基于HPS教育培養(yǎng)高中生生物核心素養(yǎng)的策略

劉玉配

（上海師范大學(xué)附屬外國語中學(xué) 上海201600）

生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是指學(xué)生在學(xué)習(xí)生命科學(xué)知識(shí)與技能、思想與方法的過程中，逐步形成的必備品格、關(guān)鍵能力和正確的觀念，它包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任四個(gè)方面。［1］HPS教育的理念契合了生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的要求。HPS即科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)（History，Philosophy and Sociology of Science）的縮寫。HPS教育是一種新的科學(xué)教育模式，它以建構(gòu)主義為理論依據(jù)，把科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)的內(nèi)容滲透到學(xué)校課堂教學(xué)中，以提升學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。［2］發(fā)展高中生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)最終要以具體的生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容為載體，將HPS教育與生物學(xué)課程的有機(jī)結(jié)合是培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)切實(shí)可行的途徑。本文首先對(duì)部分地區(qū)2019年秋季使用的《普通高中教科書生物學(xué)》（以下簡稱新教材）必修內(nèi)容中有關(guān)HPS教育的內(nèi)容進(jìn)行分析、歸類整理，然后選取部分內(nèi)容基于HPS教育模式進(jìn)行課堂教學(xué)實(shí)踐，初步探討基于HPS教育培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)策略。

一、依托科學(xué)史教育，建構(gòu)核心概念，提煉生命觀念

新教材必修內(nèi)容中有關(guān)HPS教育的科學(xué)史內(nèi)容主要在“思考·討論”欄目中呈現(xiàn)，筆者整理了必修1和必修2模塊中涉及核心概念的科學(xué)史過程，如表1所示。從表中可以看出，生物學(xué)核心概念都有科學(xué)史的支撐，生物科學(xué)史往往是一部核心概念的發(fā)展史?？茖W(xué)史具有豐富的育人功能，將科學(xué)史教育融入生物課堂教學(xué)，教師可呈現(xiàn)科學(xué)知識(shí)發(fā)展的動(dòng)態(tài)畫面，以問題為驅(qū)動(dòng)，以促進(jìn)學(xué)生自主建構(gòu)核心概念，提升生命觀念。

表1 新教材必修內(nèi)容中蘊(yùn)含的科學(xué)史內(nèi)容

例如，在“細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能”教學(xué)中，可以重走科學(xué)家的探究歷程。當(dāng)證實(shí)細(xì)胞膜主要成分含有磷脂時(shí)，教師可以設(shè)計(jì)探究活動(dòng)：細(xì)胞膜中磷脂分子的排列方式。首先創(chuàng)設(shè)問題情境，假如把磷脂分子倒入盛有水的水槽中，請(qǐng)學(xué)生大膽猜測并畫出磷脂分子在水槽中的排列方式，然后根據(jù)細(xì)胞膜內(nèi)外的液體環(huán)境進(jìn)一步猜測細(xì)胞膜中磷脂的排列方式。在教師的問題引導(dǎo)下，學(xué)生很容易推測出細(xì)胞膜中磷脂分子的微團(tuán)狀和磷脂雙層分子層的排布方式如圖1（右）所示。學(xué)生通過探究一活動(dòng)經(jīng)歷了提出假說的過程，但是假說要經(jīng)過證實(shí)后才能成為結(jié)論。教師呈現(xiàn)荷蘭科學(xué)家E.Gorter和F.Grendel的實(shí)驗(yàn)，他們用丙酮提取紅細(xì)胞膜中的脂類成分，在空氣—水界面鋪展成單分子層，定量測定單分子層總面積是紅細(xì)胞表面積的1.8—2.2倍。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果恰好證實(shí)了細(xì)胞膜中磷脂雙分子層的排列方式，這種排列方式與細(xì)胞膜內(nèi)外的液體環(huán)境相適應(yīng)。

探究活動(dòng)一：細(xì)胞膜中磷脂分子的排列方式

1.結(jié)合磷脂分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，猜測磷脂分子在水槽中的排列方式，并在圖1（左）中畫出。

2.根據(jù)細(xì)胞的生活環(huán)境，猜測細(xì)胞膜中磷脂可能的排列方式。

圖1 細(xì)胞膜中磷脂分子的排列方式

人們對(duì)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)越來越接近真相，但是仍然不能解釋細(xì)胞的一些生理現(xiàn)象。比如，細(xì)胞膜既然是由磷脂構(gòu)成，為什么一些親水而不親脂的糖和離子可以快速地通過細(xì)胞膜，為什么細(xì)胞膜的表面張力要比油水界面的表面張力要小得多。教師呈現(xiàn)“1935年Davison和Dnelilit不斷地向油水界面添加各類物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)向油水界面添加蛋白質(zhì)時(shí)，細(xì)胞膜的表面張力和油水界面差不多”，因此他們推測細(xì)胞膜中除磷之外，還含有蛋白質(zhì)。教師設(shè)計(jì)探究活動(dòng)二，蛋白質(zhì)和磷脂在細(xì)胞膜中的分布。根據(jù)細(xì)胞膜的功能，學(xué)生大膽猜測蛋白質(zhì)分子在磷脂雙分子層上的分布情況，如圖2所示。教師呈現(xiàn)1959年J.D.Robertson運(yùn)用電鏡超薄切片技術(shù)觀察到了細(xì)胞膜的暗—亮—暗結(jié)構(gòu)，提出了三明治式結(jié)構(gòu)模型，證實(shí)了學(xué)生的猜測。同時(shí)，J.D.Robertson認(rèn)為細(xì)胞膜是靜態(tài)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，很多科學(xué)對(duì)這一觀點(diǎn)提出了質(zhì)疑，因?yàn)樗茈y解釋細(xì)胞膜復(fù)雜的功能，例如變形蟲的變形、精卵的結(jié)合等現(xiàn)象?？茖W(xué)家根據(jù)細(xì)胞膜的功能不斷對(duì)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行修正，才有了為大多數(shù)人接受的流動(dòng)鑲嵌模型。

筆者以細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的探索史為主線，以問題為驅(qū)動(dòng)，遵循“發(fā)現(xiàn)新問題—再研究—再發(fā)現(xiàn)”的思路，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主探究，逐步構(gòu)建細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)這一核心概念，使學(xué)生在感受細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能協(xié)調(diào)之美的同時(shí)形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念?？茖W(xué)研究簡史折射出人類對(duì)未知世界興趣盎然的探索，對(duì)真理孜孜不倦的追求。課堂上教師把“史”重現(xiàn)，學(xué)生在完成核心概念構(gòu)建的過程中自然而然地形成生命觀念。

探究活動(dòng)二：蛋白質(zhì)和磷脂在細(xì)胞膜中的分布

根據(jù)細(xì)胞膜的功能，大膽猜測蛋白質(zhì)分子在磷脂雙分子層上的分布情況，并在圖2（左）磷脂雙分子層上畫出來。

圖2 細(xì)胞膜中蛋白質(zhì)和磷脂分子的排列方式

二、融入科學(xué)哲學(xué)教育，強(qiáng)化科學(xué)方法，提升科學(xué)思維

科學(xué)哲學(xué)是指在認(rèn)識(shí)科學(xué)知識(shí)過程中所形成的科學(xué)方法和思維品質(zhì)。這一內(nèi)涵恰好和生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維相契合。從科學(xué)哲學(xué)角度出發(fā)，筆者整理了新教材必修內(nèi)容中的相關(guān)內(nèi)容，如表2所示，該部分內(nèi)容分布于“科學(xué)方法”和“思維訓(xùn)練”等欄目。通過對(duì)具體科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生留在思想意識(shí)層面的科學(xué)方法和思維品質(zhì)，更有利于學(xué)生的長久發(fā)展。

表2 新教材必修內(nèi)容中蘊(yùn)含的科學(xué)哲學(xué)內(nèi)容

在遺傳定律的發(fā)現(xiàn)過程中，孟德爾首次創(chuàng)新性地采用了沿用至今的現(xiàn)代遺傳學(xué)研究方法：假說—演繹法。該方法研究的基本流程是：實(shí)驗(yàn)觀察—提出問題—做出假設(shè)—演繹推理—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—得出結(jié)論。教師在本章的教學(xué)中，可以遵循假說-演繹法的方法流程進(jìn)行教學(xué)。例如在“孟德爾的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)（一）”的教學(xué)中，教師首先講述孟德爾關(guān)于豌豆的一對(duì)相對(duì)性狀（高莖和矮莖）雜交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，然后設(shè)置問題串：為什么F1代都是高莖而沒有矮莖呢？矮莖消失了嗎？為什么F1代沒有的矮莖，F(xiàn)2代又出現(xiàn)了？F2中出現(xiàn)的3∶1的性狀分離比是偶然的嗎？由表及里地引發(fā)學(xué)生理性思考實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的科學(xué)實(shí)質(zhì)。其次，教師設(shè)計(jì)學(xué)生小組活動(dòng)，根據(jù)孟德爾的假說并利用科學(xué)符號(hào)來解釋F1代的性狀分離比現(xiàn)象，體會(huì)科學(xué)符號(hào)表達(dá)對(duì)科學(xué)知識(shí)傳播的作用。正確的假說不僅要能解釋已有的實(shí)現(xiàn)結(jié)果，還應(yīng)該能夠預(yù)測另外一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。再次，讓學(xué)生設(shè)計(jì)驗(yàn)證孟德爾假說的測交實(shí)驗(yàn)，依據(jù)假說內(nèi)容對(duì)測交結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。通過學(xué)生自己的親身實(shí)踐，體驗(yàn)孟德爾測交實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新之處。最后，教師展示孟德爾測交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果：測交實(shí)驗(yàn)中一共得到166株后代，其中87株式高莖，79株式矮莖，高莖和矮莖數(shù)量比例接近1∶1。這和學(xué)生們對(duì)測交實(shí)驗(yàn)的預(yù)測結(jié)果相吻合。學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)家的研究方法認(rèn)識(shí)科學(xué)規(guī)律，體驗(yàn)科學(xué)家的嚴(yán)密思維和科學(xué)推理，思維品質(zhì)得以提升。

“遺傳因子的發(fā)現(xiàn)”是新教材必修2“遺傳與進(jìn)化”專題第一章的內(nèi)容。與舊教材不同，本章教學(xué)內(nèi)容放置在了減數(shù)分裂之前。教材的編排順序，既遵循了科學(xué)發(fā)展的真實(shí)情況，又凸顯孟德爾豌豆雜交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處；既重視遺傳定律內(nèi)容的學(xué)習(xí)，又強(qiáng)調(diào)科學(xué)方法的教育。［3］因此，教師可以從科學(xué)哲學(xué)的角度去分析新教材的內(nèi)容，從具體的知識(shí)中挖掘認(rèn)識(shí)事物和解決問題的科學(xué)方法和思維品質(zhì)。從科學(xué)哲學(xué)角度組織教學(xué)，以知識(shí)為載體滲透科學(xué)思維方法。

三、鏈接科學(xué)社會(huì)學(xué)教育，創(chuàng)設(shè)問題情景，培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)人類的生產(chǎn)、生活產(chǎn)生了重要影響，同時(shí)科學(xué)知識(shí)的傳播也受到社會(huì)政治、經(jīng)濟(jì)、文化、倫理和宗教的影響。HPS的社會(huì)學(xué)教育，目的是讓學(xué)生在社會(huì)大背景中，理解科學(xué)和社會(huì)的關(guān)系，科學(xué)規(guī)范地傳播和運(yùn)用科學(xué)技術(shù)，培養(yǎng)其社會(huì)責(zé)任意識(shí)和使命感。這一目的與生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的“社會(huì)責(zé)任”素養(yǎng)一致。新教材必修內(nèi)容通過“問題探討”“與生活的聯(lián)系”“科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)”以及“與生物學(xué)有關(guān)的職業(yè)”欄目等多種途徑，如表3所示，聯(lián)系實(shí)際生活，全方位地引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科學(xué)技術(shù)和社會(huì)的關(guān)系，并為他們未來的職業(yè)規(guī)劃提供參考。

表3 新教材必修內(nèi)容中蘊(yùn)含的科學(xué)社會(huì)學(xué)內(nèi)容

（續(xù)表）

創(chuàng)設(shè)問題情景，聯(lián)系社會(huì)實(shí)際，讓學(xué)生將所學(xué)的知識(shí)與社會(huì)現(xiàn)象相聯(lián)系，是提升社會(huì)責(zé)任的主要途徑。例如，在“降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶”一節(jié)中，“酶為生活添姿彩”內(nèi)容提到了多酶片。教師可以利用多酶片創(chuàng)設(shè)問題情景，展開“pH對(duì)酶活性的影響”內(nèi)容的教學(xué)。首先，教師展示家庭常用藥多酶片的使用說明書，如圖3所示，然后要求學(xué)生仔細(xì)閱讀使用說明書，養(yǎng)成良好的用藥習(xí)慣。教師根據(jù)說明書內(nèi)容提出問題“為什么多酶片設(shè)計(jì)成雙層包衣片”，激發(fā)學(xué)生的探究欲。教師繼續(xù)提問，哪些因素可能影響多酶片效用的發(fā)揮。學(xué)生通過閱讀說明書注意事項(xiàng)內(nèi)容中的“本品在酸性條件下易破壞”，由此展開pH對(duì)酶活性影響的探究。教師可以提供以下實(shí)驗(yàn)材料，請(qǐng)學(xué)生以小組形式合作探究pH是否對(duì)酶活性的影響并完成表4。

【實(shí)驗(yàn)材料】3%過氧化氫、土豆圓片（含過氧化氫酶）、清水、鹽酸、氫氧化鈉

【實(shí)驗(yàn)儀器】試管、滴管等實(shí)驗(yàn)器材若干

表4 探究影響過氧化氫酶活性的因素

交流實(shí)驗(yàn)方案后完成實(shí)驗(yàn)操作，小組之間相互展示土豆圓片的上浮或氣泡的生成情況并得出結(jié)論。接下來加深思維難度，請(qǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)定量實(shí)驗(yàn)探究pH對(duì)酶活性的影響。因?yàn)橛辛硕繉?shí)驗(yàn)的鋪墊，學(xué)生水到渠成地設(shè)計(jì)出通過設(shè)定幾個(gè)不同的pH數(shù)值，測定生成物氧氣的量來完成定量實(shí)驗(yàn)。從定性實(shí)驗(yàn)探究到定量實(shí)驗(yàn)探究，循序漸進(jìn)，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力。教師可以介紹DIS系統(tǒng)并播放提前錄制的使用方法視頻供學(xué)生學(xué)習(xí)，小組成員相互配合動(dòng)手完成定量實(shí)驗(yàn)，分享實(shí)驗(yàn)結(jié)果并討論pH對(duì)酶活性的影響。本節(jié)內(nèi)容的最后，教師可以回顧本節(jié)課初始的情景問題，請(qǐng)學(xué)生解釋多酶片雙層包衣設(shè)計(jì)的原理。達(dá)到學(xué)以致用的目的，理解“小藥丸”背后的“大科學(xué)”。

從科學(xué)社會(huì)學(xué)角度出發(fā)，注重生物學(xué)知識(shí)與實(shí)際生活的聯(lián)系，教師創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情景，學(xué)生通過真實(shí)情景下的科學(xué)探究，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的證據(jù)，獲得科學(xué)知識(shí)和科學(xué)規(guī)律，并用所學(xué)知識(shí)對(duì)社會(huì)議題做出理性解釋，培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任。

圖3 多酶片使用說明書

四、總結(jié)

綜上所述，基于HPS教育組織課堂教學(xué)可以落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)。HPS的科學(xué)史內(nèi)容呈現(xiàn)了科學(xué)概念的產(chǎn)生和演化過程。依托科學(xué)史的教學(xué)過程中，教師可以以問題為驅(qū)動(dòng)，遵循“發(fā)現(xiàn)新問題—再研究—再發(fā)現(xiàn)”的思路，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主探究，主動(dòng)構(gòu)建核心概念，提煉生命觀念。科學(xué)哲學(xué)視角將科學(xué)概念形成過程中的科學(xué)方法和科學(xué)思維顯性化，對(duì)學(xué)生終身認(rèn)識(shí)、分析和解決生命現(xiàn)象將產(chǎn)生長遠(yuǎn)影響。融入科學(xué)哲學(xué)的教學(xué)過程中，教師以科學(xué)家的研究方法設(shè)計(jì)教學(xué)，經(jīng)歷科學(xué)家的邏輯推理和思維過程，領(lǐng)悟科學(xué)方法?？茖W(xué)社會(huì)學(xué)可以讓學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)知識(shí)和生活實(shí)際之間的聯(lián)系，理性和客觀地分析社會(huì)現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生理性而審慎應(yīng)用科技成果的科學(xué)技術(shù)價(jià)值觀。鏈接科學(xué)社會(huì)學(xué)教育，創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)的科學(xué)探究過程，基于實(shí)證深化科學(xué)規(guī)律，并對(duì)社會(huì)現(xiàn)象做出理性分析，培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任感。在基于HPS教育的教學(xué)過程中，教師都可開展以探究為主的教學(xué)方式，通過自主探究或合作探究的學(xué)習(xí)方式發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)。

另外，教師依據(jù)HPS教育理念設(shè)計(jì)課堂教學(xué)，在重點(diǎn)發(fā)展某方面素養(yǎng)的同時(shí)，也可以發(fā)展其他方面的素養(yǎng)。科學(xué)知識(shí)和觀念的發(fā)展歷史往往是科學(xué)思維不斷更新的結(jié)果。學(xué)生經(jīng)歷探究活動(dòng)的過程也正是科學(xué)思維形成的過程。例如，在高中生物依托科學(xué)史的教學(xué)過程中，通過設(shè)計(jì)探究活動(dòng)，學(xué)生自主建構(gòu)概念，發(fā)展生命觀念素養(yǎng)的同時(shí)，學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)思維品質(zhì)可以發(fā)展。學(xué)生在學(xué)習(xí)生物學(xué)課程中，獲得的科學(xué)知識(shí)、建立的生命觀念、鍛煉的科學(xué)思維、提升的科學(xué)探究能力，都將在履行社會(huì)責(zé)任中發(fā)揮作用。

新教材中有很多關(guān)于HPS教育的顯性內(nèi)容，為教師進(jìn)行HPS教育培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)提供了抓手。教師應(yīng)針對(duì)新教材中的HPS教育內(nèi)容進(jìn)行挖掘和分析，采取切實(shí)有效的策略進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，從而提高學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。同時(shí)，教師也應(yīng)不斷學(xué)習(xí)科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)的知識(shí)，加深對(duì)本學(xué)科核心素養(yǎng)的理解，并將兩者有機(jī)結(jié)合。這是基于HPS教育培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的前提和基礎(chǔ)。