HPS视域下的化学教学实践——以VC的认识与合成为例

韩建丰 高凌蕊

(1.北京市广渠门中学;2.北京市首都师范大学第二附属中学)

教育的目的是“立己达人”,课改的目的是“培育新时代人才”。探寻适宜的教学路径让常态化课堂更加有效,是每个教师的教育理想。基础教育阶段,教师的任务是在确保成绩优秀的前提下让学生的综合素养得以发展。化学教育属于自然科学的学习,初高中的化学教师们正在积极探索符合课程改革导向的课堂模式,如“项目化学习” “探究性学习” “问题导向教学”,究其内蕴本质都是在单位时间内提升课堂深度、促进学生学会学习、提升理解思维水平等知识建构的创新尝试。而HPS融合教学模式的研究与实施,是在培养“全面的人”发展“人文与科学精神”的教育理念下的一种尝试。伴随着科学本质的提出与研究,HPS得以提出且引起关注,并彰显于提升科学本质研究的过程中。基于典型科学发展范例的化学史作为课程思政育人元素被引入教学设计,是化学教学过程中的重要环节。但实践证明:HPS融合的教学符合化学有效课堂构建需求,但真正的HPS融合化学教学的实施存在难度。

1.HPS视域下的化学教学样态

1.1 HPS实施路径与优势

在国际科学教育界,人们常将科学史(History of Science)、科学哲学(Philosophy of Science)和科学教学(Science teaching)一起简称为HPS。HPS在科学教育中的作用被日益重视。HPS教育的根本目的是理解科学本质,将其融入基础化学教育,有帮助学生沿着科学家脚步探究问题、创新思考、发展化学核心素养的独特意义,其实施路径见图1。

图1 HPS融入化学教学路径

HPS视域下的化学教学是从化学史、化学哲学、化学教学的角度统筹化学学科知识,帮助学生建构富有人文气息的系统化、结构化知识网络,提升学生的人文精神和科学素养。让化学课堂实现新时代人文、科技教育的统一与平衡,谋求科学与人文的协调发展,从而培养全面发展的人。

HPS融入化学教学的优势为以下五点:①密切联系历史、文化、社会发展,从而使化学人文化;②化学课堂教学的驱动任务更有挑战和深度,发展学生批判性思维、探究能力与创新意识;③剖析认识和创造物质的一般思路与方法,促进学生更全面准确地理解化学学科本质;④让学生的思维、观念与科学家的观念进行对比和优化,延续科学发展范式跨越时空交流,更科学地使化学思维观念建构;⑤教师通过采取化学史补充、设计探究驱动问题、外显思维观念路径等方式帮助学生突破教学难点问题,体会科学家发现问题并解决问题所使用的方法,从而渗透方法论。

1.2 HPS在化学教学中的重要性

HPS融合的化学教学模式以化学基本史料为背景,以培养科学素养为宗旨,以强调批判精神为中心,以理解化学本质为目标。以典型科学发展范例“原子结构模型”为例说明:化学基础教育阶段“原子结构模型”贯穿于整个化学学习过程,以原子结构模型的HPS教学为例说明其对化学教学的重要性。通过对《义务教育化学课程标准》(2022年版)和《普通高中化学课程标准》(2017版2020年修订)以及《九年级化学(上册)》 《化学必修第一册》 《化学选择性必修2》教材的分析,发现教材中原子结构模型的相关知识体系建构采用穿插编排、螺旋上升的方式帮助学生进行认知迭代。根据“以人为本、可持续发展”的科学发展观,将中学生对“原子结构”模型的认知迭代过程分为四个阶段:义务教育、高一、高二、高三水平。各阶段学生对“原子结构模型”的认知各有具体要求及化学核心素养形成路径。“四新”高考下的化学教学背景下,引导学生依据科学发展观,沿着原子结构模型的科学发现史认识原子核内部结构非常有必要性。17至19世纪一代代科学家经历“科学事实→新猜想→设计实验证明→提出理论→更新理论→新科学事实”的过程充分体现人类对原子结构模型的认识与重构在不断迭代,直至薛定谔的量子力学模型提出,原子模型重构才基本完成。人类认识原子结构模型的化学史具有基于科学发展观的认知迭代经典特征,见图2。

图2 原子结构模型科学发现与迭代的典型特征

人类对原子结构的探究和发现过程是经典科学研究范式,引导学生打通初中到高中的认知路线,通过科学发展观视角对原子结构模型认知进行“建构→复习→补充→新建构→再复习→重构→应用”的学习过程,最终接近原子结构模型在课程标准中的最终要求,教材如此布局符合学生认知发展规律。人教版化学教材及“四新”高考结合学生学习和心理特点将原子结构模型认知迭代的学习任务分布在义务教育、高一、高二、高三四个阶段,在学生认知螺旋上升的过程中使学习者了解科学发展的一般规律和研究方法,在一次次认知迭代中发展化学核心素养。

通过以上分析,发现目前的各新版本基础教育化学教材都充分重视化学史的介绍,但没有形成HPS具体教学案例,对一线化学教师的指导有限。如何寻找更多且恰当的HPS素材、如何科学地融入化学常态教学,是研究的主要问题。下面以高二年级《有机化学基础》模块的常态化课“VC的认识与合成”为例说明实施HPS融合的化学教学策略。可归纳为“确定可选取的化学史→围绕主题设计实验探究实践活动→创设情境激发学生发表观点→综合学生观点呈现化学观念→课堂评价与反馈后的化学思维建构”等五个核心步骤。

2.HPS融合下“VC的认识与合成”的实施方案

维生素C(以下简称“VC”)是人体健康必不可少的维生素之一。VC是一种水溶性维生素,人类身体无法自主合成,是世界卫生组织基本药物、目前家庭之中常备药物之一。VC最早发现于1912年,在1928年首次被分离出来,在1933年首次被制造出来,目前VC的认识和合成已经非常成熟。在高中阶段学生理解VC的性质及合成方法难度适中、知识跨学段应用与整合明显,“VC的认识与合成”可作为HPS融合的高三化学复习课,发展学生“证据推理与模型认知、科学探究与创新意识”等学科核心素养,充分理解化学学科本质,形成研究物质的一般思路与方法。

2.1 了解化学史料

从小到大常听到“多吃水果、蔬菜能补充维生素C”,VC到底是如何被发现其重要作用的呢?见表1。

表1 维生素C发现史

随着时代发展,人们逐渐发现树叶、小草、蔬菜和水果等能够防治坏血病,1741年英国海军上将霍金斯发现其他条件不变时,长期航海时海员发生坏血病的概率和只摄入干粮的时间成正比例(控制变量法);1747年,英国海军医官林德完成了人类有记载的首次对照试验,见表2。

表2 确定坏血症治疗药物对照试验

直至1930年,匈牙利生理学家圣捷尔吉从辣椒中分离出一种有机物,发现与柠檬中的抗坏血病因子完全一致,于是将其命名为“抗坏血酸”,即维生素C。VC的结构简式,见图3。

图3 维生素C的结构简式

VC的发现史非常有科学发展典范性,而林德为何在他的试验中加入“稀硫酸”这一对照组呢?这是因为当时人们认为“有酸味”的是“酸”,那么VC有无酸性呢?又如何证明呢?现代证明,VC有抗氧化的作用,又如何证明呢?

2.2 设计实验探究

学生依据“酸性”“抗氧化性”的特点,设计并完成实验如下,见表3。

表3 学生实验

通过实验依据,可以得出维生素C具有还原性及酸性,基于有机化学常见酸性官能团和还原性官能团的原有认知,观察图3,维生素C不具有“—COOH” “酚羟基”等常见酸性基团、具有“羟基”“碳碳双键”等还原性基团,引导学生继续思考:维生素C的性质从物质结构角度如何解释。

2.3 引导发表观点

学生分组讨论后进行班级汇报。基于“结构决定性质”观念,学生发现维生素C分子结构中具有连二烯醇的结构,可能发生电离,故水溶液呈酸性。教师补充材料:维生素C分子结构中具有烯二醇结构,C2位—OH由于受共轭效应影响,酸性极弱(pK2=11.57),C3位—OH酸性则较强(pK1=4.17),故维生素一般表现为一元弱酸;同样由于烯二醇结构,使C2位—OH和C3位—OH易被氧化成二酮基而成为脱氢抗坏血酸,见图4。

图4 从结构讨论维生素C性质

2.4 呈现科学观念

通过以上分析可见,“结构决定性质”等化学观念助力理解学科本质。维生素C的特殊结构决定了其特殊化学性质和合成方法。有机合成是人类文明史上里程碑式的科学成就。工业上合成VC最常用的方法是二步发酵法(Reichstein合成法),见图5。

图5 VC的Reichstein合成法

设问如下,涉及的步骤为①葡萄糖氢化为山梨糖醇,请分析反应类型(学生回答:以镍为催化剂在高温高压下催化加氢,是加成或还原反应)。②在pH 4～6和30℃下,用醋杆菌将山梨糖醇微生物发酵为山梨糖,请分析反应类型(学生回答:根据反应前后结构分析为氧化反应)。③山梨糖直接在氧气和铂的作用下制备中间体,请分析反应类型(学生回答:根据反应条件判断为氧化反应)。④最后一步形成闭环结构,请分析反应类型(学生回答:根据官能团前后变化判断为酯化反应)。

2.5 归纳评价建构

课堂中化学史与化学观念和具体教学相互融合,将VC的化学性质及验证、结构决定性质观念、有机合成分析等统筹整合,可形成对VC的认识和合成的具体路径。见表4。

表4 归纳、评价与模型建构

3.应用HPS反思与建议

教师教学中应利用教材相关的化学实验素材、化学史素材、生产生活应用素材、化学科技素材等创设情境,激发学生学习兴趣引导学生积极参与活动,解决或解释情境中的相关问题,在课堂中落实化学学科核心素养。我国著名教育家、化学家傅鹰先生曾说:“一门科学的历史是那门科学中最宝贵的一部分,因为科学只能给我们知识,而历史却能给我们智慧。”因而历史既是HPS融合教学的关键内容与环节,更是开展整体教学的主要载体。了解历史、学习历史、应用历史的整个过程,可以让化学学习“迁移而发展、开放而有序”,避免了传统教学中的“想当然”和“不知其所以然”。

3.1 以化学史为坐标开展教学

HPS融合化学教学做到了将化学知识放在历史长河的坐标中,解析知识发生的起源、争鸣、确立、重构、再迭代,体现了科学和社会发展进步的真实情况,学生置身其中能够体会人文和科技的协同发展,再把化学课堂中获取的化学知识应用于重现、改进、对照科学家的原始实验,延续并发展科学家的研究路线,形成科学探究的思路方法,最终形成创新意识。HPS融合化学教学模式符合《课程标准》 《高考评价体系》 《中国学生发展核心素养》等对学生全面发展的要求,同时也为化学教师开展有效课堂研究提供了实施载体。以化学史为坐标设计合理情境和驱动任务,注重过程性评价,旨在帮助学生在学习活动中认识化学本质,自主建构系统化、结构化的化学知识体系,自然完成思维进阶。

3.2 着力提升教师HPS教学能力

HPS有效融入化学课堂才能真正发展学生对化学本质的认知和化学学科核心素养,而“有效”的关键在于教师对HPS的观点、实施方略和个人素养,若处理不好“融合”设计,会造成“生搬硬套”,使化学知识教学与HPS渗透相互分离,让化学史的引入变为“兴趣教学”或“可有可无”。因而化学教师不仅需要主动了解、熟悉化学史,更要通过读史明确化学科学发展脉络。化学教师更要读懂人类文明史,在历史坐标中理解化学史实对科技发展和社会进步的不可替代作用。如此化学教师才能对化学史有深刻认知,从而提升个人素质,胸有成竹地将化学史与所教化学的学段、内容、学情等具体联系在一起,能够合理地将素材加工整理后有效融于化学教学。

综上所述,HPS融合化学教学有助于推动学生改变学习观念,在认识化学本质过程中建构知识体系,其对化学课堂有效性的提升毋庸置疑。但常态化的HPS融合教学真正落地存在种种困难。教师应厘清HPS理念及实施路径、提升个人素质,更应集化学教育人之力,共同开发HPS素材及案例让化学教学样态更丰富。这是化学教育的未来发展路径之一,也同样是所有化学教师的责任。

北京市教育学会“十四五”教育科研2023年度课题“化学新课标落实中指向核心素养提升的大单元教学研究”(项目编号:DC2023-027)的阶段性研究成果。