指向核心概念发展的小学科学HPS教学实践

摘要

HPS教育是将科学探究过程和科学史、科学哲学以及科学社会学三者有机融合，在科学教学中进行渗透与补充。指向核心概念发展的小学科学HPS教学实践，旨在通过单元教学重构，以HPS教学模式开展“计量时间”单元的教学实践，在具体科学学习内容的基础上构建单元概念，通过单元概念的不断进阶，促进核心概念的发展，最终促进学生核心素养的提升。

关键词

核心概念 / HPS教育 / 小学科学 / 单元重构

《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称《标准》）指出：科学教学要围绕学科核心概念和跨学科概念，理解教材设计，关注知识间的内在关联，促进知识的结构化，按照学习进阶设计促进学生自主探究、思维合作的教学活动，渗透科学史教育，引导学生了解科学的发展^［1］。这就要求教师重视科学本质和科学史的教学，挖掘教材内容中与科学史相关的素材，并以核心概念为中心，有机建构概念与学习内容、教材之间的逻辑关系，帮助学生建立相对完善的科学学习体系。

HPS教育是科学史、科学哲学和科学社会学的简称，它是建构以上途径、达成目标的重要方式。英国教育家孟克（M.Monk）和奥斯本（J.Osborne）基于建构主义的相关理论，将科学史、科学哲学、科学社会学与科学课堂有机融合，建立了新的教学模式，包括提出问题、引入观点、学习历史、设计实验、呈现科学知识和实验检验、总结与评价。这一教学模式的运用能够促进教学目标的有效达成，促进学生思维发展，尤其是通过设计具体的问题情境，引导学生充分表达观点，基于已有经验展开讨论和研究，并通过实验设计转变观念、进行实践检验，在学习历史和寻找证据支持结论的过程中，形成正确的科学概念，实现从错误观念向正确科学观念的转化，从而促进对学科核心概念的全面理解。笔者以“计量时间”单元教学为例，通过厘清概念进阶，重构单元脉络，以HPS教学模式开展教学实践，实现核心概念的逐步进阶与发展，最终达成科学教学与育人目标。

1 聚焦课标教材，厘清概念进阶

教材是核心概念发展的重要载体，通过对照《标准》梳理教材单元所对应的核心概念，挖掘其中的本质问题，分析搭建概念进阶的框架，从而规划教学内容的具体呈现方式以及HPS理念的具体落实途径。

1.1 梳理教材内容，对标核心概念

“计量时间”单元为教科版小学科学五年级上册的内容，涉及《标准》中“技术、工程与社会”以及“工程设计与物化”“物质的运动与相互作用”3个核心概念。在教学中，既需要通过单元学习帮助学生理解自古以来人类计时工具的发展，又需要对计时工具的工作原理有相对深入的认识，在此基础上设计并制作不同的计时工具，即燃香—水钟—摆钟，从中体会古人的智慧，感受计时工具随着技术发展而不断进步，逐渐向着精准的方向迈进。

单元教学线索是通过人类计时工具的不断演变，经历3种计时工具的制作和测试，指向核心概念“技术、工程与社会”，技术与工程创造了人造物，改变了人们的生产和生活，应用所学科学原理设计并制作出可以提高效率的产品。根据运动规律设计制作计时产品后，经历产品的不断迭代和改进是单元的核心探究任务，指向核心概念“工程设计与物化”。工程是设计方案物化的结果，制作简单的实物模型，并根据实际反馈结果改进并展示。

在研究过程中，学生逐渐明白计时工具的设计和制作其实都是由于事物具有内在的运动规律，而燃香、水钟、单摆和日晷等因为有这些特点，所以才能够用来作为计时工具。同时，计时工具指向了另一核心概念“物质的运动与相互作用”，是物质运动及相互作用的最终结果。因此，围绕教材内容，找到对应的核心概念及其中的关系，是落实HPS教育的重要前提。

1.2 建立概念关联，搭建进阶框架

“计量时间”单元所涉及的3个核心概念之间是紧密联系的，形成了从认识原理到动手制作，再到形成产品的不断升级改进和迭代的闭环。而核心概念统领下的若干单元概念，又将核心概念进一步形象化与具体化，同时对应学科内容，形成了从上至下的链接关系，通过教学不断形成概念的逐级进阶，具体关系如表1所示。

教师应充分理解各概念之间的相互关系，在设计活动的过程中，引导学生基于现象、体验，发现并收集学科知识，通过讨论、交流对单元概念有最直观的认识，从具象的内容上升到单元概念，再在活动中建构核心概念，达成高位的认识，在理解和内化的基础上，运用核心概念解决其他实际问题，实现概念的巩固与运用^［2］。因此，梳理好核心概念、单元概念和学科内容之间的关系，是开展HPS教学实践的重要方面。

对于某一个核心概念，比如工程设计与物化，在不同的学段有不同的要求，教师需要了解不同学段学生的建构过程，所以必须了解小学阶段核心概念所对应的进阶方式。其实，在学习“计量时间”这个单元前，学生初步具备了应用科学原理设计简单产品实物模型的能力，并根据设计图制作出了不同难易程度的产品。在小学阶段，学生还将进行稍复杂的产品设计、制作与测试的工程设计与物化的活动，如制作小船、塔台模型，并进行设计与测试评估改进。因此，了解各学段核心概念所对应的概念进阶层级，能够起到瞻前顾后的作用，这也是HPS教学中重要的链接方式。

2 重构单元脉络，以HPS教育理念促概念发展

以核心概念为统领的方式组织教学内容，有利于建立知识之间内在的逻辑关系。如果按照教材内容单课时进行教学，容易出现知识本位的现象，学生仅仅是完成教师布置的学习任务，缺少独立的思考和内在驱动力。这就需要教师用新的教学理念对教材单元进行整体建构与实施，建构既关注学科知识与技能方法，又指向学生核心素养发展的学习方式，HPS教学理念正契合这一需求。

2.1 目标与内容设计

本单元的学习目标是：认识到重大的发明和技术会促进人类社会的发展；明白简单的创意可以转化为实物模型；能够评估并完成一个产品。虽然教材单元的学习内容指向了3个核心概念，但学习内容之间没有具体的关联性，教材7课时之间没有具体的链接点，第1课时“时间在流逝”关注了时钟发明之前人类如何计时的；第2-3课聚焦水钟，通过认识水钟、设计制作自己的水钟并了解水钟计时的原理；第4-6课时则研究钟摆，了解摆的等时性以及摆的快慢跟哪些因素有关，从而学会制作一个钟摆；最后第7课时回顾以上计时工具，引导学生关注计时工具的发展与人类生产生活之间的关系^［3］。学生在学习过程中，是相对零散的学习，没有体现核心概念的逐步发展，也没有呈现出逐渐深化上升的关系。首先，教师需要围绕本单元的活动，加强活动之间的联系，用丰富的案例促进概念的建构，适当加入科学史的学习内容，使学生体会到古人的智慧及计时工具的不断发展，在联系社会发展的过程中提升社会责任感^［4］。其次，在活动间凸显层次，帮助学生形成认知冲突，透过现象把握科学本质，形成更稳定的概念。

2.2 问题与任务设计

HPS教学理念有利于问题的解决，问题即单元的大问题，是单元学习的驱动性问题，指向知识在真实复杂情境中的有效运用，是HPS教学模式的重要部分。在本单元中，可以围绕“设计与制作一个计时工具”展开，通过重构教材，围绕学生感兴趣的水钟开展教学活动，作为摆钟学习的铺垫。课时驱动性子问题可以设计为“如何制作一个短时计时准确的水钟？”学生经历“学习－设计－制作－测试－评估改进－迭代”的过程，开展融合其他学科的跨学科学习体验。在学习中，首先将古人对水钟的研究成果展现在学生面前，学生基于观察、思考，模仿学习古人的研究，结合所学，总结水钟作为计时工具所需要具备的条件，即指向核心概念需要具有一定周期性运动的事物才能用来计时，而这一概念在接下来的学习中将会不断深入和进阶。接着，学生将经历对水钟的设计、制作和测试过程，分析存在的问题，并根据问题修改设计，不断改进水钟，最终解决问题。同样，在摆的学习中也要围绕“如何制作一个1 min摆动60次的摆？”这一问题与任务展开，在学习水钟的基础上，深化核心概念，在制作的过程中实现概念进阶，将工具的改进过程作为核心概念进阶的重要过程，并不断深化学生对技术发展、对人类生活影响的重要认识。

3 基于核心概念，以HPS教学模式促实践落地

对于本单元中关于“摆”的主题教学，教师改变了以往仅仅制作摆、让摆摆动起来的单一活动和方式，而以HPS教学模式开展主题教学，取得了较为理想的效果^［5］。

3.1 科学史导入，任务驱动

在“摆”的主题教学中，教师先从伽利略对摆的观察和发现开始，带领学生重温伽利略发现摆的等时性的过程。在这样的历史情境中，激发学生对摆研究的极大兴趣。接着，以“自制一个可以自由摆动的摆”为驱动性任务，引导学生像伽利略那样开展对摆的后续研究。

3.2 提出问题，学习历史

在情境与任务的驱动下，学生产生一系列关于摆的问题：如何让摆摆动起来？怎样才算摆动一次？相同时间内同一个摆摆动的次数相同吗？不同的摆摆动的快慢相同吗？如果不同，摆的快慢又会跟哪些因素有关……这一系列关于摆的问题，让学生对摆十分好奇，通过讨论，他们会意识到自己面临的这些问题与古人比较相似，古人就是在对问题的研究和对现象的不断分析中，逐渐发现了摆的等时性。机械摆钟的诞生就是基于摆的等时性制造产生的。荷兰物理学家惠更斯应用伽利略发现的摆的等时性原理，制成世界上第一只摆钟，是钟表技术的重大突破。学生在学习历史的过程中逐渐深化“利用科学原理能制造相应的产品”这一单元概念。

3.3 设计实验，检验评价

学生带着强烈的学习欲望，利用丰富的材料开展实验设计和研究。学生制作的摆各不相同，通过比较找出各组摆的差异，并从提供的资料中了解摆的结构和工作原理，再通过反复测试，让单摆的规律性运动这一学生能观察到的科学事实帮助学生初步建立事物在做有规律的周期性运动这一单元概念，纠正学生同一个摆的摆动有快有慢的错误前概念。同时，在设计研究影响摆的快慢因素的实验时，学生认识到摆长、摆锤重量、摆幅等各种因素对结果的影响，在反复测试中经历对影响摆的快慢条件的改进，通过测试与评价反馈，修正概念。再通过制作一个1 min摆动60次的摆的活动，逐步建立“设计和材料的改进能让计时工具更加准确”的单元概念，最终促进工程设计与物化这一核心概念的发展。

3.4 单元拓展，深化概念

除了对摆这一计时工具在材料、结构上的研究外，在单元学习后，学生还可以开展对摆的后续研究及了解钟表技术的重大历史进展，感受技术的发展在计时工具精度的提升过程中起到了重要的作用，凸显科学、技术发展的历史在人类文化积累中的重要作用。从人类早期关注天文现象与物质流动计时，到后来的钟表计时，在对计量时间工具精度和准确度的不断探究中，学生也逐渐认识到技术与工程改变了人们的生产和生活，从而形成合理使用工具的意识和习惯^［6］。通过实验研究、历史回顾、资料搜集等方式，既是帮助学生体验技术进步对人类认识摆、研究摆、制作提升摆钟的精确度的日益促进作用，更是通过落实技术与工程改变了人们的生产和生活的单元概念，指向技术、工程与社会这一核心概念的建构。

指向核心概念发展的小学科学HPS教学实践是落实《标准》和促进学生核心素养发展的探索，希望通过重构单元，以HPS教学模式开展教学，弥补单课时教学的不足，形成系统的研究任务或项目，让学生在学习科学的过程中有机融入科学史、科学技术与社会的关系等，学习学科具体内容，指向单元概念，最终促进核心概念的不断发展，为核心素养培育而努力。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育科学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 刘徽.大概念教学：素养导向的单元整体设计［M］.北京：教育科学出版社，2022.

[3] 史加祥.小学科学教材中科学史内容分析研究：以教科版、远东版和剑桥版三套教材为例［J］.教育参考，2021（05）：85-92.

[4] 刘剑.小学科学教科书中科学史内容的分析及教学建议［J］.教学与管理（小学版），2022（35）：69-72.

[5] 张勇.科学史视野下的小学科学教育策略［J］.实验教学与仪器，2021，38（10）：52-53.

[6] 罗生全，孟宪云.新时代中小学作业问题的再认识［J］.人民教育，2021（Z1）：15-18.