跨学科视域下高中化学HPS教学实践

周萍 朱琴梅

[摘要] HPS作为科学史、科学哲学与科学社会学交织的科学教育理念，凸显了其对科学知识由来、基源与应用的延展，有助于创设跨学科叙事力、提升跨学科的交响力与表达跨学科的共情力。以“原电池的百年变迁”主题进行教学探索，生成了以追溯化学发展，激发学习热情;铺陈趣味实验，构建电池模型;模拟科学历程，思考模型本质;改进现实应用，体悟科学本质为主要步骤的HPS教学模式，实现化学学科育人价值的深度开发。

[关键词] 高中化学;HPS;跨学科主题学习;科学史;科学本质

当前，培养学生的化学学科核心素养已然成为化学学科育人的根本目标。为了进一步促进学生具身性、能动性地获取化学学科核心素养，经由广泛且深入的科学实践成为必由之路。高中生处于知识结构的自我重建与深化阶段，其认知水平与思辨能力的限制，制约了“真学实做”的科学实践展开。而HPS作为“科学史”“科学哲学”和“科学社会学”三者的简称，能让学生在历史、哲学和社会学语境中对于科学本质多维透视[1]。跨学科视域下的高中化学HPS教学探索，旨在改变以“知识为中心”和“学科为中心”的观念，培养跨学科的开放、多元思维，更好地理解科学的知识本质、探究思维本质与事业本质[2]。现以HPS理念跨学科教育的价值意义探讨，借由“原电池的百年变迁”这一主题，进行教学实践探索。

一、HPS理念下的跨学科教育价值意义

（一）HPS教学创设了跨学科的叙事力

无论是科学简史，还是人类社会简史，其变迁表象的背后阐释了历史发展的必然规律，即从历史的叙事当中抽取可以贯穿整个历史进程的隐性规律。对于科学教育而言，科学史包含了如何让科学知识生长出来并发现事物的内在发展规律。而HPS教学可以借由科学变迁历史，借助其中跨学科方法与思维的应用，加强对背后哲学观点的挖掘，通过现实应用进而整合跨学科的上位知识。可见，HPS教学理念为跨学科的知识关联提供了一個教学叙事框架，其不仅可以横向链接本学科的专业知识与跨学科知识，还可以纵深挖掘学科理解能力，凸显跨学科素养的培育。实则，HPS教学以学科发展历史长河中一个又一个真实场景，统整了各学科知识间的相互联动。这样的教学理念或模式下，不仅有助于教学构建课堂积极的叙事脉络，也能够帮助学生涵育一种增长叙事的思维系统，从而提炼出化学学科，乃至自然科学的核心要义。

（二）HPS教学提升了跨学科的交响力

时至今日，化学学科的发展早已经不在于学科本体，其发展历史、基本探究方法思维，乃至现实问题的解决早已经圆融科学、技术、工程学与社会学等方方面面。而HPS教学理念恰恰交织着科学史、科学哲学与科学社会学三者：透过中外化学史，能够看到其中闪耀的科学思想史之光，而科学思想史本身则是抛开历史细节，以相对抽象的形式表述、思维深化融入与现实需求的问题解决，体现了人类科学知识的过程和成果。由此可见，HPS教学可以让学生触摸到史实背后的哲学价值和实践应用，提升了学生发现学科系统与整合之美的交响力。如教授化学学科时，为了追溯学科哲学观点与实践化学知识的生产应用，可以纵向联系物理学的第一性原理（其思考方式是一层层剥开事物的表象，找到问题最开始的起点，即“元起点”或者“元问题”，再从本质一层层往上走），帮助学生理解贯穿化学发展史中经济学按需发展的供需理论。而为了体现化学知识的现实应用，可以采用综合性的化学现实生产生活主题，跨学科联动地体会科学为人类生产服务而发展的本质。

（三）HPS教学表达了跨学科的共情力

HPS教学让学生在跨学科思考与实践的同时，也让学生透过纷繁复杂的表象发现规律，看见更为广阔的世界与深层的视角。其实，世界是普遍联系的且遵循基本的科学规律或法则。以自组织理论的视角来看，自然界物理运动、化学物质变化，以及生命体的繁衍、进化均经历系统结构耗散、突变，进而再协同的过程。具体而言，当体系中温度、压力、浓度等某个变量或行为与其平均值发生偏差时，体系的涨落变化将呈现出一种启动力，从而跃迁到一个新的稳定的有序态，形成耗散结构。通过这一普适性的理论迁移应用，可以使学生顿悟众多的科学知识及其内涵，如物理中的水位差（重力势能差）是促使物质自发产生位移的原动力;生物中的浓度差是促使离子（和其他微粒）自发扩散的原动力……自组织的变化不仅存在于化学领域，也普遍存在于整个自然界乃至人类社会的各个领域[3]。而HPS教学理念恰恰是以学科间的共性与本质查找，去帮助学生获取跨学科的共情力。当学生以HPS科学观来共情宇宙，统整世界的变化规律时，便水到渠成地理解了某一科学方法论背后的哲学价值。

二、“原电池的百年变迁”主题的HPS教学

“原电池的百年变迁”主题以人类电源发展简史的历史为明线，同时又以人类科学研究方法与思维的脉络变化为暗线，培养学生的证据推理和模型认知及宏微结合的跨学科的大化学素养，体现人类社会“按需设计”的发展理念[4]。而在教学内容对科学本质的触及上，则分为如下三个方面：第一，科学探究方式的实证性。电池的最基本的结构层次是电极与电解液，通过对比观察电池的变迁，从实践角度验证电池的差异性与统一性。第二，科学知识与方法的累积性[5]。从1780年伽伐尼的青蛙实验开始到1836年的丹尼尔电池细胞确立，再到目前燃料电池的持续发展，体现了科学的局限性和累积性。第三，科学事业的创造性[6]。借助物理学的第一性原理，单液电池需要解决的关键问题是将锌与硫酸分池存放，让氧化剂和还原剂不接触，开创双液电池先河;再依据电极的本质继而发展了燃料电池，促进了学生对科学创造性本质的理解。

（一）追溯化学发展，激发学习热情

教学过程：先帮助学生追溯电池发展史，从2000年新型H2燃料电池→1992年锂离子电池→1887的干电池→1859年的铅蓄电池→1836年的丹尼尔电池→1799年的伏打电池→原电池的雏形（1780年伽伐尼的青蛙实验），让学生从电池简史中探讨电池的共性。与此同时，教师给出先行组织者材料：1800年伏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”，并实际展示弓形电极（焊接在一起的一端为锌一端为铜）。AFE3AC2F-3F52-4C9D-BDDE-E709A904FAC9

[设计意图]该教学过程采用倒叙的方式帮助学生追溯电源的百年史，以历史故事激發学生的学习热情。将蕴含HPS的科学史、科学哲学和科学社会学的相关知识，以情境来设疑，以问题来导学，让学生体会科学知识本质中的历史阶段的暂定性与局限性，并理解科学事业的本质。而后具体示例的弓形电极，让学生有可视的过程，进行更深入的探究与实践。

（二）铺陈趣味实验，构建电池模型

教学过程1：让学生自己动手利用现有锌粒、弯曲的铜丝和电解质溶液稀硫酸，设计并制作简易原电池装置，做一个创意实验，即将一小粒锌置于培养皿中，向培养皿中加入少量稀硫酸，使其浸没锌粒;将弯曲的铜丝一端浸在稀硫酸中，然后另一端抵触在锌粒表面。通过该实验，让学生分析原电池构成设计要素有哪些，各部分起什么作用。紧接着，继续追问学生能否看见SO42-等阴离子的移动，并设问：如果负极为锌片，正极为比锌活性差的不同电极材料，实验现象会有差异吗？

[设计意图]铺陈的首个趣味实验中铜丝既是导线又作为正极。通过右侧铜丝上生成的气泡，既“看见”了外电路中的电流和内电路中H+的流动，论证了电子从无序走向有序和H+移动的内驱力为电场力、扩散力。根据氧化还原理论，SO42-在溶液中不放电，必须通过数字化实验呈现。通过传感器测SO42-的浓度变化“看见”了阴离子的移动，进一步提升学生的学习兴趣。同时，教师提出连环问题，引导学生以宏微结合视角看待问题，深化科学实践的实证研究意识。

教学过程2：让学生完成第二个趣味实验“双手电池”，即将锌片用导线与灵敏电流表负极相连接，铝片、铁片、锡片、铜片、石墨棒分别用导线与灵敏电流表的正极相连。左手触摸锌片，右手分别触摸铝、铁等正极材料，记录灵敏电流表指针偏转大小及方向（说明：由于每位同学手上的汗液不均，可先在饱和食盐水中浸湿）。之后，便让学生通过讨论得出结论：电极活性相差越大，电流计偏转越大，电势差越大。紧接着，让学生完成另一个趣味实验“串联实验”，让一些同学手牵手，一位同学左手触摸锌片，另一位同学右手可以分别触摸锌片、铁片、锡片、铜片、石墨棒，发现电流计偏转比一个人稍会小一点，论证了两个人的电阻更大的想法。

[设计意图]在学习过程中，学生以孙子兵法中的“激水之疾至于漂石者，势也”形象地比喻了锌—石墨组合中失电子能力的差异，论证了外电路中电子从无序走向有序的本质为电势差。此外，他们借助物理学的第一性原理，找到了问题最开始的起点，顿悟了解决问题的关键是将锌与硫酸分池存放，让氧化剂和还原剂不接触。学生面对存在的问题自然而然地与科学家遇到的困难产生共鸣。而通过创意实验生物（人体）电池，学生领悟了“耗散结构理论”：电势差是电荷自发定向移动的原动力。通过自主探究，学生对比总结，体验了科学的局限性，深刻领悟了HPS的科学思想史观。

（三）模拟科学历程，思考模型本质

教学过程：教师首先给出一则先行组织者材料，即1836年英国化学家丹尼尔发明了以锌负极浸于硫酸锌电解质与铜正极浸入硫酸溶液所形成的丹尼尔双液电池，大大提高了电池的效率。紧接着，追问学生从单液电池的自放电到双液电池需解决的关键问题是什么。此时，学生提取丹尼尔电池的搭“桥”思路，找到了“链接”方案。接下来，教师便让学生完成“盐桥电池”的模拟科学历程实验，即锌与硫酸溶液不接触，隔开，让氧化还原反应在不同区域进行，并用各种创意盐桥：吸管（内有氯化钾溶液与琼脂）、滤纸、棉线（KCl溶液中浸泡过）将装置连接，使化学能全转化为电能。

[设计意图]以上的教学模拟科学历程，让学生讨论并深入理解了双液电池的优点和盐桥的作用。该过程不仅修正了原电池模型的不足之处，还让学生自主、具身性地尝试采用多张滤纸桥解决电流小、不稳定的问题。这一教学方式不仅帮助学生建构了科学叙事完整性与改进型的思维系统，还促进了学生对原电池模型及其改进的过程性思考，以便他们能够领悟科学实践中应用并改进模型的探究与生产实践本质。

（四）改进现实应用，体悟科学本质

教学过程：教师给出另一则背景材料，双液盐桥原电池在体积上较大且电解质用溶液，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。之后，教师告诉学生1887年英国赫勒森提出了最早的干电池，且干电池中有多层牛皮纸。紧接着，便询问学生吸管、滤纸、牛皮纸与盐桥是否有异曲同工之处。为了进一步迁移应用，进行现实改进，询问能否用水果膜代替盐桥，并给予了“橘子电池”的一系列实验方案及结果，让学生回答上述问题（如下表）。接下来，让学生探讨为什么最早的化学电源的负极材料会选择锌，这是因为锂、钠、镁、铝电池开发得比较晚，提示学生19世纪初人们还不具备大量获取活泼金属钠、镁、铝的能力，锌是最易接触到的活泼金属，就成为人们最初的选择。

对照实验 现象 结论

锌片、铜片插入同一瓣桔子中 有电流 盐桥与膜异曲同工

锌片、铜片插入不同的两瓣桔子中 无电流

锌片、铜片插入不同的两瓣桔子中，将吸管（内有氯化钾溶液与琼脂）把两瓣桔子连起来 有电流

锌片、铜片插入不同的两瓣桔子（两瓣紧贴）中 有电流

[设计意图]通过一组创意实验，学生不仅穿越了电池从单液电池—双液电池—离子交换膜电池的百年HPS史，且完成了兼具科学性和创造性的建模，从电源发展史中看见了历史的逻辑和人类的思维脉络，润物细无声地渗透了HPS的“科学社会学教育”。之后的锌作为负极材料的探讨说明了人类社会是按需发展的，人们的选择受到资源和技术的制约。该过程让学生明白，现实开发中会明确考虑“投入—产出”比的问题，且科学技术进步会受到时代性的影响。

在本节课堂教学的尾声，教师引导学生从科学知识、科学探究和科学事业三个科学本质观的角度出发，展开交流。从分类的角度、联系的角度认识形形色色的电池，培养系统思考力和洞见本质的能力[7]。纵观化学电源发展简史，形式多样的电源并非同时出现，是人类在使用过程中，为了更好地满足自身的需求不断研究、改进发展起来的。这些底层逻辑都是以伏打电堆为基本模型认知，在跨学科视域下打破学科界限，使单液电池走向双液电池和未来电池。

[本文系江苏省教育科学“十三五”重点课题“基于核心素养提升的普通高中跨学科主题学习研究”（项目编号：B-b/2020/02/12）和江苏省教育科学“十三五”规划立项课题“基于‘生活即教育思想的中学化学深度学习研究”（项目编号：E-c/2020/05）研究成果]

[参考文献]

[1]张春燕，李雁冰.我国科学史融入科学教学实践的回顾与展望：基于近十年研究的可视化分析[J].教学研究，2022，45（01）：87-92.

[2]何善亮.科学本质的三维分析框架及其显性化课程设计[J].天津师范大学学报（基础教育版），2018，19（02）：1-6.

[3]丁奕然，倪娟.自组织理论视域下教育风险治理的“靶向模式”[J].现代基础教育研究，2022，45（1）：59-64.

[4]采有余.基于化学学科观念培养的教学设计[J].中小学班主任，2021（02）：32-34.

[5][6]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（04）：3-8.

[7]蔡兴锋，朱琴梅.HPS教育在高中化学科学探究中的实践研究[J].化学教与学，2015（5）：10-12.AFE3AC2F-3F52-4C9D-BDDE-E709A904FAC9