基于证据推理的HPS教学设计研究

闫雪 任莉君 赵卫星 王冬梅 王宏社

摘要：证据推理是科学探究活动中重要的科学方法。结合证据推理对传统的HPS教学模式提出改进，细化了科学探究的程序，将证据推理模块的作用凸显出来，并选取“硅及其化合物的性质”进行教学设计，为教师开展探究性课堂教学提供思路。

关键词：证据推理：科学探究；HPS教学模式：教学设计

文章编号：1008-0546（ 2022 ）11x-0051-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.11x.013

一、引言

《普通高中化学课程标准（2017年版）》的颁布，对学生的证据推理能力提出了新要求。[1]与此同时，高中化学课程改革也越来越重视培养学生的科学素养，随着课程理念的进步以及各界对“科学一技术一社会”的关注，迫切需要教师探索新的教学模式。

HPS是科学史、科学哲学及科学社会学的简称。[2]1999年，英国学者孟克和奥斯本提出将HPS教育应用于教学以来，与各学科相关的HPS教学模式研究成果不断涌现。研究者基于化学学习的特点将HPS教学模式分为六个程序，如图1所示。[3]

在HPS教学模式中，科学探究活动是凸显科学哲学内涵的重要环节，学生在课堂逻辑严密和教学环节连贯的学习过程中，能够沉浸在基于证据推理的良好课堂氛围中。该教学模式可促使学生独立完成科学探究过程，探寻科学本质，从而有效提升证据推理能力，同时也为教师顺利开展高质量课堂教学提供有力保障。

二、基于证据推理的HPS教学模式

基于证据推理的HPS教学模式如表1，将科学史内容放入课程导人部分，缩短了教学时长，将更多的时间留给学生进行探究活动，并且细化了科学探究的步骤，突出“确定证据”在探究中的首要地位。设计的合作推理环节，不仅能够增强学生的课堂参与感，而且也能培养学生的团队合作精神。在活动小结环节中，学生在对实验结果分析的基础之上，通过总结个人收获来深刻体会化学知识的发现、探索与积累过程，并领悟到化学知识能够服务社会，从而增强学生的社会责任感与历史使命感。

三、HPS教学模式的实践应用

元素的学习需要建立“位一构一性”的思维模式。然而学生对于“为什么位置决定结构，结构决定性质？”之间的关系理解不够深刻。在探究活动中可设置证据推理环节，引导学生根据物质的结构预测性质。“硅及其化合物的性质”是高中教材探究活动的典型课例，既有完整的知识体系，其化合物在生活中也有广泛应用，将HPS教学模式与证据推理相结合来进行教学活动会相得益彰。

1．化学史引入

环节1：历史情境

师：约在1万年前，第一批陶匠用柔软的黏土制成坚硬的陶器，至唐宋年代，我国的陶瓷制品已享誉海外。现代工艺制成的玻璃与陶瓷成分相近，但是性质更加优越，给我们的生活带来了很大便利。同学们知道陶瓷和玻璃的主要成分吗？

生：陶瓷以黏土为主要原料，黏土的主要成分为含水的硅铝酸盐。普通玻璃的主要成分为二氧化硅、硅酸钠和硅酸钙。

师：它们都含有硅元素，硅在地壳中含量丰富，仅次于氧元素，它以硅酸盐或二氧化硅的形式存在于自然界中。1787年，拉瓦锡首次发现了岩石中的硅，直到1823年硅首次以一种元素形式被瑞典化学家贝采利乌斯发现。当今的电子工业以集成电路为基础，单晶硅成了不可或缺的电子工业原材料。

为什么与硅有关的化学制品如陶瓷、玻璃和单晶硅用途差别很大？

设计意图：通过阐述硅及其化合物的相关发展历史片段，导入新课，不仅能够激发学生学习兴趣，而且学生对硅元素也会有更深刻的认识。教师根据情境提出问题，引起学生对下一环节的思考，顺利开展科学探究活动。

2．科学探究活动

环节2：确定证据

师：幻灯片展示单晶硅和二氧化硅的结构（见图2）。学生根据所学内容总结，填写表2。

环节3：合作推理

实验一：演示实验。教师在一块干净的玻璃上滴一滴0.1 mol/L氢氟酸溶液，发现有气泡产生，并且玻璃和氢氟酸接触的地方变得粗糙。之后，教师分别将0.1 mol/L硫酸、0.1 mol/L盐酸、0.1 mol/L硝酸滴到玻璃上，玻璃表面没有变化。学生仔细观察实验现象后推测玻璃只能被氢氟酸腐蚀。

实验二：学生实验。教师要求学生吸取3-5 mL饱和硅酸钠溶液放入试管中，滴入1-2滴酚酞溶液，摇匀后发现溶液变红。然后用胶头滴管滴加0.1 mol/L的稀盐酸，一边滴加一边振荡，溶液红色变浅直至消失后停止滴加，观察到溶液变为白色胶状。学生根据实验现象推测硅酸钠和稀盐酸反应生成了新物质。

师：总结学生的推理及实验现象，书写相关反应方程式（见表3）。

环节4：探究反思

师：教师展示两瓶0.1 mol/L氢氧化钠溶液，其中一瓶以玻璃塞作为瓶盖，另一瓶以橡胶塞作为瓶盖，两瓶氢氧化钠溶液都存放了一段时间。让学生尝试打开瓶盖，学生发现玻璃塞很难拔出。这是什么原因呢？

生：因为玻璃塞和玻璃瓶的打磨接口处，二氧化硅和氢氧化钠溶液发生反应生成黏稠性物质硅酸钠。[5]3

设计意图：在构建证据推理模型的过程中，[6]选择符号证据、微观证据和实验证据，从三个方面帮助学生建立起硅及其化合物的性质模型。学生从符号证据中推测得到硅在元素周期表中的位置和化合价，[7]从整理得到的证据中能够得到硅与碳的性质具有相似性，推断出硅与氧气的反应及二氧化硅与碱的反应，并且在实验过程中验证猜想，学生不再是被动接受知识，而是主动参与并获取知识。

3．科学与社会、生活

环节5：总结与收获

师：单晶硅的主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等；陶瓷的主要成分硅酸盐中的原子排列紧密，可作为人造骨髓植入人体，也可制成刀刃，切削钢铁；二氧化硅原材料成本低廉，是玻璃的主要成分，目前已经研发上市了各种不同用途的玻璃，如：原料中添加铅制造的玻璃透光性好且折射率高，而加入硼酸盐制成的玻璃耐化学腐蚀，能够承受温度急剧变化，可用作炊具、汽车挡风玻璃、光导纤维等。

设计意图：化学知识最终要应用于生活，通过我们对物质的结构及其性质的充分了解，才能够在生活中学会应用，实现社会价值。

总结：学生通过对以前所学概念、知识及实验事实等相关证据的掌握，预测物质性质，参与实验，并对实验结果进行分析。HPS教学模式将科学知识放在历史的坐标系中学习，从知识发生的过程中学习化学知识．符合课程标准对学生科学素养的要求，为教师开展探究性课堂教学提供了新思路。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部．普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[s].北京：人民教育出版社，2020.

[2]王静.HPS教育理念在高中化学教学中应用的策略研究[D].甘肃．西北师范大学，2021．

[3] 张克龙，化学学科实施HPS教学模式的策略[J].中学化学教学参考，2006（12）：12-14.

[4] 杨玉琴，倪娟，证据推理与模型认知：内涵解析及实践策略[J].化学教育，2019，40（23）：23-29.

[5]吴晗清，何婷，新课标“硅及其化合物”定位的嬗变与教学重构——基于HPS模式改进的教学设計[J].化学教育，2021，42（9）：46-52.

[6]孙思海，“二氧化硅的化学性质”生活化情境教学设计[J].中学化学教学参考，2020（ 24）：18-19.

[7]杨梅，莫尊理，张英，王培．从证据推理视角对“离子反应”教学案例的分析及其启示[J].化学教育，2020，41（17）：60-65．