以HPS教育的簡史型視角構(gòu)建初中科學(xué)復(fù)習(xí)課模式
——以“植物的有性生殖”為例

蔡呈騰

（溫州市第二外國語學(xué)校 浙江溫州 325000）

HPS是“科學(xué)史（History of Science）、科學(xué)哲學(xué)（Philosophy of Science）和科學(xué)社會學(xué)（Sociology of Science）”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)的教育價值取向，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)建構(gòu)與對話的教學(xué)模式。筆者在開發(fā)復(fù)習(xí)課的HPS教育課程內(nèi)容時，構(gòu)建了簡史型的復(fù)習(xí)課模型：以某個自然現(xiàn)象（或規(guī)律）的人類探索史作為復(fù)習(xí)課的主要框架內(nèi)容，梳理該自然現(xiàn)象（或規(guī)律）在科學(xué)史上演進的路線，以時間為軸，突顯發(fā)現(xiàn)過程中的內(nèi)在邏輯，體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)特征。以“植物的有性生殖”為探索對象的簡史型復(fù)習(xí)課的具體框架見表1。

表1 以HPS教育的簡史型視角建構(gòu)初中科學(xué)復(fù)習(xí)課模式框架

從科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)制定本節(jié)復(fù)習(xí)的教學(xué)目標(biāo)如下：

①通過自主構(gòu)建概念圖表達植物從花到果實的發(fā)育過程，理解被子植物生長發(fā)育的特征，形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀念。

②通過創(chuàng)設(shè)與科學(xué)史相匹配的真實情境，基于表觀證據(jù)來推測與論證植物存在性別，結(jié)果需要傳粉、受精和發(fā)育等過程；基于探究實踐進行實驗方案設(shè)計來說明植物的生殖過程。

③以問題、證據(jù)、解釋、交流等要素完成小組合作下的“植物花粉是結(jié)果的必要條件”的實驗方案設(shè)計，完成“花粉不僅起刺激作用”的實驗設(shè)計思想。

④從古希臘和古中國開始到19世紀(jì)雙受精現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，探索人類在研究植物性別、生殖中的重要歷程，重構(gòu)植物有性生殖知識體系，重走科學(xué)家探索之路，體驗科學(xué)是不斷否定、迭代、完善的過程，科學(xué)與技術(shù)相輔相成，相互促進。

1 HPS教育的簡史型復(fù)習(xí)課的課程內(nèi)容

以“植物有性生殖”為課程內(nèi)容的簡史型復(fù)習(xí)課將人類對植物有性生殖探索歷程作一個全面的梳理，探索歷程按照科學(xué)發(fā)展的不同“范式”，總結(jié)成如下三個時代。

1.1 經(jīng)驗總結(jié)時代

古代有對植物有性生殖現(xiàn)象進行觀察，并進行簡單的邏輯分析與推理，但很少進行實證論證。

（1）從“文化自信”“立德樹人”等角度選材：

①東漢農(nóng)學(xué)家崔寔在《四民月令》中記載，長成雄株的種子和長成雌株的種子在顏色或形狀上存在區(qū)別。

②北魏農(nóng)學(xué)家賈思勰發(fā)現(xiàn)，要使甜瓜多開雌花多結(jié)瓜的方法是搭起支架。

（2）從對植物有性生殖研究主線角度選材：

狄奧弗拉斯圖（Theophrastos）發(fā)現(xiàn)，用不結(jié)果實的棗椰樹花粉給結(jié)果實的樹授粉才能結(jié)出果實。

1.2 實驗探索時代

復(fù)習(xí)課不可能全部羅列出科學(xué)史上所有研究植物有性生殖的實驗，但可選取適合開發(fā)成課堂實踐活動的實驗。

（1）1682年，英國植物學(xué)家格魯（Nehemiah Grew）解剖花，并用顯微鏡觀察花的結(jié)構(gòu)。他認(rèn)為，只有花粉粒落到柱頭上才能形成果實和種子；在花中有產(chǎn)生精子的部分，其中有相當(dāng)于動物精子的小球，能使相當(dāng)于卵巢的部分發(fā)育受孕。

（2）1694年，德國植物學(xué)家卡梅拉里烏斯（Rudolf Jakob Camerarius）發(fā)現(xiàn)，附近沒有雄株的雌性桑樹所產(chǎn)生的果實只含有不成熟的種子，受此啟發(fā)做了系列實驗：①把長花粉、不結(jié)果實的桑樹（雄桑樹）與結(jié)果實、不長花粉的桑樹（雌桑樹）隔離開。結(jié)果實的桑樹雖然結(jié)實，但果實中沒有一粒種子。②換用野靛做上述實驗，結(jié)果相同。③把玉米的雄蕊切掉，發(fā)現(xiàn)一粒種子也不結(jié)?？防餅跛拐J(rèn)為種子的產(chǎn)生是植物維持種族的普遍特性，除非有花藥參加，否則不可能事先在子房內(nèi)準(zhǔn)備好幼小的植物，花藥具有雄性生殖器官的作用，而子房和花柱則是雌性生殖器官。

（3）進入18世紀(jì)，人們承認(rèn)植物種子的形成需要花粉，但普遍認(rèn)為花粉只對種子的形成起刺激作用。法國植物學(xué)家凱爾路特（Joseph GottliebKolreuter）用紅花窄葉的雄株與黃花寬葉的雌株煙草做雜交實驗。結(jié)果表明，后代中出現(xiàn)了紅花寬葉和黃花窄葉的植株，說明它們分別遺傳了父本和母本的性狀，說明花粉不只是對柱頭起刺激作用。

1.3 質(zhì)疑論證時代

19世紀(jì)在揭示植物有性生殖的本質(zhì)特征時，出現(xiàn)了觀點沖突與爭論。

（1）意大利人阿米西（Giovanni Battista Amici）用自制顯微鏡觀察馬齒莧的柱頭時，發(fā)現(xiàn)花粉粒附著在柱頭上。

（2）法國人布隆尼亞（Adolphe-Théodore Brongniart）發(fā)現(xiàn)花粉管穿入柱頭后沿花柱下行進入子房內(nèi)的胚珠中。

（3）德國人施萊登（Matthias Jakob Schleiden）認(rèn)為，胚囊僅僅只是一個“孵卵器”，與胚的形成無關(guān)，胚是由花粉管形成的，這是否認(rèn)了植物存在有性生殖。這種觀點被阿米西通過實驗所否定。阿米西發(fā)現(xiàn)，在花粉管進入胚囊之前已經(jīng)有“胚泡”存在，但沒有發(fā)育成胚；由于花粉管的“刺激”，“胚泡”才發(fā)育成胚。

（4）1849年，德國人霍夫邁斯特（WilliamHofmeister）證明胚不是由花粉管形成的，而是由一個已存在于胚囊中的細(xì)胞形成的。在隨后的幾十年中，植物學(xué)家們陸陸續(xù)續(xù)發(fā)現(xiàn)，花粉粒中有一個生殖核和一個營養(yǎng)核，花粉萌發(fā)形成花粉管時，生殖核進一步分裂成兩個精子，且其中一個精子與卵結(jié)合成受精卵。這樣，施萊登及其擁躉們不得不放棄原有的觀點。

（5）1893年，俄國人納瓦興（S.G.Nawaschin）發(fā)現(xiàn)，植物花粉管中的兩個精子都發(fā)生受精現(xiàn)象，一個精子與卵結(jié)合形成受精卵，另一個精子與兩個極核結(jié)合形成受精極核，這就是被子植物的雙受精現(xiàn)象。

2 HPS教育的簡史型復(fù)習(xí)課的教學(xué)模式

人類探索植物生殖的歷程是一個從“經(jīng)驗總結(jié)”到“實驗探索”再到“質(zhì)疑論證”的過程，這個過程也是復(fù)習(xí)課的主要框架。為推進植物生殖探索歷程，教師還需要將本節(jié)復(fù)習(xí)的知識“植物的生殖”進行重構(gòu)。整個教學(xué)就按照圖1所示的流程展開。

圖1 HPS教育的簡史型復(fù)習(xí)課的教學(xué)流程示意圖

2.1 知識結(jié)構(gòu)下的溫故知新

本節(jié)課復(fù)習(xí)浙教版科學(xué)七年級下冊第二章第五節(jié)“植物的一生”，在沿著科學(xué)家足跡重構(gòu)“發(fā)現(xiàn)植物有性生殖”時，需要應(yīng)用植物生殖的知識。故此，以構(gòu)建被子植物生殖“概念圖”的方式呈現(xiàn)知識，以求提綱挈領(lǐng)，溫舊知新。

教師要求學(xué)生完成填寫花蕊、種子、幼苗的結(jié)構(gòu)關(guān)系圖（圖2）。

圖2 植物花蕊、種子、幼苗的結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

2.2 經(jīng)驗總結(jié)下的推理歸納

以HPS教育的簡史型視角構(gòu)建復(fù)習(xí)課模式，教師需要將科學(xué)史上的科學(xué)事件轉(zhuǎn)化為課堂活動，使學(xué)生“在場”，從而進行經(jīng)驗總結(jié)。為此，課堂上創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生體驗科學(xué)家曾經(jīng)經(jīng)歷的發(fā)現(xiàn)：如果你生活在東漢或北魏時代，當(dāng)觀察到什么樣的現(xiàn)象，致使你會認(rèn)為大麻結(jié)子（或甜瓜結(jié)果）需要雄蕊？

這個問題是為了培養(yǎng)學(xué)生的舉證能力，即根據(jù)結(jié)論來反推證據(jù)；同時復(fù)習(xí)雌雄異株、雌雄同株植物，以及單性花、兩性花。基于學(xué)生舉證下的“生成”，學(xué)生可能描述昆蟲傳粉的場景，教師引入狄奧弗拉斯圖關(guān)于棗椰樹授粉的記錄，引導(dǎo)學(xué)生對比中國古代的“證據(jù)”和古希臘的記錄。

2.3 探究實驗下的創(chuàng)造設(shè)計

課堂上不是“教實驗”，或“展示科學(xué)家做過的實驗”，而是將實驗轉(zhuǎn)化為學(xué)生的探究實踐，讓學(xué)生與科學(xué)家一樣設(shè)計方案并解決問題。教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗方案證實格魯?shù)挠^點：1682年，英國植物學(xué)家格魯解剖花的結(jié)構(gòu)，并通過顯微鏡觀察到，花中有產(chǎn)生精子的部分，其中有相當(dāng)于動物精子的小球，能使相當(dāng)于卵巢的部分發(fā)育受孕。他認(rèn)為，只有花粉粒落到柱頭上才能形成果實和種子。備選植株：桑（單性花，雌雄異株）、玉米（單性花，雌雄同株）、桃（兩性花）。

此方案的設(shè)計既是課堂探究實踐活動，也是科學(xué)史上真實事件在課堂中的再現(xiàn)。課堂上，學(xué)生通過評價與交流呈現(xiàn)每小組的探究方案，并與卡梅拉里烏斯的實驗進行對比，以此增強對科學(xué)探究的感悟和體驗。

雖然卡梅拉里烏斯的系列實驗?zāi)苷f明花粉在植物生殖中不可或缺，但當(dāng)時普遍認(rèn)為花粉只對種子的形成起刺激作用。為引導(dǎo)學(xué)生解決這個問題，教師設(shè)計活動：18世紀(jì)，人們普遍認(rèn)為花粉只對種子的形成起刺激作用。法國植物學(xué)家凱爾路特用紅花窄葉的雄株與黃花寬葉的雌株煙草做雜交實驗。他要觀察到什么樣的實驗現(xiàn)象，才能說明花粉對種子的形成遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只是起刺激作用？本課授課對象是使用浙教版教材的七年級學(xué)生，他們還不具備遺傳、性狀等知識，無法完成實驗設(shè)計的任務(wù)，又不能與設(shè)計方案證實格魯?shù)挠^點的活動雷同，故將該活動設(shè)計成基于推測的舉證過程，而不是實驗方案設(shè)計。

在學(xué)生討論的基礎(chǔ)上，教師呈現(xiàn)煙草雜交實驗結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生舉證說明：花粉不只對種子的形成起刺激作用。

2.4 質(zhì)疑論證下的模型構(gòu)建

19世紀(jì)，許多植物學(xué)家對植物有性生殖進行了質(zhì)疑論證，最終發(fā)現(xiàn)被子植物雙受精現(xiàn)象。教師呈現(xiàn)表2所示的資料進行分析，要求學(xué)生完成如下問題。

①請以圖示的形式描述被子植物有性生殖過程（從花蕊到種子的形成）。該過程是哪些植物學(xué)家參與工作的？

②“從問題到結(jié)論”的科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程，一般都經(jīng)歷什么樣的歷程？

學(xué)生通過思考，構(gòu)建植物有性生殖的圖示模型，體驗科學(xué)發(fā)展中質(zhì)疑、論證、迭代、構(gòu)建的過程。

教師可通過如圖3所示的板書進行小結(jié)。

圖3 板書設(shè)計

3 HPS教育的簡史型復(fù)習(xí)課的教學(xué)價值

3.1 人文價值取向

HPS教育的簡史型復(fù)習(xí)課的人文價值取向主要體現(xiàn)在兩個方面：①復(fù)習(xí)課成為科學(xué)與人文通融的橋梁。例如，古希臘的哲學(xué)家雖說對植物的生殖有一定的感性認(rèn)知，但經(jīng)過中世紀(jì)，這種認(rèn)知幾乎停滯不前，主要的原因在于歐洲中世紀(jì)的宗教認(rèn)為植物的花是貞潔的象征，而雌雄交配是污穢不堪的，把花與交配聯(lián)系起來是宗教所不能容忍的。這就是科學(xué)技術(shù)與社會的關(guān)系的微妙之處：特定的社會場域可能成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的溫床，也可能成為科技發(fā)展的牢籠。②科學(xué)作為一種發(fā)生在人類群體上文化對人性的影響，本身是人文性的，如研究植物有性生殖規(guī)律的植物學(xué)家們在尋找證據(jù)過程中的求真、求實的品質(zhì)。

3.2 批判質(zhì)疑取向

HPS教育的簡史型復(fù)習(xí)課的批判質(zhì)疑價值取向，本身是科學(xué)精神的重要組成內(nèi)容。本節(jié)課從狄奧弗拉斯圖、崔寔和賈思勰對植物性別的認(rèn)識開始，到格魯、梅拉里烏斯、凱爾路特等的實驗，再到發(fā)現(xiàn)被子植物雙受精現(xiàn)象，經(jīng)歷了2 500多年，其中不但有科學(xué)家自我否認(rèn)的精神，也有與他人、其他領(lǐng)域的權(quán)威作斗爭的事件。以波普爾的證偽主義觀點看來，科學(xué)的發(fā)展就是在被否定中逐步前行的；而庫恩為代表的歷史主義者認(rèn)為，一種范式替代另一種范式，這就是科學(xué)革命，是科學(xué)發(fā)展最基本的模式。植物生殖簡史中雖沒有像庫恩所說的有明顯的范式更替而發(fā)生典型的科學(xué)革命事件，但課中總結(jié)出對植物有性生殖的“經(jīng)驗總結(jié)”到“實驗探索”，再到“質(zhì)疑論證”，3個過程都選擇了典型案例進行佐證，正是教學(xué)批判質(zhì)疑取向最好的載體。

3.3 創(chuàng)新實踐取向

HPS教育的簡史型復(fù)習(xí)課的創(chuàng)新實踐教學(xué)價值取向，立足于科學(xué)家的實踐創(chuàng)新，轉(zhuǎn)化為課堂上學(xué)生的學(xué)習(xí)創(chuàng)新行為。課堂成為學(xué)生自主學(xué)習(xí)的場域，最重要的條件是將科學(xué)史上的實驗轉(zhuǎn)化為學(xué)生基于特定問題情境的實驗設(shè)計創(chuàng)新實踐活動。例如，教師對卡梅拉里烏斯實驗的處理，是通過解決“雄蕊在植物生殖中有什么作用”的問題，組織學(xué)生進行實驗方案設(shè)計，通過小組討論與交流、解釋與評價學(xué)生的實驗方案，最終與梅卡拉里烏斯的實驗進行對照，使學(xué)生沿著科學(xué)家的足跡體驗科學(xué)探索歷程，感受科學(xué)創(chuàng)新實踐帶來的喜悅。