基于核心素养的HPS教学设计

郭豫梅 刘存芳 史娟 任传清 卢久富 靳玲侠

摘要：以“胶体”为例，在课程教学中引入胶体发展史，开启学生对胶体的探索之旅。HPS教学模式与核心素养的融合使得学生在认识化学的形成和发展过程中，感受化学的奇妙，体会学习化学知识的快乐所在，从而提高学生的核心素养。

关键词：胶体 HPS教学 化学史 核心素养

文章编号：1008-0546（2021）12-0033-07中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.12.009

*本文系陕西省教育科学“十三五”规划课题（SGH17H143）及陕西理工大学研究生教育教学改革研究项目（SLGYJG2018）研究成果。

HPS教学模式是将科学史（history）、科学哲学（philosophy）和科学社会学（sociology of science）三者进行融合的一种新型教学模式[1]，HPS教学中所表达的内容是追问科学本质的侧面，将其引入教学中可以帮助学生理解科学的本质内涵。目前，国内外大多专家学者认为，理科课程的学习离不开HPS教学，融入HPS教学模式，学生可以了解到科学家研究科学知识的过程中所发生的故事、对社会所带来的影响等，以此来吸引学生对科学知识的兴趣、了解科学本质并掌握学习方法；且能培养学生的科学态度、质疑能力和创新精神[2]。HPS教学模式提倡学生走进知识的发现和发展过程中去学习知识，通过这样的教学模式，学生在感知知识的过程中更易激发学习兴趣，对科学世界充满好奇，也更易理解和掌握知识，并且能够让学生多角度地了解、认识科学本质及其规律。研究发现，HPS强调的诸多教育价值内容在新课标倡导的化学学科五大核心素养中均有不同程度的体现[3]。因而，本课题研究将HPS教学模式融入课堂教学中，通过“胶体”教学课题为例，以化学学科核心素养为基础进行教学设计。

一、设计理念

核心素养是指“学生应具备的适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，突出强调个人修养、社会关爱、家国情怀，更加注重自主发展、合作参与、创新实践”[4]。“学生核心素养的发展”是继教学大纲所涉及的“三维目标”后又一个新的课程理念[5]，是在落实立德树人教育根本任务中产生的[6]。在教学过程中教师通过一系列的教学方法，引导学生学习新知识并提高学生的核心素養。

HPS模型在化学教学过程中强调化学史料的重要性，侧重于从历史的角度分析化学史发展[7]。它将科学、社会发展和人文历史联系在一起，学生习得科学知识的同时，还能从中学习到科学家们在发现、认识、了解知识时的思想和方法。这与我们现今所提倡的化学学科核心素养有着紧密联系。所以，培养中学生学科核心素养的重要途径之一是在化学教学中运用HPS教学模式。通过让学生置身于化学发现史的情境中，跟随科学家一起经历知识的动态生成过程，体验运用理论和实验探索真理的乐趣，以此来培养学生的批判意识和社会责任感，实现对科学本质的理解，提升学生的科学素养。

二、教材分析

“胶体”选自人教版《化学1（必修）》第二章第一节“物质的分类”中的第二部分内容，认识胶体的本质，建立分散系概念及初步建立分散系的知识结构。通过化学发展史、科学精神等贯穿于一系列教学过程中，以科学探究的形式引导学生对比溶液、浊液与胶体的区别[8]，进而培养学生的实验设计能力及分析能力。

三、教学过程

HPS教学模式的关键点是化学史的导入，“将化学史呈现得精彩、有趣”是学生主动沿着这条教学主线学习的驱动力[9]。以美丽的自然景色——耶稣光为教学情境导入课堂教学，提出问题，这样的美景是如何产生的，引起学生的好奇心，激发学生的学习兴趣，集中学生的注意力。接着，直奔主题，引入“胶体”这一名字的由来，开启胶体的探究之旅。通过格雷阿姆将豆浆等大多无定型胶状物质命名为胶体，引出生活中常见的饮品——豆浆，将其引入教学。此后，将科学家对胶体的发现、认识、探究过程作为主线，利用这些科学史料为学生创设学习情境，让学生在了解胶体的发现历史过程中，认识胶体，了解胶体性质及用途，并学会区分胶体、溶液和浊液。从化学史料中寻找问题，引发学生思考，学生进行假设、实验探究等方法达到答疑解惑的目的。在这一系列的活动中，学生从中习得化学史中所要告诉我们的知识及科学本质。从生活现象到科学实质，从胶体发现发展史到胶体化学的应用前景，学生从中感受化学知识的魅力，加深学生对知识的认识和理解，从而拓展学生的学习面，找寻适当的学习方法，提升学生分析、解决问题的能力，最终提高学生的核心素养。教学流程如图1所示。

四、教学目标

1.知识与技能

了解胶体的重要性质和用途，并能解释生活中的实际问题；

用丁达尔效应鉴别溶液、胶体和浊液。

2.过程与方法

掌握制备胶体的实验技能；

联系生活实际，能够运用观察、动手操作、查阅资料等方法获取有用信息来解决问题。

3.情感态度与价值观

能够利用知识框架归纳所学知识，在问题情境中讨论问题并得出结论，养成探究、自主、合作的学习方式；

通过胶体的学习，学生感悟到知识与社会、科技发展的密切联系，产生学习化学的浓厚兴趣，增加对化学学科的认同感。据此，“胶体”教学目标定位如图2所示。

五、教学内容

1.课堂导入

【创设情境，导入新课】图片展示：一条条光线烘托着壮丽的美景，营造出宁静而又祥和的氛围。这种给大自然带来神圣而又充满静谧感的光线，久而久之被人们称之为“耶稣光”，如图3（a）（b）（c）所示。

【教师】美丽的“耶稣光”盛景，这种现象是如何产生的？同学们，让我们带着这个问题进入本节课的学习，通过本节课的学习一起找寻答案。

【教师】同学们，你们今天早餐喝了什么呢？

【学生】牛奶、粥、豆浆……（学生七嘴八舌地谈论）

【教师】早餐饮品种类多样，那同学们你们知道如何用化学方法将这些饮品进行分类吗？

【学生】（思考）

设计意图：用壮丽的景色，给予学生视觉上的刺激，将学生的注意力带入课堂，之后抛出问题“这样的美景是如何形成的”，学生带着问题进入本节课，激发学生的求知欲。接着，话音一转，回到日常生活中最常接触到的事物中，怎样用化学方法将它们进行分类？联系生活，拉近学生与知识间的距离感，消除学生对新事物的排斥，引起学生的学习兴趣。同时，在新课导入前抛出两个问题，学生带着问题学习新知，促进思维的发展。

2.引入新知——什么是胶体

【化学史1】1663年，科学家卡修斯在一次偶然间制得一种胶状物质，但这并没有引起他思考，而只是将它视为一种普通溶液，称它为金胶溶液；直到1861年，科学家格雷阿姆将豆浆蒸发后得到了一种胶状物质。他就产生了疑惑，豆浆蒸发是胶状的，其他溶液也是相同状况吗？之后，他进行了大量实验探究，在研究中发现，类似于生理盐水的溶液蒸发易形成晶体析出，而豆漿等蒸发时，大多形成无定型胶状物质。因此，格雷阿姆将这类在蒸发过程中形成无定型胶状的物质命名为“胶体”，一直沿用至今[10]。

【提问】豆浆是胶体，那胶体到底是什么？与溶液、浊液相比，又有哪些样独有的特点呢？

【创设情境】多媒体呈现生活中常见胶体（如鸡蛋清、豆浆、牛奶等）。

【导入课题】这些物质有着相同的名字：胶体。从物质分类的角度看，物质能归为一类，一定存在某种相似性，是什么特征使它们同属于胶体呢[11]？

设计意图：科学家卡修斯与格雷阿姆对待偶然发现的胶状物质持有的两种态度形成鲜明对比，告诉学生对待科学要有一双发现问题的眼睛，通过自身不断的探索和实验，去验证自己的猜想，可能会有意想不到的体会和收获。接着用科学家格雷阿姆命名“胶体”这一化学事件直接引出“胶体”这一新的化学概念，学生对于知识点处于陌生、茫然的状态，而豆浆、牛奶等熟悉的事物均是胶体，减弱学生对知识的陌生感，可以激发学生主动探索、挖掘新知的欲望，主动探究胶体的结构及特征。

3.探索之路——溶液、胶体和浊液的鉴别

【实物展示】分别用三个小烧杯盛装豆浆、生理盐水和泥水，展示给学生，仔细观察胶体、溶液及浊液的不同之处。

【学生回答】浊液可以观察到肉眼可见的固体小颗粒，且不均一、不透明、不稳定，固体颗粒受重力的影响极易沉降下来；胶体、溶液外观相似，无法区别。

【教师】那么如何区分溶液、胶体？

【化学史2】意大利毒理学家塞尔米对“真假溶液”研究的史料。

1845～1850年，意大利毒理学家塞尔米在实验中曾经制得了一些“溶液”，然而他发现这些“溶液”与以往所制得的溶液有些不大一样，在他不断研究探索后发现，这些“溶液”的分散质点比普通的溶液质点要大得多，所以，塞米尔将这些奇怪的“溶液”称为“假溶液”，这些“假溶液”就是胶体。那么通过什么方法鉴别胶体和溶液呢？

【学生】“假溶液”的分散质点比溶液的分散质点大。

【教师】那么溶液可以透过滤纸，胶体可以吗？

【学生实验】豆浆、生理盐水、泥水的过滤。

【实验结果】豆浆、生理盐水均能透过滤纸，泥水不可以透过滤纸。

【教师】通过实验发现，除浊液不能透过滤纸外，溶液和胶体均能透过滤纸，那还能用什么方法鉴别胶体和溶液呢？

【化学史3】1861年，苏格兰科学家格雷阿姆（Gra？ ham）在研究不同物质的分子在水溶液中的扩散性质时，发现有的分子扩散速度很快，有的则扩散较慢，并且在进行分子能否透过半透膜实验时，证实了扩散速度较慢的分子的直径要大得多[12]。

【教师】通过阅读本则化学史，同学们从中得到了什么？

【学生】不同物质在水溶液中分子的扩散速度不同。

【教师】同学们能否利用半透膜自行设计实验，来区分胶体和溶液？

【实验设计】豆浆与生理盐水的混和溶液装入半透膜袋中，然后将半透膜袋浸泡在盛有蒸馏水的烧杯中进行渗析实验。检测氯离子、蛋白质能否透过半透膜，从而验证假设胶体粒子直径比溶液粒子大是否成立。

【演示实验】教师演示实验，学生观察现象。

【学生】分散质粒径：胶体大于溶液小于浊液。

【教师】半透膜能透过的粒子直径小于1 nm，溶液的粒子直径一般小于1 nm，胶体的粒子直径一般在1～100 nm之间。

【过渡】我们已经了解到区别溶液、胶体和浊液可以通过其是否能透过滤纸、半透膜来区分，但是方法过于繁杂；有没有更加简单便捷的方法可以区分它们呢？

【化学史4】1869年，丁达尔在一次偶然间，将一束汇聚的光通过溶胶，则从侧面可以看到一个发光的圆锥体；接着，他用同样的方法照射溶液和浊液，则没有此现象。

【教师】通过这则史料同学们想到了什么方法？

【学生】我们可以通过光束照射来鉴别分散系。

【丁达尔效应】当一束光线透过胶体，从垂直入射光方向可以观察到胶体中出现的一条光亮的“通路”，这种现象叫丁达尔现象，也叫丁达尔效应[13]。

【教师】光束照射下是否会出现光亮通路，我们一起来验证一下。豆浆在汇聚的光束照射下，会出现光亮的通路吗？

【趣味实验】生理盐水、稀释的豆浆以及泥水分别用小手电筒照射。

【实验现象】（学生总结）生理盐水和泥水没有出现光亮通路，豆浆出现光亮通路。

【PPT图片展示】稀释的豆浆在光束照射下产生光亮通路的图片，如图4所示。

【总结】区分溶液、胶体和浊液的简便方法：用汇聚的光束照射，出现光亮通路的是胶体，可以观察到固体小颗粒的是浊液，无明显现象的是溶液。

【知识拓展】在一玻璃瓶中放一点燃的小纸条后密闭，待瓶中充满白烟，用激光笔照射；玻璃瓶中收集大量加湿器口产生的雾气，用激光笔照射。这些均能出现光亮通路，由此说明烟、雾均为胶体。

设计意图：教师通过3段以时间线为线索的化学史，一步步帮助学生找寻鉴别胶体、溶液及浊液的方法。学生通过体验科学家对胶体的一步步探索之旅，实际动手体验科学家鉴别溶液、胶体及浊液的方法，由繁到简，体会到科学的世界需要有足够的耐心和毅力，不放过每一个小细节。同时通过自己动手操作，将自身融入到胶体的探索之旅，学生在不经意间吸收知识，提升自身的核心素养。

4.胶体的制备

【教师】在前面的交流学习中，我们已经对胶体有了初步的了解，知道了如何区分溶液、胶体及浊液。接下来，同学们就通过自己制作胶体来更加深入地认识胶体。

【课本实验（学生动手实验）】Fe（OH）3胶体的制备实验。

将一个盛有25mL蒸馏水的小燒杯加热至沸腾，向沸水中逐滴滴入5～6滴FeCl3饱和溶液，煮沸至溶液呈红褐色，停止加热。烧杯放置室温后，取一支试管，倾倒少量产物，并向其中加入硫酸镁溶液。观察实验现象得出结论。

【学生】用手电筒照射有光亮的通路，所以制得的是Fe（OH）3胶体。它是均一、透明的。向Fe（OH）3胶体中加入硫酸镁溶液，Fe（OH）3胶体变浑浊，成为Fe（OH）3悬浊液。

【教师】FeCl3溶液加热煮沸制得Fe（OH）3胶体，Fe（OH）3胶体在电解质的影响下形成Fe（OH）3浊液，同学们从中了解到了什么？

【学生】胶体、溶液和浊液在一定的条件下可以相互转化。

【教师提问】制得的Fe（OH）3胶体是均一、透明的，那胶体都是透明的吗？

【学生回答】不是，豆浆是胶体但不是透明的。

【教师提问】同学们通过实验能否得出制备Fe（OH）3胶体的反应原理（书写化学反应方程式）

【教师】同学们在初中阶段已经接触过溶液、浊液。它们都有什么特点？

【学生】溶液是均一、透明且稳定的；浊液是不均一、不透明且不稳定的。

【教师】那么我们今天所学的胶体呢？透明吗？稳定吗？

【学生回答】胶体是均一的，但不都是透明的；且胶体在一定条件下能稳定存在。

【教师总结】胶体处于介稳态。

【教师】帮助学生梳理所学知识点，形成知识框架；学生独立完成表格。

【完成表格】如表1所示。

设计意图：学生初步理解了胶体的相关知识，在此基础上通过动手实验制备胶体，更加深入了解胶体。不仅能够培养学生的实验技能且让学生积极参与到课堂教学中，充分体现学生的主体性。学生在实验的过程中，对胶体进行再认识，使得“胶体”不单单是书本中的一个名词，也可以通过自己动手制备，让胶体变成自己所熟悉的，提高学生的认同感。

【化学史5】林纳和皮克通过实验证明胶体微粒带电，且同种胶体粒子带有相同电荷。

布朗运动史料：1827年，布朗（R.Brown）在水中洒入花粉，用显微镜观察时发现花粉的小颗粒在作不停地、无规则地运动，这种现象叫做布朗运动[14]。

【教师提问】通过这两则化学史料，同学们相互讨论并总结出胶体为什么处于介稳状态？

【学生】胶粒带同种电荷，使得它们之间相互排斥，不易聚集起来形成较大的颗粒沉降下来；同时，胶粒不停地、无规则地运动也使其不易聚集成质量较大的颗粒。

【教师】胶体除了是均一、透明且处于介稳态，还有什么特点呢？

5.胶体的特性

【过渡】同学们知道制作豆腐用的原料是什么？

【学生回答】黄豆。

【教师】豆腐是怎样做出来的呢？

【豆腐工艺流程图】如图5所示。

【教师】黄豆打磨成豆浆，进行点兑才能成为豆腐花。是制作豆腐的重要步骤，也是我们俗称的“卤水点豆腐”。

【教师】豆腐是卤水点兑豆浆制得的，卤水的主要成分是氯化镁。通过实验，让我们一起在实验室里体验豆腐的制作过程。

【趣味实验】“卤水点豆腐”的模拟实验——将饱和的氯化镁溶液滴入豆浆中。

【教师】同学们在实验过程中注意观察实验现象。

【学生】豆浆聚集成豆腐花。

【教师】“卤水点豆腐”的原理是什么？

【学生】学生思考。

【聚沉的定义】胶体粒子均带电荷，向胶体中加入电解质溶液时，加入的阳离子（或阴离子）中和了胶体粒子所带的电荷，使胶体粒子聚集成较大颗粒，从而形成沉淀从分散剂里析出。起聚沉作用的是与胶体粒子所带相反电荷的异号离子[15]。

【学生】豆浆是胶体，氯化镁溶液是电解质。向豆浆中加入氯化镁溶液发生聚沉，形成较大的颗粒——豆腐花。

【原理】豆浆是胶体，它的蛋白质胶粒在分散剂（水）中不断运动，无法聚集在一起。由于蛋白质胶粒带负电，分子间因同种电荷排斥而均匀分布在分散剂中，呈相对稳定状态。卤水实质是氯化镁，将其加入到豆浆中，提供带正电荷的镁离子从而中和了蛋白质胶粒所带的负电荷，分子间失去了静电排斥，使得胶粒聚集沉降。这就是胶体的聚沉。

【动画模拟】播放胶体聚沉形成过程的动画模拟，如图6所示。

【提问】除在分散系中加入电解质外，还有哪些方法可使胶体聚沉？

【总结】加入电解质；加热、搅拌；加入带相反电性的胶体粒子[16]。

【联系生活】同学们已经了解了卤水点豆腐所涉及到的原理是胶体的聚沉，那大家还知道哪些场景中涉及到了胶体的聚沉吗？

【图片展示】医学上，用三氯化铁溶液进行应急止血；生活中，肉冻、果冻的制作以及明矾净水；自然现象，三角洲成因。

设计意图：通过生活中常见食物——豆腐，引入豆腐的制作原理“卤水点豆腐”。学生通过动手实验，亲自感受豆腐的制作过程，观察胶体的“聚沉”是什么，体会胶体的聚沉。通过动手实验，学生观察现象，总结思考。避免了传统教学中灌输式的教学方式，避免学生对概念的理解模糊。并且培养学生的实验操作技能及独立思考能力。

【化学史6】1807年，科学家们对胶体还没有一个明确的认知时，列依斯用两根玻璃管插到湿润的黏土中发现了电泳现象。

【教师】电泳现象是什么呢？

【视频播放】如图7所示，Fe（OH）3胶体的电泳，教师讲解电泳的定义。

6.胶体的应用

【过渡】胶体化学在目前的科学研究中已成为一项热门课题，胶体因其1～100 nm的粒子直径及其独有的性质，使得它在生产生活中有着广泛的应用。

【胶体应用】制备凝胶态物质，比如豆腐、肉冻、果冻；静电除尘装置；污水净化；制备纳米材料等。

【教师】本节课知识已经学完，同学们能解释美丽的耶稣光是怎么产生的吗？

【学生】这是丁达尔效应，空气中的大量雾气和灰尘均为胶体，在太阳光的照射下，就可以看到许多线条。

设计意图：性质决定用途，本节课学习了胶体的结构及性质。胶体能给日常生活带来什么？化学学习的意义何在？从知识的学习转移到知识带给生活的便利，科学为社会进步所做的贡献。由此培养学生的社会责任感。最后首尾呼应，新课刚开始用耶稣光的情景引入教学，学生在知识学完思考回答问题，巩固新知。

【作业布置】除了本节课所了解到的胶体在日常生活中的应用，查阅资料，例举出胶体还有什么应用途径？中国的豆腐所用的原材料是豆类，那同学们知道日本豆腐所用的原材料是什么吗？它的制作工艺与我国豆腐的制作是否相同呢？

胶体的发现、命名、性质的探索以及将其应用到生产生活中，这都离不开许多科学家所做的贡献，通过今天的学习，你有什么启示？

六、结语

本教学创设了化学史情境，让学生从史料中探索、认识科学家们对于胶体的研究及应用从而学习胶体、了解胶体的特征及在生产生活中的应用，并且从中感悟到科学与社会的紧密联系以及认识到科技进步促进社会发展的重要作用。化学学科五大素养通过此次HPS教学模式的应用也有较好的成果。胶体的介稳态、聚沉和电泳等特性及胶体在纳米技术、静电除尘及净水等应用与胶粒直径在1～100 nm之间及同种胶粒带相同电荷体现了宏观辨识与微观探析；通过某种手段可以使胶体在溶液、浊液之间转换渗透着变化观念与平衡思想；通过模拟豆腐制作过程与播放动画模拟展示聚沉现象的实质表达的是证据推理与模型认知；化学史的引入将从对胶体知识的萌芽期到如今应用在生产生活中的一系列研究过程，学生不仅感受到科学家的优良品质，同时在此过程中跟随科学家的步伐，进行实验探究，深入挖掘胶体发展史背后所蕴含的科学哲学和社会学内容，帮助学生树立尊重科学、尊重自然的优秀品质[17]，从而提高學生的核心素养。

参考文献

[1]王硕，靳莹.基于科学本质的HPS教学实践——初中化学绪言教学设计[J].化学教育，2015，36（1）：39-42

[2]朱清勇.基于HPS教育理念的教学实践与反思——以“化学给我们带来什么”为例[J].教育研究与评论（中学教育教学），2016（4）：75-79

[3]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018

[4]张四方，武迪迪.基于核心素养的HPS教学实践——以“甲烷”为例[J].化学教育（中英文），2019，40（13）：33-36

[5]吴星.从三维目标走向核心素养[J].化学教学，2017（1）：3-7

[6]刘妍，王秀红，张冬华.基于化学学科核心素养的“铁盐和亚铁盐”教学设计[J].化学教育（中英文），2019，40（7）：33-37

[7]皇甫倩，王后雄.HPS教学模型及其在中学化学教学中的运用[J].教育理论与实践，2015，35（2）：58-59

[8]王长龙，周学良.素养为本的“分散系及其分类”教学设计[J].中学化学教学参考，2019（7）：20-22

[9]庄乾敏，刘冰，张雪.基于化学史发展学生学科核心素养的教学——以“胶体”为例[J].化学教育（中英文），2019，40（13）：28-32

[10]赵匡华.化学通史[M].北京：高等教育出版社，1990：415-417

[11]王晶，罗吉祥.HPS教学模式与情境教学的整合——以“氯气”为例[J].中学化学教学参考，2016（9）：35-37

[12]裴燕.“胶体的性质”教学设计[J].化学教学，2010（7）：56-58

[13]于立霞.基于模板原位聚合方法的脂质体包覆温敏纳米凝胶的制备及性能研究[D].天津：天津大学，2018：35-36

[14]陈静.人教版高中化学（必修）概念体系逻辑关系研究[D].哈尔滨：哈尔滨师范大学，2015：22-24

[15]陈宗淇，杨孔章.胶体化学发展简史[J].化学通报，1988（6）：56-59

[16]师殿峰.“化学物质及其变化”知识解读[J].数理化学习（高中版），2012（9）：29-32

[17]叶建伟，洪兹田.基于“HPS”和“问题解决”教学思想培育学科核心素养的实践研究——以高中化学“化学电源”教学为例[J].中小学教学研究，2019（6）：51-54