從科學(xué)史角度進行“促胰液素的發(fā)現(xiàn)”教學(xué)

趙 照 （安徽省六安中學(xué) 安徽六安 237000）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出：學(xué)習(xí)生物科學(xué)史能使學(xué)生沿著科學(xué)家探索生物世界的道路，理解科學(xué)的本質(zhì)和科學(xué)研究的思路和方法，學(xué)習(xí)科學(xué)家獻身科學(xué)的精神，這對提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)具重要意義。教師應(yīng)充分利用這些科學(xué)史開展教學(xué)[1]。但在教學(xué)實踐中，部分教師對科學(xué)史重視不足、選材不適、評論不當(dāng)?shù)龋率箍茖W(xué)史的育人價值未能充分體現(xiàn)。HPS（history，philosophy and sociology of science）教育的內(nèi)容中不僅蘊含著科學(xué)知識的形成過程，還蘊含著科學(xué)家創(chuàng)造性的思維方式和靈活多樣的科學(xué)方法，體現(xiàn)敢于質(zhì)疑、善于探究的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑[2]。本文以“促胰液素的發(fā)現(xiàn)”為例，嘗試?yán)肏PS 教學(xué)模式解決生物科學(xué)史教學(xué)中的常見問題。

1 HPS 教學(xué)模式概述

HPS 教育是“科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)”教育的簡稱，HPS 教育堅持真正地、有效地、全面地提高國民的科學(xué)素養(yǎng)的價值取向，提倡從科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)視角理解科學(xué)，篩選、編排和融入HPS 的教育內(nèi)容，倡導(dǎo)構(gòu)建與對話的教學(xué)模式[2]。HPS 教學(xué)模式主要包括以下6個程序：提出問題、引出觀念、學(xué)習(xí)歷史、設(shè)計實驗、呈現(xiàn)科學(xué)觀念和實驗檢驗、總結(jié)與評價。

2 HPS 教學(xué)模式的課堂實踐

2.1 創(chuàng)設(shè)情境，提出探究問題 教師活動：出示話梅，讓學(xué)生說出口腔內(nèi)的變化，并解釋該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。學(xué)生回答后，設(shè)疑：唾液腺的分泌受神經(jīng)調(diào)節(jié)，其他消化腺的分泌是否也受神經(jīng)調(diào)節(jié)？

材料1：1850年，法國生理學(xué)家克勞·伯爾納發(fā)現(xiàn)酸性食糜進入小腸會引起胰液分泌的現(xiàn)象。設(shè)疑：酸性食糜進入小腸，胰腺如何獲得信息？學(xué)生思考、討論教師的設(shè)疑。

由話梅引起唾液分泌，既復(fù)習(xí)回顧了神經(jīng)調(diào)節(jié)，又引出學(xué)生對其他消化腺的分泌調(diào)節(jié)方式的思考，起到了承上啟下的作用。此外，創(chuàng)設(shè)話梅和科學(xué)史情境可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科學(xué)探究欲望。

2.2 頭腦風(fēng)暴，引出學(xué)生觀點 教師鼓勵學(xué)生大膽猜想胰腺如何獲取信息？并通過追問不斷引發(fā)學(xué)生深入思考。追問：有無其他信息種類和傳遞方式？如有，信號來源是什么？以何種途徑傳遞信息？學(xué)生活動：根據(jù)已學(xué)知識，提出假說并給予圖示。

假說1：胰腺的分泌調(diào)節(jié)是神經(jīng)調(diào)節(jié)，酸性食糜刺激小腸，小腸處的神經(jīng)產(chǎn)生興奮，通過反射弧傳至胰腺，胰腺分泌胰液，該過程主要依靠電信號的方式傳遞信息。

假說2：胰腺的分泌調(diào)節(jié)是化學(xué)物質(zhì)調(diào)節(jié)，這種化學(xué)物質(zhì)是鹽酸，胃液中的鹽酸隨食糜進入小腸后通過血液循環(huán)運輸?shù)揭认?，刺激胰腺分泌胰液?/p>

通過提出假說解釋胰液分泌調(diào)節(jié)的過程，培養(yǎng)學(xué)生提出假說的能力；通過作圖描述假說內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建“概念圖”模型的能力。

2.3 學(xué)習(xí)歷史，走進科學(xué)實踐 教師展示19世紀(jì)末科學(xué)界關(guān)于消化現(xiàn)象的研究觀點，肯定學(xué)生提出的假說。

材料2：以巴甫洛夫為代表的主流權(quán)威關(guān)于胰腺分泌調(diào)節(jié)的觀點，胃酸刺激小腸的神經(jīng)，通過神經(jīng)調(diào)節(jié)使胰液分泌。

材料3：斯塔林和貝里斯提出新的觀點，酸性食糜進入小腸，某種化學(xué)物質(zhì)從小腸處通過血液循環(huán)運輸?shù)揭认?，促進胰液的分泌。

學(xué)生對比自己的假說與科學(xué)家的觀點，通過對比，樹立科學(xué)探究的信心，同時理解科學(xué)的發(fā)展需要不畏權(quán)威、敢于質(zhì)疑，通過不同觀點的交鋒螺旋上升。

2.4 科學(xué)探究，培養(yǎng)科學(xué)思維 教師設(shè)置問題串引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗證明假說，并對實驗方案進行點評。

問題串1：能否給予小腸處的神經(jīng)直接刺激進行證明？若不能，是否可利用反證法證明？

問題串2：化學(xué)物質(zhì)是否為稀鹽酸？如何證明？如果是其他物質(zhì)，如何獲取并證明？（提示：在酶的發(fā)現(xiàn)過程中，德國化學(xué)家畢希納將酵母菌細胞研磨獲取釀酶）

常見方案1：利用電流表測量與胰腺連接的傳出神經(jīng)在刺激小腸后是否產(chǎn)生電流？若產(chǎn)生電流，則為神經(jīng)調(diào)節(jié)。教師指出狗的神經(jīng)纖維較細，操作較困難。

常見方案2：切斷血管并給予鹽酸刺激，若胰腺不分泌胰液，則可證明胰液的分泌與化學(xué)信號通過血液運輸有關(guān)。教師指出切斷血管會導(dǎo)致狗的組織、器官衰竭甚至死亡，實驗無法繼續(xù)進行。

教師歸納提煉探究活動中的2 種思維方式：

①“+”法思維：加入研究對象，觀察結(jié)果，從而判斷研究對象的功能。例如，向狗的血液中注射某化學(xué)物質(zhì)，觀察胰腺是否分泌胰液？從而判斷該化學(xué)物質(zhì)與胰液的分泌關(guān)系。

②“-”法思維：去除研究對象，觀察結(jié)果，從而判斷研究對象的功能。例如，切除狗小腸的神經(jīng)，再給予小腸稀鹽酸刺激，觀察胰腺是否分泌胰液？從而判斷神經(jīng)調(diào)節(jié)與胰液的分泌關(guān)系。

學(xué)生設(shè)計實驗，作出預(yù)期。

通過問題串及指導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計能力，提高學(xué)生思維的縝密性。通過對實驗探究中思維方法的歸納提煉，深入發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

2.5 實驗檢驗，呈現(xiàn)科學(xué)觀念 教師按時間順序展示科學(xué)家實驗及結(jié)果。

材料4：巴甫洛夫及學(xué)生的實驗。①刺激迷走神經(jīng)和內(nèi)臟大神經(jīng)，均能引起胰液分泌；②切除迷走神經(jīng)和內(nèi)臟大神經(jīng)后，鹽酸刺激小腸，胰腺仍然產(chǎn)生胰液。

材料5：沃泰默實驗。①將稀鹽酸注入至小腸上段，引起胰液的分泌；②將稀鹽酸直接注入至狗的血液中，不引起胰液的分泌；③切除通向該段小腸的神經(jīng)，只留下血管，再向小腸內(nèi)注入稀鹽酸時，發(fā)現(xiàn)仍能促進胰液分泌。

材料6：斯他林和貝里斯實驗。剪下狗的一段小腸，刮下黏膜，將黏膜與稀鹽酸混合，并加沙子磨碎后制成提取液。將提取液注射至同一條狗的靜脈中，發(fā)現(xiàn)能促進胰腺分泌胰液。

提問：對比3 組實驗，可得出什么結(jié)論？能否得出胰液的分泌與神經(jīng)調(diào)節(jié)無關(guān)？

材料7：科學(xué)家后來發(fā)現(xiàn)沃泰默切除小腸神經(jīng)，胰腺分泌的胰液少于不去除小腸神經(jīng)時。

提問：這一現(xiàn)象說明什么？歸納總結(jié)胰液的分泌調(diào)節(jié)。

學(xué)生分析材料4～6 中科學(xué)家的實驗及結(jié)果，得出胰液的分泌是由鹽酸刺激小腸產(chǎn)生的某種化學(xué)物質(zhì)通過血液運輸作用于胰腺引起的，但無法判斷與神經(jīng)調(diào)節(jié)的關(guān)系。根據(jù)材料7，可知胰液的分泌也受神經(jīng)調(diào)節(jié)，但以化學(xué)物質(zhì)的調(diào)節(jié)為主。學(xué)生通過分析實驗結(jié)果，自主構(gòu)建胰液分泌調(diào)節(jié)的過程，以此形成激素調(diào)節(jié)的概念，并培養(yǎng)批判性思維。

2.6 總結(jié)評價，理解科學(xué)本質(zhì) 教師再次展示科學(xué)史材料。

材料8：沃泰默在做完實驗后，并沒有得出胰液的分泌與神經(jīng)調(diào)節(jié)無關(guān)，他反而認為是小腸黏膜上的神經(jīng)難以剔除干凈，是一個頑固的神經(jīng)反射。

材料9：貝里斯和斯塔林根據(jù)沃泰默的發(fā)現(xiàn)，提出新的假說，并通過實驗進行驗證，最終發(fā)現(xiàn)促胰液素。

材料10：當(dāng)時研究消化的權(quán)威科學(xué)家，也是神經(jīng)調(diào)節(jié)堅定的擁護者巴甫洛夫，在重復(fù)了貝里斯和斯塔林的實驗后，一言不發(fā)地走出實驗室回到書房，過了半小時后，他又回到了實驗室，深表遺憾地說：“自然是對的。很明顯，我們失去了一個發(fā)現(xiàn)真理的機會。”

提問：這段科學(xué)史故事對你有何啟發(fā)？

學(xué)生分析材料，討論后得出：科學(xué)家應(yīng)具有不畏權(quán)威、敢于質(zhì)疑、善于探究的科學(xué)精神，科學(xué)知識是不斷發(fā)展的，科學(xué)家同常人一樣也會犯錯，科學(xué)的發(fā)展受到社會和歷史環(huán)境的影響。

通過分析科學(xué)家的故事，學(xué)生從多角度理解科學(xué)的本質(zhì)，發(fā)展科學(xué)素養(yǎng)。

3 HPS 教學(xué)模式的實踐反思

HPS 教學(xué)模式的優(yōu)點體現(xiàn)在以下3 個方面：①學(xué)生以科學(xué)史為載體，利用其中的科學(xué)探究過程，發(fā)現(xiàn)激素調(diào)節(jié)，自主構(gòu)建激素調(diào)節(jié)的概念。②學(xué)生親歷發(fā)現(xiàn)問題，作出猜想（提出假說），設(shè)計實驗等科學(xué)探究過程，獲取胰液分泌調(diào)節(jié)的知識，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。③學(xué)生對科學(xué)史的評價，不僅關(guān)注科學(xué)探究中的艱辛，還領(lǐng)悟到科學(xué)知識具有暫時性，科學(xué)依賴實驗證據(jù)，科學(xué)觀點受到社會和歷史的影響等科學(xué)哲學(xué)思想，深入理解科學(xué)本質(zhì)。

根據(jù)HPS 教學(xué)模式的程序，在學(xué)習(xí)歷史環(huán)節(jié)需向?qū)W生展示科學(xué)史。此時若將科學(xué)史中有關(guān)科學(xué)家的觀點、實驗過程和結(jié)論等全部展示，不利于后面學(xué)生開展實驗設(shè)計、結(jié)果檢驗、觀念構(gòu)建、科學(xué)史評價等活動。因此，教學(xué)時可將科學(xué)史內(nèi)容剖開，按照需求逐層分批展示，例如，引入時，展現(xiàn)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的消化現(xiàn)象，讓學(xué)生提出假說進行解釋，再展示科學(xué)家的不同觀點，讓學(xué)生進行對比；學(xué)生設(shè)計實驗證明假說后，繼續(xù)展示科學(xué)家的探究實驗過程，作為學(xué)生實驗設(shè)計的檢驗，并利用科學(xué)家探究的實驗結(jié)果，作為驗證不同觀點的證據(jù)；最后，展示科學(xué)家的故事和時代背景，讓學(xué)生進行評價。逐層分批展示科學(xué)史是根據(jù)教學(xué)需要，從科學(xué)史中選取科學(xué)家的不同觀點、實驗設(shè)計、時代背景等有序展示，這樣可避免因同時展示影響學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展和對科學(xué)史的評價，充分發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。