基于HPS教育理念的概念教學(xué)
——以“光合作用”為例

楊 玲

(江蘇省無錫市梅里中學(xué) 江蘇無錫 214112)

1 教學(xué)分析和設(shè)計(jì)思路

本節(jié)教學(xué)內(nèi)容選自蘇科版《生物學(xué)·七年級·上冊》第四章第一節(jié),涉及《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》(以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)主題四“植物的生活”中的次位概念“4.3.1 植物能利用太陽能(光能),將二氧化碳和水合成為貯存了能量的有機(jī)物,同時(shí)釋放氧氣”?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》給出了明確的教學(xué)建議,要求教師在教學(xué)中引入科學(xué)史,幫助學(xué)生認(rèn)識科學(xué)家的探究歷程。HPS 教育強(qiáng)調(diào)要從科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)等不同視角全面理解科學(xué)。將HPS教育理念應(yīng)用于概念教學(xué)中,引導(dǎo)學(xué)生從不同科學(xué)視角分析概念的形成和發(fā)展,從而理解科學(xué)研究的過程和方法,在深入理解概念內(nèi)涵的同時(shí),提升對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識。

2 教學(xué)目標(biāo)

(1)以科學(xué)史研究歷程為主線,獲取光合作用的原料、產(chǎn)物、條件、場所和能量變化等信息,認(rèn)識光合作用過程,自主建構(gòu)光合作用概念體系。

(2)嘗試以科學(xué)家的身份開展實(shí)驗(yàn),探究陽光在植物生長中的作用,學(xué)會控制變量、制訂計(jì)劃、基于實(shí)證得出結(jié)論等探究技能和暗處理、鑒定淀粉等實(shí)驗(yàn)方法。

(3)通過了解科學(xué)家們對已有概念不斷繼承、質(zhì)疑、求證和發(fā)展的過程,理解并概述光合作用概念的演變過程,形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和質(zhì)疑權(quán)威、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神,客觀、辯證地了解科學(xué)家。

3 教學(xué)過程

3.1 溯源科學(xué)史研究起點(diǎn),揭示錯(cuò)誤前概念

教學(xué)伊始,教師要求學(xué)生圍繞“小樹苗長成大樹所需的營養(yǎng)物質(zhì)來自哪里”這一問題發(fā)表自己的看法。學(xué)生們各抒己見,有部分學(xué)生認(rèn)為樹苗長成大樹所需的營養(yǎng)物質(zhì)來自土壤。針對學(xué)生的這種錯(cuò)誤前概念,教師展示早期科學(xué)家的觀點(diǎn):亞里士多德認(rèn)為,植物是從土壤中汲取營養(yǎng)物質(zhì)而生長的。此時(shí),教師沒有急著讓學(xué)生判斷亞里士多德的觀點(diǎn)正確與否,而是引導(dǎo)他們從科學(xué)社會學(xué)的視角出發(fā),分析這個(gè)觀點(diǎn)產(chǎn)生的時(shí)代背景和亞里士多德提出此觀點(diǎn)的依據(jù)。學(xué)生通過調(diào)查當(dāng)時(shí)的時(shí)代背景,認(rèn)識到當(dāng)時(shí)社會上流行的“經(jīng)驗(yàn)主義”對科學(xué)研究的影響,亞里士多德沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,只是觀察到植物在土壤中生長,依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和感覺提出觀點(diǎn),顯然這樣的觀點(diǎn)沒有足夠的科學(xué)證據(jù)支撐。

設(shè)計(jì)意圖:生物學(xué)科學(xué)史通常起源于對生命現(xiàn)象的觀察和研究。所以,基于HPS教育理念開展的概念教學(xué)需要從現(xiàn)實(shí)生活中常見的生命現(xiàn)象入手,且這個(gè)生命現(xiàn)象應(yīng)能溯源到相應(yīng)科學(xué)史,是科學(xué)家們曾經(jīng)觀察和研究過的。通過呈現(xiàn)科學(xué)史中與學(xué)生錯(cuò)誤前概念相似的早期科學(xué)家觀點(diǎn),可以幫助學(xué)生揭示前概念的錯(cuò)誤之處,認(rèn)識到科學(xué)觀點(diǎn)不能憑空臆想,而應(yīng)基于實(shí)證。從科學(xué)社會學(xué)的視角分析科學(xué)史實(shí)的產(chǎn)生背景,有利于學(xué)生理解科學(xué)知識受到當(dāng)時(shí)科技發(fā)展水平及社會文化背景的制約。

3.2 依托科學(xué)史發(fā)展線索,還原概念演變歷程

3.2.1 海爾蒙特實(shí)驗(yàn)

教師展示:海爾蒙特的質(zhì)疑(亞里士多德的觀點(diǎn)沒有證據(jù)支持,僅停留于作出假設(shè)階段)、海爾蒙特求證的實(shí)驗(yàn)過程(①稱重記錄,土壤烘干后為90 kg;柳樹苗2.3 kg;②將柳樹苗種到土壤中,為了防止灰塵落入,制作保護(hù)罩,只定期澆灌純凈的雨水;③5年后,再次稱重記錄,土壤烘干后為89.943 kg,而柳樹苗重76.8 kg)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果(柳樹苗增加74.5 kg,土壤減少0.057 kg)及實(shí)驗(yàn)結(jié)論(水分是植物制造自身的原料)。

組織學(xué)生討論:①海爾蒙特得出結(jié)論的過程和亞里士多德有哪些不同之處? ②海爾蒙特的實(shí)驗(yàn)有哪些值得借鑒之處? ③海爾蒙特實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是錯(cuò)誤的,是否說明他的研究沒有意義? 你的觀點(diǎn)是什么?

設(shè)計(jì)意圖:通過討論題①,引導(dǎo)學(xué)生提高實(shí)證意識;通過討論題②,引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注定量分析、控制變量等探究技能,學(xué)習(xí)科學(xué)家堅(jiān)持實(shí)驗(yàn)、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的研究習(xí)慣;討論題③則從科學(xué)哲學(xué)的視角出發(fā),引導(dǎo)學(xué)生客觀地認(rèn)識科學(xué)家的貢獻(xiàn),學(xué)習(xí)科學(xué)家敢于質(zhì)疑權(quán)威、不斷創(chuàng)新求證的科學(xué)精神。

3.2.2 普利斯特利實(shí)驗(yàn)

教師展示:普利斯特利的質(zhì)疑(仁慈的上帝是如何讓“壞空氣”變成“好空氣”的?)、普利斯特利求證的實(shí)驗(yàn)過程(①把燃燒的蠟燭放在密閉的鐘罩內(nèi),蠟燭很快熄滅;把小鼠放在密閉的鐘罩內(nèi),小鼠很快死亡;②把燃燒的蠟燭和綠色植物一起放在密閉的鐘罩內(nèi),蠟燭能燃燒較長時(shí)間;把小鼠和綠色植物一起放在密閉的鐘罩內(nèi),小鼠能存活較長時(shí)間)及實(shí)驗(yàn)結(jié)論(鐘罩內(nèi)的“壞空氣”讓蠟燭熄滅或讓小鼠死亡,綠色植物使鐘罩內(nèi)的“壞空氣”更新為能讓蠟燭燃燒或小鼠存活的“好空氣”)。

組織學(xué)生討論:普利斯特利在光合作用發(fā)現(xiàn)過程中做出突出貢獻(xiàn),然而推動(dòng)他研究的動(dòng)力卻是堅(jiān)信上帝用某種方法使“壞空氣”變成“好空氣”的基督教信仰。你如何看待普利斯特利的做法與想法?

設(shè)計(jì)意圖:通過討論,引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)社會學(xué)的視角出發(fā),了解科學(xué)史相關(guān)的社會文化背景以及科學(xué)家的故事,從而更客觀、辯證地了解科學(xué)家。

3.2.3 英格豪斯實(shí)驗(yàn)

教師展示:英格豪斯的質(zhì)疑(普利斯特利所謂的“好空氣”和“壞空氣”分別是什么?)和英格豪斯求證的過程(設(shè)置對照實(shí)驗(yàn),通過500 多次實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論,綠色植物只有在光下才能產(chǎn)生氧氣)。

組織學(xué)生討論:①英格豪斯實(shí)驗(yàn)和普利斯特利實(shí)驗(yàn)有什么關(guān)系? ②英格豪斯實(shí)驗(yàn)有哪些值得借鑒之處?

設(shè)計(jì)意圖:討論題①從科學(xué)哲學(xué)的角度出發(fā),幫助學(xué)生理解科學(xué)的發(fā)展并非一蹴而就,而是科學(xué)家在前人的研究基礎(chǔ)上對已有研究成果不斷繼承和創(chuàng)新的結(jié)果。通過討論題②,引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注設(shè)置對照實(shí)驗(yàn)、反復(fù)實(shí)驗(yàn)等探究技能,學(xué)習(xí)科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)精神?？茖W(xué)概念是在科學(xué)家不斷批判質(zhì)疑和理性求證的過程中演變和完善的,引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)的角度全面分析概念的發(fā)展變化過程,有利于學(xué)生深入理解科學(xué)概念。

3.3 解構(gòu)科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn),自主論證推理概念

教師展示:1864年薩克斯提出問題并作出假設(shè),組織學(xué)生討論問題并制訂計(jì)劃:①實(shí)驗(yàn)的變量是什么? 如何控制變量? ②薩克斯的假設(shè)是在陽光下植物能制造出淀粉等有機(jī)物,該如何檢驗(yàn)植物內(nèi)是否有淀粉存在呢? 學(xué)生討論后確定,實(shí)驗(yàn)的變量是光,控制變量的方法是設(shè)置對照實(shí)驗(yàn),對實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行遮光處理,對照組不遮光。各小組提出了不同的實(shí)驗(yàn)方案:A組認(rèn)為要準(zhǔn)備兩盆植物,一盆放在光下,一盆放在黑暗處;B 組認(rèn)為,只要準(zhǔn)備一盆植物,對其一半遮光。教師組織學(xué)生討論哪一種實(shí)驗(yàn)方案更嚴(yán)謹(jǐn)。學(xué)生討論后發(fā)現(xiàn)B 組的方案更嚴(yán)謹(jǐn),可以避免兩盆植物生長狀態(tài)不同對實(shí)驗(yàn)的干擾。受此啟發(fā),學(xué)生進(jìn)一步提出了更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)方案:對同一盆植物的同一片葉片進(jìn)行部分遮光。教師指出,薩克斯也是如此設(shè)計(jì)的,學(xué)生為自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案與科學(xué)家相同而感到欣喜的同時(shí),也體會到科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)思維。在討論如何檢驗(yàn)淀粉的存在時(shí),除了指導(dǎo)學(xué)生掌握用碘液鑒定淀粉的實(shí)驗(yàn)方法,更重要的是引導(dǎo)學(xué)生思考:①實(shí)驗(yàn)前,葉片中就存在淀粉怎么辦? ②葉片是綠色的,向葉片滴加碘液后,看不出顏色變化怎么辦? 引導(dǎo)學(xué)生通過思考,設(shè)計(jì)暗處理和褪去葉片綠色的實(shí)驗(yàn)步驟。如此,一步步引導(dǎo)學(xué)生圍繞實(shí)驗(yàn)方案,層層深入解決問題,完成計(jì)劃的制訂。在此基礎(chǔ)上,組織學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)、獲取證據(jù),驗(yàn)證薩克斯假設(shè)的正確性并得出結(jié)論,學(xué)生不再是科學(xué)史的旁觀者,而成為了實(shí)實(shí)在在的參與者。

設(shè)計(jì)意圖:科學(xué)史中呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)對學(xué)生而言并非只能“遠(yuǎn)觀”,教師可以解構(gòu)并重新設(shè)計(jì)科學(xué)史上的經(jīng)典實(shí)驗(yàn),使之成為探究實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生以科學(xué)家的身份自主制訂計(jì)劃、開展探究、獲取證據(jù),然后基于實(shí)證獲得科學(xué)結(jié)論。

3.4 貫穿科學(xué)史研究主線,歸納概括建構(gòu)概念

科學(xué)概念隨著科學(xué)家研究的不斷深入而逐步完善。學(xué)生沿著科學(xué)家的探究史逐步了解概念演變的過程,獲取的僅是碎片化知識,要使之成為概念體系,教師還需要引導(dǎo)學(xué)生以科學(xué)史研究為主線,通過抽象與概括、歸納與綜合等思維活動(dòng)自主建構(gòu)。在“光合作用”概念教學(xué)中,學(xué)生依托科學(xué)史獲取相關(guān)概念碎片后,教師指導(dǎo)學(xué)生以科學(xué)史研究歷程為主線,以時(shí)間軸為工具,繪制概念演變過程圖(圖1)。再依據(jù)下圖,提取、歸納光合作用的原料、產(chǎn)物、條件、場所、能量變化等信息,進(jìn)而概括獲得光合作用反應(yīng)式和光合作用的實(shí)質(zhì),完成概念體系的全面建構(gòu)。

圖1 光合作用概念演變過程圖

4 總結(jié)與反思

將HPS教育理念應(yīng)用到概念教學(xué)中,通過展示科學(xué)史中科學(xué)家們對前人觀點(diǎn)的批判質(zhì)疑和實(shí)驗(yàn)求證,還原概念演變歷程。在幫助學(xué)生深入理解概念的同時(shí),培育學(xué)生基于實(shí)證和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬏岢鲋鲝埖目茖W(xué)思維,從科學(xué)社會學(xué)和科學(xué)哲學(xué)的視角,引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識科學(xué)中蘊(yùn)含的社會人文內(nèi)涵,理解“科學(xué)概念可能隨著研究深入而不斷發(fā)展變化”的科學(xué)本質(zhì)。