指向科学本质的小学科学HPS单元教学

【摘 要】科学本质的认识和理解是核心素养发展的基础与保障。对于科学本质的教育仅仅依靠隐性教学是不够的，还需要科学史、科学哲学、科学社会学相融合的显性教学。文章基于科学本质的内涵，明确科学本质的显性教学，并以“计量时间”单元为例，按照HPS融合模式的六个环节开展单元整体教学，即还原科学史情境，聚焦发现问题；引发各种观点，培养思辨能力；呈现科学史料，理解探究内涵；寻找实验材料，设计科学实验；科学哲学指导，亲历科学探究；紧扣科学社会学，回顾发现历程。

【关键词】科学本质；HPS教学；单元整体教学

《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）明确指出，义务教育科学课程是一门体现科学本质的综合性基础课程［1］。科学本质及其教学是近年来国际科学教育领域的一个研究热点，越来越多的专家学者也都认识到，科学本质的理解对科学学习有着积极的意义，是发展科学核心素养的基础。那么在小学科学教学中，如何实现学生对科学本质的理解呢？本文以教科版小学科学五年级上册“计量时间”单元为例，按照融合模式开展单元整体教学，增强学生对科学本质的认识，提升学生的科学核心素养。

一、明确科学本质的内涵

科学本质是指对科学知识、科学研究过程、科学方法、科学的历史、科学的价值、科学的限度等方面最基本特点的认识，是一种对科学本身全面的、哲学性的基础认识。［2］40-41科学本质观具有内隐性、深层次的特点［3］。科学本质即是回答“科学是什么”“科学从何产生”等与科学本质属性相关的问题。科学本质的内涵是复杂的，不同历史时期、不同的人对科学本质的认识不尽相同，但大多数学者还是会采用美国科学促进协会在《面向全体美国人的科学》一书中的说法，将科学本质的认识概括为科学知识的本质、科学研究的本质、科学事业的本质三个方面［2］41。笔者将其整理如图1所示。

科学本质的教学有隐性和显性两种路径，隐性教学就是通过科学探究、做科学等方式，将科学本质隐藏在教学中，以潜移默化的方式让学生体会科学本质。但学生很难在做科学和探究活动中理解科学本质，只有把科学史、科学哲学和科学社会学三者有机整合在一起，形成一种综合性的科学教育方式，才能帮助学生在更广阔的背景下全面理解科学知识，明白科学知识的产生和发展过程，以及科学与社会的关系，从而多维视角达成对科学本质的理解。

二、科学本质的显性教学

HPS是科学史（History of science）、科学哲学（Philosophy of science）和科学社会学（Sociology of science）的简称，是与当今科学本质显性教学高度契合的跨学科教学方法。首先，HPS教学强调以科学史为基础，因为科学史可以让学生了解科学知识的产生、发展和修正过程，包括其蕴含的科学方法、科学精神和人文精神，有利于激发学生的学习动机，使学生更好地理解科学知识的本质。其次，HPS教学强调以科学哲学为核心，因为科学哲学既有利于学生从知识论、认识论和方法论角度认识科学本质，培养他们的批判性思维和思辨能力，又可以使学生理解科学的局限性和不确定性，使学生更好地运用科学方法和科学精神解决实际问题。最后，HPS教学强调以科学社会学为背景，因为通过科学社会学，学生可以了解科学知识在社会中的影响和作用，认识科学、技术、社会、自然之间的关系，从而更好地理解科学知识的社会价值和文化意义。

最具典型意义的HPS教学模式有两种。一是美国学者万达西提出的“互动式历史小故事”教学模式。教学者将一个科学史小故事分成几个小片段，用互动的方式呈现故事，让学生推测后续的发展，以此描述一个单一事件的科学本质。二是英国学者孟克与奥斯本提出的“融合模式”，这个教学模式分为“演示实验—引出观点—学习历史—设计实验—呈现科学观念和实验验证—总结与评价”六个阶段。

三、基于HPS融合模式的单元教学

教科版小学科学五年级上册“计量时间”单元由“时间在流逝”“用水计量时间”“我们的水钟”“机械摆钟”“摆的快慢”“制作钟摆”“计量时间和我们的生活”等七个部分组成。仔细分析可以发现此内容是很好的HPS教学素材，为此，笔者在充分了解相关科学史、科学哲学、科学社会学的基础上，把钟摆出现的科学史作为本单元的重点，用HPS融合模式组织单元教学，具体设计如图2所示。

在重构的单元教学中，教师遵循单元整体教学的“总—分—总”结构，先以科学史设置单元大情境，提出单元核心问题，然后把科学哲学融于各个分课时的科学探究活动中，最后把科学发现置于科学社会学中回顾审视，形成一个完整的教学过程。HPS融合模式各环节在单元教学具体实施时，也就转化为“还原科学史情境，聚焦发现问题—引发各种观点，培养思辨能力—呈现科学史料，理解探究内涵—寻找实验材料，设计科学实验—科学哲学指导，亲历科学探究—紧扣科学社会学，回顾发现历程”六个步骤。由此，科学史、科学哲学、科学社会学实现了有效融合，直指科学本质。

1.还原科学史情境，聚焦发现问题

在传统的科学教学中，教师往往能考虑学生的年龄特征和认知规律，但对科学知识本身和学习知识的意义却思考得不够深入，这会在无形中影响学生科学知识体系的建构。因为科学史不仅包含科学知识本身，也包含科学知识的形成历程，而这个过程恰是最有意义的。HPS教学引入科学史，让学生在学到科学知识的同时，也了解科学知识的来龙去脉，体会前概念与科学史之间的关系，这对学生科学知识体系的建构具有积极的意义。

在教学“计量时间”单元时，教师还原了古代人的生活场景，让学生思考“在钟表出现之前，人们是如何计时的”，把学生的研究置于广阔的科学历史背景中。学生研究用太阳计时、用香计时、用水计时，直至用钟表计时的过程，也是人类对计时器的研究史，这有利于激发学生科学学习的深层动机，体会科学家的精神。比如，在研究“摆”时，教师用视频还原“伽利略看到吊灯因点火松手后来回摆动，引发思考”的场景，引导学生观察科学家曾经研究过的现象，站在科学家的角度思考问题、提出问题。

需要注意的是，科学史不仅仅是以科学故事的讲解来满足学生的好奇心开启单元学习，而是以此为切入点着重展示自然现象，引导学生聚焦人类科学发展历程中的实际问题，让学生在科学史的问题场景中切身感受什么是科学发现，以此帮助学生理解科学本质的内涵。

2.引发各种观点，培养思辨能力

哲学思维是学生学会学习和认识世界的关键能力，HPS教学十分重视科学哲学的融入。有科学哲学指引的HPS教学，常常将实证思维和辩证思维引入教学中，培养学生勇于质疑、敢于争辩、积极求证的精神。在引出观点的环节，教师要调动和挖掘学生关于现象的既有知识与经验，激发他们发表观点的热情，同时可适时引出错误观点、局限观点和最新科学观点，催生学生面对同一事物的不同观点开展激烈的思辨活动。

如鼓励学生对“摆的快慢与哪些因素有关”做出猜想时，即使学生提出错误猜测，教师也不急于否认，而是以此为他们认识科学发展的曲折性埋下伏笔。当学生没有新的观点产生时，教师可适时抛出科学家的观点“摆经过短弧要比经过长弧快一些”，以起到推波助澜的作用。由此，学生真正经历思辨后体会到科学允许想象，但科学反对盲从，科学不迷信书本，不迷信权威，科学应该以经验事实为基础，基于证据进行逻辑推断。

3.呈现科学史料，理解探究内涵

科学课程倡导探究式学习，要求学生像科学家那样“真刀真枪搞科学”。但如何从科学家的专业探究到学生通用的学习方式，中间的理论并不完善，这也是目前实际教学中浅层次的“假探究”“伪探究”广泛存在的真正原因。HPS教学中的科学史既包含科学家探索出来的客观规律，也包括科学探索过程及运用到的思维方法和论证方法。因此，在呈现科学史料过程中，教师要注重剖析科学家探究的史料，帮助学生搭建和科学家科学探究之间的桥梁，让他们真正理解科学探究的内涵。

如在本单元研究摆的分课时教学时，教师适时呈现伽利略研究钟摆的科学史料。在学生学习史料之后，教师用“伽利略为什么要制作一个摆进行研究？”“伽利略在做摆的实验时每次改变几个条件？”“伽利略每次实验做多次，为什么？”等问题引导学生对史料进行剖析。学生在剖析中不难理解：伽利略制作一个摆代替吊灯，这种建立模型的办法更有利于把研究的事物理想化；伽利略在研究单摆时，每次只改变一个条件，这种控制变量的方法更有利于寻找科学规律；伽利略用同一个方法做多次实验是为了精确地搜集实验数据。

这样，学生在学习科学史的过程中，将思想与历史上科学家的思想建立起联系，使得科学史中蕴含的思维方式、研究方法得以真实还原。学生在了解科学家发现科学规律的过程中，体验到科学家科学探究的内涵，掌握了科学探究的方法，真正像科学家那样思考和解决问题。

4.寻找实验材料，设计科学实验

从科学哲学的角度知道，科学讲究证据，实践是检验观点的唯一标准。HPS教学强调模拟科学家角色，思考科学家思考过的问题，重复科学家做过的实验，亲身体验科学家的探究过程。但需要让学生知道，历史上科学家所选择的研究材料和研究方法取决于当时的社会背景，而科学结论是经得起无数次重复检验的。

在设计实验环节，教师引导学生依据科学家实验的内涵，使用现代技术重新设计科学实验，亲历科学探究，检验科学家得出的结论。如启发学生思考由于时代条件的局限性，伽利略研究钟摆实验的不足之处，思考如果伽利略在科技发达的今天，他会如何改进和设计实验？学生想到用秒表替代伽利略实验的脉搏计时，用同体积但不同重量的小球替代不同体积的铁块、石块、木块作为摆锤，用量角器控制摆幅的改变，还可以采用数字化实验设备重演摆的实验等。

在这个过程中，虽然学生使用的实验材料与伽利略时代不完全相同，但却更趋于实验的本质内涵，也更便于搜集反映客观现实的真实数据。学生在重新经历科学家探寻规律的过程中，体会到科学不仅是逻辑与想象相结合的产物，更是建立在观察和实验基础上的创造性工作，从而进一步理解科学本质。

5.科学哲学指导，亲历科学探究

科学的发展与人类的价值观、世界观和认知方式密切相关，科学哲学为HPS教学提供了全面认识科学教育认识论和方法论基础。科学实践哲学对于科学的哲学讨论面向科学实践而不再是科学知识，并将科学视为介入世界的方式而非观察世界的方式［4］，是行动者与世界之间不断交互的一系列连续活动。科学哲学视域下的科学教学不是通过科学史“告诉”学生科学知识，而是让学生从“怀疑”出发，像科学家那样思考和探究世界，体验学习科学的乐趣，提升科学探究能力。学生的科学学习不再简单重复已存在的思维模式，而是亲身经历实践探究过程。在此过b11f64c91ea497a7195b5f19e0b07ce2程中，学生观察实验的视角、基于数据的科学态度、推理论证的思维方式以及研究问题的方法，都是科学哲学重要的组成部分。教师要引导学生实事求是地获得事实数据，帮助学生选用合理的方法分析观察数据，在出现异常数据时引导学生分析原因，将辩证思维引入推理过程，引导学生基于证据归纳推理、得出结论。

比如，在学生像伽利略那样经历科学探究过程得出“摆的等时性”结论后，教师可以引导学生像科学家惠更斯那样观察“机械摆钟”和“制作钟摆”，以检验实验的可靠性。在这个过程中，科学哲学和科学史内容相互渗透，学生真正体会科学发现历程的艰辛，认识科学知识的产生、发展、演变的过程，并思考什么是科学，什么是伪科学。从而学会用发展的眼光看待科学知识，用辩证的眼光看待科学实践，深刻理解科学是一个“怀疑—批判—更正”的过程。

6.紧扣科学社会学，回顾发现历程

科学与社会有着千丝万缕的联系，科学发展与社会进步也有着辩证关系。HPS教学要注意从科学社会学的角度出发，帮助学生正确理解影响科学进程的社会因素，了解科学的社会成就，正确认识科学的社会功能，感受科学和社会发展的相互促进关系，促进学生从历史、社会和人文的角度对科学进行辩证认识，进而加强社会责任感，自觉促进科学、技术与社会协调发展。

“计量时间和我们的生活”这节课是单元总结课。教师引导学生通过回顾人类计量时间的历程，明白科学知识的产生和发展受到社会、经济和文化因素的影响，认识到科学知识不但具有主观性、相对性、可验证性，而且具有社会性，从而更好地理解伽利略实事求是、敢于实践、不迷信权威的行为不仅是一种科学态度，更是一种对社会负责任的表现。从科学史料中，学生知道科学研究对社会的贡献，理解科学发现是技术发明的基础，科学要通过技术才能改变现实世界。同时，理解科学的发展是无止境的，科学史是动态的理论体系，只有相信科学、相信事实，才能有新发现、新发明。

实践证明，指向科学本质的小学科学HPS单元教学是一种行之有效的教学方式，它使科学史中蕴含的哲学思想、科学社会学等内涵与潜在价值得到充分挖掘。学生在现实与历史的双向互动中，与科学家的思想建立连接，促进了对科学本质的理解，有效地提升了科学核心素养和综合实践能力。

参考文献：

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

［2］义务教育科学课程标准修订组. 义务教育科学课程标准（2022年版）解读［M］. 北京：高等教育出版社，2022.

［3］黄晓. 促进科学本质理解的多元教学路径：科学本质教学的国际视角与启示［J］. 教育科学研究，2023（9）：52-59.

［4］李刚，吕立杰. 实现真正的STEM教育：来自科学实践哲学视角的理解［J］. 中国教育科学，2021（2）：84-91.

（责任编辑：罗小荧）