基于HPS的高中生物教學(xué)設(shè)計研究

王嬌龍　張迎春

1 問題的提出

我國高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)明確指出：提高每個高中學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)是課程實施的核心任務(wù)?？茖W(xué)素養(yǎng)應(yīng)包括科學(xué)知識、科學(xué)過程與方法、對科學(xué)本質(zhì)的理解、科學(xué)態(tài)度情感與價值觀、科學(xué)思想與科學(xué)思維方法的形成、科學(xué)技術(shù)與社會的關(guān)系等方面。HPS教育范式（History、Philosophy & Sociology of science）正是著眼于提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、科學(xué)本質(zhì)觀而形成，與我國科學(xué)教育核心目標(biāo)——提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)相輔相成?？v觀HPS發(fā)展歷程，歐美等發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)80年代后相繼推行HPS教育范式，而我國HPS教育研究始于21世紀(jì)初。與國際HPS教育研究相比，我國HPS教育研究起步晚，研究文獻(xiàn)數(shù)量少，與國際科學(xué)教育存在一定差距，將HPS教育范式引入我國科學(xué)教育迫在眉睫。

此外，在基礎(chǔ)教育實踐中，教學(xué)設(shè)計往往表現(xiàn)為有思考、缺創(chuàng)造性，有內(nèi)容、缺規(guī)范性?；谝陨蟽牲c，本研究采用文獻(xiàn)研究、案例分析等方法圍繞“如何基于HPS進(jìn)行高中生物教學(xué)設(shè)計研究”的問題展開論述。研究的目的與價值在于通過對教學(xué)設(shè)計與HPS教育范式相關(guān)理論的梳理，分析出HPS教學(xué)設(shè)計的特點與操作步驟，并且通過實際案例分析為我國科學(xué)教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計提供新思路，推動我國基于HPS的基礎(chǔ)科學(xué)教育（特別是生物）的發(fā)展，達(dá)到提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、使得學(xué)生全面發(fā)展的目的。

2 HPS教育范式的歷史回顧與研究現(xiàn)狀

HPS原是科學(xué)史（History of science）和科學(xué)哲學(xué)（Philosophy of science）的英文縮寫，隨后科學(xué)教育研究者把科學(xué)社會學(xué)也納入其中，于是HPS就成為科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)與科學(xué)社會學(xué)（History、Philosophy & Sociology of science）的簡稱。科學(xué)教育以反映科學(xué)文化、理解科學(xué)本質(zhì)為目的，強(qiáng)調(diào)了科學(xué)傳播與普及的社會目的。HPS正是在科學(xué)教育不斷發(fā)展中產(chǎn)生，以建構(gòu)主義、終身學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、有意義學(xué)習(xí)等作為該教育范式理論基礎(chǔ)，將科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)與科學(xué)社會學(xué)三者有機(jī)融合，旨在提升科學(xué)教育的教學(xué)質(zhì)量、提高公眾科學(xué)素養(yǎng)。

在HPS教育萌芽階段，科學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)內(nèi)容零星由一些學(xué)者提出，并加入到科學(xué)教育中，目的在于加強(qiáng)科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)精神的教育。隨著科學(xué)教育的不斷發(fā)展，HPS教育不斷受到教育界重視，1987年專門從事國際科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)與科學(xué)教育研究團(tuán)體IHPST（International History， Philosophy， and Science Teaching Group）成立，并于1989年在美國弗羅里達(dá)州立大學(xué)，召開第一次HPS與科學(xué)教育國際學(xué)術(shù)會議。至今，IHPST已成功召開十二屆國際學(xué)術(shù)會議與一屆亞洲IHPST區(qū)域會議。HPS教育在德國、意大利、芬蘭、韓國等多個國家開展教育實踐，總結(jié)出關(guān)于HPS教學(xué)的策略、方法、經(jīng)驗等，旨在幫助學(xué)生不僅知道、了解科學(xué)知識，更重要是通過自己主動的思考、參與、反思而認(rèn)識科學(xué)、理解科學(xué)。

國內(nèi)學(xué)者關(guān)于HPS的研究，始于2000年劉華杰的“科學(xué)元勘中SSK學(xué)派的歷史與方法論述評”。隨后，丁邦平與袁維新從教育的視角解讀HPS教育范式，關(guān)注HPS教育與我國課程改革；張晶則從哲學(xué)視角審視HPS教育范式，更多關(guān)注科學(xué)哲學(xué)對科學(xué)教育的影響。而將HPS教育融入教學(xué)實踐的案例研究僅有1篇。因此，將HPS教育應(yīng)用與生物教學(xué)實踐的研究十分薄弱，與我們教育大國的科學(xué)教育地位極不相稱。

3 HPS教學(xué)的實踐

HPS教學(xué)設(shè)計課堂內(nèi)容呈現(xiàn)模式是具體的教學(xué)案例呈現(xiàn)方式。英國科學(xué)教育學(xué)者孟克和奧斯本借鑒建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)理論，將社會學(xué)的內(nèi)容與科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)一并融入科學(xué)教學(xué)，提出經(jīng)典的HPS教學(xué)六步（表1），在世界范圍內(nèi)有很大影響力。該教學(xué)過程設(shè)計成為HPS教學(xué)設(shè)計的很好的范例。在具體操作過程中可以借鑒并參考這種教學(xué)程序，也可以根據(jù)自己的教學(xué)實際需要進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新。

由意大利巴里大學(xué)Liborio Dibattista、Francesca Morges牽頭的研究團(tuán)隊也開發(fā)出一套HPS課堂呈現(xiàn)模式，并應(yīng)用于2009～2010學(xué)期在意大利普利亞區(qū)進(jìn)行的“科學(xué)史走進(jìn)學(xué)?！庇媱潱浣虒W(xué)設(shè)計課堂內(nèi)容呈現(xiàn)模式包括：（1） 提出問題；（2） 展示科學(xué)史；（3） 明確認(rèn)知目標(biāo)；（4） 實驗活動；（5） 學(xué)生元認(rèn)知反思；（6） 評價（包括口頭評價、初始階段討論與報告評價、活動評價、多媒體成果匯報評價等）。

顏石珍在《當(dāng)代教育科學(xué)中》發(fā)表的“科學(xué)過程視野下HPS融入初中科學(xué)教學(xué)的案例研究”，以初中生物“光合作用”一節(jié)為案例，采用演示現(xiàn)象，引出觀念，學(xué)習(xí)歷史，設(shè)計實驗、呈現(xiàn)科學(xué)觀念并實踐檢驗、評價等環(huán)節(jié)進(jìn)行關(guān)于HPS的教學(xué)實踐，圍繞“科學(xué)究竟是什么”“科學(xué)知識是怎樣產(chǎn)生的”“科學(xué)在社會發(fā)展和進(jìn)步中的作用是什么”“科學(xué)和科學(xué)方法的局限性”等問題展開，將科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會學(xué)融入初中生物課堂，凸顯了科學(xué)本質(zhì)觀及建構(gòu)知識的過程。

4 將HPS教育范式應(yīng)用于高中生物的教學(xué)設(shè)計創(chuàng)新

HPS教育自產(chǎn)生之日起至今已有27年，國際科學(xué)教育界無論在理論研究方面，還是教育實踐方面，均有一定研究成果，也呈現(xiàn)出HPS教育強(qiáng)調(diào)科學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心的探究活動、強(qiáng)調(diào)創(chuàng)造性寫作、復(fù)刻模型以及多元評價的特點。然而，國際HPS教育研究成果與我國基礎(chǔ)教育實際國情之間存在課程設(shè)置、評價方式等差異，我國HPS教育需要在借鑒國際已有經(jīng)驗基礎(chǔ)上，依據(jù)具體國情作出調(diào)整與改進(jìn)，以更好適應(yīng)我國基礎(chǔ)教育課程改革。

以“生物膜的流動鑲嵌模型”HPS教學(xué)設(shè)計為例，HPS教育應(yīng)用于生物教學(xué)設(shè)計應(yīng)呈現(xiàn)如下特征。

（1） 細(xì)化課標(biāo)要求。

在分析課程標(biāo)準(zhǔn)時，對課標(biāo)具體內(nèi)容“簡述細(xì)胞膜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能”理解，具體細(xì)化表現(xiàn)以下幾點：① 內(nèi)容包括細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能兩方面，其中細(xì)胞膜的功能在第三章第一節(jié)“細(xì)胞膜——系統(tǒng)的邊界”中已有涉及，所以本節(jié)課的重點是細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)；② 在理解細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，要再次結(jié)合第三章第一節(jié)的內(nèi)容加深對細(xì)胞膜功能的理解；③ 雖然課標(biāo)要求是知識水平中的了解層次——“簡述”，但在實際教學(xué)中，教師不能簡單拘泥于“簡述”要求，因為課標(biāo)只是高中學(xué)生對生物科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)的統(tǒng)一基本要求，教師要盡量使學(xué)生理解在細(xì)胞膜發(fā)現(xiàn)過程中的科學(xué)方法（主要是經(jīng)驗方法中的觀察法、實驗法，理性方法中的推理分析法）、科學(xué)思想（結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一、多樣性與共同性相統(tǒng)一等），在能力、情感、態(tài)度與價值觀目標(biāo)中均有收獲，使學(xué)生形成正確的科學(xué)本質(zhì)觀，達(dá)到循序漸進(jìn)提高科學(xué)素養(yǎng)的目的。

（2） “教學(xué)目標(biāo)”設(shè)計明確具體。

在課標(biāo)細(xì)化的基礎(chǔ)上，教學(xué)目標(biāo)的三個維度必須與具體教學(xué)內(nèi)容密切聯(lián)系。“生物膜的流動鑲嵌模型”教學(xué)目標(biāo)設(shè)計如下。

知識目標(biāo)：

（1） 簡述生物膜的結(jié)構(gòu)；

（2） 舉例說明生物膜具有流動性特點。

能力目標(biāo)：

（1）通過資料分析、思考討論，嘗試推理和解決問題的過程；

（2）學(xué)會制作生物膜流動鑲嵌模型。

情感、態(tài)度與價值觀目標(biāo)：

（1）認(rèn)同生物膜結(jié)構(gòu)的探究歷程是在不斷觀察、實驗、探索中前進(jìn)的；

（2）認(rèn)同細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的辯證唯物主義自然觀；

（3）確立電子顯微鏡、X射線衍射分析技術(shù)在促進(jìn)生物膜結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)中的作用。

5 “教學(xué)過程”設(shè)計體現(xiàn)HPS

HPS教學(xué)過程的基本主線是科學(xué)史學(xué)習(xí)，在此基礎(chǔ)上滲透科學(xué)方法、科學(xué)思想、科學(xué)本質(zhì)的理解。通過對細(xì)胞膜成分發(fā)現(xiàn)歷史、細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)歷史的學(xué)習(xí)與分析，教師以問題串的形式，引導(dǎo)學(xué)生主動思考生物膜具體組成成分及排列方式，使學(xué)生最終在對細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)理解的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對細(xì)胞膜功能的理解。該教學(xué)過程始終貫穿了科學(xué)方法、生物科學(xué)思想、科學(xué)精神與科學(xué)態(tài)度的滲透。

例如：羅伯特森電鏡下觀看到細(xì)胞膜暗-亮-暗結(jié)構(gòu)與熒光標(biāo)記小鼠細(xì)胞與人細(xì)胞融合的實驗學(xué)習(xí)，體現(xiàn)了科學(xué)經(jīng)驗方法中的實驗法與觀察法；而1925年E.Corter與F.Grendel從人紅細(xì)胞中提取脂質(zhì)，并在空氣-水界面上鋪展成單分子層，繼而推測細(xì)胞膜中，脂質(zhì)分子必然排列為連續(xù)兩層的歷史學(xué)習(xí)，則體現(xiàn)了科學(xué)理性方法中推理分析法；細(xì)胞膜磷脂雙分子層與蛋白質(zhì)鑲嵌模型的結(jié)構(gòu)，決定了細(xì)胞膜對物質(zhì)具有選擇透過性，膜外糖蛋白的存在，使細(xì)胞間信息交流成為可能，這體現(xiàn)了細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的科學(xué)思想；從歐文頓的實驗-假設(shè)到Danielli、Davson的蛋白質(zhì)-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)三明治模型假設(shè)，再到羅伯特森電鏡下實際觀察到的暗-亮-暗三明治模型，最后到1972年桑格與尼克森提出流動鑲嵌模型，細(xì)胞膜模型的建立呈現(xiàn)不斷建立——修正的過程，在此過程中科學(xué)技術(shù)特別是電子顯微鏡、X射線衍射分析技術(shù)的產(chǎn)生極大促進(jìn)了細(xì)胞膜流動鑲嵌模型的建立。

6 “評價設(shè)計”強(qiáng)調(diào)過程性

在基于HPS教學(xué)過程實施中，學(xué)生會進(jìn)行提出問題、作出假設(shè)、闡述觀點等行為，教師要針對這些行為進(jìn)行過程性評價，鼓勵學(xué)生的開放性思維，糾正學(xué)生的錯誤觀點。例如，對學(xué)生畫出磷脂分子在水中排列方式的評價、對細(xì)胞膜蛋白質(zhì)-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)三層靜態(tài)結(jié)構(gòu)理解的評價等。

“生物膜的流動鑲嵌模型”HPS教學(xué)設(shè)計的主線是細(xì)胞膜成分與結(jié)構(gòu)的探索歷程，在此歷程中科學(xué)家對細(xì)胞膜模型數(shù)次修訂，直至提出較為完善的流動鑲嵌模型。當(dāng)然，以科學(xué)史為主線的學(xué)習(xí)，并不是單純的學(xué)習(xí)科學(xué)史，目的不在于使學(xué)生機(jī)械習(xí)得何年何月發(fā)生何種科學(xué)事件。而是在科學(xué)史的學(xué)習(xí)中，教師特別注重科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會學(xué)的滲透，注重科學(xué)方法、科學(xué)思想的學(xué)習(xí)，注重情感、態(tài)度與價值觀的培養(yǎng)。在此學(xué)習(xí)過程中，因為學(xué)生對細(xì)胞膜流動鑲嵌模型的認(rèn)知，不是一步到位形成的，也不是由教師直接給與的，而是在科學(xué)史學(xué)習(xí)過程中，在體驗科學(xué)方法與科學(xué)思想過程中逐步形成，其中有學(xué)生的主動思考、提出問題、實驗驗證等環(huán)節(jié)，因而本教學(xué)設(shè)計也就使學(xué)生達(dá)到了建構(gòu)自身知識的目的。

簡言，“生物膜的流動鑲嵌模型”的HPS教學(xué)設(shè)計，展現(xiàn)了以科學(xué)史為主線，以科學(xué)知識、科學(xué)方法、科學(xué)思想為主要內(nèi)容，以問題引導(dǎo)為主要教學(xué)方式的基本特征。其創(chuàng)新點表現(xiàn)為基于HPS與有意義學(xué)習(xí)的生物教學(xué)設(shè)計，該教學(xué)設(shè)計的意義與價值體現(xiàn)為提高教學(xué)質(zhì)量，在學(xué)習(xí)基本科學(xué)知識基礎(chǔ)之上，發(fā)展學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，感受科學(xué)方法與科學(xué)精神，最終達(dá)到提高科學(xué)素養(yǎng)的目的。