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摘要：“境脉”视域下基于HPs教学模式的化学课堂教学设计，以“科学史”为脉，以“活动链”为境，采用材料阅读、实验设计等形式将科学史融入科学探究，加深学生对科学本质的理解，提升学生的科学素养。
关键词：境脉;科学史;教学设计
文章编号：1008-0546（2020）11-0038-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.11.010
“境脉”视域下的HIS教学模式是指在化学课堂教学中，以教材中知识发生与发展的历史过程作为一以贯之的知识脉络，创设突出学生学习主体、激发学生学习兴趣、具有动态生成空间而又一脉相承的探究情境，以“科学史”为脉，以“活动链”为境，通过对科学探究的复盘重演，使知识技能、思维方法、情感态度多线并进，从而达到夯实学生科学知识、提升学生科学素养的双重目标。那么，如何从繁复纷杂的科学史中剥离与教学主题相关的知识脉络，又如何围绕这一教学主线创设以任务解决为牵引、以思维冲突为驱动的探究情境？本文以华师大版《科学·七年级（下）》第二章第二节“空气成分的探究”为例，探讨“境脉”视域下基于HPS教学模式的化学课堂教学设计策略。
一、教学设计思路
本节课由一个问题“空气是由什么组成的”引出，学生联系所学知识及生活经验，对空气成分提出合理的猜想。在接下来的教学环节中，以空气成分发现史为主线，进行了层层递进式的“活动链”设计（图1）。对梅猷的蜡烛燃烧实验进行了改编，创设任务型探究情境——如何证明玻璃杯中仍有气体存在，加深对蜡烛熄灭后玻璃杯内水面上升原因的理解，进而推导出空气中存在两种成分：一种支持燃烧、另一种不支持燃烧。
呈现“拉瓦锡的曲颈甑实验”这一科学史，认识到在梅猷蜡烛燃烧实验的基础上，拉瓦锡对空气的组成成分有了定量的描述，即空气中氧气体积分数为1/5。在理解拉瓦锡曲颈甑实验的基础上，对梅猷的蜡烛燃烧实验进行改进，通过现象与猜想的冲突，引导学生对实验中药品的选择进行思考。在教师演示测定空气中氧气体积分数实验的基础上，设置开放式的实验设计任务，通过对不同装置的组合以达成对空气中氧气体积分数的测定，这一环节的设计加深了学生对空气成分测定原理的认识和理解。
给出英国物理学家雷利于1892年的一组实验数据，引导学生对数据的差异提出猜想，为稀有气体的发现埋下伏笔。经历科学史的品读、科学探究的参与，进而形成完整的对空气成分的量化认识。
二、教学过程
（一）挖掘前概念、建立实验猜想
我们生活的环境中有空气，人类的生活离不开空气，空气是一种重要的自然资源。
思考：空气是由什么组成的？它是由一种物质组成的？还是由多种物质组成的？如果空气是一种混合物，那么空气中究竟有哪些物质呢？
猜想：根据已有知识，联系生活经验，收集证据：
①动物进行呼吸，空气中就有氧气和二氧化碳;
②植物进行光合作用，空气中就有氧气;
③饼干敞口放置会变潮，空气中就有水蒸气……
归纳：空气中可能含有氧气、二氧化碳、水蒸气等物质，猜想空气是一种混合物。
设计意图：采用头脑风暴的形式，调动学生联系所学知识及生活经验，对空气成分进行猜想，为后续一系列实验的探究和科学史的呈现作铺垫。
（二）梳理科学史、创设探究情境
[活动一]两支蜡烛（A、B）点燃后放在桌面上，将其中一支蜡烛罩上玻璃杯，观察并描述实验现象（图2）。（改编自梅猷的蜡烛燃烧实验）
提問：为什么会产生这一现象？
追问：此时玻璃杯中是否还有气体存在？如何设计实验证明猜想？
[活动二]根据学生的设计方案进行实验，观察并描述实验现象（图3）。
提问：当蜡烛熄灭后，玻璃杯内的水面为什么会上升？根据这一实验现象，你认为空气中有哪些成分？
归纳并得出结论：空气中有氧气，剩余成分不支持燃烧。
设计意图：对科学史“1674年梅猷的蜡烛燃烧实验”进行改编，创设任务型情境，通过实验设计，加深对蜡烛熄灭后玻璃杯内水面上升原因的理解，进而推导出空气中存在两种成分：一种支持燃烧，另一种不支持燃烧，对后续拉瓦锡曲颈甑实验的理解分解难度、奠定基础。
那么，剩余成分中究竟有哪些气体？
[科学史一]拉瓦锡的曲颈甑实验
法国化学家拉瓦锡对空气的成分进行了研究，请阅读课本P54“科学家探究空气成分的历程”（图4）。
思考：
①反应后待装置冷却时，拉瓦锡如何判断密闭容器内的气体体积减少？拉瓦锡将密闭容器内减少的气体命名为什么？气体为什么会减少？
②如何定量测得约1/57（提示：钟罩内增加的汞的体积等于消耗的氧气体积）
③密闭装置内的剩余气体有怎样的性质？拉瓦锡将其命名为什么？
设计意图：呈现“拉瓦锡的曲颈甑实验”这一科学史资料，在关键性问题引领下，在阅读课本的基础上，阐述实验现象并得出相应结论。认识到在梅猷的蜡烛燃烧实验之后，拉瓦锡对空气成分的探究有了定量的描述，即空气中氧气体积占1，5。
[活动三]沿用拉瓦锡的实验思路，我们能否利用刚才这一实验装置，测得空气中氧气体积分数？为了便于测量，事先对玻璃杯进行了刻度的标记，将玻璃杯倒扣在水中，加水至与最下方刻度线齐平，上方的四条刻度线就把此时杯内的空气均分成了五等分（图5）。点燃蜡烛，罩上玻璃杯，请你预测实验的现象。玻璃杯中的水面真的能上升到刻度1吗？
学生分组实验。
提问：你们有什么发现？为什么和我们猜想的不一样？（提示：蜡烛燃烧生成二氧化碳气体和水;氧化汞是固体） 追问：那么，我们对实验中药品的选择有什么要求呢？现有：木炭、硫磺、红磷，你会选择哪一种药品来进行实验？
设计意图：在理解拉瓦锡曲颈甑实验的基础之上，对梅猷的蜡烛燃烧实验装置进行改进，通过现象与猜想的冲突，引导学生对实验中药品的选择进行思考，为后续采用红磷作为实验材料作一铺垫，加深学生对空气成分测定原理的认识和理解。
[活动四]展示“红磷”，在原有装置的基础上改进，并进行演示实验（红磷燃烧产生的五氧化二磷有一定的毒性，故采用演示实验）。观察并描述红磷燃烧的现象及反应结束装置冷却后，玻璃管内的现象（图6）：
①红磷燃烧产生黄色火焰，生成大量白烟;
②玻璃管内水面上升至刻度1。
设计意图：利用改进后的实验装置测定空气中氧气的体积分数，使学生置身于科学家探究空气成分的研究历程中，体会科学家通过不断的质疑、改进、实验以贴近科学本质的执着追求。
[例题]小科同学采用这一装置，按如上步骤对空气成分进行了测定，测得的氧气体积分数却小于1/5，请试着帮助他分析原因：
①红磷量不足;
②装置气密性不好;
③塞橡胶塞时比较慢;
④未待冷却就读数;
⑤没有除去内容物的体积。
提问：根据以上实验现象并结合拉瓦锡的曲颈甑实验，对于空气的成分，你能得出哪些结论？
归纳并得出结论：空气是一种混合物，氧气约占1/5，氮气约占4/5。
设计意图：由于“空气成分测定”实验是以演示实验的形式开展，难以现场收集实际实验中由于各项不正确操作对实验结果造成的影响。因此以习题的形式呈现对这一问题的分析。
[活动五]请从提供的实验器材（图7）中进行选择，小组合作，组合搭建装置来测定空气中氧气的体积分数，并阐述原理和现象。
提供：
小组合作，组合搭建装置来测定空气中氧气的体积分数。
原理：红磷燃烧消耗集气瓶内氧气，瓶内气压减小，打开弹簧夹，大气压把水压入集气瓶内。进入集气瓶水的体积为集气瓶容积的1/5。
原理：红磷燃烧消耗试管和注射器内氧气，装置内气压减小，大气压向左推动活塞。推进体积为原装置内空气体积的1/5。
设计意图：设置开放式的实验设计任务，设疑探索，通过对不同装置的组合，以达到对空气成分的测定。在应用中，进一步加深学生对空气成分测定原理的认识和理解，使学生在活动中获得较为深刻的体验。
[科学史二]英国物理学家雷利于1892年发现从含氮化合物中制得的氮气每升重1.2505g，而从空气中分离出来的氮气在相同情况下每升重1.2572g，虽然两者之差只有几毫克，但已超出了实验误差范围。为什么每升氮气的质量存在差异呢？对此，你有怎样的猜想？
猜测：在分析数据的基础上，猜测从空气中分离出来的氮气中还含有其他气体，使得该气体每升质量大于氮气。
设计意图：给出英国物理学家雷利于1892年的一组实验数据，引导学生对数据的差异提出猜想，为稀有气体的发现埋下伏笔。
[科学史三]稀有气体的发现
拉瓦锡之后相当长的时间内，科学家认为空气中不会再含有其他成分了。直到1894年，英国化学家拉姆赛和物理学家瑞利合作，从空气中分离的氮气中发现了氩气。随后，拉姆赛又陆续发现了氦、氪、氙、氖和氡等，统称为稀有气体。
随着科学技术的发展，科学家利用先进的仪器（如传感器等）精确地测得了空气中氧气的体积分数约为21%（图8），氮气体积分数约为78%，这剩下1%的气体则包括稀有气体0.94%、二氧化碳0.03%、其他气体和杂质约0.03%。
设计意图：呈现“稀有气体发现”这一科学史资料，使学生了解空气中这剩下的1%成分里有0.94%稀有氣体，0.03%二氧化碳，0.03%水蒸气和其他杂质。经历科学史的品读、科学探究的参与，进而形成完整的对空气成分的量化认识。
（三）绘制心智图、构建知识网络
引导学生进行课堂小结，以思维导图的形式梳理科学家探究空气成分的历程，将这些片段化的知识点构建成自己的知识网络，并展评交流。
设计意图：引导学生采用自己的逻辑构建成知识网络，进行一种学习方法的指导。
三、教学设计反思
科学史可以使学生了解科学知识的不确定性、可变性;科学史可使学生认识科学家之间会发生意识形态的争论;科学史能展现科学方法的改变历程。“境脉”视域下基于HIS教学模式的化学课堂教学设计，以“科学史”为脉，以“活动链”为境，采用材料阅读、实验设计等形式将科学史融人科学探究活动，从科学方法、科学态度以及科学精神等多方面给学生以启迪，有利于培养学生的探究意识和能力，加深学生对科学本质的理解，从而提高学生的科学素养。
关键词：境脉;科学史;教学设计
文章编号：1008-0546（2020）11-0038-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.11.010
“境脉”视域下的HIS教学模式是指在化学课堂教学中，以教材中知识发生与发展的历史过程作为一以贯之的知识脉络，创设突出学生学习主体、激发学生学习兴趣、具有动态生成空间而又一脉相承的探究情境，以“科学史”为脉，以“活动链”为境，通过对科学探究的复盘重演，使知识技能、思维方法、情感态度多线并进，从而达到夯实学生科学知识、提升学生科学素养的双重目标。那么，如何从繁复纷杂的科学史中剥离与教学主题相关的知识脉络，又如何围绕这一教学主线创设以任务解决为牵引、以思维冲突为驱动的探究情境？本文以华师大版《科学·七年级（下）》第二章第二节“空气成分的探究”为例，探讨“境脉”视域下基于HPS教学模式的化学课堂教学设计策略。
一、教学设计思路
本节课由一个问题“空气是由什么组成的”引出，学生联系所学知识及生活经验，对空气成分提出合理的猜想。在接下来的教学环节中，以空气成分发现史为主线，进行了层层递进式的“活动链”设计（图1）。对梅猷的蜡烛燃烧实验进行了改编，创设任务型探究情境——如何证明玻璃杯中仍有气体存在，加深对蜡烛熄灭后玻璃杯内水面上升原因的理解，进而推导出空气中存在两种成分：一种支持燃烧、另一种不支持燃烧。
呈现“拉瓦锡的曲颈甑实验”这一科学史，认识到在梅猷蜡烛燃烧实验的基础上，拉瓦锡对空气的组成成分有了定量的描述，即空气中氧气体积分数为1/5。在理解拉瓦锡曲颈甑实验的基础上，对梅猷的蜡烛燃烧实验进行改进，通过现象与猜想的冲突，引导学生对实验中药品的选择进行思考。在教师演示测定空气中氧气体积分数实验的基础上，设置开放式的实验设计任务，通过对不同装置的组合以达成对空气中氧气体积分数的测定，这一环节的设计加深了学生对空气成分测定原理的认识和理解。
给出英国物理学家雷利于1892年的一组实验数据，引导学生对数据的差异提出猜想，为稀有气体的发现埋下伏笔。经历科学史的品读、科学探究的参与，进而形成完整的对空气成分的量化认识。
二、教学过程
（一）挖掘前概念、建立实验猜想
我们生活的环境中有空气，人类的生活离不开空气，空气是一种重要的自然资源。
思考：空气是由什么组成的？它是由一种物质组成的？还是由多种物质组成的？如果空气是一种混合物，那么空气中究竟有哪些物质呢？
猜想：根据已有知识，联系生活经验，收集证据：
①动物进行呼吸，空气中就有氧气和二氧化碳;
②植物进行光合作用，空气中就有氧气;
③饼干敞口放置会变潮，空气中就有水蒸气……
归纳：空气中可能含有氧气、二氧化碳、水蒸气等物质，猜想空气是一种混合物。
设计意图：采用头脑风暴的形式，调动学生联系所学知识及生活经验，对空气成分进行猜想，为后续一系列实验的探究和科学史的呈现作铺垫。
（二）梳理科学史、创设探究情境
[活动一]两支蜡烛（A、B）点燃后放在桌面上，将其中一支蜡烛罩上玻璃杯，观察并描述实验现象（图2）。（改编自梅猷的蜡烛燃烧实验）
提問：为什么会产生这一现象？
追问：此时玻璃杯中是否还有气体存在？如何设计实验证明猜想？
[活动二]根据学生的设计方案进行实验，观察并描述实验现象（图3）。
提问：当蜡烛熄灭后，玻璃杯内的水面为什么会上升？根据这一实验现象，你认为空气中有哪些成分？
归纳并得出结论：空气中有氧气，剩余成分不支持燃烧。
设计意图：对科学史“1674年梅猷的蜡烛燃烧实验”进行改编，创设任务型情境，通过实验设计，加深对蜡烛熄灭后玻璃杯内水面上升原因的理解，进而推导出空气中存在两种成分：一种支持燃烧，另一种不支持燃烧，对后续拉瓦锡曲颈甑实验的理解分解难度、奠定基础。
那么，剩余成分中究竟有哪些气体？
[科学史一]拉瓦锡的曲颈甑实验
法国化学家拉瓦锡对空气的成分进行了研究，请阅读课本P54“科学家探究空气成分的历程”（图4）。
思考：
①反应后待装置冷却时，拉瓦锡如何判断密闭容器内的气体体积减少？拉瓦锡将密闭容器内减少的气体命名为什么？气体为什么会减少？
②如何定量测得约1/57（提示：钟罩内增加的汞的体积等于消耗的氧气体积）
③密闭装置内的剩余气体有怎样的性质？拉瓦锡将其命名为什么？
设计意图：呈现“拉瓦锡的曲颈甑实验”这一科学史资料，在关键性问题引领下，在阅读课本的基础上，阐述实验现象并得出相应结论。认识到在梅猷的蜡烛燃烧实验之后，拉瓦锡对空气成分的探究有了定量的描述，即空气中氧气体积占1，5。
[活动三]沿用拉瓦锡的实验思路，我们能否利用刚才这一实验装置，测得空气中氧气体积分数？为了便于测量，事先对玻璃杯进行了刻度的标记，将玻璃杯倒扣在水中，加水至与最下方刻度线齐平，上方的四条刻度线就把此时杯内的空气均分成了五等分（图5）。点燃蜡烛，罩上玻璃杯，请你预测实验的现象。玻璃杯中的水面真的能上升到刻度1吗？
学生分组实验。
提问：你们有什么发现？为什么和我们猜想的不一样？（提示：蜡烛燃烧生成二氧化碳气体和水;氧化汞是固体） 追问：那么，我们对实验中药品的选择有什么要求呢？现有：木炭、硫磺、红磷，你会选择哪一种药品来进行实验？
设计意图：在理解拉瓦锡曲颈甑实验的基础之上，对梅猷的蜡烛燃烧实验装置进行改进，通过现象与猜想的冲突，引导学生对实验中药品的选择进行思考，为后续采用红磷作为实验材料作一铺垫，加深学生对空气成分测定原理的认识和理解。
[活动四]展示“红磷”，在原有装置的基础上改进，并进行演示实验（红磷燃烧产生的五氧化二磷有一定的毒性，故采用演示实验）。观察并描述红磷燃烧的现象及反应结束装置冷却后，玻璃管内的现象（图6）：
①红磷燃烧产生黄色火焰，生成大量白烟;
②玻璃管内水面上升至刻度1。
设计意图：利用改进后的实验装置测定空气中氧气的体积分数，使学生置身于科学家探究空气成分的研究历程中，体会科学家通过不断的质疑、改进、实验以贴近科学本质的执着追求。
[例题]小科同学采用这一装置，按如上步骤对空气成分进行了测定，测得的氧气体积分数却小于1/5，请试着帮助他分析原因：
①红磷量不足;
②装置气密性不好;
③塞橡胶塞时比较慢;
④未待冷却就读数;
⑤没有除去内容物的体积。
提问：根据以上实验现象并结合拉瓦锡的曲颈甑实验，对于空气的成分，你能得出哪些结论？
归纳并得出结论：空气是一种混合物，氧气约占1/5，氮气约占4/5。
设计意图：由于“空气成分测定”实验是以演示实验的形式开展，难以现场收集实际实验中由于各项不正确操作对实验结果造成的影响。因此以习题的形式呈现对这一问题的分析。
[活动五]请从提供的实验器材（图7）中进行选择，小组合作，组合搭建装置来测定空气中氧气的体积分数，并阐述原理和现象。
提供：
小组合作，组合搭建装置来测定空气中氧气的体积分数。
原理：红磷燃烧消耗集气瓶内氧气，瓶内气压减小，打开弹簧夹，大气压把水压入集气瓶内。进入集气瓶水的体积为集气瓶容积的1/5。
原理：红磷燃烧消耗试管和注射器内氧气，装置内气压减小，大气压向左推动活塞。推进体积为原装置内空气体积的1/5。
设计意图：设置开放式的实验设计任务，设疑探索，通过对不同装置的组合，以达到对空气成分的测定。在应用中，进一步加深学生对空气成分测定原理的认识和理解，使学生在活动中获得较为深刻的体验。
[科学史二]英国物理学家雷利于1892年发现从含氮化合物中制得的氮气每升重1.2505g，而从空气中分离出来的氮气在相同情况下每升重1.2572g，虽然两者之差只有几毫克，但已超出了实验误差范围。为什么每升氮气的质量存在差异呢？对此，你有怎样的猜想？
猜测：在分析数据的基础上，猜测从空气中分离出来的氮气中还含有其他气体，使得该气体每升质量大于氮气。
设计意图：给出英国物理学家雷利于1892年的一组实验数据，引导学生对数据的差异提出猜想，为稀有气体的发现埋下伏笔。
[科学史三]稀有气体的发现
拉瓦锡之后相当长的时间内，科学家认为空气中不会再含有其他成分了。直到1894年，英国化学家拉姆赛和物理学家瑞利合作，从空气中分离的氮气中发现了氩气。随后，拉姆赛又陆续发现了氦、氪、氙、氖和氡等，统称为稀有气体。
随着科学技术的发展，科学家利用先进的仪器（如传感器等）精确地测得了空气中氧气的体积分数约为21%（图8），氮气体积分数约为78%，这剩下1%的气体则包括稀有气体0.94%、二氧化碳0.03%、其他气体和杂质约0.03%。
设计意图：呈现“稀有气体发现”这一科学史资料，使学生了解空气中这剩下的1%成分里有0.94%稀有氣体，0.03%二氧化碳，0.03%水蒸气和其他杂质。经历科学史的品读、科学探究的参与，进而形成完整的对空气成分的量化认识。
（三）绘制心智图、构建知识网络
引导学生进行课堂小结，以思维导图的形式梳理科学家探究空气成分的历程，将这些片段化的知识点构建成自己的知识网络，并展评交流。
设计意图：引导学生采用自己的逻辑构建成知识网络，进行一种学习方法的指导。
三、教学设计反思
科学史可以使学生了解科学知识的不确定性、可变性;科学史可使学生认识科学家之间会发生意识形态的争论;科学史能展现科学方法的改变历程。“境脉”视域下基于HIS教学模式的化学课堂教学设计，以“科学史”为脉，以“活动链”为境，采用材料阅读、实验设计等形式将科学史融人科学探究活动，从科学方法、科学态度以及科学精神等多方面给学生以启迪，有利于培养学生的探究意识和能力，加深学生对科学本质的理解，从而提高学生的科学素养。