基于生物學學科核心素養(yǎng)的HPS材料分析
——以選擇性必修模塊為例

趙婷婷

學科核心素養(yǎng)是立德樹人根本任務的具體體現，為各學科所關注[1][2]。生物學學科核心素養(yǎng)包括“生命觀念”、“科學思維”、“科學探究”和“社會責任”，要在教學中對其進行落實，需要教師深入挖掘教學內容。HPS（History，Philosophy and Sociology of Science，即科學史、科學哲學和科學社會學）材料是滲透核心素養(yǎng)的良好素材，筆者先前曾針對《分子與細胞》和《遺傳與進化》模塊人教版教材中的HPS材料進行梳理，發(fā)現教材中的多數材料都有多維度的教育價值[3]17[4]。目前，選擇性必修的3個模塊的新教材也已經開始投入使用。本文對其中的HPS材料進行分析，剖析其所屬HPS維度[3]20與其蘊涵的生物學學科核心素養(yǎng)教育價值，并對新舊版本教材中的變化進行說明，以期為廣大中學教師使用新教材進行基于學科核心素養(yǎng)的教學提供思路。

一、人教版選擇性必修教材所含HPS材料分析

（一）選擇性必修1《穩(wěn)態(tài)與調節(jié)》材料分析[5]

1.許智宏院士訪談

許智宏院士是植物發(fā)育及植物細胞工程方面的專家，但他的訪談并未局限于植物學研究領域，包含內容非常豐富，值得教師深刻挖掘并引導學生加以注意。許院士的訪談內容涉及到的知識包括細胞全能性、植物組織培養(yǎng)、植物原生質體、細胞分裂、植物激素及其作用、生物體內不同水平的反饋調節(jié)、動植物發(fā)育、動植物對環(huán)境的適應方式、生物多樣性，等等。這些知識在訪談中是融為一體的，彼此聯系非常緊密，對學生形成系統性觀念非常有幫助，體現了核心素養(yǎng)的“生命觀念”維度。許院士還介紹了自己研究時的一些經驗，體現了核心素養(yǎng)的“科學思維”與“科學探究”維度。關于了解生命活動調節(jié)原理對指導生產、生活有什么意義，許院士以香蕉滯銷問題為例，很好地說明了理解生物學知識對社會生產與生活的重要性，體現了核心素養(yǎng)的“社會責任”維度。該材料主要涉及科學社會學范疇。

2.穩(wěn)態(tài)

穩(wěn)態(tài)概念是現代生理學的指導思想與理論基礎，對理解其他生命系統層次的穩(wěn)定性也有著重要啟示作用，是生命科學基本概念之一。新教材將穩(wěn)態(tài)概念的提出從“科學史話”欄目提到了正文，將穩(wěn)態(tài)概念的發(fā)展放到了正文后的小字部分，并對不同生命系統水平的穩(wěn)態(tài)作了更詳實的介紹。另外，教材還在正文部分介紹了人類對內環(huán)境穩(wěn)態(tài)調節(jié)機制認識深化的歷程。該材料屬于科學史范疇，同時，這種學科思想的變化也屬于科學哲學范疇。學生如果可以深刻領會穩(wěn)態(tài)思想，將有助于生物學學科思想體系的建立，體現核心素養(yǎng)的“生命觀念”維度。教師應帶領學生回顧分子與細胞水平的穩(wěn)態(tài)調節(jié)問題，并在帶領學生學習選擇性必修2《生物與環(huán)境》的群體穩(wěn)態(tài)相關章節(jié)時注意回顧穩(wěn)態(tài)概念。

3.腦新生神經元

在新增的“神經調節(jié)的結構基礎”一節(jié)中，教材于“生物科技進展”欄目介紹了科學家對高等動物成年后腦細胞（主要指神經元）是否會增加的認識的發(fā)展變化。該材料對HPS三個維度均有所體現：材料本身屬于科學史范疇，其反映“科學知識可能隨著研究的深入而改變”這一科學本質，屬于科學哲學范疇，涉及到的醫(yī)療方面的前景則屬于科學社會學范疇。學生學習該材料，可以加深對生命活動調節(jié)復雜性的認識，體現核心素養(yǎng)的“生命觀念”維度；了解模式生物在研究中的重要作用，體現核心素養(yǎng)的“科學探究”維度；認識到生命科學前沿研究對醫(yī)療手段的潛在影響，體現核心素養(yǎng)的“社會責任”維度。

4.生物電的發(fā)現

在“神經沖動的產生和傳導”一節(jié)，教材于“生物科學史話”欄目新增了“生物電的發(fā)現”這一材料，介紹了電生理學發(fā)展史上圍繞生物電是否存在而展開的著名論戰(zhàn)，并介紹了研究手段更新對科學研究發(fā)展的重要作用。該材料除屬于科學史范疇外，還涉及到科學研究的發(fā)展與深化，體現科學本質，屬于科學哲學范疇；其反映出的學術爭鳴推動科學發(fā)展以及研究手段與實驗材料對科學突破的重要性，則屬于科學社會學范疇。教材對材料中蘊涵的關于科學研究的啟示作了非常精準的闡述，給出了詳實的論證，特別有助于學生理解核心素養(yǎng)的“科學探究”維度。另外，伏特和伽爾伐尼為證明自己的觀點，分別設計了精巧的實驗：伏特去掉了實驗中的生物，證明不同金屬間存在電位差，發(fā)明了世界上第一個電池，開創(chuàng)了重要的研究領域；伽爾伐尼去掉了實驗中金屬，有力地證明了生物電確實存在，開創(chuàng)了電生理學，對醫(yī)學和心理學發(fā)展也有深遠影響。若教師能適當補充素材，帶領學生深刻理解相關研究，會對核心素養(yǎng)中“科學思維”與“社會責任”的發(fā)展均有所幫助。

5.中國腦計劃

在“神經系統的分級調節(jié)”一節(jié)，教材介紹了“中國腦計劃”項目。舊版教材曾談及“人類腦計劃”研究項目，中國是加入該研究的第20個國家。如今，中國在生命科學研究領域已經取得了長足進步，設立了未來十五年內在腦科學等前沿領域取得國際領先成果的目標。該材料主要屬于科學社會學范疇。材料中分析腦研究需要繪制的三種圖譜，對學生理解細胞與大腦活動的關系很有幫助，同時對克隆猴技術與腦科學研究的關系的分析也有利于學生認識到不同知識之間的密切聯系，有助于“生命觀念”的形成。材料分析了研究方法與實驗材料和工具對科學發(fā)展的作用，能夠幫助學生加深對科學研究的認識，體現核心素養(yǎng)的“科學探究”維度。另外，該材料也是進行愛國主義教育的良好素材，有利于激發(fā)學生的國家自豪感，增強社會責任感。

6.促胰液素的發(fā)現

促胰液素的發(fā)現是通過科學史上的實驗來學習知識的又一實例，屬于科學史范疇，對同一實驗結果的不同分析體現了“觀察滲透理論”，屬于科學哲學范疇。學生在分析實驗時，能夠領會科學家的研究思路，在學情允許的情況下，教師可以引導學生在有提示的情況下自行設計實驗或對不完整的實驗方法進行補充完善，從而增強科學探究能力。同時該材料也有助于學生的概念建構，體現了“生命觀念”、“科學思維”與“科學探究”等多個核心素養(yǎng)維度。需要注意的是，消化受神經調節(jié)實際上在當時也是較新的觀點。胃酸分泌由神經調節(jié)是巴甫洛夫發(fā)現的，他因此獲得了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。胰腺分泌胰液也是受神經調節(jié)的，只不過該過程的主要調控方式是體液調節(jié)。教師需要交代清楚，防止學生產生誤解。

7.研究激素的方法

在“激素與內分泌系統”一節(jié)，教材新增了兩則關于激素研究方法的科學史材料，主要詳細介紹了胰島素的發(fā)現史。與所有歷時較久的研究一致，該材料對HPS的三個維度均有所體現，特別是班廷的研究，涉及到了查閱前人文獻在科研中的重要作用和跨學科合作對解決問題的幫助，值得同學們注意。在核心素養(yǎng)方面，該材料主要涉及科學研究方法，體現“科學思維”與“科學探究”維度，同時由于胰島素在治療糖尿病方面的重要作用，該材料也可以用于引導學生關注生物學知識在現實生活中的應用，體現“社會責任”維度。材料中給出的實驗是良好的情境，教師應利用好此材料，帶領學生分析科學家的研究思路，一方面將必修模塊中學到的研究方法遷移應用到該情境中，另一方面也為未來于其他情境中解決問題鍛煉探究能力。

8.免疫系統的新發(fā)現

該材料為“免疫系統的組成和功能”節(jié)末的新增材料，介紹了腦部淋巴管的發(fā)現歷程，屬于科學史范疇。同時，由證明鼠腦中淋巴管的存在到證明人腦中淋巴管的存在，反映出科學觀察是有目的的觀察，正如文中所說：“如果你不知道自己想要觀察什么，那么你就錯過它們了”，這屬于科學哲學范疇。學生通過學習該材料，能夠加深對神經—體液—免疫調節(jié)網絡的認識，體現核心素養(yǎng)的“生命觀念”維度；從鼠腦到人腦的類推能夠促進“科學思維”的發(fā)展；了解相關研究歷程有利于領悟“科學探究”；對該發(fā)現的社會意義的分析則對“社會責任”的落實有所幫助。9.植物生長素的發(fā)現

植物生長素的發(fā)現過程是高中生物教材中又一通過多位科學家的實驗展現對某問題的探究歷史的實例，屬于科學史與科學哲學范疇，可用于滲透科學本質。該材料非常適合教師進行思維探究式教學，引導學生分析科學家的實驗，甚至組織學生對實驗進行自主設計，發(fā)展思維能力，能夠體現“生命觀念”、“科學思維”與“科學探究”等多個核心素養(yǎng)維度。

10.赤霉素的發(fā)現

在“其他植物激素”一節(jié)，教材介紹了赤霉素的發(fā)現過程，屬于科學史與科學哲學范疇。教師可以引導學生分析實驗材料，設計類似于“引起水稻患惡苗病的原因是赤霉菌本身還是赤霉菌分泌的物質？”“為什么一定要對濾液中引起惡苗病的物質進行分離？”“科學家們的研究間有什么邏輯關系？”等問題，帶領學生發(fā)展“科學思維”與“科學探究”的核心素養(yǎng)。

（二）選擇性必修2《生物與環(huán)境》材料分析[6]

1.方精云院士訪談

方精云院士是生態(tài)學專家，他的訪談對于學生了解生態(tài)學研究的特點與意義很有幫助，訪談主要涉及的是科學社會學范疇。學生通過學習，能夠理解生態(tài)學研究的重要意義，了解野外工作在生態(tài)學研究中的作用，同時也有利于樹立對利用生態(tài)學知識建設生態(tài)文明的信念。材料體現了核心素養(yǎng)的“科學探究”與“社會責任”維度，其中反映出的方院士刻苦而堅持的研究精神也特別值得同學們學習。

2.高斯的實驗

在“種群數量的變化”與“影響種群數量變化的因素”這兩節(jié)，教材分別介紹了著名生態(tài)學家高斯的兩個重要實驗，從而引出“種群的‘S’形增長”與“種群數量變化受種間競爭影響”等核心概念，屬于科學史范疇。教師可以將這兩個實驗作為學習情境，引導學生分析出現該實驗現象的原因，從而實現知識的自主建構，并加深對數學模型在解決生物學問題方面的作用的認識。該材料的良好應用有利于學生“生命觀念”、“科學思維”與“科學探究”核心素養(yǎng)的發(fā)展。

3.馬世駿

馬世駿院士是我國著名生態(tài)學家，為防治蝗災做出了重大貢獻，并且有著自成體系的生態(tài)學思想，教材呈現的材料屬于科學史范疇，而馬世駿院士從事研究的初衷這段材料屬于科學社會學范疇，他的研究思想等內容材料屬于科學哲學范疇。學生能夠通過學習對生態(tài)觀念加深認識，同時明確生物學知識在解決實際生活中問題的作用，體現核心素養(yǎng)的“生命觀念”與“社會責任”維度。

4.黃石公園滅狼與引狼入園的啟示

20世紀初，美國黃石國家公園內開展了滅狼運動，隨后當地生態(tài)系統由于食物網中頂級捕食者的缺位而發(fā)生惡化。管理者不得不于20世紀末重新引進灰狼，其后黃石公園的生態(tài)系統有所恢復。這一事例在生態(tài)學史上非常有名，充分展現了不尊重生態(tài)規(guī)律的任意妄為會帶來嚴重的后果，能夠幫助學生加深對“生命觀念”和“社會責任”的認識。

5.林德曼

在介紹生態(tài)系統能量流動特點時，教材呈現了林德曼的研究數據，屬于科學史材料。該材料能夠帶領學生通過數據分析能量流動的特點，而且是科學史上的經典研究，為學生提供了學習情境。教師可以引導學生先通過數據自己進行分析，然后再與科學家的理論相印證，從而構建概念，加深認識，體現核心素養(yǎng)的“生命觀念”與“科學思維”維度。

6.生態(tài)系統信息傳遞

教材在本節(jié)介紹了幾則科學史材料，展示了科學家在蜜蜂舞蹈、昆蟲信息素和植物所釋放的化學物質方面的研究。材料有助于學生加深對信息傳遞作用的認識，體現核心素養(yǎng)的“生命觀念”維度。另外，教材開頭所說的研究蜜蜂的科學家應是指卡爾·馮·弗里希，他是行為生態(tài)學的奠基者之一，于1973年獲諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。他出生于奧地利，逝世于德國，并不是教材所說的荷蘭科學家。1967年也不是他首次發(fā)現蜜蜂舞蹈的時間，而是綜合總結相關研究成果的著作出版的年份，希望教材下一輪修訂時加以考慮。

（三）選擇性必修3《生物技術與工程》材料分析[7]

1.楊煥明院士訪談

舊版必修2教材開頭曾經呈現過對楊煥明院士的訪談，側重對基因相關問題的分析。同時舊版選修3教材開頭是楊院士的一篇寄語，帶領同學們學習生物科技。而新版選擇性必修3教材的編寫人員再次對楊院士進行了訪談，側重點為生物技術與工程方面，相比寄語顯得更為親切，內容也更為豐富。楊院士介紹了中國科技的發(fā)展，也對學生學習生物技術與工程給出了建議。材料屬于科學史與科學社會學范疇，主要體現核心素養(yǎng)的“社會責任”維度，其對生命科學系統性的分析也能體現“生命觀念”的維度。

2.從傳統發(fā)酵技術到發(fā)酵工程

選擇性必修模塊的前三章均在章首呈現了相關科學技術探究歷程，這一設計在舊版教材中也存在，但新版教材以時間為線索，呈現得更清楚，且增加了相關圖片，更利于學生學習。如“發(fā)酵工程”章首呈現了人類圍繞微生物發(fā)酵的探索之路，材料同時體現科學史與科學社會學。教師可以利用材料引導學生回顧酶、細胞呼吸、基因突變等核心概念，也可以為后續(xù)基因工程的學習做好鋪墊，展現不同知識間的聯系，體現核心素養(yǎng)的“生命觀念”維度。同時，材料反映出生物學在現實生活中具有重要的應用價值，能夠激發(fā)學生利用生物學知識解決現實問題的信念，體現核心素養(yǎng)的“社會責任”維度。

3.耐高溫DNA聚合酶的發(fā)現

耐高溫DNA聚合酶的發(fā)現是PCR技術得以廣泛使用的基礎。教材在“微生物的培養(yǎng)技術及應用”和“基因工程的基本操作程序”兩節(jié)分別談及了相應的內容，前者側重于選擇培養(yǎng)基的應用，后者側重于中國科學家錢嘉韻的貢獻。教師教學時可以對這幾部分內容進行整合，引導學生理解不同微生物的差異、酶的特性、發(fā)酵工程與基因工程間的關系、不同學者研究間的相互作用等內容，并加強愛國主義教育。材料屬于科學史與科學社會學范疇，體現核心素養(yǎng)的“生命觀念”、“科學探究”與“社會責任”等維度。

4.細胞工程的發(fā)展歷程

與發(fā)酵工程類似，“細胞工程”一章開頭同樣介紹了相關發(fā)展歷程，屬于科學史與科學社會學范疇。同時，教材后續(xù)內容中還更細致地介紹了上述材料中涉及到的誘導多能干細胞、單克隆抗體、胚胎分割等相關問題的發(fā)展歷史。教師可以引導學生加深對細胞相關核心概念的理解，從而使學生更深刻地認識到細胞作為生命系統的重要意義，并感受不同分支學科間的系統整合性，體現核心素養(yǎng)的“生命觀念”維度。學生還可以通過學習相關內容，分析科學家的研究思路，了解我國科研工作者取得的研究進展，并感受生物學知識在醫(yī)療方面的作用，發(fā)展“科學思維”，增強“社會責任”。

5.基因工程的誕生和發(fā)展

在“基因工程”一章開頭，教材梳理了相關基礎理論與技術的發(fā)展，并對科學、技術、工程和社會的相互關系作了系統闡釋，屬于科學史與科學社會學范疇。其中的一些內容學生在必修2模塊已經學習過，而本章能使他們認識到這些理論知識對技術應用的作用，也利于他們更好地理解與基因工程相關的生物技術。材料有助于學生加深對基因相關核心概念的理解，也能引導他們思考科學、技術、工程和社會間的關系，體現核心素養(yǎng)的“生命觀念”與“社會責任”維度。

（四）維度整理

由表1可見，人教版選擇性必修3個模塊教材中共有21則HPS材料，其中選擇性必修1、2、3模塊分別占10則、6則與5則。在這些材料中，體現科學史內容的有18則，體現科學哲學的有9則，主要分布于選擇性必修1模塊。體現科學社會學的有12則，其中選擇性必修3的5則材料均對該維度有所體現。所有材料中，只體現一個HPS維度的材料有7則，其中選擇性必修2中占了5則，而其他模塊中的材料基本都屬于多個維度的范疇。

表1.人教版生物教材選擇性必修模塊HPS材料所屬HPS范疇與核心素養(yǎng)維度分析

生物學學科核心素養(yǎng)維度方面，21則材料中，體現“生命觀念”核心素養(yǎng)的有17則，體現“科學思維”核心素養(yǎng)的有10則，體現“科學探究”核心素養(yǎng)的有12則，體現“社會責任”核心素養(yǎng)的有14則。除兩則材料外，均可體現多方面的核心素養(yǎng)，充分體現了HPS材料的多重教育價值，特別是選擇性必修1模塊對此體現最為明顯，值得教師對其深刻挖掘。

二、總結與建議

選擇性必修的3個模塊均具有一定的HPS材料，其中選擇性必修1模塊所包含的材料數量最多，并具有多個維度的生物學學科核心素養(yǎng)教育價值，教師應充分發(fā)揮其價值；選擇性必修2模塊所包含的材料相對較少，體現維度也相對單一，但是對于學生理解生態(tài)學思想和生態(tài)工程的指導方針非常有幫助，教師也應加以利用；選擇性必修3模塊內的HPS材料主要呈現于章首，所占篇幅不多，但包含的內容非常豐富，特別有助于學生形成完整的學科思想脈絡，在教學中不應忽略?？傊?，與兩個必修模塊相似，選擇性必修模塊中的HPS材料也是教學中應當加以分析與利用的良好素材。

本文所梳理的材料出自教材正文與一些固定欄目。除此之外，課后練習中其實也含有HPS材料：如選擇性必修1第四章第4節(jié)涉及到了顧方舟對脊髓灰質炎活疫苗的研究和巴斯德對狂犬病疫苗的研發(fā)，選擇性必修3第二章第2節(jié)從多莉的死亡導入，引導學生調查克隆動物相關問題。這些材料作為情境出現于習題中，也是良好的學習材料。也有的HPS材料是內隱于正文中的，如“條件反射”出自巴甫洛夫的研究，而教材并未指出這一點，教師可以酌情處理，需要時可以介紹給學生。

綜上所述，選擇性必修模塊中通過明示與暗示，展現了許多HPS材料，它們是滲透核心素養(yǎng)教育的良好抓手。教師應加深對科學史、科學哲學與科學社會學的了解，從促進核心概念建構、學科思想形成、科學本質理解、核心素養(yǎng)發(fā)展的角度入手，思考如何在教學中用好這些HPS材料。教師應注意最終目標是學生生物學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展，既要立足于生物學，將科學史材料作為學生學習生物學知識的情境材料而不是需要背誦的具體史實，又要致力于多個維度核心素養(yǎng)的體現，展現科學家研究中涉及的豐富內涵，而不是僅停留于知識的呈現。只要能依照上述原則進行思考，相信廣大教師一定可以用好HPS材料，充分發(fā)揮其豐富的教育價值。