《HPS教育在高中化学科学探究中的实践研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《HPS教育在高中化学科学探究中的实践研究.doc（10页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、HPS教育在高中化学科学探究中的实践研究doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2015.05.003 一、问题的提出 当代科学教育的一个基本目标是培养学生的科学素养，而科学探究学习是实现该目标的重要途径之一。学生处于知识结构的构建阶段，其自身的认知水平不高，制约了探究的能力。目前HPS 教育已成为当前国际科学教育改革的新理念与新趋势，它是“科学史 （History of Science）教育” 、“科学哲学 （Philosophy of Science） 教育”和“科学社会学 （Sociology of Science） 教育”三者的简称，其主要内容是把科学史、科学哲学、科
2、学社会学的相关知识引入到科学教育活动中，让学生在历史、哲学和社会学语境中重新审视科学、理解科学，对科学本质形成多维透视，培养科学精神，提高科学素养。 二、HPS教育功能的价值分析 1. 科学史故事促进了教学的生态化 教育生态学强调在真实、自然的环境中摸爬滚打和不同方向、不同维度、不同质地信息的碰撞交流。而科学史故事以丰满、生动的科学家的成长以及他做出的科学发现诱发学生对神奇的科学世界的向往，激发学生学习化学的兴趣，形成勇于创新、实事求是的科学态度，实现化学探究教学的情境性和生态化。例如，在学习必修1“氧化还原反应”内容时，针对难度较大的特点，通过介绍燃素说的破灭到氧化学说的建立、原子结构的揭示
3、、电子得失氧化观建立的系列化学史感染了学生，激发了学生求知欲望。我们的学生在跟随科学家攀登智能高山、思维的高山、情感的高山、人格的高山的过程中体验“氧化还原反应”概念产生的来龙去脉。 2. 科学哲学思想史提升了学生的探究力 纵观中外化学史，在每一个化学概念、学说、理论的产生和发展过程中，无不闪耀着科学思想史之光，科学思想史抛开繁杂的历史细节，以相对抽象的形式再现人类科学知识的过程和成果。学生不仅能深刻理解知识，还能感受知识本身发生的过程以及科学家勇于创新的科学精神和锲而不舍的探索态度。英国科学史家丹皮尔曾经说过：“再没有什么故事能比科学思想发展的故事更有魅力了”。科学思想史的运用关键是“恰到好
4、处”，不仅为教学目标达成和揭示化学核心探究思想所用，更重要的是让学生透过史实对科学家、科学发现的思想与思路的深刻领悟，触摸到史实背后的哲学价值和观念。“化学电源”的进化史就是典型的科学思想史的推进史。刚开始发现生物电的是意大利著名生物学家伽伐尼，他通过一个偶然的机会发现解剖刀能使蛙腿抽搐，并提出“生物电”的概念；“生物电”又引起了伏打的兴趣，他反复实验，后来又偶然发现了铜锌原电池，继而发明了伏打电池；再后来伟大的法拉第进一步拉进了人与自然的距离电磁感应。 3. 科学社会史观的“渗透”培育学生的科学价值观 科学社会史观是对科学史的哲学思考，左右着人们对科学及其发展的基本看法和态度。不仅可以培养学
5、生“学会做事”的科学精神，也可以培养学生“学会做人”的人文精神。美国哈佛化学课程的编写以历史发展为主线，不仅结合了相当数量的史料，并且把最基本的化学史、科学哲学和概念、规律熔为一体，成为美国最有影响的化学教材之一。我们可以借鉴这种思路，采用“渗透螺旋式”的学习方式，让学生“走进历史”，形成健康的科学观，理解科学的本质，培育科学精神，认识到科学不但会犯错误，而且恰恰是在不断认识和纠正错误的过程中进步的。科技成果具有相对性，这要求我们具有探索求真的理性精神、实事求是的严谨精神、批判进取的创新精神和科学合作精神，科学技术才能向更高境界发展，化学科学才能真正为社会进步和人类幸福服务。 4. 案例研究：
6、“化学电源” 教学设计理念 人类对热能的利用，不仅改变了人类的生活方式，也促进了人们对化学本质的进一步认识。而化学能与电能的相互转化，则是能量转化的又一重要形式，这种转化形式在生产生活和科学研究中的应用更为广泛。要使燃烧（氧化还原反应）释放的能量不通过热能直接转变为电能，就需要设计一种装置，使氧化和还原反应分别在不同的区进行。然而形式多样的电源并非同时出现的，人类在使用过程中，为了更好地满足自身的需求不断研究、改进发展起来的，体现了人类社会“按需设计”的发展理念。电池发展从1780年伽伐尼的青蛙实验1800年的伏打电池1836年的丹尼尔电池，直到目前的新型电池的百年历史，引导学生用可持续发展的
7、眼光学习化学、发展科学。本文基于学生对原电池的认知发展规律，以科学史重演设置持续的问题情境来展示知识发生过程，引导学生进行探究实验，构建从氧化还原视角建构化学能转化为电能的基本观念；通过分析发现简单原电池存在的问题并能寻找出该进的办法，引入含盐桥的铜锌原电池的学习，全面认识构建原电池的条件，及原电池的放电效率，拓展原电池的视野及运用。 教学片段： 背景材料11780年伽伐尼的“青蛙实验”提出“用铜叉和铁叉触碰剥皮后的蛙腿，蛙腿会抽搐”这种现象可能与生物电有关，伏打阅读了伽伐尼的论文，进行了多次实验，得出“只要有两种不同金属互相接触，中间隔以湿的硬纸、皮革或其他海绵状的东西，不管有没有蛙腿，都有
8、电流产生。”的猜想。 提出问题你同意伏打的猜想吗？请你设计实验来验证，要注意控制实验变量。实验用品：柠檬、西红柿、橙子、苹果、铜片、铁片、锌片、碳棒、灵敏电流计、稀硫酸、醋酸、硫酸钠固体、蔗糖溶液、导线。 分组实验1探究电流形成的条件。 假设1：与金属的相对活动性有关（金属种类）。 假设2：与溶液的导电性有关（溶质种类）。 假设3：与线路是否闭合有关（很容易得到结果，不需要验证）。 展示学生的实验方案，评价修改后确定最终实验方案。 设计意图学生通过对文献资料的分析，必然会对生物电产生质疑。通过仔细分析伏打的实验，引导学生通过实验的方法来验证电流产生条件的猜想与假设。 背景材料21800年初，伏
9、打把许多锌片与银片之间垫上浸透盐水的绒布或纸片，平叠起来制成了世界上第一个电池“伏打电堆”。这是第一个可以产生稳定、持续电流的装置，为电化学研究开创了新局面。 提出问题探究伏打电池原理，你能自制电池吗？ 分组实验2自制音乐电池 实验用品：锌片、铜片、碳棒、硫酸铜溶液、烧杯、万用表、导线、电子温度计、音乐贺卡 课堂记录卡（一） 问题讨论：当音乐贺卡的旋律此起彼伏响起时，课堂一下子安静了下来，大家用心地倾听，尽享这美好激动的时刻。美中不足的是声音断断续续。同学们不由自主地讨论了起来。会不会化学能没全转化为电能？测一下反应液前后的温度不就知道了。实验结果是溶液温度升高了，这与预测的化学能全转化成了电
10、能，溶液温度不变发生了认知冲突，说明真实的反应化学能部分转成了热能，细心的同学还发现锌片上也有铜析出，又再次证实锌与硫酸铜直接反应了，使溶液温度升高；若锌片与铜断开连接，反应还在继续，温度计升高幅度更大，学生为自己摸索出的成果激动不已。是什么原因造成锌片上的多种反应可能性的呢？锌与硫酸铜溶液直接接触，使得化学能只是一部分变成了电能，电池工作效率低。面对存在的问题解决的根本方法是什么呢？学生自然而然地产生了与科学家的共鸣，将锌与硫酸铜分池存放，分池存放又带来了新的问题，如何构建闭合回路？通过什么现象可以说明改进后的电池已经克服了原来的问题？学生在层层追问中体验着科学发展史的过程之美。 设计意图通
11、过了解伏打电池原理，自制音乐电池，引导学生分析原电池的反应原理。且在实验中发现了伏打电池的一些缺点，与科学家遇到的困难产生共鸣。 背景材料31836年英国的化学家丹尼尔发现长时间观察伏打电池存在着明显的缺陷，电流计读数变小，于是发明了以锌负极浸于硫酸锌电解质与铜正极浸入硫酸铜溶液所形成的丹尼尔双液电池，两个电极反应是在彼此隔离的条件下进行的，提高了电池的利用效率，大大推进了电池实用化发展进程。 提出问题双液电池有哪些优点？丹尼尔电池的结构给了你什么启发？你采取的措施是什么？ 分组实验3提取丹尼尔电池的搭“桥”思路，创新电池 实验用品：锌片、铜片、碳棒、硫酸铜溶液、烧杯、万用表、导线、盐桥（丹尼
12、尔电池）、吸管（内有氯化钾溶液与琼脂）、滤纸（KCl溶液中浸泡过）、电子温度计。 课堂记录卡（二） 问题讨论：锌与硫酸铜溶液不接触，隔开，让氧化还原反应在不同区域进行，并用盐桥将装置连接，使化学能全转化为电能。学生大胆地尝试了吸管（内有氯化钾溶液与琼脂）、滤纸（KCl溶液中浸泡过）解决了电流小、不稳定的问题。丹尼尔电池带来了实用价值，可如何设计出携带、使用方便的电池，还有待改进。 设计意图通过探究让学生认识到在双液电池中，负极材料Zn不与正极的电解质溶液直接接触。改进以后原电池装置产生了持久、稳定的电流，减少了锌的消耗，提高了电池的利用效率。深刻解读了双液电池反应原理、优点和盐桥的作用。 背景
13、材料4双液盐桥原电池在体积上较大，因此不是很实用，且电解质用溶液，移动不便，缺乏简易性。我们日常生活需要的是体积小，重量轻，单位重量（或体积）能量比高的电池。1860年法国的雷克兰士的锌锰电池、1887年英国赫勒森提出了最早的干电池。干电池的问世使电池走进了千家万户。老师当堂解剖了一节干电池，发现干电池中有多层牛皮纸。 提出问题吸管、滤纸、牛皮纸与盐桥是否有异曲同工之处？你能用水果膜代替盐桥吗？ 问题讨论：学生豁然了牛皮纸的作用神似搭在两个烧杯之间的滤纸，顿悟了刚才的滤纸实验电流计指针偏转较小，原来是只用了一张滤纸条。于是又逐渐增加滤纸条，果然电流计偏转的角度越来越大，同学们对滤纸和牛皮纸两者
14、的异曲同工惊叹不已。 学生实验4自制创新水果电池 实验用品：锌片、铜片、碳棒、桔子、万用表、导线 课堂记录卡（三） 设计意图让学生在新颖的“情境”中体验盐桥与膜，从生活中的桔子瓣膜到工业中的离子交换膜的过渡使学生的认知水到渠成。老师的引领，学生的感悟，让学生感到自己也是小小科学家了，科学发展史创设的外环境为培养学生的科学假设能力发挥了重要的作用。 三、教学思考 1. 回到教育的原点，使学生的认知过程与HPS的发展过程相似 HPS教育告诉我们化学不过是人类的一种文化活动，人人可学，人人可做，尽管并非人人都有化学家的才能，而从事这种文化活动的化学家也是平凡的人，同样会遇到困难、挫折、失败。历史上大
15、多数化学家遇到的困难，正是学生也会遇到的学习障碍。学生是教育的原点。教师一定要坚定学生立场，按照学生的认知需求组织活动，把学生的活动经历、思想感情、情感心理因素都纳入课堂教学视线。我们的任务就是让学生的思维经历祖先之所经历，迅速通过某些阶段而不跳过任何阶段。只有理解人类如何获得某些事实或概念的知识，我们才能对学生应该如何获得这样的知识作出更好的判断。鉴于此，科学史应该是我们的指南。在“化学电源”的案例教学中通过“背景资料发现问题提出问题作出假设实验验证问题讨论”的探究过程为主线，让学生亲自踏着科学家的足迹进行科学研究。教师的作用是提供问题情境，引导学生提出观点，通过评价，学生发现假设思维过程的
16、缺陷，不仅获得了真知灼见，还获得克服困难的勇气。 2. 追寻教育的视点，开设HPS教育选修课程 教育需要自己的视点，否则难以吸引学生。教育的视点就是教育故事。其实，一个个教育行为就是一个个教育故事。教育故事隐藏着学生成长、成才、成功的密码。根据霍金的理论，宇宙中所有的事情，都是时间的事情。美国作家拉克瑟说：“构成宇宙的是故事，而不是原子”。借此，我们把时间都凝聚为故事，把教师、学生、课程的相遇凝聚为教育故事，将这些教育故事拍成系列微视频，整合成系列微课程，形成系统完整的HPS课程，演绎化学教学的精彩篇章，促进学生深入理解化学。在“化学电源”的案例教学中，我们把从伽伐尼的“生物电”实验，到伏打发明的“伏打电池”，再到丹尼尔研制的丹尼尔电池的原电池进化之旅的教育故事拍成微视频，将科学史、科学哲学、科学社会学围绕“对科学本质的追问与探索”进行对话与交流，不仅传递了化学思想，而且展现了化学的社会价值，充分体现了HPS的核心价值。