從科學(xué)史角度進(jìn)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(xiàn)身科學(xué)的精神，這對(duì)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(kāi)展教學(xué)[1]。但在教學(xué)實(shí)踐中，部分教師對(duì)科學(xué)史重視不足、選材不適、評(píng)論不當(dāng)?shù)龋率箍茖W(xué)史的育人價(jià)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(yùn)含著科學(xué)知識(shí)的形成過(guò)程，還蘊(yùn)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(jiàn)問(wèn)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(huì)學(xué)”教育的簡(jiǎn)稱，HPS 教育堅(jiān)持真正地、有效地、全面地提高國(guó)民的科學(xué)素養(yǎng)的價(jià)值取向，提倡從科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)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(duì)話的教學(xué)模式[2]。HPS 教學(xué)模式主要包括以下6個(gè)程序：提出問(wèn)題、引出觀念、學(xué)習(xí)歷史、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、呈現(xiàn)科學(xué)觀念和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)、總結(jié)與評(píng)價(jià)。

2 HPS 教學(xué)模式的課堂實(shí)踐

2.1 創(chuàng)設(shè)情境，提出探究問(wèn)題 教師活動(dòng)：出示話梅，讓學(xué)生說(shuō)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(guó)生理學(xué)家克勞·伯爾納發(fā)現(xiàn)酸性食糜進(jìn)入小腸會(huì)引起胰液分泌的現(xiàn)象。設(shè)疑：酸性食糜進(jìn)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(duì)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(diǎn) 教師鼓勵(lì)學(xué)生大膽猜想胰腺如何獲取信息？并通過(guò)追問(wèn)不斷引發(fā)學(xué)生深入思考。追問(wèn)：有無(wú)其他信息種類和傳遞方式？如有，信號(hào)來(lái)源是什么？以何種途徑傳遞信息？學(xué)生活動(dòng)：根據(jù)已學(xué)知識(shí)，提出假說(shuō)并給予圖示。

假說(shuō)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(guò)反射弧傳至胰腺，胰腺分泌胰液，該過(guò)程主要依靠電信號(hào)的方式傳遞信息。

假說(shuō)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(jìn)入小腸后通過(guò)血液循環(huán)運(yùn)輸?shù)揭认伲碳ひ认俜置谝纫骸?/p>

通過(guò)提出假說(shuō)解釋胰液分泌調(diào)節(jié)的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生提出假說(shuō)的能力；通過(guò)作圖描述假說(shuō)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(jìn)科學(xué)實(shí)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(diǎn)，肯定學(xué)生提出的假說(shuō)。

材料2：以巴甫洛夫?yàn)榇淼闹髁鳈?quán)威關(guān)于胰腺分泌調(diào)節(jié)的觀點(diǎn)，胃酸刺激小腸的神經(jīng)，通過(guò)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(diǎn)，酸性食糜進(jìn)入小腸，某種化學(xué)物質(zhì)從小腸處通過(guò)血液循環(huán)運(yùn)輸?shù)揭认伲龠M(jìn)胰液的分泌。

學(xué)生對(duì)比自己的假說(shuō)與科學(xué)家的觀點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比，樹(shù)立科學(xué)探究的信心，同時(shí)理解科學(xué)的發(fā)展需要不畏權(quán)威、敢于質(zhì)疑，通過(guò)不同觀點(diǎn)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(wèn)題串引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明假說(shuō)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。

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

問(wèn)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(guò)程中，德國(guó)化學(xué)家畢希納將酵母菌細(xì)胞研磨獲取釀酶）

常見(jiàn)方案1：利用電流表測(cè)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(xì)，操作較困難。

常見(jiàn)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(hào)通過(guò)血液運(yùn)輸有關(guān)。教師指出切斷血管會(huì)導(dǎo)致狗的組織、器官衰竭甚至死亡，實(shí)驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。

教師歸納提煉探究活動(dòng)中的2 種思維方式：

①“+”法思維：加入研究對(duì)象，觀察結(jié)果，從而判斷研究對(duì)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(duì)象，觀察結(jié)果，從而判斷研究對(duì)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(jì)實(shí)驗(yàn)，作出預(yù)期。

通過(guò)問(wèn)題串及指導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，提高學(xué)生思維的縝密性。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，呈現(xiàn)科學(xué)觀念 教師按時(shí)間順序展示科學(xué)家實(shí)驗(yàn)及結(jié)果。

材料4：巴甫洛夫及學(xué)生的實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)。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(shí)，發(fā)現(xiàn)仍能促進(jìn)胰液分泌。

材料6：斯他林和貝里斯實(shí)驗(yàn)。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(jìn)胰腺分泌胰液。

提問(wèn)：對(duì)比3 組實(shí)驗(yàn)，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(wú)關(guān)？

材料7：科學(xué)家后來(lái)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(shí)。

提問(wèn)：這一現(xiàn)象說(shuō)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(shí)驗(yàn)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(guò)血液運(yùn)輸作用于胰腺引起的，但無(wú)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(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，自主構(gòu)建胰液分泌調(diào)節(jié)的過(guò)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(píng)價(jià)，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(shí)驗(yàn)后，并沒(méi)有得出胰液的分泌與神經(jīng)調(diào)節(jié)無(wú)關(guān)，他反而認(rèn)為是小腸黏膜上的神經(jīng)難以剔除干凈，是一個(gè)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(shuō)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，最終發(fā)現(xiàn)促胰液素。

材料10：當(dāng)時(shí)研究消化的權(quán)威科學(xué)家，也是神經(jīng)調(diào)節(jié)堅(jiān)定的擁護(hù)者巴甫洛夫，在重復(fù)了貝里斯和斯塔林的實(shí)驗(yàn)后，一言不發(fā)地走出實(shí)驗(yàn)室回到書(shū)房，過(guò)了半小時(shí)后，他又回到了實(shí)驗(yàn)室，深表遺憾地說(shuō)：“自然是對(duì)的。很明顯，我們失去了一個(gè)發(fā)現(xiàn)真理的機(jī)會(huì)。”

提問(wèn)：這段科學(xué)史故事對(duì)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(shí)是不斷發(fā)展的，科學(xué)家同常人一樣也會(huì)犯錯(cuò)，科學(xué)的發(fā)展受到社會(huì)和歷史環(huán)境的影響。

通過(guò)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(shí)踐反思

HPS 教學(xué)模式的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下3 個(gè)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(guò)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(wèn)題，作出猜想（提出假說(shuō)），設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等科學(xué)探究過(guò)程，獲取胰液分泌調(diào)節(jié)的知識(shí)，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。③學(xué)生對(duì)科學(xué)史的評(píng)價(jià)，不僅關(guān)注科學(xué)探究中的艱辛，還領(lǐng)悟到科學(xué)知識(shí)具有暫時(shí)性，科學(xué)依賴實(shí)驗(yàn)證據(jù)，科學(xué)觀點(diǎn)受到社會(huì)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(shí)若將科學(xué)史中有關(guān)科學(xué)家的觀點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)論等全部展示，不利于后面學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、結(jié)果檢驗(yàn)、觀念構(gòu)建、科學(xué)史評(píng)價(jià)等活動(dòng)。因此，教學(xué)時(shí)可將科學(xué)史內(nèi)容剖開(kāi)，按照需求逐層分批展示，例如，引入時(shí)，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(shuō)進(jìn)行解釋，再展示科學(xué)家的不同觀點(diǎn)，讓學(xué)生進(jìn)行對(duì)比；學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明假說(shuō)后，繼續(xù)展示科學(xué)家的探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程，作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)，并利用科學(xué)家探究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作為驗(yàn)證不同觀點(diǎn)的證據(jù)；最后，展示科學(xué)家的故事和時(shí)代背景，讓學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)。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(diǎn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、時(shí)代背景等有序展示，這樣可避免因同時(shí)展示影響學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展和對(duì)科學(xué)史的評(píng)價(jià)，充分發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。