HPS教學(xué)模式在高中生物課堂中的實踐
——以“光合作用的原理和應(yīng)用”為例

何城蝶 韋艷艷，2*

（1.廣西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 廣西桂林 541006）

（2.華中師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 湖北武漢 430000）

由于科學(xué)進步、國家發(fā)展及課程改革的需要，國家提出教育要提高學(xué)生核心素養(yǎng)的要求。而高中生物學(xué)科核心素養(yǎng)包括社會責(zé)任、生命觀念、科學(xué)探究、科學(xué)思維?？茖W(xué)思維的培養(yǎng)作為生物學(xué)核心素養(yǎng)“能力”培養(yǎng)的關(guān)鍵部分，在核心素養(yǎng)中占據(jù)的位置較為重要。且有實驗表明HPS教學(xué)模式能夠有效提高學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)及科學(xué)思維的能力。下面主要以人教版高中生物學(xué)必修一第五章第四節(jié)“光合作用的原理和應(yīng)用”為例，探究及討論HPS教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維中的實踐應(yīng)用，以期為在教學(xué)過程中應(yīng)用HPS教學(xué)模式培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維提供教案參考。

1 HPS概述

HPS教學(xué)模式是一種把科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)內(nèi)容貫穿到整個教學(xué)過程中的前衛(wèi)的、目前熱門的教學(xué)模式。19世紀(jì)末，物理學(xué)家恩斯特.馬赫首次提出HPS的概念，緊接著大不列顛科學(xué)家孟克和奧斯本首先提出了HPS教育的基礎(chǔ)即HPS教學(xué)模式。HPS教學(xué)模式是HPS教育某一維度的內(nèi)容，該模式共有孟克與奧斯本提出的融入教學(xué)模式、琳達和杰姆斯提出的互動歷史小故事模式和馬修斯提出的適度模式3種模式。因馬修斯的適度模式為大多數(shù)研究者認可，且具有較強的可執(zhí)行性，所以以馬修斯的適度模式進行研究。該模式主要包含如下6個步驟:

①演示現(xiàn)象。教師在上課前幾分鐘向?qū)W生陳述或者在電子白板上展示與本節(jié)課內(nèi)容相關(guān)的真實情境及現(xiàn)象。學(xué)生通過觀察、分析與討論這一情境及現(xiàn)象，發(fā)揮主觀能動性，思考此情境下將會產(chǎn)生并且亟待解釋的問題。

②引出觀念。教師用語言或者肢體動作，引導(dǎo)學(xué)生對情境下的實驗現(xiàn)象提出自己的解釋及觀念。

③學(xué)習(xí)歷史。在這個環(huán)節(jié)中，教師要事先查找資料，并向?qū)W生認真介紹早期科學(xué)家們在研究這一實驗時的不同觀點及一系列不斷接近答案的解釋。這一環(huán)節(jié)的主要目的是引導(dǎo)學(xué)生討論科學(xué)家由于當(dāng)時所處環(huán)境的局限性而產(chǎn)生實驗結(jié)果的不完整，用心感受并知曉科學(xué)技術(shù)是持續(xù)前進的。

④進行實驗設(shè)計。教師根據(jù)學(xué)生在教室就坐位置按照就近原則進行分組，布置討論任務(wù)。不同的學(xué)習(xí)小組挑選不同的科學(xué)家的觀點進行實驗設(shè)計，設(shè)計內(nèi)容主要包括實驗?zāi)康?、實驗原理和具體的實驗步驟及過程，用于驗證該科學(xué)家的實驗結(jié)果。

⑤科學(xué)觀念的顯示和實驗的檢驗。進行實驗設(shè)計的分享，選取存在較大疑惑的且學(xué)校能滿足實驗要求的內(nèi)容進行實驗，用步驟④中所提出的實驗過程及步驟開展實驗，將課本中文字化的知識轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)的真相，用以幫助學(xué)生實現(xiàn)觀念的轉(zhuǎn)變從而相信科學(xué)。

⑥總結(jié)與評價。在最后的這一環(huán)節(jié)，教師處于主導(dǎo)地位，調(diào)動學(xué)生課堂的主人翁意識，積極引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)在科學(xué)知識產(chǎn)生過程中所獲得的概念性知識及所涉及的實驗原理、實驗步驟等的設(shè)計思路。

2 HPS教學(xué)模式在高中生物學(xué)教學(xué)中的實踐

以人教版高中生物學(xué)必修一教材“光合作用的原理和應(yīng)用”為例子，闡明怎樣采用HPS教學(xué)模式在生物學(xué)實際教學(xué)過程中使學(xué)生的科學(xué)思維得以提升。

2.1 演示現(xiàn)象，激發(fā)問題

通過具體的問題情境導(dǎo)入新課。教師在電子白板上展示光合作用的原理和應(yīng)用的全過程動態(tài)Flash，提出疑問:綠色植物在光照條件之下到底制造了何種物質(zhì)？這種物質(zhì)的合成需要用什么物質(zhì)作為原料？教師利用問題抓住學(xué)生的好奇心，繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生觀察動畫，并追問:植物的生長生活需要養(yǎng)料，但是這些養(yǎng)料從何而來呢？什么條件之下才能更新空氣呢？氧氣又是在什么時候什么階段產(chǎn)生的？

教師通過層層設(shè)問，引導(dǎo)學(xué)生對光合作用的原理和應(yīng)用的內(nèi)容進行逐步深入的思考，促成學(xué)生產(chǎn)生強烈的探索的欲望。在此過程中，教師注意學(xué)生的參與情況，要促進學(xué)生都能表述自己的想法，不能因為趕課時，而隨意點一兩名學(xué)生回答問題。在這一過程中，教師著重培養(yǎng)學(xué)生在真實的問題情境中發(fā)現(xiàn)重點問題的能力。

2.2 引出觀念，精練總結(jié)

針對演示現(xiàn)象中有關(guān)光合作用的原理和應(yīng)用的具體問題，教師調(diào)動學(xué)生的積極性，鼓勵并引導(dǎo)學(xué)生勇于表達自己的見解。學(xué)生對以上問題的回答各有千秋。教師要多提問幾個學(xué)生，帶領(lǐng)學(xué)生求得真知并適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生進行總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生用簡短的一句話引申出粗略的光合作用的概念:綠色植物在光環(huán)境下合成氧氣的過程就是光合作用。通過此過程，學(xué)生的概括總結(jié)能力得以提升。

2.3 學(xué)習(xí)歷史，掌握科學(xué)的發(fā)展

課前，教師告訴學(xué)生光合作用的原理的發(fā)現(xiàn)是歷經(jīng)很長時間由多位科學(xué)家的實驗逐步證明的。學(xué)生分組，借助網(wǎng)絡(luò)或者圖書館里的書籍，收集某位科學(xué)家的關(guān)于“光合作用的原理和應(yīng)用”研究過程的史料，課上進行展示。此過程中，教師要告訴學(xué)生展示要求:實驗材料、實驗過程、實驗結(jié)果及結(jié)論、其結(jié)論是否遭受其他科學(xué)家的質(zhì)疑等。展示內(nèi)容主要包括小白鼠與綠色植物共存的實驗是由英國科學(xué)家普利斯特利發(fā)現(xiàn)的，他通過實驗結(jié)果證實，植物通過生長能夠凈化原本污濁的空氣。比利時化學(xué)家、生物學(xué)家范·海爾蒙特探討支持植物茁壯生長的養(yǎng)料從何而來，因此他進行了柳樹的種植實驗:種植前稱量烘干后的土壤的重量及柳樹的質(zhì)量，實驗結(jié)束后繼續(xù)測量烘干后的土壤的重量及柳樹的重量，前后數(shù)據(jù)對比得出植物的養(yǎng)料來自水和土壤這一結(jié)論。英格豪斯經(jīng)過500多次的實驗得出結(jié)論:植物中只有綠葉能在光照條件下更換空氣。英格豪斯的實驗是對普利斯特利實驗的二次證明與拓展延伸，促進了光合作用的發(fā)現(xiàn)。后來，隨著時間的推移生物技術(shù)得到了發(fā)展，物質(zhì)組成可通過儀器測定，證明了綠色葉片在光下釋放了氧氣，吸收了二氧化碳。1845年，梅耶根據(jù)能量守恒發(fā)現(xiàn)光合作用能以光能為初始能源轉(zhuǎn)換為化學(xué)能并貯存于植物的某些物質(zhì)中。那究竟貯存于哪里呢？這引起了其科學(xué)家極大的好奇心。1864年，薩克斯通過植物遮光實驗成功證明了綠色植物通過光合作用制造氧氣和淀粉；魯賓和卡門利用同位素標(biāo)記法為實驗手段進行探究，通過標(biāo)記H218O和C18O2兩組對比實驗證明光合作用釋放的氧氣全部來自水。20世紀(jì)40年代，卡爾文同樣應(yīng)用同位素標(biāo)記法將14CO2提供給小球藻進行光合作用，通過這個實驗明確了卡爾文循環(huán)途徑。教師要引導(dǎo)學(xué)生進行課后的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生從大量的資料中收集有用資料的能力。

2.4 設(shè)計實驗，提升思維能力

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)科學(xué)家的實驗過程、結(jié)果及學(xué)?，F(xiàn)有的資源，從實驗?zāi)康某霭l(fā)，明確實驗原理、實驗步驟并完成相關(guān)實驗的設(shè)計。根據(jù)學(xué)?，F(xiàn)有的資源能夠得以重現(xiàn)的實驗是薩克斯的植物遮光實驗。教師要盡量多提出問題，供學(xué)生思考，促進學(xué)生思維的提升。例如，薩克斯遮光實驗的實驗?zāi)康氖鞘裁?，實驗原理是什么？如果讓你進行這一實驗，你會怎樣設(shè)計實驗步驟呢？教師要讓學(xué)生充分地進行實驗步驟的討論及展示，并根據(jù)學(xué)生的展示，引導(dǎo)出一個可行的簡便的實驗步驟。學(xué)生回答言之有理即可。教師要注重學(xué)生在課堂中的主人翁角色，只能引導(dǎo)學(xué)生不能代為作答?？茖W(xué)思維的能力會伴隨著學(xué)生的深入思考得以有效提升。

2.5 顯示科學(xué)觀念和實驗檢驗，掌握科學(xué)方法

教師引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)光合作用的概念。接著，學(xué)生根據(jù)概念，書寫光合作用的反應(yīng)式，深入分析伴隨著光合作用的發(fā)生而發(fā)生的物質(zhì)變化和能量變化的具體過程。并按照課堂上師生總結(jié)出的實驗過程進行實驗:

①課前，取一棵天竺葵，葉片用遮光片部分遮光進行遮光一晝夜（饑餓處理），在此過程中實驗材料的前期準(zhǔn)備由教師負責(zé)。

②去掉部分遮光的遮光片。

③將剪下的天竺葵葉片放入酒精中并水浴加熱進行脫色處理。

④將脫色處理完后（葉片為白色）的天竺葵葉片從酒精中取出放入玻璃皿用清水進行漂洗，漂洗完畢將葉片放入另外一個玻璃皿中，滴加碘液。

⑤觀察實驗結(jié)果。學(xué)生發(fā)現(xiàn)天竺葵葉片無遮擋光照部分變藍，而相反的遮擋光照部分不變藍。

通過討論，學(xué)生得出光合作用的原理和應(yīng)用中產(chǎn)生的有機物為淀粉這一結(jié)論。學(xué)生親自動手實驗將文字性知識轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^可見的實驗現(xiàn)象，同時通過實驗結(jié)果還能學(xué)習(xí)科學(xué)的發(fā)現(xiàn)過程，掌握科學(xué)的方法。

2.6 總結(jié)與評價，理解科學(xué)本質(zhì)

首先，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)歸納通過對光合作用的原理和應(yīng)用發(fā)現(xiàn)史的學(xué)習(xí)得出的光合作用的概念，并指出概念中重要的識記點?？偨Y(jié)完畢后，教師引導(dǎo)學(xué)生找出科學(xué)史中部分科學(xué)家研究的局限性，并對上述局限性進行探討，進行情感教育，拓展思維的寬度。

3 生物學(xué)教學(xué)中應(yīng)用HPS教學(xué)模式的建議

（1）課前明確任務(wù)。教師引導(dǎo)學(xué)生利用一切可用資源查找與課堂相關(guān)的科學(xué)史，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)以及在大量的資料中收集可用資料的能力。

（2）課時以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)。時刻不忘學(xué)生是課堂的主人，教師在課堂上要盡量多設(shè)置與真實情境相關(guān)的、與現(xiàn)實生活相聯(lián)系的問題，引導(dǎo)學(xué)生進行思考，在思考中使思維深度得以提升，思維寬度得以拓展。

（3）科學(xué)史要具有針對性。對于科學(xué)史的學(xué)習(xí)，教師可以讓學(xué)生在課前尋找資料，在課堂上充分的展示，力爭做到人人參與。學(xué)生展示的科學(xué)史要具有針對性，而不是對科學(xué)史的簡單羅列。教師可引導(dǎo)學(xué)生闡明科學(xué)史，明確每位科學(xué)家的實驗?zāi)康摹嶒炘?、實驗步驟、實驗結(jié)果以及他的實驗結(jié)果是否具有時代的局限性等。

（4）可以適當(dāng)開展科學(xué)史中蘊含的相關(guān)實驗。教師要根據(jù)學(xué)?，F(xiàn)有的資源開展學(xué)生課堂實驗，從而將文字化的知識轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生的動手經(jīng)驗。

（5）引導(dǎo)學(xué)生對科學(xué)史的發(fā)展進行總結(jié)。教師要使學(xué)生明確本節(jié)課的科學(xué)知識重點，并加強對學(xué)生的情感熏陶，使學(xué)生了解每一個科學(xué)的發(fā)現(xiàn)都是科學(xué)家歷經(jīng)千辛萬苦經(jīng)由科學(xué)的結(jié)論得出的，要學(xué)習(xí)科學(xué)家不畏艱難，勇于質(zhì)疑的精神。