指向科学本质认识的IHV教学新样式

摘要： 为紧扣《义务教育科学课程标准（2022年版）》的要求，满足课堂的实际需要，对科学史教育中的IHV教学模式进行改良设计，确定以下四个教学环节：确定中心事件和教学目标、创作和实施、思考和设问和回顾与评价，并以“构成物质的微观粒子”为例进行教学设计和实践。旨在加强学生对科学本质的认识，为提高科学教育质量提供新方法。

关键词： 义务教育科学课程标准； 科学史教育； IHV； 构成物质的微观粒子； 科学本质

文章编号： 1005-6629（2024）06-0045-06 中图分类号： G633．8 文献标识码： B

《义务教育科学课程标准（2022年版）》（简称“新课标”）的发布，正式实现课程目标从落实三维目标提升至培育核心素养的转变。新课标强调要从“追求学习的结果”转向“强调学习的过程”，注重学生对学习过程的积极体验、科学方法的掌握和情感态度价值观的形成与转化［1］。同时，新课标中也多次提到要引入科学史素材，让学生在科学史的探究中了解科学家解释自然现象、发现科学规律的过程，引导学生学习科学家研究世界的方法，从而帮助学生进一步认识科学本质［2］。

科学本质包括科学知识、科学探索和科学事业三个维度［3］。在教学中渗透科学本质教育，可以帮助学生形成正确的科学观，培养创新和辩证意识，提升探究和思维能力。研究表明，科学史教育可以有效提高学生对科学本质的认识［4］。科学史教育通过模拟和重演科学家的探究过程，既能帮助学生理解科学知识的产生和发展的内在逻辑，促进科学观念的形成，还可以帮助学生勇敢地基于事实和推理提出质疑和批判，促进科学思维的提升。同时，学生在了解科学家的生平和理论产生的历史背景后，能理解科学与社会的关系，形成客观、严谨的科学态度与社会责任。因此，融入科学史教育对推动科学课程改革和核心素养落地扎根有重要作用，值得深入探究和实践。其中，“互动历史小故事”（Interactive Historical Vignettes， IHV）是科学史教育一种有效的教学模式。

1 IHV教学模式

IHV是由美国旺德西［5］等开发的一种教学设计，其流程如图1所示。这种教学设计通过搭建一个以学生设计科学史互动式情景剧的课堂形式，让学生主动参与到科学史的特定历史故事线的构建。在重现科学家之间不同观点的交锋、融合、替代和理论创建过程中，不仅能提升学生交流、表达和反思能力，也能促进学生对科学本质的理解。

IHV教学模式适用于科学史中曲折复杂的基本理论的建立和发展过程的学习。而科学理论的建立和发展又往往伴随着不同学派间的争论，包含着学科的整体脉络及科学概念在历史发展中的演进过程。研究者倡导在教学内容上应当丰富这块内容，从而帮助学生构建历史思维的探究模式和解读矛盾论点的系统方法［6］。

为了让IHV更好地融入课堂，满足新课标的要求，也为了方便教师的实施和操作，提高学生的参与度，笔者在结合实际教学需要后对操作流程作了改良设计，具体流程如图2所示。

2 融入IHV的教学设计：以“构成物质的微观粒子”教学为例

2.1 教学设计的背景分析

从新课标的角度来看，“构成物质的微观粒子”隶属于“物质的结构与性质”这一核心概念，该课程内容和学业要求是让学生了解已知的绝大多数物质是由分子、原子等微观粒子构成的，认识这些微观粒子的基本特征，并能从微观粒子的角度认识物质。在教学策略方面，新课标建议教师创建真实问题情景，融入科学史素材，引导学生“经历”理论创立的过程，体会观察与实验、预测、建构模型等科学方法，从而增进对科学本质的理解。

从教材的角度分析，“构成物质的微观粒子”位于浙教版科学（2013版）八下第二章第二节，是学生学习化学部分的启蒙内容。该阶段学生需要形成正确的物质微粒观，这对学生后续学习、理解并解释宏观的事实与现象背后的微观逻辑，体会化学反应的实质具有重要意义。在教材中，有关原子、分子等微粒的介绍主要按照以下顺序进行（见图3）。教材中并无科学史素材的介绍，主要是引导学生通过模型来认识原子、分子等微粒。

从教学结果评价角度分析，此阶段学生对显现的宏观事实认识和学习相对容易，对微观和符号的学习却较为困难，通过构建模型可以有效解决该问题，大部分学生基本能达成知识层面的学习目标。但也发现，学生虽能理解分子是由原子构成的，但对原子和分子的定义却较为模糊，不能清晰地说出分子和原子间的区别。甚至几乎所有的学生都会产生先发现分子再发现原子的错误认知，并得出分子比原子大，所以才更容易被发现的错误结论。

基于此，本节课尝试将有关“原子-分子论”创立过程的科学史融入到教学设计中，通过情景剧展现形式，构建“真实情境”，引导学生主动参与到理论发展和探究实践中。这一设计可以帮助学生初步构建物质的微粒观，廓清原子和分子概念并能进行区分，实现从宏观认识向微观认识的过渡。同时，也能促使学生进一步理解唯物辩证法的基本规律，掌握用观察、假设与检验、建构模型等科学方法来认识和研究微观世界的不同种微粒，并能利用这些方法去理解化学反应前后的微粒变化情况，为后续认识化学反应本质及质量守恒定律做铺垫。

2.2 教学过程

2.2.1 确定中心事件和教学目标

2.2.1.1 “原子”和“分子”的中文译名的由来

近代科学理论基本上都来自于西方文明，西方将物质微粒称为“Atom”和“Molecule”。其实“Atom”和“Molecule”中文译文的变化，也是物质微粒理论不断完善过程的一个缩影。19世纪初，只有“Atom”一词，被翻译成微点。直到1899年，美国人福开森在其翻译的“化学新编”一文中对“Atom”和“Molecule”进行了细致和准确的论述：“在一质内，其微点皆同，亦与质同形，此微点，名为质点（Molecule）。质点独立，即不能再分，如与它可化合之质即能分。其所能分者，乃质点内极小之点，名为小质点（Atom）。［7］”该内容表明了质点和小质点的概念及其相互的关系。20世纪初，我们通过日本引入西方科学，受日文的影响，虞和钦先生将“Atom”和“Molecule”翻译为原子和分子，并沿用至今［8］。

2.2.1.2 “原子-分子”理论及中心事件的确定

华彤文教授和唐有祺院士［9］在“化学的继往开来和化学教育”一文中指出，“原子-分子论”是近代化学总体的理论基础，其创立预示着近代化学进入了新的篇章。根据本节课的课时及教学内容，选取的科学史中心事件包括：道尔顿的“原子论”、盖·吕萨克的“半个原子矛盾”、阿伏伽德罗的“分子论”以及康尼扎罗的“原子-分子论”。

2.2.1.3 教学目标

本节课的教学目标是：

（1） 通过阅读“原子”和“分子”中文译名变化的历史，知道原子和分子一词的由来；

（2） 通过体验物质微粒理论发展过程，廓清原子和分子的概念，知道物质是由原子、分子构成的，能初步从微观粒子的角度认识物质；

（3） 通过理论的探究和形成过程，体会科学发展的曲折性和上升性，并能掌握认识和研究微观世界的科学方法；

（4） 通过了解科学家的历史故事和社会背景，感受科学家坚韧不拔、刻苦钻研的品质，同时也初步了解科学、科技和社会的关系。

2.2.2 创作和实施、思考和设问

2.2.2.1 剧本的创作和彩排

教师首先要组织学生开展剧本创作的人员征集工作，包括编剧、导演、演员、后勤工作人员等。人员征集完毕后，教师要指导学生如何去获取科学史素材并将其编纂成剧本，同时引导学生进行合理分工、履行岗位职责和完成剧本的彩排工作。

2.2.2.2 剧本的实施

［引入］从人类诞生的那一天起，我们就用自己的肉眼去丈量和感受着世界。这个世界无边无际，从地球到太阳系再到银河系，银河系外还有浩瀚无垠的宇宙，那宇宙之外呢？我们收回视线，再看实验桌上放着的乐高模型，随机取下一块，可以看到整个模型就是由一块块积木搭建而成的。这些积木又是由什么构成的呢？是不是由更小的积木搭建而成的呢？那更小的积木是不是由更微小的“积木”构成呢？几千年来，在强烈的求知欲和探索欲推动下，科学家们前赴后继地进行探究，构成物质的微观粒子也逐渐被揭开神秘的面纱。下面就让我们一起来见证那段发生在19世纪的学术争论。

（1） 第一幕

［旁白］近2000多年，人们普遍认为物质是由各式各样的元素组成的，如土、气、水、火。到了17世纪，波义尔通过化学实验，得到了更为准确的元素种类（如氧气由氧元素组成），但元素依旧属于宏观概念范畴。尽管古希腊时期的哲学家德谟克利特就提出过万物皆由极小且不可分割的质点所组成的猜想，但因缺乏证据，一直被束之高阁。直到19世纪，道尔顿提出了微粒的思想，并通过实验把臆测的质点变成了科学的原子理论。

［旁白］道尔顿坐在实验桌前，盯着近期的研究报告，随之而来的疑问也越来越深。

［道尔顿］“混合气体压力等于各部分气体压力之和，这意味着气体间的存在互不干扰，为什么呢？”

［旁白］道尔顿百思不得其解，直到有一天他看到几种豆子混合在一起的场景时，突然灵光一现。

［道尔顿］“如果气体是一颗颗微粒构成的，不就很好地解释这个现象了？这种微粒用显微镜看不见，我要找到更多证据来证明它的存在！”

［旁白］看，经过大量实验，道尔顿又有了新进展。

［道尔顿］“由两种不同元素组成的不同物质，当其中一种元素质量一定时，另一种元素的质量会成整数比。例如甲烷（CH4）和乙烯（C2H4），当碳元素质量一样时，氢元素的质量比为2∶1。”

［旁白］道尔顿敏锐地意识到，只有原子论才能解释这种倍比现象。

［道尔顿］“组成物质的元素以微粒为基本单位化合，各微粒在不同化合物中的数量又不同，这才导致它们在不同的化合物中表现出整数比。我决定将这种微粒称为原子，原子是真实存在的，相同原子的质量和大小应该是不变的。”

［旁白］道尔顿并没有停止他的工作，又继续投入对不同原子的相对质量和参加反应的原子数目的研究。最终在1808年，他提出了自己完备的“原子论”。

［道尔顿］“所有物质都是由原子构成，原子是不可再分的物质粒子；不同的原子以简单数目的比例相结合形成化合物，这些化合物的“原子”被称为“复杂原子”。正如氢气和氧气反应形成水所展示的那样。

［实验］用模型演示（图4）。

［提问］同学们，这就是道尔顿提出“原子论”的全过程，他采用了哪些研究方法？

［学生］道尔顿通过认真观察，发现问题，然后做出一个合理的假设，再通过实验和收集数据，最后得出自己的结论，所以他采用了观察、假设、实验论证、数据收集等方法。

［追问］那么收集到的数据要做怎样的处理才能得到结论呢？

［学生］还需要对数据进行分析、推理和演绎。

（2） 第二幕

［旁白］在几千人环绕的大会议场上，道尔顿和盖·吕萨克正在激烈争吵，我们一起来看下，到底发生了什么？

［盖·吕萨克］“通过大量的实验，我发现同温同压下相同体积的不同气体可能都含有相同数目的原子，但实验中却发现1体积的氢气和1体积的氧气反应却生成了2体积的水蒸气？这不就意味着水原子中含有半个氧原子和半个氢原子？”

［实验］用模型演示（图5）。

［旁白］为了维护自己理论的正确性，道尔顿大声驳斥。

［道尔顿］“你的测量数据有问题！”

［旁白］鉴于道尔顿当时的威望，再加上技术水平的限制，所以盖·吕萨克的假说并没有引起太大的关注。但随着技术的发展，科学家们证实了盖·吕萨克实验的精准性。这表明“原子论”需要进行补充和完善。

［提问］请结合盖·吕萨克的实验，简要说一说道尔顿的“原子论”的矛盾点出现在哪里？

［学生］同体积的氢气和氧气反应生成两倍体积的水蒸气，那复杂水原子就是由半个氢原子和半个氧原子构成了，这和原子不可再分是矛盾的。

［追问］为什么盖·吕萨克的“真理”反而败下了阵？

［学生］盖·吕萨克主要受困于当时道尔顿的权威和科学技术水平，不敢坚持真理。

（3） 第三幕

［旁白］远在意大利，一位教授正在自己的办公室翻阅着一堆资料，嘴里还念念有词，越发兴奋。我们一起来看下，他又有哪些重大的发现。

［阿伏伽德罗］“如果将复杂的水原子看成是一个可以分割的新微粒——分子，那半个原子矛盾不就迎刃而解了吗？”

［旁白］随后，阿伏伽德罗在以盖·吕萨克等科学家的实验基础上，进行了合理的推理，创造性地提出了分子的概念。但“分子论”观点的传播依旧困难重重。阿伏伽德罗缺乏实验的论证，他错误地将能变成气态的硫、磷、汞等物质也认为是由分子构成的，并推理所有物质都是由分子构成的，这也成为他理论的致命缺陷。

［旁白］而后，阿伏伽德罗又发表了三篇有关分子论的论文，但当时的科学界却选择性忽视他。

［提问］为什么阿伏伽德罗的“分子论”最后变得无人问津？

［学生1］主要是因为阿伏伽德罗并没有进行大量的实验论证，所以导致理论存在漏洞却无法有效地进行补充。

［学生2］也和当时科学界的偏好性有关，使他的理论并未得到重视。

［追问］道尔顿、盖·吕萨克和阿伏伽德罗的探究过程带给你哪些启示？

［学生1］科学理论需要进行大量的实验以获得支撑理论的证据。

［学生2］还需要丰富的想象力和创造力。

［学生3］还受到当时权威、社会背景、科技发展的制约。

［学生4］要有敢于质疑的勇气、坚韧不拔的毅力和永不放弃的决心。

（4） 第四幕

［旁白］1844年，道尔顿去世，“原子论”这座不可逾越的大山也开始动摇。1860年，康尼查罗带着自己的论文，面向几千名同行宣告自己的惊人发现。

［康尼查罗］“我重读了道尔顿和阿伏伽德罗的论文，并经过大量的推理和论证，发现如果将二者有机整合在一起，那么许多的问题可以迎刃而解。这就是‘原子-分子论’。”

［旁白］“原子-分子论”的核心是构成物质的微粒有原子也有分子，原子是化学反应中的最小微粒；由分子构成物质，分子是保持其化学性质的最小微粒。至此，科学的“原子-分子论”开始被人们广泛接受。

［提问］康尼查罗提出的“原子-分子论”是完全通过实验得出的吗？

［学生］并不是。康尼查罗并没有做大量的实验，他主要是在总结前人实验和理论成果的基础上进行综合分析，最后经过大量的推理和论证得出自己的理论。

2.2.3 回顾与评价

表演结束，教师组织学生以小组为单位进行讨论，主要围绕以下几点展开：（1）通过本节课，你能准确说出原子和分子的区别吗？（2）科学结论的得出需要经历哪些步骤，使用哪些科学方法？（3）成为科学家需要具备怎样的品质和能力？（4）谈谈科学研究和社会科技的关系，这对你今后的学习和生活有什么启发？（5）完成评价量表（表1）。

学生通过小组内的自由讨论和总结，各选派一位代表上讲台汇报分享。在分享中，教师要引导学生对构成物质微粒的发展史进行整理，再用ppt展示现代科学技术手段下实际观察到的原子、分子的图像，并依次介绍由原子、分子构成的物质。最后提问学生“原子-分子论”就是微粒理论的终点了吗？再次引发学生思考，以深化学生对科学研究的过程性、科学结论的暂时性、科学结论的实践性和科学研究的社会性的感悟，促进学生科学本质观的形成。

3 结论和启示

基于学科知识升华出来的认识世界与改造世界的价值观和方法论，能够让学生自觉基于学科视角思考问题与解决问题，具有超越事实的持久价值和迁移价值［10］。立足新课标改良的IHV教学，有效地将知识教学上升为观念教学，引导学生主动去体验知识背后科学理论的发生和发展过程，感受科学知识的暂定性和可变性，体会科学发展的艰辛，学会用辩证、发展的观点去审视书本知识，客观公正地评价历史人物，正确掌握科学研究的方法，从而促进学生全面地理解科学本质。

IHV融入科学课程也面临着诸多的挑战。站在教师层面来看，从文山书海的科学史素材中高效且精准地筛选出紧扣教学内容的科学史，凝练出合理的教学目标，并引导和组织学生进行编剧和构建情景剧，不仅要求教师对科学史要有一定的了解，还要求教师对教学内容和新课标要求了然于胸，更要具备较强的课程开发和把控情景剧的能力。从学生的角度分析，课堂实践的成败一方面是学生能否主动参与到情境剧中，另一方面是学生能否具备科学史演绎发掘和感受科学本质的能力。此外，课堂上的时间容量和课堂教师、学生所需要耗费的时间也是一个重要问题。

综上，笔者认为IHV融入科学课程契合新课标的出发点，丰富了科学课堂模式，是一种促进学生能力素养和科学本质认识发展的有效教学模式。但在课堂实践中，教师也不能泛化IHV，要在结合教学内容、学生学情、新课标内容、课堂时长、教学评价等多方面情况下，有选择性地进行融入和实践。也期待广大同仁能加入到IHV的课程资源的开发和实践中，共同为提高科学课程教学的质量而努力。

参考文献：

［1］［2］中华人民共和国教育部制定. 义务教育科学课程标准（2022年版）［S］. 北京： 北京师范大学出版社， 2022.

［3］Mccomas W F， Almazroa H， Clough M P. The Nature of Science in Science Education： An Introduction ［J］. Science & Education， 1998， 7（6）： 511～532.

［4］张健， 王华， 李春密. 促进科学本质认识的HPS教学过程构建——以“牛顿第一定律”教学为例［J］. 物理教师， 2021， 42（2）： 12～16.

［5］Wandersee J H， Griffard P B. Chapter 2-The History of Chemistry： Potential and Actual Contributions to Chemical Education. In John K. Gilbert et al， Chemical Education： Towards Research based Practice［M］. Kluwer Academic Publishers， 2002： 36～37.

［6］刘琪. 科学史融入科学教学的价值逻辑［J］. 教学与管理， 2022， （21）： 71～75.

［7］［8］袁振东， 杜卫民， 王晓瑾. 原子-分子论发展史教育中值得注意的问题［J］. 化学教学， 2014， （2）： 75～77.

［9］华彤文， 唐有祺. 化学的继往开来和化学教育［J］. 中国大学教学， 1995， （3）： 19～22.

［10］吴星. 全面提高学生义务教育化学课程所要培养的核心素养——《义务教育化学课程标准（2022年版）》解读（一） ［J］. 化学教学， 2022， （9）： 3～8.

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*浙江省教师教育规划课题支持项目（编号：ZX2022158）的研究成果。