基于HPS模式的教學設計

向炯 崔鴻

摘要以“基因在染色體上“為例，利用HPS教學模式，設計“呈現現象、啟發觀點、學習歷史、設計實驗、科學觀點、總結與評價”6個教學環節，培養學生生物學學科核心素養，促進學生對科學本質的理解。

關鍵詞 HPS 教學模式 科學本質 基因在染色體上 教學設計

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》指出生物科學史的學習能夠使學生理解科學的本質和科學的思路和方法。因此，教師將HPS（Histo?ry，Philosophy，Sociology of Science）教育應用到生物學教學實踐中，促進學生對科學本質的理解，加深學生對科學知識理解的深度和廣度。

1設計思想

科學的本質是科學探究。人們通過這種探究過程，不斷認識自然現象，形成科學的理論，促進社會進步，改善人類的生活。已有學者通過研究表明在教學中融入HPS教育能促進學生對科學本質的理解，培養人文氣質、批判性精神和創新能力。

下面以“基因在染色體上”的教學為例，將英國科學教育學者孟克和奧斯本提出的HPS教學模式應用于課堂教學實踐，設計“呈現現象（Presentation）、啟發觀點（Elicitation）、學習歷史（Historical Study）、設計實驗（Devising Test）、科學觀點（The Scientific View）、總結與評價（Review and Evaluation）”6個教學環節，為探索課堂教學中促進學生對科學本質的理解提供參考。該教學流程如圖1所示。

2教材分析

“基因在染色體上”是人教版高中生物學《必修2·遺傳與進化》第二章第二節的內容。學生在第一章已經學習孟德爾遺傳定律，理解了遺傳因子（基因）在親子代間的傳遞規律。在第二章第一節“減數分裂和受精作用”的學習中，學生在細胞水平上了解了染色體的行為變化。本節內容將遺傳因子（基因）在親子代之間的傳遞過程與減數分裂中染色體的行為變化相關聯，促進學生理解孟德爾遺傳的實質。薩頓通過觀察減數分裂過程中染色體行為，提出基因在染色體上的假說。摩爾根利用果蠅為實驗材料，利用“假說—演繹法”證明了“基因在染色體上”。這些內容為第三節“伴性遺傳”中，將基因（如紅綠色盲基因、抗維生素佝僂病基因等）定位于特定的性染色體，以及第三章“基因的本質”學習打下良好的知識基礎。

3教學目標

1比較孟德爾豌豆雜交實驗的F1形成配子過程

中基因（遺傳因子）的變化與減數分裂過程中染色體的行為，說明基因和染色體的關系。

2運用科學史材料——《果蠅的限性遺傳（Sex-limited Inheritance》，理解摩爾根對果蠅顏色遺傳現象的分析。

3試圖設計果蠅雜交實驗，證明控制白眼的基因在X染色體上，Y染色體上不含等位基因的解釋。

4嘗試運用假說—演繹等科學方法解釋自然現象，證明基因與染色體的關系，認同科學的本質是一種探究的方式，科學知識是不斷修正發展的過程。

4教學過程4.1呈現現象

教師提供美國遺傳學家薩頓的觀察結果：在觀察蝗蟲的精子和卵細胞的形成過程時發現，減數分裂過程中染色體的行為和孟德爾所述的遺傳因子的傳遞規律非常相似，如圖2與圖3所示。

4.2啟發觀點教師引導學生思考：薩頓觀察到這樣的現象后，

得到了怎樣的結論？學生討論后，得出：基因和染色體的行為存在著明顯的平行關系。教師追問：在分離定律與自由組合定律中，遺傳因子的傳遞規律與同源染色體分離、非同源染色體自由組合的所表現出的染色體行為的相似性體現在哪里方面？并展示基因與染色體的關系（表1）。

4.3學習歷史

教師提供有關果蠅和摩爾根實驗的資料：果蠅作為重要的遺傳學實驗材料，具有個體小、易飼養、繁殖快、有易于區分的性狀等優點。果蠅體細胞中含有4對染色體，3對常染色體，1對性染色體，如圖4所示。

雌果蠅體型較大，背部具5個黑色條紋，性染色體是同型的，用XX表示;雄果蠅體型較小，背部具3個黑色條紋，性染色體是異型的，用XY表示。野生型果蠅均為紅眼，摩爾根在實驗中偶然發現了一只白眼雄果蠅，并利用這只白色雄果蠅做了果蠅雜交實驗，如圖5所示。

摩爾根及其同事提出“控制白眼的基因（用w表示）在X染色體上，而Y染色體上不含有它的等位基因”的假說，分析圖解如圖6所示。

教師要求學生根據所學知識，以小組為單位以果蠅為實驗材料，設計實驗驗證摩爾根的假說是否正確。

4.4設計實驗

學生以小組為單位，討論實驗方案。圖7為其中一個學習小組的實驗設計。

教師呈現摩爾根的研究結果。根據摩爾根于1910年在Science上發表《果蠅中的限性遺傳》論文中的相關內容，他設計了5組果蠅雜交實驗證明其假設，五組實驗的結果均與假設相符，從而證明了假設的正確性，為其最終的結論提供了直接的證據。5組果蠅雜交實驗如下所示：

實驗1：白眼（♀）×白眼（♂）;

實驗2：F2紅眼（♀）×白眼（♂）;

實驗3：F1紅眼（♀）×白眼（♂）;

實驗4：F1紅眼（♂）×白眼（♀）;

實驗5：野生紅眼（♂）×白眼（♀）。

教師引導學生分析：第五組實驗中，根據分析控制白眼的基因位于Y染色體上，子代全部為紅眼。控制白眼的基因不位于Y染色體上，子代中雌蠅表現為紅眼，雄蠅表現為白眼，如圖8所示。

學生討論后，得出結果：摩爾根的實驗結果表明，野生紅眼與白眼雜交后，子代雌蠅全部為紅眼，雄蠅全部為白眼。這證明了控制白眼的基因在X染色體上，而Y染色體上不含有它的等位基因。

教師補充：人類歷史上第一次將一個特定的基因（白眼基因w）和一條特定染色體（X染色體）聯系起來，用實驗證明了基因在染色體上，將遺傳學研究推向細胞水平。

4.6總結與評價

教師總結：從薩頓對蝗蟲減數分裂的研究，他推論出基因由染色體攜帶從親代傳遞給下一代，摩爾根則利用果蠅為實驗材料，通過假說—演繹法驗證假設，最后得出了基因在染色體上的結論。教師引導學生總結出“基因在染色體上”結論獲得的流程圖，如圖9所示。

5教學反思

本節課將HPS教學模式應用于生物學教學實踐中，以摩爾根發表的《果蠅的限性遺傳》論文中的部分內容為依據，真實還原歷史情境。教師通過展示基因于染色體的平行現象，啟發學生提出基因在染色體上的觀點，學習摩爾根的果蠅雜交實驗，引導學生設計實驗驗證摩爾根對此現象的解釋，呈現科學家摩爾根如何設計實驗驗證其解釋，并引導學生與自己設計的實驗做對比，最后總結科學方法是“觀察現象→提出問題→作出假設→設計實驗→實施實驗→實驗結果→得出結論”一系列有序步驟。通過本節課的學習，學生在科學探究的過程中，習得科學知識，體驗科研精神，提升生物學學科核心素養，促進學生對科學本質的深入理解和內化。

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