基于HPS模式的教學(xué)設(shè)計

向炯 崔鴻

摘要以“基因在染色體上“為例，利用HPS教學(xué)模式，設(shè)計“呈現(xiàn)現(xiàn)象、啟發(fā)觀點、學(xué)習(xí)歷史、設(shè)計實驗、科學(xué)觀點、總結(jié)與評價”6個教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解。

關(guān)鍵詞 HPS 教學(xué)模式 科學(xué)本質(zhì) 基因在染色體上 教學(xué)設(shè)計

中圖分類號 G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出生物科學(xué)史的學(xué)習(xí)能夠使學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)和科學(xué)的思路和方法。因此，教師將HPS（Histo?ry，Philosophy，Sociology of Science）教育應(yīng)用到生物學(xué)教學(xué)實踐中，促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，加深學(xué)生對科學(xué)知識理解的深度和廣度。

1設(shè)計思想

科學(xué)的本質(zhì)是科學(xué)探究。人們通過這種探究過程，不斷認(rèn)識自然現(xiàn)象，形成科學(xué)的理論，促進(jìn)社會進(jìn)步，改善人類的生活。已有學(xué)者通過研究表明在教學(xué)中融入HPS教育能促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，培養(yǎng)人文氣質(zhì)、批判性精神和創(chuàng)新能力。

下面以“基因在染色體上”的教學(xué)為例，將英國科學(xué)教育學(xué)者孟克和奧斯本提出的HPS教學(xué)模式應(yīng)用于課堂教學(xué)實踐，設(shè)計“呈現(xiàn)現(xiàn)象（Presentation）、啟發(fā)觀點（Elicitation）、學(xué)習(xí)歷史（Historical Study）、設(shè)計實驗（Devising Test）、科學(xué)觀點（The Scientific View）、總結(jié)與評價（Review and Evaluation）”6個教學(xué)環(huán)節(jié)，為探索課堂教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解提供參考。該教學(xué)流程如圖1所示。

2教材分析

“基因在染色體上”是人教版高中生物學(xué)《必修2·遺傳與進(jìn)化》第二章第二節(jié)的內(nèi)容。學(xué)生在第一章已經(jīng)學(xué)習(xí)孟德爾遺傳定律，理解了遺傳因子（基因）在親子代間的傳遞規(guī)律。在第二章第一節(jié)“減數(shù)分裂和受精作用”的學(xué)習(xí)中，學(xué)生在細(xì)胞水平上了解了染色體的行為變化。本節(jié)內(nèi)容將遺傳因子（基因）在親子代之間的傳遞過程與減數(shù)分裂中染色體的行為變化相關(guān)聯(lián)，促進(jìn)學(xué)生理解孟德爾遺傳的實質(zhì)。薩頓通過觀察減數(shù)分裂過程中染色體行為，提出基因在染色體上的假說。摩爾根利用果蠅為實驗材料，利用“假說—演繹法”證明了“基因在染色體上”。這些內(nèi)容為第三節(jié)“伴性遺傳”中，將基因（如紅綠色盲基因、抗維生素佝僂病基因等）定位于特定的性染色體，以及第三章“基因的本質(zhì)”學(xué)習(xí)打下良好的知識基礎(chǔ)。

3教學(xué)目標(biāo)

1比較孟德爾豌豆雜交實驗的F1形成配子過程

中基因（遺傳因子）的變化與減數(shù)分裂過程中染色體的行為，說明基因和染色體的關(guān)系。

2運用科學(xué)史材料——《果蠅的限性遺傳（Sex-limited Inheritance》，理解摩爾根對果蠅顏色遺傳現(xiàn)象的分析。

3試圖設(shè)計果蠅雜交實驗，證明控制白眼的基因在X染色體上，Y染色體上不含等位基因的解釋。

4嘗試運用假說—演繹等科學(xué)方法解釋自然現(xiàn)象，證明基因與染色體的關(guān)系，認(rèn)同科學(xué)的本質(zhì)是一種探究的方式，科學(xué)知識是不斷修正發(fā)展的過程。

4教學(xué)過程4.1呈現(xiàn)現(xiàn)象

教師提供美國遺傳學(xué)家薩頓的觀察結(jié)果：在觀察蝗蟲的精子和卵細(xì)胞的形成過程時發(fā)現(xiàn)，減數(shù)分裂過程中染色體的行為和孟德爾所述的遺傳因子的傳遞規(guī)律非常相似，如圖2與圖3所示。

4.2啟發(fā)觀點教師引導(dǎo)學(xué)生思考：薩頓觀察到這樣的現(xiàn)象后，

得到了怎樣的結(jié)論？學(xué)生討論后，得出：基因和染色體的行為存在著明顯的平行關(guān)系。教師追問：在分離定律與自由組合定律中，遺傳因子的傳遞規(guī)律與同源染色體分離、非同源染色體自由組合的所表現(xiàn)出的染色體行為的相似性體現(xiàn)在哪里方面？并展示基因與染色體的關(guān)系（表1）。

4.3學(xué)習(xí)歷史

教師提供有關(guān)果蠅和摩爾根實驗的資料：果蠅作為重要的遺傳學(xué)實驗材料，具有個體小、易飼養(yǎng)、繁殖快、有易于區(qū)分的性狀等優(yōu)點。果蠅體細(xì)胞中含有4對染色體，3對常染色體，1對性染色體，如圖4所示。

雌果蠅體型較大，背部具5個黑色條紋，性染色體是同型的，用XX表示;雄果蠅體型較小，背部具3個黑色條紋，性染色體是異型的，用XY表示。野生型果蠅均為紅眼，摩爾根在實驗中偶然發(fā)現(xiàn)了一只白眼雄果蠅，并利用這只白色雄果蠅做了果蠅雜交實驗，如圖5所示。

摩爾根及其同事提出“控制白眼的基因（用w表示）在X染色體上，而Y染色體上不含有它的等位基因”的假說，分析圖解如圖6所示。

教師要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識，以小組為單位以果蠅為實驗材料，設(shè)計實驗驗證摩爾根的假說是否正確。

4.4設(shè)計實驗

學(xué)生以小組為單位，討論實驗方案。圖7為其中一個學(xué)習(xí)小組的實驗設(shè)計。

教師呈現(xiàn)摩爾根的研究結(jié)果。根據(jù)摩爾根于1910年在Science上發(fā)表《果蠅中的限性遺傳》論文中的相關(guān)內(nèi)容，他設(shè)計了5組果蠅雜交實驗證明其假設(shè)，五組實驗的結(jié)果均與假設(shè)相符，從而證明了假設(shè)的正確性，為其最終的結(jié)論提供了直接的證據(jù)。5組果蠅雜交實驗如下所示：

實驗1：白眼（♀）×白眼（♂）;

實驗2：F2紅眼（♀）×白眼（♂）;

實驗3：F1紅眼（♀）×白眼（♂）;

實驗4：F1紅眼（♂）×白眼（♀）;

實驗5：野生紅眼（♂）×白眼（♀）。

教師引導(dǎo)學(xué)生分析：第五組實驗中，根據(jù)分析控制白眼的基因位于Y染色體上，子代全部為紅眼?？刂瓢籽鄣幕虿晃挥赮染色體上，子代中雌蠅表現(xiàn)為紅眼，雄蠅表現(xiàn)為白眼，如圖8所示。

學(xué)生討論后，得出結(jié)果：摩爾根的實驗結(jié)果表明，野生紅眼與白眼雜交后，子代雌蠅全部為紅眼，雄蠅全部為白眼。這證明了控制白眼的基因在X染色體上，而Y染色體上不含有它的等位基因。

教師補(bǔ)充：人類歷史上第一次將一個特定的基因（白眼基因w）和一條特定染色體（X染色體）聯(lián)系起來，用實驗證明了基因在染色體上，將遺傳學(xué)研究推向細(xì)胞水平。

4.6總結(jié)與評價

教師總結(jié)：從薩頓對蝗蟲減數(shù)分裂的研究，他推論出基因由染色體攜帶從親代傳遞給下一代，摩爾根則利用果蠅為實驗材料，通過假說—演繹法驗證假設(shè)，最后得出了基因在染色體上的結(jié)論。教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出“基因在染色體上”結(jié)論獲得的流程圖，如圖9所示。

5教學(xué)反思

本節(jié)課將HPS教學(xué)模式應(yīng)用于生物學(xué)教學(xué)實踐中，以摩爾根發(fā)表的《果蠅的限性遺傳》論文中的部分內(nèi)容為依據(jù)，真實還原歷史情境。教師通過展示基因于染色體的平行現(xiàn)象，啟發(fā)學(xué)生提出基因在染色體上的觀點，學(xué)習(xí)摩爾根的果蠅雜交實驗，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗驗證摩爾根對此現(xiàn)象的解釋，呈現(xiàn)科學(xué)家摩爾根如何設(shè)計實驗驗證其解釋，并引導(dǎo)學(xué)生與自己設(shè)計的實驗做對比，最后總結(jié)科學(xué)方法是“觀察現(xiàn)象→提出問題→作出假設(shè)→設(shè)計實驗→實施實驗→實驗結(jié)果→得出結(jié)論”一系列有序步驟。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生在科學(xué)探究的過程中，習(xí)得科學(xué)知識，體驗科研精神，提升生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的深入理解和內(nèi)化。

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