應(yīng)用HPS 教學(xué)模式培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

姜雨姍

（哈爾濱師范大學(xué)教師教育學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 HPS教育與生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

HPS教育是科學(xué)歷史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)（History philosophy and sociology of science）的簡(jiǎn)稱，是以科學(xué)本質(zhì)為基礎(chǔ)的新型科學(xué)史教育。它旨在將這三門學(xué)科的知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，從而提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)?？茖W(xué)史是人們了解科學(xué)、發(fā)展科學(xué)的過(guò)程，是對(duì)人類科學(xué)探索過(guò)程的記載與整理，為人類進(jìn)行科學(xué)研究提供了必要的歷史記錄和情感；“科學(xué)哲學(xué)”是一種以“科學(xué)”為目標(biāo)的哲學(xué)，它是對(duì)人的科學(xué)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行總結(jié)和整理，并為其提供方法論依據(jù)；科學(xué)社會(huì)學(xué)是從社會(huì)學(xué)角度來(lái)探討科學(xué)與社會(huì)之間的聯(lián)系和影響的一門學(xué)科，它是對(duì)科學(xué)的運(yùn)用和傳播，為科學(xué)的普及和應(yīng)用提供了一種現(xiàn)實(shí)的方法和方法。HPS教育是指在科學(xué)教學(xué)中，三者相輔相成，相互交融，從而培養(yǎng)了學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)[1]。

2 HPS教學(xué)模式的課堂實(shí)踐

本文以人教版高中生物學(xué)必修1《分子與細(xì)胞》中第五章第四節(jié)第二小節(jié)“光合作用的原理和應(yīng)用”為例[2]。

2.1 頭腦風(fēng)暴，提出問(wèn)題

教師活動(dòng)：展示光合作用四個(gè)字，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展頭腦風(fēng)暴。引導(dǎo)學(xué)生調(diào)動(dòng)自己的知識(shí)儲(chǔ)備，答出與光合作用有關(guān)的概念。然后展示以光合作用為中心的思維導(dǎo)圖，提出問(wèn)題：光合作用究竟是怎樣進(jìn)行的呢？其中的物質(zhì)與能量又經(jīng)歷著怎樣的變化呢？以此導(dǎo)入新課。

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用頭腦風(fēng)暴激發(fā)學(xué)生的思考能力，指導(dǎo)學(xué)生回顧已學(xué)到的知識(shí)，教師可以借此了解學(xué)生對(duì)光合作用相關(guān)知識(shí)的掌握情況。

2.2 構(gòu)建光反應(yīng)模型

教師活動(dòng)：教師首先把光合作用的總化學(xué)方程式寫下來(lái)，然后引導(dǎo)學(xué)生思考具體過(guò)程。二氧化碳和水是怎樣產(chǎn)生有機(jī)物質(zhì)和氧氣的？如何將光能存儲(chǔ)在有機(jī)物質(zhì)中？這就是我們今天要解決的問(wèn)題。教師提問(wèn)：O2的來(lái)源有哪些可能性？學(xué)生答道：有可能是H2O、CO2、H2O和CO2。教師總結(jié)：過(guò)去，科學(xué)家和我們有著相同的迷茫[3]。

教師提出問(wèn)題：在光合作用中，糖類的合成和氧氣的產(chǎn)生是同一個(gè)化學(xué)反應(yīng)嗎？學(xué)生分析資料，得出結(jié)論：懸浮液中沒(méi)有合成糖類所必需的CO2，因此，這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，糖的合成和氧氣的生成是不同的化學(xué)反應(yīng)。光合作用是由多個(gè)階段組成的[4]。

設(shè)計(jì)意圖：明確糖類的合成需要有碳元素參與，培養(yǎng)學(xué)生的生命觀念。

教師提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考：（1）希爾的實(shí)驗(yàn)表明，水的光解生成氧氣，那么，植物的光合作用所需的氧都是由水提供的嗎？（2）如果要證明所有的O2都來(lái)自H2O或來(lái)自CO2，可以采取哪些方式？請(qǐng)把你的想法說(shuō)出來(lái)。學(xué)生經(jīng)過(guò)思考后回答：同位素示蹤法。設(shè)置兩組實(shí)驗(yàn)，一組標(biāo)記H2O，不標(biāo)記CO2；—組標(biāo)記CO2，不標(biāo)記H2O。如果第一組產(chǎn)生的O2有標(biāo)記，第二組產(chǎn)生的O2沒(méi)有標(biāo)記，說(shuō)明O2來(lái)自H2O。反之，則說(shuō)明O2來(lái)自CO2。

設(shè)計(jì)意圖：希爾實(shí)驗(yàn)只能說(shuō)明水的光解產(chǎn)生氧氣，但不能排除二氧化碳也能產(chǎn)生氧氣的可能性，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。

教師展示資料：美國(guó)科學(xué)家魯賓與卡門于1941年利用同位素示蹤技術(shù)，對(duì)光合作用中的氧氣來(lái)源進(jìn)行了研究。他們用16O的同位素18O分別標(biāo)記H2O和CO2，使它們分別變成H218O和C18O2。然后，進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)：第一組給植物提供H2O和C18O2，第二組給同種植物提供H218O和CO2。在給予充足光照且其他條件都相同的情況下，第一組釋放的氧氣都是O2，第二組釋放的都是18O2。

教師提出問(wèn)題：魯賓、卡門的研究，得出什么結(jié)果？結(jié)果表明：光合作用所產(chǎn)生的氧都來(lái)自水而非二氧化碳。教師引導(dǎo)學(xué)生分析上述實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其中都有光能參與，引出光合作用分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個(gè)階段。提出問(wèn)題：光反應(yīng)中還可能會(huì)發(fā)生什么反應(yīng)呢？學(xué)生類比細(xì)胞呼吸過(guò)程，猜測(cè)光合作用中也涉及ATP的轉(zhuǎn)化。

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用類比推理法，復(fù)習(xí)ATP是直接能源物質(zhì)這一知識(shí)點(diǎn)，與前面的知識(shí)建立聯(lián)系。

展示資料：美國(guó)的阿爾農(nóng)在1954年發(fā)現(xiàn)，在沒(méi)有CO2的情況下，給予葉綠體光照，在將ADP、Pi和NADP+供應(yīng)到反應(yīng)系統(tǒng)中時(shí)，系統(tǒng)中會(huì)生成ATP和NADPH(NADP+、H+與電子結(jié)合而成的還原物質(zhì)NADPH）。在1957年，他發(fā)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程一直伴隨著水的光解。提出問(wèn)題：分析該實(shí)驗(yàn)，用化學(xué)式表達(dá)得出的結(jié)論。學(xué)生寫出：H2O→H++O2

ADP+Pi→ATP NADP++H+→NADPH

教師引導(dǎo)學(xué)生明確光反應(yīng)中的物質(zhì)變化與能量轉(zhuǎn)化。結(jié)合葉綠體結(jié)構(gòu)，明確在葉綠體的類囊體上發(fā)生水的光解。根據(jù)上述分析，請(qǐng)同學(xué)對(duì)光反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行總結(jié)，畫出光反應(yīng)過(guò)程示意圖[5]。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)習(xí)的光反應(yīng)相關(guān)知識(shí)外化到紙面上，便于教師認(rèn)清學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

2.3 構(gòu)建暗反應(yīng)模型

教師引導(dǎo)學(xué)生思考：在我們構(gòu)建的光反應(yīng)模型中可以發(fā)現(xiàn)，光反應(yīng)中沒(méi)有CO2的參與和糖類的合成，那么，CO2是如何轉(zhuǎn)變?yōu)樘穷惖哪兀?/p>

展示資料：美國(guó)科學(xué)家卡爾文在二十世紀(jì)四十年代對(duì)小球藻進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)：用經(jīng)過(guò)14C標(biāo)記的14CO2，供小球藻進(jìn)行光合作用，然后追蹤放射性14C的去向，最終探明了CO2中的碳是如何轉(zhuǎn)化為有機(jī)物中的碳的。教師對(duì)卡爾文的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了介紹，并展示了實(shí)驗(yàn)設(shè)備。展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果1：照射 30s，在不同的化合物C3，C5，C6中發(fā)現(xiàn)14C的分布。提出問(wèn)題：怎樣才能確定CO2中的C最先出現(xiàn)在哪種化合物上呢？學(xué)生回答：縮短反應(yīng)時(shí)間。

教師展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果2：在5秒內(nèi)，C5和C6中分別存在14C。當(dāng)時(shí)間縮短到幾分之一秒時(shí)，14C幾乎全部集中在一種C3化合物上。提出問(wèn)題：根據(jù)這一點(diǎn)，請(qǐng)對(duì)二氧化碳中碳的傳輸路線作一個(gè)粗略的描述。學(xué)生回答：CO2先轉(zhuǎn)移到C3，再轉(zhuǎn)移到C5和C6。教師提出問(wèn)題：提出假設(shè)，CO2與哪些物質(zhì)結(jié)合生成 C3將幾種假設(shè)方案寫在黑板上。學(xué)生回答：①二碳化合物；②二氧化碳；③CO2與C5結(jié)合也可以生成C3。

教師展示資料：卡爾文及其同事們反復(fù)試驗(yàn)，都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)C2的存在。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)是改變CO2的數(shù)量。假設(shè)二氧化碳含量的提高會(huì)對(duì)C3、C5產(chǎn)生什么樣的影響？二氧化碳含量降低后，C3和C5含量會(huì)如何變化？當(dāng)學(xué)生說(shuō)出他們的預(yù)期之后，老師就把卡爾文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示出來(lái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CO2和C5的結(jié)合可以形成C3。教師引導(dǎo)學(xué)生寫出C元素的轉(zhuǎn)移路徑，點(diǎn)明卡爾文循環(huán)發(fā)生的場(chǎng)所。

2.4 構(gòu)建完整的光合作用過(guò)程模型

教師組織小組活動(dòng)：仔細(xì)觀察我們畫出的光反應(yīng)和暗反應(yīng)過(guò)程示意圖，光、暗反應(yīng)是否是兩個(gè)完全獨(dú)立的過(guò)程？它們?cè)谖镔|(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)化方面又有著怎樣的關(guān)系呢？經(jīng)過(guò)學(xué)生分組討論后，畫出完整的光合作用過(guò)程示意圖，標(biāo)明場(chǎng)所和條件，派代表將小組討論結(jié)果畫在黑板上。學(xué)生思考，進(jìn)行小組討論，構(gòu)建光合作用過(guò)程模型。

教師評(píng)價(jià)并修改小組展示的示意圖，展示標(biāo)準(zhǔn)的光合作用過(guò)程示意圖。學(xué)生反思并修改自己的示意圖。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生經(jīng)過(guò)反復(fù)建模再修改的過(guò)程，能夠體會(huì)科學(xué)探究的艱辛和科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性。

2.5 小結(jié)

通過(guò)對(duì)學(xué)生在課堂上所學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行歸納，并安排學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)。

設(shè)計(jì)意圖：經(jīng)過(guò)列表比較光反應(yīng)和暗反應(yīng)的關(guān)系，考查學(xué)生對(duì)光合作用過(guò)程知識(shí)的掌握情況。通過(guò)對(duì)科學(xué)探究的過(guò)程進(jìn)行歸納、整理，使學(xué)生了解科學(xué)探究的實(shí)質(zhì)，體驗(yàn)科學(xué)探究的方式與過(guò)程，從而加深對(duì)科學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)。

3 啟示與思考

在實(shí)施HPS的教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)具體的內(nèi)容，采用不同的方法，教師要靈活地選擇和調(diào)整，不能死板地照搬。在教學(xué)過(guò)程中，教師要注重把科學(xué)史與生物學(xué)知識(shí)相結(jié)合，不能簡(jiǎn)單地講述科學(xué)故事、追溯科學(xué)史，淡化課堂教學(xué)的主體。在指導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)歷史中得到科學(xué)結(jié)論時(shí)，要注重科學(xué)的思考，避免將科學(xué)知識(shí)直接扔到學(xué)生身上，把科學(xué)探究活動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)學(xué)生解決問(wèn)題、形成科學(xué)概念的活動(dòng)。老師平時(shí)要注重積累和搜集生物史材料，并利用科學(xué)史教學(xué)資源；要不斷地改進(jìn)自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)，改變自己的思考模式，學(xué)會(huì)對(duì)科學(xué)家做出的貢獻(xiàn)進(jìn)行客觀、深入的評(píng)估；同時(shí)，要明確科學(xué)史教育的需求，培養(yǎng)學(xué)生的終身學(xué)習(xí)意識(shí)，增強(qiáng)科學(xué)素質(zhì)。

同時(shí)，將HPS教學(xué)應(yīng)用于生物學(xué)課堂，要求教師對(duì)科學(xué)史的內(nèi)容有較深的理解，而教師本身又要在科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)等領(lǐng)域提高自己的專業(yè)知識(shí)和能力。