HPS教育融入科学课程的国外研究成果简介

郭小玲

(深圳中学,广东 深圳 518001)



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HPS教育融入科学课程的国外研究成果简介

郭小玲

(深圳中学,广东 深圳 518001)

HPS教育是国际科学教育研究的一个热点课题,影响着许多国家的科学课程改革．欧美国家对HPS教育能够促进学生对科学本质的认识和提高科学教育质量达成了共识．我国的基础教育课程需要HPS教育,而与一些西方国家积极提倡在科学教育中加入HPS教育相比,我国的相关研究较为缺乏．所以,梳理HPS教育融入科学课程的国外研究成果是有必要的,这为进一步研究HPS教育如何更好地融入我国科学课程从而提高科学教育质量铺垫．

HPS教育;科学课程;科学本质

1 引言

HPS(History and Philosophy of Science)是科学史和科学哲学的简称．1989年第一届科学史、科学哲学与科学教育国际会议(IHPST)的召开,使得科学史与科学哲学开始融合,并以HPS 教育的方式进入科学课程．随后,HPS教育逐渐成为国际科学教育的重要课题之一,并对许多西方国家的科学课程改革产生了深远影响,如美国的《2061计划》《科学素养的基准》以及英国等国家的新科学课程都对HPS教育有明确要求．

HPS教育将科学史和科学哲学的内容融入科学课程,以促进学生对科学本质的认识、提高科学教育的质量．科学最早以形而上学的形式出现于古希腊,中世纪之后被称为自然哲学,直到19世纪才被称为“科学”,所以哲学是科学及科学研究的本体论基础．[1]科学哲学关注的是人类的世界观和科学观,即“科学是什么”“科学的本质是什么”．美国等国家的科学教育标准文件对HPS教育有一些共性的要求,比如HPS教育要使学生理解科学本质的内涵,认识到科学是解释自然现象的一种尝试、科学知识具有相对持久性和暂定性、科学是一种社会活动、科学和技术相互影响、科学研究受科学家看待事物方式的影响等．[2]

近年来,国际上对HPS教育的研究不断深入,并在理论和实践层面取得了一定的成果．西方国家对HPS教育能够促进学生对科学本质的认识和提高科学教育质量达成了共识．[3]研究表明,HPS教育不仅蕴含着科学知识的形成过程,还蕴含着科学家的创造性思维方式和科学方法,体现着科学态度和科学精神．HPS教育有助于学生理解科学概念、科学规律以及科学实验．[4]

基于HPS教育对学生的积极影响,许多西方国家大力提倡在科学教育中加入科学史和科学哲学的内容.与之相比,我国的科学教育界对HPS教育的关注度不高,相关研究较为缺乏．在教学实践中,如果教师仅将科学教育理解为科学知识的教育,过度关注科学的工具理性,忽视学生对科学内涵、科学与社会发展等方面的深刻理解,这将导致学生整体科学素养和学习能力不高,不满足当今人才培养目标与方向．所以,我国的科学课程需要HPS教育的支持．基于此,梳理HPS教育融入科学课程的国外研究成果是有必要的,这为进一步研究HPS教育如何更好地融入我国科学课程从而提高科学教育质量铺垫．

2 国外研究现状

近年来,随着国际科学教育界对HPS教育的研究不断深入,HPS教育的理论基础与实践经验得到了一定的积累．现有的研究较为集中地体现了如下的特点．

研究HPS教育的科研团队不断壮大,跨学科、跨区域的合作性研究增多,例如2008年欧盟科研框架计划委员会启动了HIPST(History and Philosophy in Science Teaching)研究项目,该项目由来自7个欧盟国家以及以色列的研究人员参与,共10个研究小组开展研究;[5]参与每2年一届的IHPST(International History, Philosophy and Science Teaching)国际会议的学者不断增多,其中包括科学史、科学哲学领域的专家以及中小学教师等．此外,区域性的HPS会议(如拉丁美洲科学史、科学哲学和科学教学国际会议(IHPST-LA)等)和分学科的HPS会议(如生物学史、生物学哲学和生物学社会研究国际会议(ISHPSSB)等)也不断增多．亚洲也在2012年首次举办了IHPST亚洲区域会议,[6]促进了亚洲地区的HPS教育的研究交流．

HPS教育的研究内容不再局限于理论层面,而是更多地关注在教育实践中的运用．比如,巴西Marco Braga等研究者以HPS教育为视角,将物理课程和艺术课程进行整合,开发了一种沟通科学和人文两种文化的新课程,并通过持续2年的教学实验来检验其教学效果．该课程以亚里士多德物理—牛顿物理—爱因斯坦的近现代物理的发展为线索,关注于物理学大的变革所对应的世界观的转变,并且以不同时期的绘画作品体现这种世界观的转变．[7]HIPST项目组坚持“HPS教育在科学教育的有效实施必须由特定的活动、知识和材料来支持”[8]的理念,专注于开发HPS教育的相关教学案例,并在教学实践中运用这些案例,以改善HPS教育在科学教育中的实施现状．[9]

合作型的案例研究模式逐渐受到重视与推广．目前,美国、欧洲等国家的课题研究组,较多地采用案例研究的模式,以教学案例的开发与实施为任务主线,将科学史、科学哲学领域的专家和负责实施教学的一线教师联合起来一起进行课程开发,比如HIPST项目组的案例研究模式(如图1所示)．合作型的案例研究模式,不同于传统的“自上而下”的研究模式,传统的研究一般由专家完成,再由教师推广研究成果,它的主要问题是研究结果可能不容易被教师接受和实施．这种合作研究的方式从一开始就将教师纳入课程开发工作中,从而保证研究结果的可行性．同时,课题研究也有助于提高教师的科学史与科学哲学知识、科学本质观、教育理念以及教学能力,这为HPS教育的有效实施打下基础．

图1 HIPST项目组的双周期案例研究模式[9]

HPS教育融入科学课程的教学方式,从传统的以教师为中心的教学活动开始转向以学生为中心的教学活动．以往国外教师通常通过课堂讲授、谈话或讲座等形式,将科学史和科学哲学引入科学课程．较为经典的教学模式是由英国学者孟克和奥斯本提出的,它包括6个教学环节:演示、引出观念、学习历史、设计实验、科学的观念与实验检验、评论和评估．[10]近年来这一教学模式在可行性以及强调知识本位等方面被部分研究者质疑．[9]实证研究表明,即使是教师严厉地批判“科学就是正确知识”的观念,学生也不可能就这样紧跟和接受教师的新科学观而没有质疑,[9]所以课堂讲授、讲座等以教师为中心的教学活动,并不能有效地发挥科学史和科学哲学对学生发展的积极意义,对“促进学生对科学知识和科学本质的理解水平”有一定的局限性．基于此,一部分国外研究者开始转向以学生为中心的教学活动,并探索了多种教学方法,如探究教学、科学写作、角色扮演、问题解决学习、反思性学习等．

HPS教育融入科学课程的教学方式,是指导如何开展HPS教育的重要依据,对教学效果起关键作用,所以下面将从这一个视角,进一步梳理与总结HPS教育的国外研究成果．

3 HPS教育融入科学课程的教学方式

在课程学习中,学生为构建科学知识所经历的科学探究过程,与科学史上科学家所完成的科学探究过程有一定相似之处,所以将HPS教育通过探究教学的方式融入科学课程具有一定的可行性．当一个问题情境呈现给学生时,如果学生的疑问或观点和过去的科学家一样,他们将采取和科学家相类似的行动方案．所以,科学家的研究思路和研究方法可以作为学生探究性实验活动的指南,科学家的实验证据可以与学生的实验结果作对比．这样不仅能帮助学生从科学家所处的历史背景出发,理解科学家如何解释实验证据、如何创建知识,还能让学生更好地理解科学家行为背后的价值观和科学精神．

科学写作指通过文字或图表等方式呈现学生对科学及科学本质的理解,从而将学生的内在认知活动外显．科学写作从上世纪80年代开始被应用于HPS教育,许多西方国家的理科教材都专门安排了科学写作栏目,如美国《科学探索者》在“原子和化学键”章节中,安排的科学写作内容是“查阅科学家建立的其他原子模型,设想和这个科学家讨论该原子模型的对话并写成对话录”．科学写作的形式灵活多样, Keys(1999)[11]将科学写作分为实验写作、解释性写作、报告性写作、传记性写作、说明性写作5种类型．国外教学实践表明,学生围绕主题进行自由写作来表达自己理解的科学知识、情感与态度，这不仅可以发展学生对科学知识的批判性思维,增进学生对知识间的联结和逻辑性的反思,还能启发学生的想象力与独创力,有助于促进学生多方面的发展．

让学生动手制作科学史上的一些重要的实验仪器,这被Heering(2000)[12]以及HIPST项目组(2012)[9]等研究者证明是一种有效的将HPS教育融入科学课程的教学方式．复制的实验仪器能集中体现科学家的实验设计理念、实验结果以及科学理论的解释功能.这给学生提供了机会来洞察过去科学家的科学活动,例如,卡文迪许和库伦的扭秤实验装置体现了在没有测力计的年代,科学家是如何将“作用力大小的比较”等效转化为“悬丝扭转角度的几何量比较”．复制的实验仪器还可以有效地说明科学实验的程序性、情景性和偶然性,[13]并促使学生形成“科学知识具有暂时性、科学依赖实验证据、科学观点受社会和历史环境的影响”等关于“科学是什么”的认识．

另一个被证实有效的教学方式,是让学生扮演科学家角色,参与到科学史的特定事件中．McSharry和Jones(2000)[14]提出3种将角色扮演应用于科学课堂的方式:隐喻式角色扮演、模仿式角色扮演、类比式角色扮演．隐喻式角色扮演发挥了科学史的解释学功能,它要求学生必须分析和评价一个科学史情境(比如两派科学家的争论),从而让科学事件、科学家的心路历程和科学观念重新具体化．一般地,教师先通过讲故事、多媒体展示等方式介绍历史背景信息,然后学生在此基础上设计一系列的故事情节来展示科学事件,最后由师生共同对活动进行评价．模仿式角色扮演主要让学生模仿科学家做科学实验．Hart等研究者发现,[15]如果学生只是按教材提供的步骤操作、仅需较少的思考就完成实验,他们的探究能力等科学素养将得不到充分发展．模仿式角色扮演强调让学生模拟科学家设计实验、操作实验和分析实验,可以尽量避免上述菜谱式实验的不足．尽管学生不可能完全模仿科学家的探究活动,但是他们能从这种角色扮演中体会科学家工作以及科学探究的本质,并看到自己与科学家解决问题的区别．类比式角色扮演指教师将科学史作为类比的实例,引导学生类比科学家的思考方式来构建科学知识,如类比科学家建立“速度”概念的思路,提出“功率”的定义．

HPS教育除了能融入新课教学之外,还可以应用于问题解决教学中．Coelho(2013)[4]以斜面问题、单摆问题等经典力学问题为例,探讨了如何将HPS教育融入到问题解决教学中．教师先简要讲解这些物理问题的现代解法,即运用牛顿第二定律、基于力学概念的解决策略,再重点分析该问题在17、18世纪的解决策略,即直接通过分析加速度而不涉及重力和牛顿运动定律等力学知识的解决策略,然后要求学生讨论这些不同解决策略的相同点和不同点,进而评价问题解决策略．研究指出,如果学生的学习难点来源于科学理论本身(如重力、重量、质量等容易混淆的概念或惯性质量和引力质量是否相等之类的争论),那么教师可以通过展示过去科学家们如何不运用相关科学概念、却同样解决问题并得出相同结论的过程,来帮助学生更深层次地理解科学知识和问题情境,从而将理论学习和问题解决更好地联系起来．

随着研究的不断深入,越来越多研究者从反思性学习和元认知的视角,来探索HPS教育融入科学教育的方式．[16]如果教师仅仅给学生展示科学史而不引导学生反思科学的一般性问题,可能只是让学生知道几个科学家名字或历史故事,并不能有效地促进学生对科学本质的理解．即使是让学生与科学家一起亲身体验科学探究工作,学生的科学本质观也没有显著性变化．[17]所以,HPS教育需要专门设计一些反思性学习活动,来落实学生对科学及科学本质的反思．例如,在学生学习海森堡不确定原理时,教师可以通过展示爱因斯坦等科学家对这一原理的争论,引导学生思考“证伪与证实的关系”“直觉和想象对科学研究的影响”．比如,当学生阅读了一封科学家的信件后(在信中,科学家描述了他如何完成研究工作,但是社会因为质疑他的实验仪器而怀疑研究结果),教师可以配合“得出科学观点所需的实验仪器有什么特征”“证据与科学结论之间的关系”等反思问题,来引导学生反思“科学”和“科学的本质”．这类的反思性学习活动,通过引导学生就课堂中出现的科学史和科学哲学的一般性问题作些探讨,从而解决从具体的课堂活动升华到抽象化的科学本质观念之间的过渡问题．

将HPS教育融入物理等科学课程以提高教育质量,是近年来国际科学教育研究的一个前沿性课题,是科学教育的一个发展趋势．不断积累的教育研究成果对欧美国家的科学课程改革产生了积极影响,如美国的《国家科学教育标准》(1996)明确将“科学史与科学本质”规定为科学素养的核心内容之一、英国“国家科学课程”(1988)要求HPS教育占总科学课程的5%左右、荷兰PLON课程和挪威的核心课程等都将HPS教育纳入科学课程标准．而且欧美国家对HPS教育的课程要求基本是多层次的,随着年级的增长而深化．我国的科学课程标准(以《普通高中物理课程标准(实验)》为例),对物理学史等内容标准有一定的描述,但并未将HPS教育和对科学本质的理解作为课程显性目标进行要求．而且在教学实践中,部分教师过于关注科学的工具理性、强调知识本位、对科学本质内涵的关注度不够.这样将不利于学生核心素养的全面发展．所以,深入研究HPS 教育有助于推动我国科学教育的改革．借鉴国外经验将HPS教育与我国教育背景相结合进行本土化研究,这是必要的且有意义的．

1 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.

2 美国科学技术协会.面向全体美国人的科学[M].北京:科学普及出版社,2001.

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本文系深圳市教育科学“十三五”规划课题“将HPS 教育融入中学物理教学的理论与实践研究”(课题编号:ybfz16135)的阶段性研究成果．

2016-12-12)