大概念视域下基于HPS理念探寻科学本质的教学研究

［摘 要］大概念视域下基于HPS理念的科学教学将科学史、科学哲学、科学社会学等知识融入科学教学中，具体可分为五步：第一，创设情境，提出问题；第二，引发冲突，激活思维；第三，引入历史，探寻历程；第四，模拟实验，直观感知；第五，总结评价，知识迁移。学生的认知从“学科小概念阶段”到“次位概念阶段”再到“大概念阶段”逐级提升。该教学模式引导学生从整体观念建构的角度，对科学观念和科学方法进行思辨和争辩，进而实现对科学本质的领悟。

［关键词］大概念；科学本质；HPS理念；地球表面的板块

［中图分类号］" " G633.98" " " " ［文献标识码］" " A" " " " ［文章编号］" " 1674-6058（2024）17-0096-04

一、研究背景

（一）初中生科学学习的现状分析

目前初中科学所涉及的概念、定律和理论等知识大多较为繁杂，各知识点之间也缺乏系统的联系，因此学生并不能很好地将各知识进行有机的整合，最终导致学生对一些科学知识的理解停留在表面，对科学本质的领悟也停留在粗浅的层次，甚至形成错误认知。

（二）与科学本质相关的大概念

哈·温伦在《以大概念理念进行科学教育》一书中提出了14个科学大概念［1］，其中涉及科学本质的大概念分别是：探索自然现象的原因是科学的使命；科学上的解释、理论和模型都是在特定的时期内与可获得的实证最为吻合的；科学研究的目的之一就是创造服务于人类的产品；运用科学可能会对人类社会产生影响。

（三）HPS教育理念

HPS是History、Philosophy、Pociology of Science的简称。基于HPS理念的科学教学的核心思想是在科学课程中加入科学史、科学哲学、科学社会学的有关内容， 着力于促使学生领悟科学的本质，增强他们的创新和创造能力［2］。

二、大概念视域下基于HPS理念探寻科学本质的教学策略

大概念视域下基于HPS理念探寻科学本质的教学策略主要是将科学大概念中有关科学本质的部分与HPS 教育中的相关内容进行融合，进而形成渗透科学、社会、前沿科技等的学科知识为主要载体的教学范式。

该策略的基本步骤为：以真实情境为切入点来开展教学，关注理论研究的过程，在其中加入科学史的相关内容，促使学生在学习过程中感受科学的研究方法，正确的思维模式以及科学家坚持不懈、不屈不挠的精神，引导学生像科学家一样进行研究，模拟他们研究的过程，使知识与方法、思维等同步进阶。在学生的学习目标和已有的能力发展水平基础上，有机地将科学的本质渗透到学生所学知识中，引导学生站在当时的历史背景下去领悟科学家的思维、研究方法和科学精神，进而使学生的认知从“学科小概念阶段”“次位概念阶段”“大概念阶段”逐级提升［3］。该教学策略建构图如图1所示。

三、教学过程

下面以“地球表面的板块”一课为例，呈现大概念视域下基于HPS理念探寻科学本质的教学实践，具体教学流程如图2所示。

（一）创设情境，提出问题

首先，教师向学生展示世界地图的模型，并要求学生仔细观察南美洲和非洲的轮廓。学生通过观察发现这两个大洲的轮廓重合度较高，甚至可以尝试拼接起来。随后，教师拿出南美洲和非洲的模型，请学生亲自动手拼接，同时辅以电脑动画，让学生更直观地认识到这两个大洲可以拼接成功。据此，教师引出魏格纳的大陆漂移学说并提出问题：仅凭两个大洲在轮廓上可以基本拼接起来就可以说这两个大洲曾经是一个整体吗？

评析：通过创设情境，让学生自己动手操作，切身体会，从而使学生的思维从抽象到具体，为后续引发思维冲突做好铺垫，并为学生正确领悟科学本质打下深厚基础。

（二）引发冲突，激活思维

根据问题的讨论结果，将学生分成两组：一组学生为支持方，他们觉得既然两块大陆能够拼接，那么已经具有了充分的证据去证明两块大陆曾经连在一起；另一组学生为质疑方，他们认为除此之外还应该有更多的证据，否则不足以体现科学研究的可信度。质疑组学生拿出两张准备好的报纸来证明轮廓重合并不代表曾经就是一个整体（如图3），这一简单的实验让支持组学生瞬间理解了其观点。

评析：学生观点的呈现和辩论，可以很好地提升学生的思维能力，同时鼓励学生设计实验来证明自己的观点，这也符合科学研究的一般步骤——从抽象到具体再到抽象的过程。

（三）引入历史，探寻历程

科学史一：基于学生的认知，教师顺势引入“大陆漂移学说”的科学史，并介绍魏格纳经过不懈努力找到的支持自己学说的4大证据（如图4）：（1）地形证据：非洲和南美洲的一些海岸线在某种程度上有着巧妙的对应，山脉的褶皱能契合在一起。（2）生物证据。非洲和南美洲在地理位置上相隔很远，但是存在很多相似的生物。（3）化石证据。在南美洲、南极洲、印度和非洲等地都发现了舌羊齿化石。（4）气候证据。北冰洋以北地区发现了一些热带植物化石，在南非发现了冰川存在的痕迹。

评析：科学家的探究历程是HPS教育必不可少的素材，教师可以利用科学史来让学生更真实地感知科学家的探究历程，从而更充分地领悟科学家的研究方法、思维过程等。

教师请学生勇敢质疑大陆漂移学说有哪些方面的问题还没解决。有学生提出：大陆漂移学说没有说明大陆漂移的动力来源。教师进而向学生介绍新的科学史。

科学史二：在1962年前后赫斯和迪茨经过多次的海底探测发现了大洋中脊（海岭），在此基础上科学家提出了海底扩张学说，这就很好地解释了大陆漂移说的动力来源，即地幔对流（如图5），为大陆漂移学说的发展提供了保障。

科学史三：1965年，加拿大地质学家威尔逊在“大陆漂移学说”“海底扩张学说”的基础上创造性地提出了“板块构造学说”。

评析：科学史的引入和介绍是HPS教学理论中非常重要的环节，教师可以步步深入地向学生介绍科学史，并在这个过程中让学生尝试扮演科学史的主角。该做法对于学生正确地领悟科学本质是大有好处的。具体设计思路如图6所示。

（四）模拟实验，直观感知

对于板块之间的运动形式，教师虽然可以通过动画的方式展示给学生，但是不利于学生直观感受板块之间的运动。为此，教师可以让学生进行模拟实验，即利用手边的材料来模拟板块间的运动。具体安排如图7所示：一组学生用两本科学书进行撞击，另一组学生用一本科学书与一本作业本进行撞击，以此来模拟板块之间的碰撞；同时还有一组学生通过轻拉科学书来模拟板块之间的张裂。

评析：模拟实验可以很好地展示一些复杂的过程，这也是HPS教育和大概念教学倡导的内容。让学生亲自动手设计并做实验，对其思维和动手能力的提升有很大帮助。

（五）总结评价，知识迁移

教师首先向学生展示一则最新的科学发现：地中海在缩小，而红海在不断地扩张。其次，请学生进行小组讨论，根据课本板块构造图来讨论这个现象发生的原因。最后，对学生的解释进行总结，并提出问题引导学生分析地球上类似现象的成因，比如大西洋的成因，日本地震和火山频发的原因，印尼是多地震国家的地理缘由等。通过小组合作讨论，学生能够很好地领悟“板块构造学说”，并用于解决现实存在的科学问题。

知识与思维的迁移本质上是一种思想的创新。知识迁移，就是将学到的知识从一个载体转移到另一个载体的创造过程，这符合基于大概念的HPS教育理念。具体设计思路如图8所示。

四、实践反思

在初中科学的教学过程中，教师可以尝试依据现有的实际情境提出相关的科学问题，让学生可以亲历科学家探究科学的历史发展过程，这样学生的主观能动性可以得到充分的发挥，同时逻辑思维和解决问题的能力也可以得到相应的提高，在新的维度理解科学的本质［4］。在实际应用时有以下几点值得思考。

（一）创情境和激思维是基础

在本节课的教学中，教师通过让学生观察地图、展示动画模拟等形式，让学生身临其境地体验魏格纳当初提出“大陆漂移学说”的初始情境，因此学生的代入感会很强。在实际教学中，很快就有学生提出了疑问，即要判断两块大陆曾经连在一起仅凭所谓的大部分轮廓重合这一点是不具有足够的说服力的。可见，这种教学模式有利于培养学生勇于质疑的精神，让学生能够理解科学理论知识是与发现该理论的历史时期的证据最为吻合的，理解科学家探究的艰辛。

（二）科学史的寻找和引入是关键

在实际教学过程中，教师需要在教材之外寻找丰富的科学史，并要确保科学史的严谨性，同时结合学生的实际水平和发展特点来筛选适当的科学史。教师还应采取恰当的方式去引入科学史，让它能较好地嵌入课堂，让课堂流程顺畅，如让学生演绎历史情境等。学生学习科学史不仅是为了学习历史，更是为了学习其背后的科学本质，因此需要教师在引入科学史的过程中同步渗透科学家的思维过程、研究方法和探究精神，这样学生的脑海中才会产生更深刻的认知。

（三）实验设计与知识迁移是提升

学生在学习了科学史，并初步领悟了科学家的思维过程、研究方法和探究精神之后，再针对其中所产生的某些问题来设计实验或是模拟实验，会更有助于学生在实际操作中去运用这些研究方法和推理过程。同时，知识的迁移运用，即以所学知识来解释生活中的现象或是解决生活中的问题，也是对科学本质进行再理解的一个过程。在这个过程中，学生对于科学家在探索过程中所用的科学方法、所具有的不屈不挠的精神、科学发现所经历的曲折以及科学的本质都有了较深的理解。

［" "参" "考" "文" "献" "］

［1］" 哈伦.以大概念理念进行科学教育［M］.北京：科学普及出版社，2016.

［2］" 蔡兴锋，朱琴梅.HPS教育在高中化学科学探究中的实践研究［J］.化学教与学，2015（5）：10-12，31.

［3］" 刘徽.“大概念”视角下的单元整体教学构型；兼论素养导向的课堂变革［J］.教育研究，2020（6）：64-77.

［4］" 张晶. HPS 教育的五个主要特征及其对我国科学教育改革的启示［J］.科学技术哲学研究，2010（1） ：92-96.

（责任编辑" " 罗" " 艳）