科学过程视野下HPS融入初中科学教学的案例

HPS是科学史、科学哲学和科学社会学(History Philosophy and Sociology of Science)的缩写词。HPS融入科学教学是指把科学史、科学哲学和科学社会学的有关内容融入科学教学,以提高科学教育的质量,并将科学本质观凸显在教学中,使学生更好地把握科学本质,知道科学究竟是什么,科学知识是怎样产生的,科学在社会发展和进步中的作用是什么,科学和科学方法的局限性等等,从而培养学生的科学素养。本文拟在科学过程视野下,以《光合作用》为例,探讨HPS的应用之道。

一、科学教学改革的“原点”——科学过程

追问科学教育本身,其改革的“原点”何在呢?我们试图从不同专业领域的大家思想“共鸣”处寻找答案。

恩格斯说:“世界不是既成事物的集合体。而是过程的集合体。”[3]英国数学家、教育理论家、过程哲学家怀特海在其巨着《过程与实在》中把恩格斯思想进一步发展为:过程是事物的根本存在形式,世界的本质就是过程的存在,即过程就是实在、实在就是过程。美国哲学家、教育家杜威在论述“教育即生长”主题时也曾说道:“教育过程是一个不断改组、不断改造和不断转化的过程。”[4]还有,美国社会学家、科学学专家李克特更是从多维视角有力地证明了“科学是一种文化过程”,并富有创见性地提出:“科学暂且被定义为一个过程,或一组相互关联的过程;通过这个或这组过程,我们获得了现代的、甚至是正在变化中的关于自然界(包括无生命的自然界、生命和社会在内)的知识。通过这个过程获得的知识可以被称为是‘科学的’,而且在某个时期被认为是科学的知识很有可能在以后的日子里被认为是过时的。”[5]

从思想大家们的论述中不难体悟,他们畅谈问题的角度虽有不同,例如恩格斯和怀特海强调事物内在的有机联系、杜威从教育实践经验出发、李克特基于文化视角, 但作为一种共同的富有远见的睿智探索,都把着眼点投向了复杂、丰富而又奇妙、无穷的“过程”问题。注重结果更强调过程,这虽对传统的理论视野提出了严峻挑战,却给我们的科学教育改革带来了启示和指引,从而回答了上面提出的问题,即科学教育改革的“原点”应是科学过程。事实上,在当前国内外的科学教育改革实践的不断努力下,科学过程作为科学教育改革的“原点”问题,虽不明晰,但已凸现。例如,科学探究已成为当今科学教育的基本理念和思想,这是国际上专家们达成的共识并给予高度评价。在美国《国家科学教育标准》所描述的预想状态下,探究比“作为过程的科学”又前进了一步,学生在探究的过程中可以学到各种技能, 例如观察、推论和实验。新的预想状态包括“科学的过程”,它要求学生在进行科学推理和批评性思维时把过程和科学知识结合在一起。[6]我国科学课程标准 (包括综合和分科科学)中也明确提出,科学探究的主要目标是使学生领悟科学探究的思想,培养学生进行科学探究所需要的能力,增进对科学探究方法和过程的理解。[7]

由上论述得出,科学教育改革回归到“原点”——科学过程,科学教育将被赋予新的内涵和使命:习得科学知识是科学教育的根基,而形成良好的科学素质才是科学教育之魂,即让学生在参与、体验和享受科学过程中习得多种适应生活的能力,以及对科学问题做出明智的判断和选择,从而成功地解决问题并加以自主创新。而将 HPS融入科学教学,其目的即在于此。

二、科学过程视野下HPS融入初中科学教学的一个案例

(一)演示现象

多媒体演示:一粒种子经萌发生长到长成参天大树的过程。教师提出植物生长的养料究竟是从哪里来的问题让学生思考。学生根据书本知识或已有经验可能知道植物的生长和光合作用有关,那么光合作用中的条件和过程是怎么样的?科学家是如何一步步研究得到光合作用的过程的?从问题出发,促使学生产生探究的强烈欲望。科学离不开对现象的观察,从现象出发提出问题,科学的产生也来源于问题的提出。爱因斯坦说过,提出问题比解决问题更重要。

(二)引出观念

教师引导学生就上述有关光合作用问题说出自己的看法并提出证据支持自己的观点,激发学生的积极地和创造性地思考。收集学生的观点如下:

●植物白天进行光合作用,吸收二氧化碳。放出氧气;晚上进行呼吸作用,吸收氧气,放出二氧化碳,所以植物白天不会吸收氧气。

●因为土壤中养分不足,所以植物才需要进行光合作用。

●光合作用需要二氧化碳吗?产物是淀粉和氧气吗?

●是不是植物体的任何叶片都能进行光合作用呢?

教师不对观点进行评价。

(三)学习历史

科学知识是植根于社会和文化背景中的,不同历史时期,科学家的观点也不一样,不同的人对于同一现象也会有不同的观点。科学知识也是暂定性的。

亚里士多德根据动物的生长来源是食物而提出观点:植物生长来源应该是土壤。给学生提供科学史料,引导学生讨论或探索这些观念产生的背景和条件,帮助学生认识到科学认识的时代制约性,重点突出科学家研究的过程和方法。结合科学史中几个着名的实验引导学生思考讨论并归纳这些科学家关于光合作用的探究历程(下页表1)。

此外,还可以补充英格豪斯通过实验证明绿色植物只有在光下才能净化空气。他还发现光照下的绿色植物能够释放气体,这种释放气体的能力在夕阳西下是降低,日落后完全停止。进而得出绿色植物进行光合作用需要光。还可以补充说明恩吉尔曼用水绵和好氧细菌证明氧气是由叶绿体释放出来的等相关研究。

(四)设计实验、呈现科学观念和实验检验

全班分组后,引导学生要从多种多样的观点中选择某种观点进行实验设计,证明自己的观点和科学家的观点。如设计证明光合作用的产物主要是淀粉;实验证明光合作用需要光和叶绿体;证明光合作用的原料之一是二氧化碳;证明光合作用释放氧气等。这一环节能激发学生的想象力和创造力,引导学生设身处地地体验科学家的思考和探究,同时理解对同一自然想象科学家会有不同的解释。

教师讲解光合作用过程,引导学生进一步明确光合作用过程中物质的变化。如果学生还有自己的观点与当前的科学概念不一致,就需要引导学生自己设计实验检验, 由实验现象的观察、资料的收集与整理,最终得出结论,形成科学观念,即实现由原有的错误观念向科学观念的转变。例如,有学生认为叶子的任何部位都能进行光合作用,为了消除学生这一迷思概念,可以让学生利用银边吊兰进行对比实验,从而帮助学生明白叶绿体是光合作用的场所。也有学生认为植物在晚上进行呼吸作用,吸收氧气,而在白天只进行光合作用放出氧气,不会进行呼吸作用放出二氧化碳。这可以让学生做测量白天绿色植物呼吸作用释放二氧化碳的实验,从而促使学生认识到绿色植物白天也能进行呼吸作用。

(五)总结与评价

引导学生总结归纳:讨论科学家关于光合作用的探究过程的内容、方法的历史意义与局限性,如海尔蒙特的实验结论完全正确吗?从植物生活环境的角度分析植物生长需要的物质来源,还应该考虑什么因素?当人们重复普利斯特利的实验时,有的获得成功,有的却失败,甚至有时发现植物还会更严重地污染空气。为什么学者们会得到不同的实验结果呢?光合作用的内容是什么?有关光合作用还有什么问题?仅仅通过上述的几个实验能否揭示光合作用的机制?其实还有更多的科学家继续探究光合作用的机制。

HPS融入科学教学,上述的五个步骤可以完整地呈现,也可以着重体现学习历史、科学观念和检验这两个环节,这样也能很好地体现科学本质。科学家的探究过程蕴含了科学的发展历程。而且历史上也会出现错误的观念。经过科学家的不断探索和归纳总结,使新的科学概念被人们接受,能更好地解释自然。很多经验性研究证明学生对科学的认识过程会重述科学知识发展过程的某些特征。而且学生对一些科学概念的错误认识,同古代科学家或哲学家的认识相似。如果教师可以预期学生可能存有的先前概念,及学习上可能遭遇的困难。那么利用科学史的学习可以引导学生进行批判思考,有利于建构更成熟的科学概念。

三、实践反思

为了更有效地把HPS教育融入科学课堂教学中,笔者认为:

对科学本质的教学应该是显性教学而不是隐含在教学过程中,也就是需要教师诠释和科学本质相关联的内容。

这种教学法并不适用于所有内容。另外教师选择利用科学史教学,不是还原前人的科学研究全过程,而是对发现过程中的难点进行一定程度的简化。将HPS融入科学课堂教学,要有目的,适时适度,对于不同内容应以不同的教学方式以体现HPS的教育价值。

将HPS融入科学教学中并不需要一次就体现很多方面的科学本质内容,要根据教材内容和学期计划逐步渗透