HPS視域下的化學教學實踐
——以VC的認識與合成為例

韓建豐 高凌蕊

(1.北京市廣渠門中學;2.北京市首都師范大學第二附屬中學)

教育的目的是“立己達人”,課改的目的是“培育新時代人才”。探尋適宜的教學路徑讓常態化課堂更加有效,是每個教師的教育理想?；A教育階段,教師的任務是在確保成績優秀的前提下讓學生的綜合素養得以發展?；瘜W教育屬于自然科學的學習,初高中的化學教師們正在積極探索符合課程改革導向的課堂模式,如“項目化學習” “探究性學習” “問題導向教學”,究其內蘊本質都是在單位時間內提升課堂深度、促進學生學會學習、提升理解思維水平等知識建構的創新嘗試。而HPS融合教學模式的研究與實施,是在培養“全面的人”發展“人文與科學精神”的教育理念下的一種嘗試。伴隨著科學本質的提出與研究,HPS得以提出且引起關注,并彰顯于提升科學本質研究的過程中?；诘湫涂茖W發展范例的化學史作為課程思政育人元素被引入教學設計,是化學教學過程中的重要環節。但實踐證明:HPS融合的教學符合化學有效課堂構建需求,但真正的HPS融合化學教學的實施存在難度。

1.HPS視域下的化學教學樣態

1.1 HPS實施路徑與優勢

在國際科學教育界,人們常將科學史(History of Science)、科學哲學(Philosophy of Science)和科學教學(Science teaching)一起簡稱為HPS。HPS在科學教育中的作用被日益重視。HPS教育的根本目的是理解科學本質,將其融入基礎化學教育,有幫助學生沿著科學家腳步探究問題、創新思考、發展化學核心素養的獨特意義,其實施路徑見圖1。

圖1 HPS融入化學教學路徑

HPS視域下的化學教學是從化學史、化學哲學、化學教學的角度統籌化學學科知識,幫助學生建構富有人文氣息的系統化、結構化知識網絡,提升學生的人文精神和科學素養。讓化學課堂實現新時代人文、科技教育的統一與平衡,謀求科學與人文的協調發展,從而培養全面發展的人。

HPS融入化學教學的優勢為以下五點:①密切聯系歷史、文化、社會發展,從而使化學人文化;②化學課堂教學的驅動任務更有挑戰和深度,發展學生批判性思維、探究能力與創新意識;③剖析認識和創造物質的一般思路與方法,促進學生更全面準確地理解化學學科本質;④讓學生的思維、觀念與科學家的觀念進行對比和優化,延續科學發展范式跨越時空交流,更科學地使化學思維觀念建構;⑤教師通過采取化學史補充、設計探究驅動問題、外顯思維觀念路徑等方式幫助學生突破教學難點問題,體會科學家發現問題并解決問題所使用的方法,從而滲透方法論。

1.2 HPS在化學教學中的重要性

HPS融合的化學教學模式以化學基本史料為背景,以培養科學素養為宗旨,以強調批判精神為中心,以理解化學本質為目標。以典型科學發展范例“原子結構模型”為例說明:化學基礎教育階段“原子結構模型”貫穿于整個化學學習過程,以原子結構模型的HPS教學為例說明其對化學教學的重要性。通過對《義務教育化學課程標準》(2022年版)和《普通高中化學課程標準》(2017版2020年修訂)以及《九年級化學(上冊)》 《化學必修第一冊》 《化學選擇性必修2》教材的分析,發現教材中原子結構模型的相關知識體系建構采用穿插編排、螺旋上升的方式幫助學生進行認知迭代。根據“以人為本、可持續發展”的科學發展觀,將中學生對“原子結構”模型的認知迭代過程分為四個階段:義務教育、高一、高二、高三水平。各階段學生對“原子結構模型”的認知各有具體要求及化學核心素養形成路徑?！八男隆备呖枷碌幕瘜W教學背景下,引導學生依據科學發展觀,沿著原子結構模型的科學發現史認識原子核內部結構非常有必要性。17至19世紀一代代科學家經歷“科學事實→新猜想→設計實驗證明→提出理論→更新理論→新科學事實”的過程充分體現人類對原子結構模型的認識與重構在不斷迭代,直至薛定諤的量子力學模型提出,原子模型重構才基本完成。人類認識原子結構模型的化學史具有基于科學發展觀的認知迭代經典特征,見圖2。

圖2 原子結構模型科學發現與迭代的典型特征

人類對原子結構的探究和發現過程是經典科學研究范式,引導學生打通初中到高中的認知路線,通過科學發展觀視角對原子結構模型認知進行“建構→復習→補充→新建構→再復習→重構→應用”的學習過程,最終接近原子結構模型在課程標準中的最終要求,教材如此布局符合學生認知發展規律。人教版化學教材及“四新”高考結合學生學習和心理特點將原子結構模型認知迭代的學習任務分布在義務教育、高一、高二、高三四個階段,在學生認知螺旋上升的過程中使學習者了解科學發展的一般規律和研究方法,在一次次認知迭代中發展化學核心素養。

通過以上分析,發現目前的各新版本基礎教育化學教材都充分重視化學史的介紹,但沒有形成HPS具體教學案例,對一線化學教師的指導有限。如何尋找更多且恰當的HPS素材、如何科學地融入化學常態教學,是研究的主要問題。下面以高二年級《有機化學基礎》模塊的常態化課“VC的認識與合成”為例說明實施HPS融合的化學教學策略?？蓺w納為“確定可選取的化學史→圍繞主題設計實驗探究實踐活動→創設情境激發學生發表觀點→綜合學生觀點呈現化學觀念→課堂評價與反饋后的化學思維建構”等五個核心步驟。

2.HPS融合下“VC的認識與合成”的實施方案

維生素C(以下簡稱“VC”)是人體健康必不可少的維生素之一。VC是一種水溶性維生素,人類身體無法自主合成,是世界衛生組織基本藥物、目前家庭之中常備藥物之一。VC最早發現于1912年,在1928年首次被分離出來,在1933年首次被制造出來,目前VC的認識和合成已經非常成熟。在高中階段學生理解VC的性質及合成方法難度適中、知識跨學段應用與整合明顯,“VC的認識與合成”可作為HPS融合的高三化學復習課,發展學生“證據推理與模型認知、科學探究與創新意識”等學科核心素養,充分理解化學學科本質,形成研究物質的一般思路與方法。

2.1 了解化學史料

從小到大常聽到“多吃水果、蔬菜能補充維生素C”,VC到底是如何被發現其重要作用的呢?見表1。

表1 維生素C發現史

隨著時代發展,人們逐漸發現樹葉、小草、蔬菜和水果等能夠防治壞血病,1741年英國海軍上將霍金斯發現其他條件不變時,長期航海時海員發生壞血病的概率和只攝入干糧的時間成正比例(控制變量法);1747年,英國海軍醫官林德完成了人類有記載的首次對照試驗,見表2。

表2 確定壞血癥治療藥物對照試驗

直至1930年,匈牙利生理學家圣捷爾吉從辣椒中分離出一種有機物,發現與檸檬中的抗壞血病因子完全一致,于是將其命名為“抗壞血酸”,即維生素C。VC的結構簡式,見圖3。

圖3 維生素C的結構簡式

VC的發現史非常有科學發展典范性,而林德為何在他的試驗中加入“稀硫酸”這一對照組呢?這是因為當時人們認為“有酸味”的是“酸”,那么VC有無酸性呢?又如何證明呢?現代證明,VC有抗氧化的作用,又如何證明呢?

2.2 設計實驗探究

學生依據“酸性”“抗氧化性”的特點,設計并完成實驗如下,見表3。

表3 學生實驗

通過實驗依據,可以得出維生素C具有還原性及酸性,基于有機化學常見酸性官能團和還原性官能團的原有認知,觀察圖3,維生素C不具有“—COOH” “酚羥基”等常見酸性基團、具有“羥基”“碳碳雙鍵”等還原性基團,引導學生繼續思考:維生素C的性質從物質結構角度如何解釋。

2.3 引導發表觀點

學生分組討論后進行班級匯報?；凇敖Y構決定性質”觀念,學生發現維生素C分子結構中具有連二烯醇的結構,可能發生電離,故水溶液呈酸性。教師補充材料:維生素C分子結構中具有烯二醇結構,C2位—OH由于受共軛效應影響,酸性極弱(pK2=11.57),C3位—OH酸性則較強(pK1=4.17),故維生素一般表現為一元弱酸;同樣由于烯二醇結構,使C2位—OH和C3位—OH易被氧化成二酮基而成為脫氫抗壞血酸,見圖4。

圖4 從結構討論維生素C性質

2.4 呈現科學觀念

通過以上分析可見,“結構決定性質”等化學觀念助力理解學科本質。維生素C的特殊結構決定了其特殊化學性質和合成方法。有機合成是人類文明史上里程碑式的科學成就。工業上合成VC最常用的方法是二步發酵法(Reichstein合成法),見圖5。

圖5 VC的Reichstein合成法

設問如下,涉及的步驟為①葡萄糖氫化為山梨糖醇,請分析反應類型(學生回答:以鎳為催化劑在高溫高壓下催化加氫,是加成或還原反應)。②在pH 4～6和30℃下,用醋桿菌將山梨糖醇微生物發酵為山梨糖,請分析反應類型(學生回答:根據反應前后結構分析為氧化反應)。③山梨糖直接在氧氣和鉑的作用下制備中間體,請分析反應類型(學生回答:根據反應條件判斷為氧化反應)。④最后一步形成閉環結構,請分析反應類型(學生回答:根據官能團前后變化判斷為酯化反應)。

2.5 歸納評價建構

課堂中化學史與化學觀念和具體教學相互融合,將VC的化學性質及驗證、結構決定性質觀念、有機合成分析等統籌整合,可形成對VC的認識和合成的具體路徑。見表4。

表4 歸納、評價與模型建構

3.應用HPS反思與建議

教師教學中應利用教材相關的化學實驗素材、化學史素材、生產生活應用素材、化學科技素材等創設情境,激發學生學習興趣引導學生積極參與活動,解決或解釋情境中的相關問題,在課堂中落實化學學科核心素養。我國著名教育家、化學家傅鷹先生曾說:“一門科學的歷史是那門科學中最寶貴的一部分,因為科學只能給我們知識,而歷史卻能給我們智慧?！币蚨鴼v史既是HPS融合教學的關鍵內容與環節,更是開展整體教學的主要載體。了解歷史、學習歷史、應用歷史的整個過程,可以讓化學學習“遷移而發展、開放而有序”,避免了傳統教學中的“想當然”和“不知其所以然”。

3.1 以化學史為坐標開展教學

HPS融合化學教學做到了將化學知識放在歷史長河的坐標中,解析知識發生的起源、爭鳴、確立、重構、再迭代,體現了科學和社會發展進步的真實情況,學生置身其中能夠體會人文和科技的協同發展,再把化學課堂中獲取的化學知識應用于重現、改進、對照科學家的原始實驗,延續并發展科學家的研究路線,形成科學探究的思路方法,最終形成創新意識。HPS融合化學教學模式符合《課程標準》 《高考評價體系》 《中國學生發展核心素養》等對學生全面發展的要求,同時也為化學教師開展有效課堂研究提供了實施載體。以化學史為坐標設計合理情境和驅動任務,注重過程性評價,旨在幫助學生在學習活動中認識化學本質,自主建構系統化、結構化的化學知識體系,自然完成思維進階。

3.2 著力提升教師HPS教學能力

HPS有效融入化學課堂才能真正發展學生對化學本質的認知和化學學科核心素養,而“有效”的關鍵在于教師對HPS的觀點、實施方略和個人素養,若處理不好“融合”設計,會造成“生搬硬套”,使化學知識教學與HPS滲透相互分離,讓化學史的引入變為“興趣教學”或“可有可無”。因而化學教師不僅需要主動了解、熟悉化學史,更要通過讀史明確化學科學發展脈絡?；瘜W教師更要讀懂人類文明史,在歷史坐標中理解化學史實對科技發展和社會進步的不可替代作用。如此化學教師才能對化學史有深刻認知,從而提升個人素質,胸有成竹地將化學史與所教化學的學段、內容、學情等具體聯系在一起,能夠合理地將素材加工整理后有效融于化學教學。

綜上所述,HPS融合化學教學有助于推動學生改變學習觀念,在認識化學本質過程中建構知識體系,其對化學課堂有效性的提升毋庸置疑。但常態化的HPS融合教學真正落地存在種種困難。教師應厘清HPS理念及實施路徑、提升個人素質,更應集化學教育人之力,共同開發HPS素材及案例讓化學教學樣態更豐富。這是化學教育的未來發展路徑之一,也同樣是所有化學教師的責任。

北京市教育學會“十四五”教育科研2023年度課題“化學新課標落實中指向核心素養提升的大單元教學研究”(項目編號:DC2023-027)的階段性研究成果。