菁的过程才能被广泛采纳和使用，而与现代核心理论相矛盾的理论或者过去相应提出的未被采纳的概念、原则或是未被证实的猜想等也是地理学思想史上重要的精神产物，这些组成了“地理学学科文化理论”中的“外缘”。地理学思想史环环相扣、联系紧密，为地理学科HIPST计划的开展提供了丰富的素材。

(3)契合地理学科核心素养

人地协调观要求学生不仅能够正确认识地理环境和人类活动之间的关系，同时也需要理解人们对于人地关系认识的阶段性表现及其原因。地理学科HIPST计划教学通过科学史学习，让学生能够在动态的视角下通过不同时间尺度的科学史学习人类与地理环境关系的变化以及其蕴含的哲学思想。综合思维要求学生从综合的视角认识与分析地理现象和地理事物间的相互联系，从而全面观察与解释地理现象特点，辩证地看待地理问题。HIPST计划中，地理科学史教学包含科学家观察与分析地理现象和提出地理核心理论的过程，可以让学生学习地理学家综合看待地理事物联系以及观察和思考的方式，以整体的观念看待地理事物间的相互联系。区域认知要求学生能够以区域视角观察和认识区域内的地理事物和地理现象，能够运用区域综合分析等方法认识和评价区域。地理科学史中地理学思想的形成也是在一定的研究区域中产生，并进行区域比较得出地理规律。地理科学史的学习，不仅能够培养学生在特定区域或空间的觉察能力，也能够培养学生在不同时间尺度下进行区域对比分析的能力、不同尺度空间叠加的能力。地理实践力要求学生能够在真实环境中运用所学习的知识和工具获取地理信息并尝试解释和解决地理问题。地理学科HIPST计划教学鼓励学生重演科学家发现地理现象的过程，将自己的做法与科学家方法相对比，提升学生收集和处理地理信息的能力，并能够自主应用地理学原理解决地理问题。

三、地理学科HIPST计划的教学实施策略

地理学科HIPST计划教学实施策略，包括围绕课程标准中的核心知识，再依据“学科文化理论”对核心知识进行“内核—主体—外缘”的拆解，选取合适的地理科学史表征内核，并结合地理科学哲学和社会学进行细化补充，构成完整的地理学科HIPST计划课堂骨架。课堂中应通过创设情境还原地理科学发现场景、关注学生地理科学思维结构与表现的培养，如图3所示。

图3 地理学科HIPST计划教学实施策略

1.渗透地理学思想史，构建核心知识内核

地理学科HIPST计划课堂骨架的核心在于用地理科学史展示核心知识中的内核，如图4所示。依据“学科文化理论”对课程标准中的核心知识进行“内核—主体—外缘”的拆解，内核主要是指地理基础概念、理论或原则等，它是若干地理学史相互关联发展的智慧结晶。这些地理学史可分为相关科学家探索发现的过程、与基础地理原理本身的争论以及同步产生的其他相关概念原则等。教师结合课程标准确定核心知识并依据“学科文化理论”完成内核的拆解。在若干地理学史中择优选择符合课程标准要求且合适的地理学史作为内核的主线展开教学，引导学生自主探究内核中地理核心理论等的产生过程、掌握科学家的探究思路和科学方法，同时培养学生的科学精神。例如，“大气的垂直分层”中的内核为大气不同高度下的垂直分层以及对应的大气成分，对应的地理科学史有大气垂直分层的发现史、人类飞行高度突破的记录等。结合课程标准教师可选择人类飞行高度突破的记录作为本节课的地理科学史，通过人类飞行高度的不断提升学习对应高度下的垂直分层和大气组成的变化。

图4 筛选地理学思想史展示核心知识

2.凝练地理科学哲学和社会学知识，整合核心知识

在确定核心知识的内核对应的科学史后，教师应根据地理科学哲学和社会学对地理学科HIPST计划课堂骨架进行“学科文化理论”中的“主体”和“外缘”两个部分的细化和补充，如图5所示。将核心知识中解决科学问题、解释地理现象以及对社会的应用和影响等划分为“主体”，将整个核心知识对应的地理学史探究过程中同步产生的概念、还未能解决的问题、所体现的科学探索精神和地理学思想划分为“外缘”。“主体”和“外缘”两个部分的完善使整个课堂教学内容充实、主干完整、逻辑清晰、核心突出，重点培养学生的科学本质观。例如，在“中心地理论”部分，只选取克里斯泰勒（W·Christaller）的《德国南部的中心地》的地理学思想史是不够的，通过补充荷兰围海陆地上聚落系统的设计（主体）以及展示《中心地理论》在自然条件、城市体系、经济活动整体性等方面的不完善之处（外缘），将地理学思想史、地理科学哲学与社会学有效结合，有利于学生在更好地掌握科学知识的本质之外，认识到知识是可以质疑和修正的，从而有助于学生辩证思维的培养，塑造正确的科学观。

图5 细化的地理学科HIPST计划课堂骨架图

3.创设多元情境，促进学生自主建构核心知识

因为地理科学核心知识的产生具有不同方式，例如地理实验、数据测量、理论推演、实地观察等，所以需要多样化的地理学科HIPST计划教学方式进行展开，引导学生“开悟”地理本质。[20]首先是必要的课堂教学情境方面，教师应为学生铺垫核心知识的社会原始背景、学界此时的主流理论及其对应的知识盲区、新理论方法萌生并被认可和确立的困难程度等，通过聚焦人类发展过程中的科学实践问题增强学生具身化感受。[21]其次在地理实验方面可采用“复刻经典实验”的教学方式，学生通过重演经典实验，能够洞察科学家的实验设计理念和方法以及更细致地理解实验背后的科学思想。在课堂开展过程中，在地理实践活动方面可采用角色扮演法，将学生带入到历史上科学家的角度去感悟科学知识得出的心路历程，增强对当今完善的地理学理论体系的理解。在理论推演方面可以采用与科学家对话的方式，学生通过与科学家的“讨论与交流”共同完成问题的解决，得出结论。这便于加深学生对于科学问题的全面思考，整个过程设计如图6所示。以上地理学科HIPST计划教学方式除了保证学生掌握重、难点知识以外，更注重让学生在教师构建的多样化地理科学知识的发现场景中走进重、难点的形成过程，体验和领悟地理科学家的思维过程，自主建构知识并形成更深层次的科学认知观。

图6 地理学科HIPST计划教学方式

4.重视过程性评价，助力达成地理学科核心素养目标

为更好地促进学生在地理学科HIPST计划课堂中地理核心素养和科学探究素养的形成以及教师教学计划的组织开展，需要对学生在课堂中的综合表现进行地理思维结构评价和表现性评价，如图7所示。在地理思维结构方面，教师合理设置具有层次性的学习任务，关注学生在地理学史学习中基于已有知识体系和情境中的地理信息自我建构认知结构的过程，即从主动提取情境中的地理信息到表述自己零散的观点，再到学生能够加工地理信息形成一套完整的逻辑结构或方法步骤并予以实践论证。同时教师也要关注知识结构生成过程中学生的具象化表现。重点观察学生对地理信息深度加工整合能力、地理术语专业化的逻辑论述能力、小组合作沟通反思能力以及复杂作品科学性创造与实践能力等。通过地理思维结构评价和表现性评价，教师评估自身地理学科HIPST计划课堂设计的同时，可以不局限于学生的核心知识掌握过程，需更关注学生运用地理学思想方法创建科学作品的探究能力提升过程，进而逐步推进学生地理学科核心素养和科学素养的双达成。学方式展开教学，有助于学生在科学史探究中自主建构科学知识并认识到其重要性。同时，不断地完善学生的科学本质观、辩证思维、科学论述等关键能力。

图7 地理学科HIPST计划思维结构评价与表现性评价

课程标准要求：运用示意图，说明水循环的过程及其地理意义。结合地理学科HIPST计划的“学科文化理论”对水循环内容进行“内核—主体—外缘”的定义。确定“内核”为水循环的过程，“主体”为水循环的地理意义，“外缘”为水文学家的水文学方法和塞纳河水主要来源的传说等。本节课的地理学史为法国水文学家佩罗定量化的水文实验，证明降水是河水的主要来源。在此课例中，结合高中地理水循环部分知识和对应科学史的特点及学生的认知水平，将“内核—主体—外缘”进行了新的逻辑融合，共同构成了本课教学设计的逻辑框架，如图8所示。具体的关键教学过程设计围绕“地理学史的情境创设”“科学思维的问题链设计”“重现和验证地理历史实验”“领悟地理哲学思维”等几个层层递进环节，将学生的思维不断引向深入，激发其对地理科学探究的兴趣，领悟地理科学的求真、求实、求善的科学精神。

图8 水循环HIPST计划教学思路设计

四、地理学科HIPST计划的案例设计

本文选择人教版必修《地理一》“水循环及其地理意义”这节内容，主要利用教材自学窗中佩罗水文实验科学史介绍的内容。从水循环的发展过程来看，水文学家佩罗是首个在水文科学领域进行定量化研究的先驱。他进行的塞纳河水来源探究实验是水文学史上第一次通过定量化调查证实降水足以维持河流水流的实验。[22]佩罗的实验结论为水循环中“降水—地表径流”环节提供了实证性的数据支持，对完整水文循环的得出有着巨大的贡献。综上所述，本文选择佩罗水文实验作为课堂案例的地理科学史脉络，采取“复刻经典实验”的教