周萍 朱琴梅

[摘要] HPS作為科學史、科學哲學與科學社會學交織的科學教育理念，凸顯了其對科學知識由來、基源與應用的延展，有助于創(chuàng)設跨學科敘事力、提升跨學科的交響力與表達跨學科的共情力。以“原電池的百年變遷”主題進行教學探索，生成了以追溯化學發(fā)展，激發(fā)學習熱情;鋪陳趣味實驗，構(gòu)建電池模型;模擬科學歷程，思考模型本質(zhì);改進現(xiàn)實應用，體悟科學本質(zhì)為主要步驟的HPS教學模式，實現(xiàn)化學學科育人價值的深度開發(fā)。

[關鍵詞] 高中化學;HPS;跨學科主題學習;科學史;科學本質(zhì)

當前，培養(yǎng)學生的化學學科核心素養(yǎng)已然成為化學學科育人的根本目標。為了進一步促進學生具身性、能動性地獲取化學學科核心素養(yǎng)，經(jīng)由廣泛且深入的科學實踐成為必由之路。高中生處于知識結(jié)構(gòu)的自我重建與深化階段，其認知水平與思辨能力的限制，制約了“真學實做”的科學實踐展開。而HPS作為“科學史”“科學哲學”和“科學社會學”三者的簡稱，能讓學生在歷史、哲學和社會學語境中對于科學本質(zhì)多維透視[1]。跨學科視域下的高中化學HPS教學探索，旨在改變以“知識為中心”和“學科為中心”的觀念，培養(yǎng)跨學科的開放、多元思維，更好地理解科學的知識本質(zhì)、探究思維本質(zhì)與事業(yè)本質(zhì)[2]。現(xiàn)以HPS理念跨學科教育的價值意義探討，借由“原電池的百年變遷”這一主題，進行教學實踐探索。

一、HPS理念下的跨學科教育價值意義

（一）HPS教學創(chuàng)設了跨學科的敘事力

無論是科學簡史，還是人類社會簡史，其變遷表象的背后闡釋了歷史發(fā)展的必然規(guī)律，即從歷史的敘事當中抽取可以貫穿整個歷史進程的隱性規(guī)律。對于科學教育而言，科學史包含了如何讓科學知識生長出來并發(fā)現(xiàn)事物的內(nèi)在發(fā)展規(guī)律。而HPS教學可以借由科學變遷歷史，借助其中跨學科方法與思維的應用，加強對背后哲學觀點的挖掘，通過現(xiàn)實應用進而整合跨學科的上位知識?？梢?，HPS教學理念為跨學科的知識關聯(lián)提供了一個教學敘事框架，其不僅可以橫向鏈接本學科的專業(yè)知識與跨學科知識，還可以縱深挖掘?qū)W科理解能力，凸顯跨學科素養(yǎng)的培育。實則，HPS教學以學科發(fā)展歷史長河中一個又一個真實場景，統(tǒng)整了各學科知識間的相互聯(lián)動。這樣的教學理念或模式下，不僅有助于教學構(gòu)建課堂積極的敘事脈絡，也能夠幫助學生涵育一種增長敘事的思維系統(tǒng)，從而提煉出化學學科，乃至自然科學的核心要義。

（二）HPS教學提升了跨學科的交響力

時至今日，化學學科的發(fā)展早已經(jīng)不在于學科本體，其發(fā)展歷史、基本探究方法思維，乃至現(xiàn)實問題的解決早已經(jīng)圓融科學、技術(shù)、工程學與社會學等方方面面。而HPS教學理念恰恰交織著科學史、科學哲學與科學社會學三者：透過中外化學史，能夠看到其中閃耀的科學思想史之光，而科學思想史本身則是拋開歷史細節(jié)，以相對抽象的形式表述、思維深化融入與現(xiàn)實需求的問題解決，體現(xiàn)了人類科學知識的過程和成果。由此可見，HPS教學可以讓學生觸摸到史實背后的哲學價值和實踐應用，提升了學生發(fā)現(xiàn)學科系統(tǒng)與整合之美的交響力。如教授化學學科時，為了追溯學科哲學觀點與實踐化學知識的生產(chǎn)應用，可以縱向聯(lián)系物理學的第一性原理（其思考方式是一層層剝開事物的表象，找到問題最開始的起點，即“元起點”或者“元問題”，再從本質(zhì)一層層往上走），幫助學生理解貫穿化學發(fā)展史中經(jīng)濟學按需發(fā)展的供需理論。而為了體現(xiàn)化學知識的現(xiàn)實應用，可以采用綜合性的化學現(xiàn)實生產(chǎn)生活主題，跨學科聯(lián)動地體會科學為人類生產(chǎn)服務而發(fā)展的本質(zhì)。

（三）HPS教學表達了跨學科的共情力

HPS教學讓學生在跨學科思考與實踐的同時，也讓學生透過紛繁復雜的表象發(fā)現(xiàn)規(guī)律，看見更為廣闊的世界與深層的視角。其實，世界是普遍聯(lián)系的且遵循基本的科學規(guī)律或法則。以自組織理論的視角來看，自然界物理運動、化學物質(zhì)變化，以及生命體的繁衍、進化均經(jīng)歷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)耗散、突變，進而再協(xié)同的過程。具體而言，當體系中溫度、壓力、濃度等某個變量或行為與其平均值發(fā)生偏差時，體系的漲落變化將呈現(xiàn)出一種啟動力，從而躍遷到一個新的穩(wěn)定的有序態(tài)，形成耗散結(jié)構(gòu)。通過這一普適性的理論遷移應用，可以使學生頓悟眾多的科學知識及其內(nèi)涵，如物理中的水位差（重力勢能差）是促使物質(zhì)自發(fā)產(chǎn)生位移的原動力;生物中的濃度差是促使離子（和其他微粒）自發(fā)擴散的原動力……自組織的變化不僅存在于化學領域，也普遍存在于整個自然界乃至人類社會的各個領域[3]。而HPS教學理念恰恰是以學科間的共性與本質(zhì)查找，去幫助學生獲取跨學科的共情力。當學生以HPS科學觀來共情宇宙，統(tǒng)整世界的變化規(guī)律時，便水到渠成地理解了某一科學方法論背后的哲學價值。

二、“原電池的百年變遷”主題的HPS教學

“原電池的百年變遷”主題以人類電源發(fā)展簡史的歷史為明線，同時又以人類科學研究方法與思維的脈絡變化為暗線，培養(yǎng)學生的證據(jù)推理和模型認知及宏微結(jié)合的跨學科的大化學素養(yǎng)，體現(xiàn)人類社會“按需設計”的發(fā)展理念[4]。而在教學內(nèi)容對科學本質(zhì)的觸及上，則分為如下三個方面：第一，科學探究方式的實證性。電池的最基本的結(jié)構(gòu)層次是電極與電解液，通過對比觀察電池的變遷，從實踐角度驗證電池的差異性與統(tǒng)一性。第二，科學知識與方法的累積性[5]。從1780年伽伐尼的青蛙實驗開始到1836年的丹尼爾電池細胞確立，再到目前燃料電池的持續(xù)發(fā)展，體現(xiàn)了科學的局限性和累積性。第三，科學事業(yè)的創(chuàng)造性[6]。借助物理學的第一性原理，單液電池需要解決的關鍵問題是將鋅與硫酸分池存放，讓氧化劑和還原劑不接觸，開創(chuàng)雙液電池先河;再依據(jù)電極的本質(zhì)繼而發(fā)展了燃料電池，促進了學生對科學創(chuàng)造性本質(zhì)的理解。

（一）追溯化學發(fā)展，激發(fā)學習熱情

教學過程：先幫助學生追溯電池發(fā)展史，從2000年新型H2燃料電池→1992年鋰離子電池→1887的干電池→1859年的鉛蓄電池→1836年的丹尼爾電池→1799年的伏打電池→原電池的雛形（1780年伽伐尼的青蛙實驗），讓學生從電池簡史中探討電池的共性。與此同時，教師給出先行組織者材料：1800年伏打把許多鋅片與銀片之間墊上浸透鹽水的絨布或紙片，平疊起來制成了世界上第一個電池“伏打電堆”，并實際展示弓形電極（焊接在一起的一端為鋅一端為銅）。AFE3AC2F-3F52-4C9D-BDDE-E709A904FAC9

[設計意圖]該教學過程采用倒敘的方式幫助學生追溯電源的百年史，以歷史故事激發(fā)學生的學習熱情。將蘊含HPS的科學史、科學哲學和科學社會學的相關知識，以情境來設疑，以問題來導學，讓學生體會科學知識本質(zhì)中的歷史階段的暫定性與局限性，并理解科學事業(yè)的本質(zhì)。而后具體示例的弓形電極，讓學生有可視的過程，進行更深入的探究與實踐。

（二）鋪陳趣味實驗，構(gòu)建電池模型

教學過程1：讓學生自己動手利用現(xiàn)有鋅粒、彎曲的銅絲和電解質(zhì)溶液稀硫酸，設計并制作簡易原電池裝置，做一個創(chuàng)意實驗，即將一小粒鋅置于培養(yǎng)皿中，向培養(yǎng)皿中加入少量稀硫酸，使其浸沒鋅粒;將彎曲的銅絲一端浸在稀硫酸中，然后另一端抵觸在鋅粒表面。通過該實驗，讓學生分析原電池構(gòu)成設計要素有哪些，各部分起什么作用。緊接著，繼續(xù)追問學生能否看見SO42-等陰離子的移動，并設問：如果負極為鋅片，正極為比鋅活性差的不同電極材料，實驗現(xiàn)象會有差異嗎？

[設計意圖]鋪陳的首個趣味實驗中銅絲既是導線又作為正極。通過右側(cè)銅絲上生成的氣泡，既“看見”了外電路中的電流和內(nèi)電路中H+的流動，論證了電子從無序走向有序和H+移動的內(nèi)驅(qū)力為電場力、擴散力。根據(jù)氧化還原理論，SO42-在溶液中不放電，必須通過數(shù)字化實驗呈現(xiàn)。通過傳感器測SO42-的濃度變化“看見”了陰離子的移動，進一步提升學生的學習興趣。同時，教師提出連環(huán)問題，引導學生以宏微結(jié)合視角看待問題，深化科學實踐的實證研究意識。

教學過程2：讓學生完成第二個趣味實驗“雙手電池”，即將鋅片用導線與靈敏電流表負極相連接，鋁片、鐵片、錫片、銅片、石墨棒分別用導線與靈敏電流表的正極相連。左手觸摸鋅片，右手分別觸摸鋁、鐵等正極材料，記錄靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn)大小及方向（說明：由于每位同學手上的汗液不均，可先在飽和食鹽水中浸濕）。之后，便讓學生通過討論得出結(jié)論：電極活性相差越大，電流計偏轉(zhuǎn)越大，電勢差越大。緊接著，讓學生完成另一個趣味實驗“串聯(lián)實驗”，讓一些同學手牽手，一位同學左手觸摸鋅片，另一位同學右手可以分別觸摸鋅片、鐵片、錫片、銅片、石墨棒，發(fā)現(xiàn)電流計偏轉(zhuǎn)比一個人稍會小一點，論證了兩個人的電阻更大的想法。

[設計意圖]在學習過程中，學生以孫子兵法中的“激水之疾至于漂石者，勢也”形象地比喻了鋅—石墨組合中失電子能力的差異，論證了外電路中電子從無序走向有序的本質(zhì)為電勢差。此外，他們借助物理學的第一性原理，找到了問題最開始的起點，頓悟了解決問題的關鍵是將鋅與硫酸分池存放，讓氧化劑和還原劑不接觸。學生面對存在的問題自然而然地與科學家遇到的困難產(chǎn)生共鳴。而通過創(chuàng)意實驗生物（人體）電池，學生領悟了“耗散結(jié)構(gòu)理論”：電勢差是電荷自發(fā)定向移動的原動力。通過自主探究，學生對比總結(jié)，體驗了科學的局限性，深刻領悟了HPS的科學思想史觀。

（三）模擬科學歷程，思考模型本質(zhì)

教學過程：教師首先給出一則先行組織者材料，即1836年英國化學家丹尼爾發(fā)明了以鋅負極浸于硫酸鋅電解質(zhì)與銅正極浸入硫酸溶液所形成的丹尼爾雙液電池，大大提高了電池的效率。緊接著，追問學生從單液電池的自放電到雙液電池需解決的關鍵問題是什么。此時，學生提取丹尼爾電池的搭“橋”思路，找到了“鏈接”方案。接下來，教師便讓學生完成“鹽橋電池”的模擬科學歷程實驗，即鋅與硫酸溶液不接觸，隔開，讓氧化還原反應在不同區(qū)域進行，并用各種創(chuàng)意鹽橋：吸管（內(nèi)有氯化鉀溶液與瓊脂）、濾紙、棉線（KCl溶液中浸泡過）將裝置連接，使化學能全轉(zhuǎn)化為電能。

[設計意圖]以上的教學模擬科學歷程，讓學生討論并深入理解了雙液電池的優(yōu)點和鹽橋的作用。該過程不僅修正了原電池模型的不足之處，還讓學生自主、具身性地嘗試采用多張濾紙橋解決電流小、不穩(wěn)定的問題。這一教學方式不僅幫助學生建構(gòu)了科學敘事完整性與改進型的思維系統(tǒng)，還促進了學生對原電池模型及其改進的過程性思考，以便他們能夠領悟科學實踐中應用并改進模型的探究與生產(chǎn)實踐本質(zhì)。

（四）改進現(xiàn)實應用，體悟科學本質(zhì)

教學過程：教師給出另一則背景材料，雙液鹽橋原電池在體積上較大且電解質(zhì)用溶液，移動不便，缺乏簡易性。我們?nèi)粘Ｉ钚枰氖求w積小、重量輕、單位重量（或體積）能量比高的電池。之后，教師告訴學生1887年英國赫勒森提出了最早的干電池，且干電池中有多層牛皮紙。緊接著，便詢問學生吸管、濾紙、牛皮紙與鹽橋是否有異曲同工之處。為了進一步遷移應用，進行現(xiàn)實改進，詢問能否用水果膜代替鹽橋，并給予了“橘子電池”的一系列實驗方案及結(jié)果，讓學生回答上述問題（如下表）。接下來，讓學生探討為什么最早的化學電源的負極材料會選擇鋅，這是因為鋰、鈉、鎂、鋁電池開發(fā)得比較晚，提示學生19世紀初人們還不具備大量獲取活潑金屬鈉、鎂、鋁的能力，鋅是最易接觸到的活潑金屬，就成為人們最初的選擇。

對照實驗 現(xiàn)象 結(jié)論

鋅片、銅片插入同一瓣桔子中 有電流 鹽橋與膜異曲同工

鋅片、銅片插入不同的兩瓣桔子中 無電流

鋅片、銅片插入不同的兩瓣桔子中，將吸管（內(nèi)有氯化鉀溶液與瓊脂）把兩瓣桔子連起來 有電流

鋅片、銅片插入不同的兩瓣桔子（兩瓣緊貼）中 有電流

[設計意圖]通過一組創(chuàng)意實驗，學生不僅穿越了電池從單液電池—雙液電池—離子交換膜電池的百年HPS史，且完成了兼具科學性和創(chuàng)造性的建模，從電源發(fā)展史中看見了歷史的邏輯和人類的思維脈絡，潤物細無聲地滲透了HPS的“科學社會學教育”。之后的鋅作為負極材料的探討說明了人類社會是按需發(fā)展的，人們的選擇受到資源和技術(shù)的制約。該過程讓學生明白，現(xiàn)實開發(fā)中會明確考慮“投入—產(chǎn)出”比的問題，且科學技術(shù)進步會受到時代性的影響。

在本節(jié)課堂教學的尾聲，教師引導學生從科學知識、科學探究和科學事業(yè)三個科學本質(zhì)觀的角度出發(fā)，展開交流。從分類的角度、聯(lián)系的角度認識形形色色的電池，培養(yǎng)系統(tǒng)思考力和洞見本質(zhì)的能力[7]?？v觀化學電源發(fā)展簡史，形式多樣的電源并非同時出現(xiàn)，是人類在使用過程中，為了更好地滿足自身的需求不斷研究、改進發(fā)展起來的。這些底層邏輯都是以伏打電堆為基本模型認知，在跨學科視域下打破學科界限，使單液電池走向雙液電池和未來電池。

[本文系江蘇省教育科學“十三五”重點課題“基于核心素養(yǎng)提升的普通高中跨學科主題學習研究”（項目編號：B-b/2020/02/12）和江蘇省教育科學“十三五”規(guī)劃立項課題“基于‘生活即教育思想的中學化學深度學習研究”（項目編號：E-c/2020/05）研究成果]

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