广东广州市荔湾区詹天佑小学（510140）张爱民

2017年教育部颁布的《义务教育小学科学课程标准》提出，小学科学课程的总目标是要按照立德树人的要求来培养小学生的科学素养，并为他们的继续学习、成为合格公民和终身发展奠定良好的基础。同时，将目标细分为“科学知识”“科学探究”“科学态度”“科学、技术、社会和环境”四个方面。科学课程标准重视学生对科学本质的理解，重视培养学生的优秀品德，关注科学与社会和环境之间的关系。HPS是科学史、科学哲学、科学社会学的英文缩写。在科学课程教学过程中，融入相关的科学史和科学社会学等人文教育资源，并引导学生就这些内容进行哲学思考，让学生认识到科学科技的发展与应用的价值。这样既可以帮助学生联系当时的社会情况去了解前人探索科学科技的过程与方法，正确地把握科学的本质，又可以使学生更好地客观评价、理解和欣赏科学家及其从事的科学事业，激发其探究科学的热情、勇气与欲望，培养其创新精神、坚忍不拔的意志品质、社会责任感等人文精神。可见，开展HPS教育有利于达成科学课程标准提出的课程目标。但是，目前新旧版本的教科版小学科学教科书中，比较欠缺与各学习主题有关的HPS方面的教育内容，没有可直接用于教学活动的现成的HPS教育资源，需要教师自己或安排学生围绕教学主题去收集整理相关的HPS资源，去探索HPS资源的呈现形式和途径、应用环节和方式方法等。

开展小学科学HPS教育，教师在选择和编排学习资源内容、设计单元教育方案时，不仅要考虑学科知识自身的逻辑，而且要基于学生视角，充分考虑学生的“最近发展区”，符合由易到难、循序渐进的程序教学理论。这样，学生才有能力更好地利用HPS资源去建构新知、培养能力和情感态度与价值观，更好地达成教学目标。下面，以《时间的测量》单元教学为例，谈谈具体做法。

一、设计并编码HPS教育单元资源库

《时间的测量》是教科版小学科学五年级下册的内容。依据小学科学课程标准和HPS教育理念，本研究对该单元的学习内容和目标作了调整，即基于学生视角另行安排单元学习内容和设定单元学习目标。基本设计思路（如图1）是整体教学按照计时器发展的先后顺序开展，即把单元教学内容整合成五个教学模块：《时间在流逝》《太阳钟》《水钟》《摆钟》和《从哲学视角看计时器的发展历程》。对每一种计时器，让学生先学习相关的HPS资源，然后重历当时历史上科研人员探索影响其计时准确性因素及其科学原理的研究过程；之后，在懂得科学原理和学会控制影响因素的基础上，设计制作太阳钟、水钟和摆钟并进行检测的实践活动。通过学习HPS资源和实践探索活动，了解计时器的发展历程，知道人类不断增加的需求，促进人类不断地探索和发展科学技术，并应用科学技术来改进计时器，从而使计时器得到了不断的发展。同时，引导学生基于历史环境和哲学视角去看待计时器发展过程中科学科技的应用，感悟中国古人刻苦钻研的精神和令人叹服的智慧。

图1 《时间的测量》单元教学思路图

有关人类计时器的发展与应用史料丰富，如太阳影子变化的规律、伽利略对摆的等时性的发现以及日晷和圭表、水钟、惠更斯摆钟的发明与应用等，这些都是开展科学教育活动的宝贵的科学人文资源。专题收集和整理了各类计时器有关的HPS资源，并与其他资源一起，按照该类计时器的发展历程、科学原理、使用优缺点和未来发展前景的教学逻辑进行分类编码，构建了便于提取的《时间的测量》单元HPS教育资源库。

二、基于学生视角设计班级授课内容

如图1，本单元的第1～7课既有HPS资料学习，又有实践操作。其中HPS资料学习主要包括计时器的创造发明史和所依据的科学原理的发现史，实践操作部分体验了古人创造发明计时器的历程并感知各种计时器的优缺点。也就是说，通过前面7课的学习与探索，学生完成了知识和工程技术内容的学习，对“人类认识时间和测量时间的历史”有了大致的了解。“以史为镜，可以知兴替。”那么，“人类认识时间和测量时间的历史”对现在的学生有什么启发呢？为了帮助学生学会辩证地看待史实，特设第8课《从哲学视角看计时器的发展历程》，旨在引导学生基于哲学视角，学习历史地看待人类计时器的发展历程，包括各类计时器的发明史以及在使用过程中所展现的优缺点和发展前景等。

第1课，学生体验在无计时器的情况下估算时间流逝速度快慢的活动，领悟到估算时间误差非常大、不靠谱，无计时器的古人计时只能准确到“天”，从而理解古人对计时器的需要，从而顺势引入“时间的测量及其历史”探究课题。

第2和第3课《太阳钟》，通过学习太阳钟计时器（包括圭表和日晷）的发明史HPS资源，模拟实验探索太阳钟的科学原理，并经历设计、制作、检测等自主实践探索活动，由此感悟人类的需求是创造发明的动力，科学知识是创造发明的前提条件；感悟我国古人的智慧和长期坚持观测与研究影子刻苦钻研的精神和毅力。同时，理解由于地球自转和公转，广州地区每天与太阳的相对位置都会发生变化，所以阳光下物体的影子也会发生变化。以阳光下物体影子的变化方向规律为原理的日晷，只能记录大概数而非准确数，大概只能准确到“时辰”，而没有太阳的阴雨天、夜晚等时间无法使用日晷，又不便于携带，不能满足人们的需求。因此，人类将继续探索更好的计时器。

第4和第5课《水钟》，通过学习水钟的发明史HPS资源，实践探索水位变化对滴水速度的影响等科学规律，并经历设计、制作、测量等自主实践探索活动。由此使学生进一步感悟人类的需求是创造发明的动力，科学知识和科学技术是创造发明的前提条件。认识到控制水钟的水流均速流动和解决不断添加水的难题需要高超的技艺，感悟我国古人创造水钟的聪明才智；体会到虽然水钟每时每刻都可以计时，却仍然不准确，在计时准确和使用方便等方面并没有实质性的突破；体悟到由于聪明的古人将太阳钟和水钟配合起来使用，使计时的准确性得到了较大提高，故太阳钟和水钟共存了多个年代。

第6和第7课《摆钟》，呈现摆钟相关的HPS资源：17世纪，伽利略发现了摆的等时性原理，惠更斯修正了这一原理，进而研究其在机械上的应用，设计出了严格等时的摆钟结构。摆钟的精确度是欧洲以前计时器的100倍，将平均每天15分钟的误差改进到每周大约1分钟的误差。学生通过学习这些HPS资源，实践探索影响单摆摆动速度的因素，并设计、制作与检测摆钟的准确性等实践活动，进一步领悟到科学技术的进步会促进计时器的发展。

在第8课内容中新增近现代石英钟和原子钟的发展历程HPS资源：1880年，法国人皮埃尔·居里和保罗·居里就发现石英晶体具有正反压电效应——这正是制造钟表“心脏”的良好材料。1929年，科学家以石英晶体制成的振荡计时器和电子钟组合，制成了石英钟。经过测试，一只高精度的石英钟，每年误差仅为3～5秒。石英钟虽然精确度极高，但是仍不能满足科学家科学研究的需要。19世纪30年代开始，科学家们对原子振动研究和原子钟进行富有成效的研究，如今的原子钟极其精确，其误差为10万年内不大于1秒。这一课继续将学生的学习活动引向近现代社会生活和科学科技研究的前沿阵地，体会人类不断增加的需求、科学科技的发展、创新创造对人类社会进步的重要性。

我们期望学生通过本课的学习，学会联系各个时代的社会、政治、经济、人文环境和当时科学科技发展的状况等因素，去体悟古往今来科研人员的精神和智慧，正确地把握科学的本质，产生和保持探究科学的热情、勇气与欲望，养成实事求是、创新创造的精神和坚忍不拔的意志品质，树立科技报国的理想信念和社会责任感。

三、通过个别辅导提高实践操作效果

为了提高实践操作的准确性，教师对部分学生进行一对一指导，帮助被指导学生以最佳状态完成设计、制作和测量实践。如有的学生参考教科书和网上视频制作了晷面刻度均匀的地平式日晷，观测时却发现一天当中光影并不是均匀地移动的，计时非常不准，于是向老师求助。通过教师的一对一指导，学生终于弄清楚晷面刻度均匀的日晷应该安装成为赤道式日晷，其晷面的朝向和倾斜角度如图2所示。最后，利用地球仪和三球仪做模拟实验，使学生体会到制作相对准确的太阳钟非常不容易，感悟到我国古人刻苦钻研的精神和智慧。

图2 广州地区日晷面的朝向和倾斜角度图解

又如，在学生研究摆的过程中，教师发现学生对摆幅大小这个条件的控制不到位，影响了实验的效果。通过一对一指导，这部分学生懂得了利用参照物来确定摆幅，实现了有效的实验控制，并和班上的同学进行了分享。

四、组建帮扶小组帮助弱势学生学习

本单元的实践探索存在一定的难度，弱势学生无法独立完成全部的实践操作。教师挑选班上领悟能力和实践操作能力强的学生组成帮扶小组，在学习上对弱势学生进行一对一帮扶。优秀学生反馈，帮扶弱势同学并没有浪费自己的时间，因为在这个过程中自己也巩固了所学的知识，而且在帮助同学的过程中体会到了助人的快乐。弱势学生在优秀学生的帮扶下突破了学习难点，体会到学习成功的喜悦，对学习更有兴趣、更有信心了，班级归属感也增强了。

立德树人是教师开展教育活动的出发点与归属。在设计教学时，教师不仅要深入研究本学科的教学内容，而且要善于运用古往今来中国优秀传统文化去影响、感化教育学生，让学生从小树立文化自信和科技报国有我参与的爱国热情、理想信念。HPS教育为科学教师开展中国优秀传统文化教育，实现立德树人教育目的提供了一条很好的教育途径。如何在科学学科教学过程中更好地融入HPS教育？对于这个问题，仍然有许多未知的方面需要我们去探索。