HPS教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維中的教學(xué)實踐
——以“植物生長素的發(fā)現(xiàn)”為例

錢仁凱 程國勝

（巢湖市第二中學(xué) 安徽合肥 238000）

科學(xué)思維是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，也是學(xué)生認(rèn)知生命觀念、培養(yǎng)社會責(zé)任的重要方法和手段。科學(xué)思維方法包括歸納與演繹、分析與綜合、抽象與概括以及批判性思維等。發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維能力和品質(zhì)是生物學(xué)教學(xué)的重要目標(biāo)之一。生物學(xué)是自然科學(xué)中的一門基礎(chǔ)學(xué)科，生物學(xué)學(xué)科的理科屬性與科學(xué)本質(zhì)決定了其精髓并不僅僅是展示學(xué)科的基本內(nèi)容，而更應(yīng)當(dāng)反映生命科學(xué)的本質(zhì)與規(guī)律，體現(xiàn)其應(yīng)用與發(fā)展。科學(xué)史記錄了人類認(rèn)識科學(xué)、發(fā)展科學(xué)的探究歷程，也包含了解釋和反思科學(xué)本質(zhì)的歷史觀念，能夠很好地呈現(xiàn)生物學(xué)學(xué)科知識和知識生境之間的關(guān)系以及生命科學(xué)螺旋式發(fā)展的樣態(tài)。基于科學(xué)史建構(gòu)符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律和學(xué)科發(fā)展特點的教學(xué)模式，能促使學(xué)生認(rèn)知科學(xué)本質(zhì)，發(fā)展科學(xué)思維，培養(yǎng)科學(xué)品質(zhì)，從而實現(xiàn)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。

1 HPS教學(xué)模式

HPS教學(xué)模式是英國學(xué)者孟克和奧斯本在總結(jié)教學(xué)改革經(jīng)驗的基礎(chǔ)上提出的，以建構(gòu)主義理論為基礎(chǔ)、融合科學(xué)本質(zhì)教育的新模式。HPS即科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)（History、Philosophy and Sociology of Science）的簡稱。其中，科學(xué)史記錄了人類認(rèn)識科學(xué)、發(fā)展科學(xué)的探究歷程，包含了解釋和反思科學(xué)本質(zhì)的歷史觀念和方法；科學(xué)哲學(xué)呈現(xiàn)了科學(xué)發(fā)現(xiàn)的規(guī)律梳理，為科學(xué)思維的形成提供了理論上的支撐；科學(xué)社會學(xué)強調(diào)了人文教育和科學(xué)思維的遷移應(yīng)用。HPS教育模式共有融入教學(xué)模式、互動歷史小故事模式和適度模式3種模式。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為適度模式具有較強的可操作性，該模式共有6個環(huán)節(jié)（圖1）。

圖1 HPS教育適度模式流程

1.1 演示現(xiàn)象，提出問題

創(chuàng)設(shè)情境是開展有效教學(xué)活動的基礎(chǔ)。教師在創(chuàng)設(shè)情境、導(dǎo)入新課時，可以向?qū)W生呈現(xiàn)科學(xué)發(fā)展史、科學(xué)故事及科學(xué)探究現(xiàn)象，如酶的本質(zhì)探究歷程、植物的向光性探究歷程、激素的發(fā)現(xiàn)過程等，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索欲望，并據(jù)此提出一個具有價值的問題，為后續(xù)的探究活動做鋪墊。

1.2 思考討論，引出觀念

針對前一環(huán)節(jié)提出的問題，教師可引導(dǎo)學(xué)生進行自主思考、小組討論，提出自己的觀點。但此時，教師不宜過早地對學(xué)生的觀點進行評判。為了讓學(xué)生盡可能多的提出不同的觀點，教師可采用“頭腦風(fēng)暴法”，訓(xùn)練學(xué)生的發(fā)散性思維。

1.3 學(xué)習(xí)歷史，演繹探究

學(xué)習(xí)科學(xué)史、演繹科學(xué)探究過程是HPS教學(xué)模式的重要環(huán)節(jié)。在這一環(huán)節(jié)中，教師可通過多媒體課件等輔助設(shè)備介紹科學(xué)家的研究歷程，引導(dǎo)學(xué)生分析科學(xué)實驗的過程及結(jié)論，體會研究歷程中的科學(xué)方法，發(fā)展科學(xué)思維。

1.4 小組合作，設(shè)計實驗

教師組織學(xué)生設(shè)計實驗方案或建構(gòu)模型，以驗證自己提出的觀點或者假設(shè)。學(xué)生在體驗科學(xué)探究過程中，提升歸納與演繹、分析與綜合、抽象與概括以及批判性思維等能力。在本環(huán)節(jié)的教學(xué)中，教師需要讓學(xué)生明晰：①對于科學(xué)現(xiàn)象可以有不同的解釋觀點；②通過科學(xué)實驗檢驗觀點的正確性。

1.5 呈現(xiàn)證據(jù)，實驗檢驗

教師可結(jié)合科學(xué)史向?qū)W生闡述關(guān)于該問題的科學(xué)解釋和主流觀念，幫助學(xué)生實現(xiàn)觀念轉(zhuǎn)變或者建立科學(xué)觀念。在本環(huán)節(jié)中，學(xué)生需要借助科學(xué)解釋來檢驗自己的觀點，并通過搜集證據(jù)進行辯證，最后得出結(jié)論。

1.6 總結(jié)評價，思維提升

通過總結(jié)與評價，學(xué)生不僅能夠獲得生物學(xué)學(xué)科知識，同時也能夠認(rèn)同人類認(rèn)識科學(xué)、發(fā)展科學(xué)的探究歷程和解釋，反思科學(xué)本質(zhì)的歷史觀念，更重要的是能夠在螺旋式上升樣態(tài)的科學(xué)認(rèn)知中，提高發(fā)展性學(xué)習(xí)能力，提升科學(xué)思維。

由上述過程可知，HPS教學(xué)模式與科學(xué)思維的培育存在高度的契合（圖2）。教師通過有機整合科學(xué)史和生物學(xué)概念的學(xué)習(xí)，使得學(xué)生在探究、解決問題的過程中，發(fā)展思維能力，建立和發(fā)展科學(xué)觀念。

圖2 HPS教學(xué)模式培育全面發(fā)展的人的實踐路徑

2 HPS教學(xué)模式的應(yīng)用——以“植物生長素的發(fā)現(xiàn)”為例

2.1 演示現(xiàn)象，提出問題

教師利用多媒體呈現(xiàn)具體實例，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。例如，教師呈現(xiàn)“滿園春色關(guān)不住，一枝紅杏出墻來”的詩句和“金燦燦的向日葵朵朵向陽開”“黃山迎客松伸手迎接天下客”的圖片，并據(jù)此提問：這些圖片體現(xiàn)了植物生長的共性是什么？學(xué)生能夠說出植物的向光性，教師進一步追問：導(dǎo)致植物向光性的原因是什么呢？

設(shè)計意圖：教師展示與植物的向光性相關(guān)的現(xiàn)象，再提出相關(guān)問題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)的深度學(xué)習(xí)和思維訓(xùn)練奠定基礎(chǔ)。

2.2 思考討論，引出觀念

基于教師提出的問題，學(xué)生進行合作討論，提出自己的觀點：由于受到外界單側(cè)光的影響，植物出現(xiàn)了彎曲生長。此時，教師不直接對學(xué)生的觀點進行評判，而是引導(dǎo)學(xué)生證明自己的觀念，并進一步思考：植物向光性的內(nèi)在因素是什么？

設(shè)計意圖：教師基于情境問題，引導(dǎo)學(xué)生提出自己的解釋或觀點，進一步探究植物向光性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

2.3 學(xué)習(xí)歷史，演繹探究

教師向?qū)W生展示科學(xué)史：科學(xué)家達爾文注意到了植物的向光性，并于1880年利用金絲雀虉草的胚芽鞘作為實驗材料設(shè)計了一系列的探究實驗。教師通過多媒體向?qū)W生呈現(xiàn)達爾文的實驗設(shè)計（圖3），引導(dǎo)學(xué)生分析：①基于科學(xué)實驗的控制單一變量原則，哪些實驗可以形成對照實驗？②實驗的自變量和因變量是什么？③實驗得出的結(jié)論是什么？學(xué)生小組合作討論交流，并完成表1的相關(guān)內(nèi)容。教師對學(xué)生討論的結(jié)果進行點評，并引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)：達爾文的實驗證實胚芽鞘向光性的外因是單側(cè)光照，內(nèi)因是胚芽鞘尖端的存在，同時感光部位是胚芽鞘尖端。

圖3 達爾文的探究實驗

表1 達爾文實驗的分析結(jié)果

教師基于實驗結(jié)果的分析，向?qū)W生展示達爾文的假說：胚芽鞘尖端受單側(cè)光刺激后，就向下部的伸長區(qū)傳遞某種“影響”，造成背光面比向光面生長快，因而使胚芽鞘出現(xiàn)向光性彎曲。達爾文推測這種“影響”可能是一種化學(xué)物質(zhì)。教師引導(dǎo)學(xué)生思考：如何設(shè)計實驗來驗證達爾文提出的假說呢？

設(shè)計意圖：科學(xué)重視實證。教師通過展示達爾文運用實驗法探究植物向光性背后的原理的過程，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。學(xué)生分析達爾文的實驗，熟悉并掌握科學(xué)探究的一般思路和過程，發(fā)展科學(xué)思維。此外，教師引導(dǎo)學(xué)生分析達爾文提出的假說，并討論如何驗證假說，為下一環(huán)節(jié)做好鋪墊。

2.4 小組合作，設(shè)計實驗

教師基于達爾文提出的假說，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計驗證實驗。教師用多媒體展示實驗材料，學(xué)生進行分組討論，設(shè)計驗證實驗、預(yù)測實驗結(jié)果，進行小組展示。教師通過引導(dǎo)學(xué)生分析實驗設(shè)計中的要素（表2），予以必要的指導(dǎo)。

表2 驗證實驗設(shè)計

設(shè)計意圖：科學(xué)家的實驗研究對學(xué)生來說有很大的操作難度。教師讓學(xué)生用圖文形式描述實驗思路和實驗過程，也是讓學(xué)生“體驗”科學(xué)探究、訓(xùn)練科學(xué)思維的有效途徑。以上探究實驗從知識建構(gòu)上是遞進式的，符合學(xué)生的邏輯推理，能夠有效提升學(xué)生的思維能力。

2.5 呈現(xiàn)證據(jù)，實驗檢驗

教師利用多媒體呈現(xiàn)其他科學(xué)家的后續(xù)實驗（圖4），并對小組展示的實驗設(shè)計進行點評。各組得出正確的實驗結(jié)論。據(jù)此，教師說明：達爾文的假說被其他科學(xué)家的實驗驗證，這種科學(xué)探究的方法就是“假說—演繹”法。

圖4 教師提供的其他科學(xué)家的后續(xù)實驗

設(shè)計意圖：科學(xué)史的滲透及關(guān)鍵實驗和研究成果的體驗，能讓學(xué)生最大限度地與科學(xué)家“對話”，并能體會到，人類的許多科學(xué)發(fā)現(xiàn)，是這樣經(jīng)過一代又一代人的探索，才一步一步地接近事實的真相。科學(xué)發(fā)展的一大步往往都是由每位科學(xué)家所取得的進展小步匯合而成。據(jù)此，教師能夠幫助學(xué)生樹立科學(xué)的發(fā)展觀，發(fā)展科學(xué)思維。

2.6 總結(jié)評價，思維提升

教師總結(jié)學(xué)生的探究活動，并進一步提供相關(guān)的科學(xué)史內(nèi)容：1931年，科學(xué)家郭葛首次從人的尿液中提取出了具有生長素效應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)并分析其化學(xué)本質(zhì)為吲哚乙酸。1946年，科學(xué)家才從植物體內(nèi)提取分離出了生長素，并進一步確定其化學(xué)本質(zhì)為吲哚乙酸。據(jù)此，教師引導(dǎo)學(xué)生分析植物向光性的原因，并完成表3的相關(guān)內(nèi)容。

表3 植物向光性的分析模型

設(shè)計意圖：在總結(jié)階段，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)植物向光性的原因，使得學(xué)生不僅能夠獲取知識層面上的進階，而且得到了科學(xué)方法層面上的思維訓(xùn)練。

3 結(jié)語

基于HPS教學(xué)模式培育全面發(fā)展的人的實踐路徑分析，從科學(xué)歷史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)方法3個層面發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維、培養(yǎng)學(xué)生的思維習(xí)慣是提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑。HPS教學(xué)模式能達成科學(xué)史與生物學(xué)概念的有效融合，避免了知識的直接呈現(xiàn)，讓學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題、解決問題中形成科學(xué)概念，在親歷科學(xué)探究過程、體驗科學(xué)探究方法中，領(lǐng)悟科學(xué)思維方式，發(fā)展科學(xué)思維，提升思維品質(zhì)。