基于HPS理念培育学生核心素养的教学设计

摘" 要：HPS理念是一种将科学史、科学哲学和科学社会学与中小学科学课程融合的综合性教育理念。本文以HPS理念为理论依据，以金属材料中“铜的冶炼与应用”为例进行教学设计与实践，在课堂教学中培育学生的科学思维核心素养。

关键词：铜的冶炼；HPS理念；单元教学；核心素养

文章编号：

1008-0546（2024）14-0038-03

中图分类号：

G632.41

文献标识码：

B

《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称《初中新课标》）在课程理念中指出，重视开展核心素养导向的化学教学，基于大概念建构，整体设计合理实施单元教学。［1］化学是一门自然科学，对学生证据推理、模型建构、批判创新等多种思维的培育发挥着独特而重要的课程价值，同时这也是化学学科核心素养中所要培育的科学思维核心素养。

HPS（History， Philosophy and Sociology of Science）教育是将科学史、科学哲学和科学社会学的有关内容与中小学科学课程融合，不断提升学生对科学哲学思考、科学本质理解的教学模式。［2］在化学课堂教学中融合HPS教育理念与科学思维的培育，能够加深学生对科学知识理解的深度与广度，不断提升学生的科学思维与科学素养。［3］HPS理念与化学核心素养之间的关系如图1所示。

基于此，本文以HPS理念为理论依据，以“铜的冶炼与应用”为例开展教学设计与实践。

一、单元整体分析

《初中新课标》中学习主题“物质的性质与应用”中常见的物质就包括金属与金属矿物，沪教版化学九年级上册第5章“金属的冶炼与利用”包含三节内容：金属的性质和利用、金属矿物" 铁的冶炼、金属防护和废金属回收。学生在学习本章内容后已掌握了铁等金属的相关性质、铁的冶炼原理、合金及其特性等知识。这些知识可帮助学生预测铜的性质及冶炼方法。在金属与金属材料的复习课中，笔者选择我国古代铜合金的冶炼为案例，通过化学史的阅读、加工，进一步引导学生加深对铜的冶炼与应用的认识，同时培育、发展学生的科学思维核心素养。

二、教学片段

1. 融入化学史，用古人智慧点燃学生的学习兴趣

人类认识化学的过程是漫长的，化学中蕴含着众多古人的智慧结晶。在本节课的教学中，通过展现金属材料利用的化学史，让学生身临其境地感受化学的发展，同时揭示其中蕴含的科学思维和方法。学生在亲身体验中感受到了化学是一门研究物质的组成、结构、性质与变化规律的科学。

笔者选择与自然界中铜的发现与利用、青铜的发现与利用、古代炼铜技艺之火法炼铜与湿法炼铜、黄铜的发现与利用等相关的史实，遵循时间发展顺序，整理成阅读材料。学生在阅读这些史实材料过程中，捕集并获取有效信息，结合已有的知识储备，解决一系列的问题。通过这样的学习，学生将深刻感受到古代人民高超的炼铜技艺、炼铁技艺、合金制备技艺，从而体悟古人智慧。

2. 借哲学思想，用科学思维提升思考品质

在科学教育中对物质及变化进行哲学思考有助于提升学生理性思维的发展。通过追溯金属材料的发展历程，使学生认识到事物的发展是一个动态变化的过程。

（1）用辩证观点认识事物及其发展。

铜和石头相比有着巨大的优势，铜有特殊的金属光泽，常用作装饰品，有延展性且质软，便于敲打锤锻，可制成工具及生活用品等器物。然而，人们在使用过程中发现铜在潮湿的空气中容易生锈、产生裂纹且焊接性能会变差。这一过程深刻体现了物质的性质决定其用途，物质的用途反映物质的性质的化学观念，同时启示学生应辩证统一地看待事物。在充分认识到铜的两面性后，人们不断尝试探索，寻找到了其他更优质的可替代的材料。

青铜与铜相比有更优的性能，熔点低，便于冶炼；熔化时的填充性能提升，有利于得到气孔更少的铸造物；硬度变大可制造武器等。即便如此，青铜在受潮或是埋入土中很多年后仍会生锈。青铜在使用过程中同样存在两面性，需要辩证地认识事物。古代劳动人民锲而不舍地改进，又获取了黄铜合金的制备方法，黄铜与青铜相比抗腐蚀性更强，时至今日黄铜制品仍旧在大规模应用。

（2）由个例归纳总结一般规律。

在《滇南新语》中记载了铜绿山炼铜的技艺，学生迁移已有的炼铁原理，即一氧化碳还原氧化铁，推测出铜的冶炼可能也涉及一氧化碳还原氧化铜的反应。部分学生还考虑到木炭和一氧化碳一样具有还原性，也能与氧化铜发生化学反应得到铜，从而总结出一氧化碳、木炭等物质能与某些金属氧化物发生反应得到金属单质的一般规律，并据此提出了火法冶炼金属的方法。

在对比铜的火法冶炼和现代高炉炼铁的过程中，学生从冶炼目的、冶炼原理角度出发，寻找两者之间的共同点。以铁的冶炼、铜的冶炼为基础，归纳总结出活动性较强的金属的一般冶炼方法，认识并运用木炭、一氧化碳能与金属氧化物发生化学反应得到金属单质的性质，从冶炼目的、冶炼设备、冶炼原理、冶炼产品等多个角度认识古往今来在金属冶炼方面的一致性，感受中华文明冶炼技艺的传承与发展。

在《宋史·食货志》中记载了湿法炼铜的具体方法“浸铜之法，以生铁煅成薄铁片，排置胆水（CuSO4溶液）槽中，浸渍数日，铁片为胆水所薄”，在《淮南万毕术》中记载“曾青得铁则化为铜”，开启了我国湿法冶金工艺。学生发现原理都是铁和硫酸铜溶液发生置换反应得到铜单质，总结归纳出可尝试利用金属与某些金属的盐溶液发生置换反应，以此得到相应的金属单质。这一发现使他们得到了金属冶炼的又一种方法。

（3）生疑引发讨论思考。

在探讨古代金属冶炼的发展历程时，我们发现了从火法炼铜到湿法炼铜，再到火法炼铁的一个明确顺序。为了帮助学生更好地理解这一顺序背后的时代背景与化学原理，我们可以将其拆分为以下两个问题进行分析：①关于湿法炼铜为何会在火法炼铜之后出现。学生经过思考，提出了合理的解释：湿法炼铜依赖于大量的铁单质作为原材料，而铁单质的发现和应用在时间上相对较晚。此外，古代人民早期更擅长利用火进行冶炼，因此火法炼铜作为更直接、更原始的方法首先被采用。随着技术的进步和对金属性质认识的加深，湿法炼铜作为一种更为高效、经济的冶炼方式逐渐发展起来。②关于火法炼铁为何在顺序上是最晚出现的，以及它与火法炼铜之间的区别。学生认为这主要源于铁与铜在金属活动性上的差异。铁的金属活动性更强，意味着其更难从矿石中还原出来，同时铁的熔点也高于铜，对冶炼设备和技术水平提出了更高的要求。因此，火法炼铁的出现需要更先进的冶炼技术和更完善的设备支持。此外，冶炼技术的不断发展和进步也是推动火法炼铁出现的重要因素。学生还从这一过程中感受到了我国劳动人民执着于提高冶炼水平、勇于探索创新的工匠精神。通过这样的拆分和分析，学生不仅能够更清晰地理解古代金属冶炼的发展历程和背后的化学原理，还能够深刻体会到技术进步和工匠精神在推动历史发展中的重要作用。

璀璨的青铜时代，是人类智慧与汗水的结晶，孕育了精湛的工艺技术与价值连城的艺术品。时代更迭，现代黄铜制品以精美外观融入日常生活。学生对合金的制备过程一直充满好奇，若在课堂上亲手制作黄铜制品，不仅可以激发他们的学习兴趣，还能深化其对合金制备的理解。

自制黄铜“金片”的实验步骤：①在烧杯中加入适量的白色固体（如硫酸锌等，具体取决于实验设计）后加入约10mL热水，将烧杯置于酒精灯上加热并用玻璃棒不断搅拌，确保固体充分溶解。②放入预先准备好的铜片和锌粒，注意保持烧杯稳定，避免溶液溅出。③等待一段时间，直至观察到铜片两面都均匀覆盖上了一层白色固体（这实际上是铜与锌反应生成黄铜的初步迹象）。④使用镊子将铜片夹出，用滤纸轻轻擦干表面的残留溶液。用坩埚钳夹持铜片，在酒精灯上短暂加热至其表面呈现金黄色（注意控制火候，避免过度加热导致变形或熔化）。⑤将加热后的黄铜“金片”迅速放入冷水中进行淬火处理，以增强其硬度和稳定性。

在此之前，学生对合金的认识大多停留在表面。通过这一系列的实验步骤，学生不仅能够亲手制作出属于自己的黄铜“金片”，还能在实践中学习到合金制备的基本原理和技巧，进一步加深对化学学科的兴趣和热爱。

3. 渗透社会学，用发展意识增强社会责任感

HPS社会教育倡导在教学中，让学生认识到科学不仅推动物质文明进步，还深受社会条件影响，并伴随着社会责任。例如，火法炼铜与湿法炼铜的对比，前者虽有效但能耗高、污染大，后者则更环保、简便，这体现了科技发展需兼顾环境保护的理念。

当前，随着生态文明建设的重要性日益凸显，习近平总书记提出的高质量发展与生态保护相协调的理念，为科学教育提供了新的方向。在教学中，通过讨论和评价不同冶炼方法，不仅能增强学生的科学知识，还能培养他们的环保意识和社会责任感。以义乌国工新材料为例，其技术突破打破了国际垄断，展示了中国在铜合金领域的自主创新能力。这一成就不仅是对传统冶炼技艺的传承与发展，也是对未来科技革新的鼓舞。鼓励学生以此为榜样，立志为中华民族伟大复兴而学习，未来在金属冶炼等领域发挥创造力，实现技术革新。

三、教学反思

1. 以HPS素材为中心，体现化学特色

HPS理念依赖于丰富多样的素材来吸引学生兴趣，并促进学生构建坚实的化学知识体系。化学教材中潜藏着诸多与HPS理念相关的内容，这些内容的融入能够丰富教学维度，有效培养学生的科学思维能力。为了实现这一目标，教学可以围绕化学史实的发展素材展开，按年代顺序梳理特定物质的变迁历程。在这一过程中，学生运用所学化学知识解决实际问题，从而深刻体验化学学科的独特魅力。这种教学方法不仅展示了化学知识的应用性和实践性，还引导学生深入探索科学本质，培养他们解决真实问题的能力，提升科学思维品质，并学会辩证地看待事物发展的规律。

2. 精选HPS教育素材，匹配化学课程

HPS教育紧紧围绕科学史、科学哲学和科学社会学，这三部分内容在初中化学教材中都有所涉猎，贯穿化学课程始终，但由于科学哲学具有抽象性，难以讲解，往往只能在课堂教学中逐步渗透。基于此，教师在教学设计时需结合课程标准要求、学生的已有认知与迷茫困惑点，挑选适合于本节课的HPS素材内容，以内容为载体，让学生运用所学知识来解决实际的化学问题，发展化学学科核心素养。

3. 借助现代信息技术，多样化呈现

融入HPS理念的化学课程通常会选用化学史、化学科学及其前沿知识等为素材，学生在面临大篇幅文字时会感到枯燥无趣。

为了解决此问题，需要对内容的呈现方式进行创新，以激发学生的学习兴趣。

现代信息技术的应用为此提供了新路径，教师应紧跟时代步伐，充分利用现代信息技术营造更为直观、生动的教学环境，以提升教学效果。

在本节课中，笔者尝试将HPS教育理念融入化学教学中，但在素材选择、展示方式以及现代信息技术应用等方面还有诸多要改进的地方。在未来教学中，笔者将致力于采用多样化方法激发学生的探究兴趣并促进学生科学思维的发展。

参考文献

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

［2］ 霍爱新，靳莹，李双.基于HPS和STS培养学生化学核心素养的教学设计——以“发展中的化学电源”为例［J］.化学教学，2018（5）：33-36．

［3］ 崔世峰，王娟.国内HPS教育融入中学化学教学的研究综述［J］.化学教学，2022（4）：3-8．