基于生物学学科核心素养的HPS材料分析——以《遗传与进化》为例

赵婷婷

核心素养教育是我国当前新一轮课程改革的聚焦热点，学科核心素养成为了各学科的关注点。［1］［2］同样，落实生物学学科核心素养是中学生物教师的新任务，该学科核心素养包括“生命观念”、“科学思维”、“科学探究”和“社会责任”，它从内化的科学观念到外化的科学表现均有所要求，一旦落实，非常有利于提高学生的科学素养。

基于生物学学科核心素养的教育需要教师深刻思考，勇于实践，要从多个角度入手，在教学中渗透核心素养。其中，HPS材料是渗透核心素养的有力抓手，教师有必要对其进行分析。HPS目前被认为是科学史、科学哲学和科学社会学（History，Philosophy and Sociology of Science）的缩写，它具有多方面的教育价值，如促进知识建构、培养批判精神、提高科学创新能力和促进社会责任意识与情感的培育等［3］［4］，可见其与核心素养间的高度对应性。

中学生物教材中有着大量科学史内容，2017版《普通高中生物学课程标准》中也指出生物科学史具有多方面教育价值，“这对提高学生的生物学学科核心素养是很有意义的。”［5］（P60）

为了帮助广大中学教师用好科学史材料，防止其丰富的教育价值被浪费，本文以人教版高中生物必修II《遗传与进化》为例，梳理其中的HPS材料及其蕴涵的生物学学科核心素养教育价值。

一、HPS维度界定

首先，我们要对HPS的三个维度进行界定，HPS包括科学史、科学哲学和科学社会学，具体分析如下［6］：

科学史是关于科学的历史，通过科学史的学习，学生可以了解科学家是如何进行研究的，也可以了解科学发展是如何受到多方因素影响的。HPS的科学史教育不应仅关注具体的科学史实，更应关注其背后折射出的科学本质，包括科学观念、科学家的探究方法论和社会与科学的联系等。

科学哲学关注的是“科学是什么？”的问题，亦即直指科学本质。前文提到教师应关注科学史背后的问题，这正是科学哲学的研究主题。科学哲学思考科学研究的方法论，关注发现的逻辑与证明的逻辑，探寻科学发展的模式。科学哲学的发展经历了一定的历史变迁，以科学本质为例，传统的逻辑实证主义认为科学是对真实世界的描述，科学知识线性积累，其后不同的科学哲学家从不同角度对这种科学本质观发起了冲击，发展为后现代主义的科学本质观，认为科学知识具有暂时性，科学研究受到社会文化和个人意识等多方面影响。教师在教学中应有意识地将科学哲学的观点适当加以渗透，帮助学生认识科学“继承性”与“暂时性”的统一。

科学社会学探讨社会因素对科学的影响，认为科学知识是科学共同体集体协商的产物，为认识科学本质提供了新的视角。科学社会学认为社会对科学发展具有不可忽视的作用，科学家不是生活在真空之中的，他们的思想与研究手段都受到当时社会环境的影响，同时科学研究成果要受到科学共同体的普遍认可，这就涉及到科学传播的问题。这一教育内容将科学与社会紧密联系到了一起，比传统STS教育理念强调的“科学与社会相联系”要更深刻。广义的科学社会学包含一切科学与社会间的相互关系，这不是本文关注的HPS内容的重点，故后续分析中基本只涉及科学史内容里科学社会学的体现。

二、《遗传与进化》所含HPS材料分析［7］

《遗传与进化》［7］（P1-129）部分的科学史材料非常多，很多节内容都是全篇科学史内容，特别是关于人类对遗传物质的探索历程，从孟德尔遗传理论的提出到遗传密码的破译，在科学史上是一脉相承的。教师教学时要注意系统性，通过引导学生回忆科学家的研究成果来将遗传学各部分内容有机联系起来，让学生在脑海中形成完整的知识体系，防止将遗传学学成一个个孤立的知识点。而进化与遗传实际上有着非常密切的联系，教师在教学时也要注意渗透，在讲遗传学内容时就适当提及其对进化的意义，在讲进化时也要回顾遗传学内容，从而使学生形成正确的进化与适应观，避免“遗传”与“进化”成为两个割裂的部分。

（一）具体材料分析

1.杨焕明院士访谈

教材在该模块正文开始前设置了“科学家访谈”栏目，呈现了杨焕明院士的访谈。杨焕明院士是我国参加人类基因组计划的科学家，并进行了水稻基因组的测序，他在访谈中介绍了基因测序工作的意义、中国参与其中的目的、对生物技术应用的伦理分析和科研工作中合作的重要性。材料本身属于科学史范畴，同时涉及到科学社会学领域。学生如能领会文中的科学研究与社会间的关系，就能够对科学本质有所领悟，明确科学研究者的社会责任感，体现“社会责任”。

2.孟德尔

孟德尔遗传理论的再发现是遗传学建立的开端，从他的研究开始，人类对遗传问题不断进行深入探索，逐渐形成了今天生命科学研究的格局。在高中教材中，对孟德尔的研究进行了较为详尽的介绍，对比初中，一是增加了研究结果数量的描述，二是从一对相对性状扩展到了两对相对性状，所以该研究可分析的内容就大大增加了，是训练学生“科学思维”的良好素材。孟德尔的研究当然属于科学史范畴，不过关于他理论的被埋没与再发现，则属于科学社会学范畴，教师在教学时还应当关注孟德尔研究理论的核心，即“体细胞中控制某相对性状的遗传因子只有两个，一个来自父本，一个来自母本”，这是他与当时其他关注遗传学问题的学者的本质区别，也是摩尔根发现连锁交换现象这种不符合孟德尔遗传学的实例后对孟德尔遗传理论并未提出反对意见而仅是加以补充修正的原因，这种理论硬核的分析属于科学哲学范畴，同时也避免学生对科学探究的僵化认知，误以为只要进行实验和数据分析就一定能得出科学理论，而忽略了研究者观念在其中所起的重要作用。教师在进行孟德尔遗传定律的教学时，要引导学生思考与分析，要将孟德尔的实验设计与实验结果作为材料，引导学生一步步自主分析概括出分离定律和自由组合定律，领悟孟德尔遗传定律的精髓，为后续遗传学内容的学习打下坚实基础，也有利于学生日后自己做题。与遗传相关的问题一向是高中试卷中的难点，如果学生一知半解死记硬背，是很难真正突破这一难点的，同时这种自主分析概括也有利于学生构建核心概念，体现“生命观念”；在教师的引导下，学生可以运用归纳、概括、分析、推理等思维方法，还能够掌握现代科学研究的常用方法“假说—演绎法”，对数学中的概率学的运用也能有所体会，体现“科学思维”与“科学探究”。

3.魏斯曼的理论预测

初中教材中对于染色体在世代间的数量变化有过介绍，高中教材在减数分裂前介绍了一个新的科学史材料——魏斯曼的理论预测，这一材料有利于学生理解减数分裂的重要意义，也能够锻炼学生的科学思维，体现“生命观念”与“科学思维”。另外，减数分裂和孟德尔遗传定律的教学顺序一直是教师们的关注热点，在科学史上，减数分裂的发现晚于孟德尔的研究，但是早于孟德尔遗传定律的再发现，是孟德尔遗传学被接受的历史背景之一，而且很快就有科学家将孟德尔“遗传因子”与染色体关联起来，提出下文要提到的基因位于染色体上的假说，但当时也有学者并不认为两者有所关联，孟德尔遗传学的重要推广者贝特生就对其持反对态度，所以其在科学史上的发展是一波三折的，教师也没有必要拘泥于科学史顺序来进行教学，而要考虑清楚自己选择某一教学顺序的原因是什么，想要达成什么教学目的，然后在两部分内容教学完成后引导学生分析清楚宏观性状与微观染色体行为间的关系，那么不论采取哪种教学顺序，应该都能达成良好的教学效果。

4.萨顿的基因位于染色体上的假说

萨顿的假说属于科学史范畴，教师教学时可以借助这一假说，让学生分析利用这一假说如何解释孟德尔遗传定律，从而体现“生命观念”与“科学思维”。

5.摩尔根

摩尔根利用果蝇进行的遗传学研究是遗传学史上的重要里程牌，他带领的研究小组发现了伴性遗传的现象，发现了连锁与交换定律，建立了基因学说，还发现了染色体的大多数变异类型，硕果累累。教材介绍了摩尔根转变观念的重要实验，属于科学史范畴，深刻挖掘可以发现该材料也体现科学哲学中观点硬核的“继承性”和科学社会学中理论在科学共同体中的被接受条件。这一材料能够帮助学生建立核心概念，深刻理解遗传学规律的原理，同时训练科学思维，领悟科学探究方法，体现“生命观念”、“科学思维”与“科学探究”。不过对于摩尔根的研究，教材进行了简化处理，他的研究初衷实际上并不是为了证明或证伪孟德尔遗传学，而是想要研究突变问题，所以白眼果蝇的突变才会令他如获至宝，这一发现不是“偶然”，而是他一直在等待的结果；他的研究结果也不是完全与孟德尔遗传学一致的，性状与性别挂钩是孟德尔从未发现的，而且摩尔根小组还发现了连锁与交换定律，表现型比例并不是3比1，但是摩尔根理解孟德尔理论的核心，知道自己的研究结果与其并不相悖，而是一种有效补充，所以他才心悦诚服地接受了孟德尔遗传学。另外，摩尔根的研究不是一个人进行的，他和他的学生是科学史上非常有名的科学共同体，他的学生对他最终接受基因在染色体上的假说还起到了重要的影响作用。以上这些内容教师不一定要讲给学生，但是只有做到自己心中有数，才能更好地理解摩尔根对孟德尔的继承与发扬，有利于学生知识体系的构建。

6.道尔顿与红绿色盲症的发现

教材通过小故事的方式导入红绿色盲症教学内容，属于科学史范畴。该材料能够提高学生兴趣，也能鼓励学生学习科学家，积极提出生活中遇到的问题并用所学知识进行解释，一定程度上可以体现“科学探究”。

7.DNA是主要的遗传物质

人类对于遗传物质的本质进行了长期探索，教材介绍了格里菲斯、艾弗里、赫尔希和蔡斯的实验，最后又提及了烟草花叶病毒的实验，概括出DNA是主要的遗传物质这一重要概念，这种历经几位科学家的长期科学探索材料，均能体现科学史、科学哲学和科学社会学。学生能够通过分析科学家的研究，掌握重要概念，学习研究方法，体现“生命观念”、“科学思维”和“科学探究”。需要注意的是，艾弗里的实验并不像教材所描述的那样是一个分离多种生物大分子的过程，而是对“转化因子”进行不断提纯，最终获得纯度很高的DNA，所以才会存在纯度问题的争议，如果真的已经实现了物质分离，蛋白质被证明不是转化因子了，那么DNA中的蛋白质杂质就不会对结果的解释构成干扰了。

8.DNA双螺旋结构模型的构建

DNA双螺旋结构模型的构建是分子生物学的开端，是生命科学的重要里程碑，教材介绍了沃森与克里克构建模型的过程，属于科学史范畴，其中涉及的科学发现的影响因素及竞争与合作在科学发展中的作用也属于科学哲学和科学社会学范畴。该材料能够帮助学生学习DNA结构的特点、了解不同学科知识对生物学发展的影响、认同合作在现代科学研究中的重要作用，体现“生命观念”、“科学思维”和“科学探究”。

9.DNA的半保留复制

DNA半保留复制的推测和实验证据属于科学史范畴，而且揭示了沃森与克里克能够在DNA结构模型研究中拔得头筹的原因——他们始终关注DNA分子作为遗传物质的结构与功能——这属于科学哲学范畴。它是一个非常好的锻炼假说—演绎方法的材料，如果教师能够用好这一材料，引导学生用假说—演绎的方式分析实验结果，就能够培养学生的演绎推理思维和实验分析能力，同时能够清楚了解半保留复制的特点，体现“生命观念”、“科学思维”和“科学探究”。

10.中心法则

1957年，克里克提出了中心法则，这是科学具有预见性的良好范例，属于科学史和科学哲学。学生可以学习到科学理论的预见性和随着新证据的发现而带来的理论的补充完善，加深对科学本质的认识，也能构建遗传信息传递方式的重要概念，体现“生命观念”与“科学思维”。

11.遗传密码的破译

遗传密码的破译是生命科学历史上的重大事件，多位科学家在其中发挥了重要作用，该内容属于科学史范畴。遗传密码的破译体现了不同科学家的实验思路，学生对此加以分析，有利于锻炼科学思维，同时对密码子与氨基酸的对应关系印象加深，体现“生命观念”与“科学思维”。

12.缪勒与基因突变

1927年，摩尔根的弟子缪勒发现X射线会使果蝇突变率大大增加，后来因为该研究获得了1946年的诺贝尔生理学或医学奖。该材料本身属于科学史范畴，但是后来缪勒抵制放射在医学、工业和军事上的滥用，如果稍作引申，这又属于科学社会学范畴。学生能够通过材料学习构建重要概念，同时对放射在生活中的影响加以关注，体现“生命观念”与“社会责任”。

13.人类基因组计划

高中教材对人类基因组计划通过资料引导讨论的方式进行呈现，属于科学史与科学社会学范畴。教师引导学生进行伦理问题的讨论，能够体现“社会责任”。

14.拉马克与达尔文

在进化生物学部分，教材介绍了拉马克的进化学说和达尔文的自然选择学说，对达尔文的理论进行了较为详细的介绍，也分析了他的不足和现代生物进化理论对此的改进，还呈现了进化与人们思想观念的关系，属于科学史、科学哲学与科学社会学范畴。如果教师可以做好引导工作，学生应该能够通过学习建立进化观念并用它来分析社会生产生活中的一些事件、运用自然选择的观点对生物进化实例进行演绎说明、明确思想观念与科学研究的关系、意识到“成为科学问题”是进行科学研究的第一步，体现“生命观念”、“科学思维”与“社会责任”。教师可以适当利用视频使学生感受到进化生物学的跨学科性，多门学科对它的产生有重要影响，如物理学（天文学）带来的人们思想观念的变化、地质学研究对地球历史的分析等等，同时进化论的诞生也对整个人类社会产生了巨大的影响，学生应该对此有所了解。

（二）维度整理

由表1可见，人教版《遗传与进化》教材中共有14则HPS材料，其中体现科学史内容的有14则，体现科学哲学的有7则，体现科学社会学的有8则。所有材料中，只体现一个HPS维度的材料只有4则，说明绝大多数HPS材料具有多重教育价值，教师在教学中应加以注意。而对生物学学科核心素养维度分析的结果表明，在这些HPS材料中，体现“生命观念”核心素养的有11则，体现“科学思维”核心素养的有10则，体现“科学探究”核心素养的有6则，体现“社会责任”核心素养的有4则。14则材料中，仅体现1项核心素养的只有3则，其余材料均可以体现不少于两个方面的核心素养。教师应在教学设计环节花大力气，做好准备工作，精心设计教学活动，以期达到教学目标，最终通过合力发展学生生物学学科核心素养。

表1. 人教版生物教材《遗传与进化》HPS材料所属HPS范畴与核心素养维度分析

三、总结与建议

通过梳理，可见《遗传与进化》模块中具有丰富的科学史材料，它们不仅是需要学生记忆时间、国别、人物、贡献的简单史实，更是鲜活的科学研究历程，体现科学本质，蕴涵着多个维度的生物学学科核心素养教育价值，值得教师深入分析。本文仅针对《遗传与进化》一个模块进行了HPS材料的梳理分析，中学生物教师可以参考这种方式，对其它模块中的材料也进行类似分析，从而为在教学中用好这些材料、渗透生物学学科核心素养做好准备。这种分析需要教师对科学史相对熟悉，也需要对科学哲学和科学社会学的基本了解。

当然，材料分析仅是第一步，实际教学中需要教师精心思考如何体现这些材料中蕴涵的教育价值，更需要教师们在实践中进行探索。另外不同教师在教学中的侧重点肯定有所差别，不必拘泥于核心素养各方面因素的均衡体现，只要注意别忽略其教育价值的丰富性即可。想要基于生物学学科核心素养来用好HPS材料，需要科学史研究者的材料分析，更需要广大中学生物教师提供丰富而鲜活的案例，从而形成案例库，助力核心素养教育的顺利开展，从而为真正落实生物学学科核心素养贡献我们每一个人的力量。