基于HPS教育培养高中生生物核心素养的策略

刘玉配

（上海师范大学附属外国语中学 上海201600）

生物学学科核心素养是指学生在学习生命科学知识与技能、思想与方法的过程中，逐步形成的必备品格、关键能力和正确的观念，它包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任四个方面。［1］HPS教育的理念契合了生物学学科核心素养的要求。HPS即科学史、科学哲学和科学社会学（History，Philosophy and Sociology of Science）的缩写。HPS教育是一种新的科学教育模式，它以建构主义为理论依据，把科学史、科学哲学和科学社会学的内容渗透到学校课堂教学中，以提升学生对科学本质的理解。［2］发展高中生的生物学学科核心素养最终要以具体的生物学教学内容为载体，将HPS教育与生物学课程的有机结合是培养学生生物学学科核心素养切实可行的途径。本文首先对部分地区2019年秋季使用的《普通高中教科书生物学》（以下简称新教材）必修内容中有关HPS教育的内容进行分析、归类整理，然后选取部分内容基于HPS教育模式进行课堂教学实践，初步探讨基于HPS教育培养学生生物学学科核心素养的教学策略。

一、依托科学史教育，建构核心概念，提炼生命观念

新教材必修内容中有关HPS教育的科学史内容主要在“思考·讨论”栏目中呈现，笔者整理了必修1和必修2模块中涉及核心概念的科学史过程，如表1所示。从表中可以看出，生物学核心概念都有科学史的支撑，生物科学史往往是一部核心概念的发展史。科学史具有丰富的育人功能，将科学史教育融入生物课堂教学，教师可呈现科学知识发展的动态画面，以问题为驱动，以促进学生自主建构核心概念，提升生命观念。

表1 新教材必修内容中蕴含的科学史内容

例如，在“细胞膜的结构和功能”教学中，可以重走科学家的探究历程。当证实细胞膜主要成分含有磷脂时，教师可以设计探究活动：细胞膜中磷脂分子的排列方式。首先创设问题情境，假如把磷脂分子倒入盛有水的水槽中，请学生大胆猜测并画出磷脂分子在水槽中的排列方式，然后根据细胞膜内外的液体环境进一步猜测细胞膜中磷脂的排列方式。在教师的问题引导下，学生很容易推测出细胞膜中磷脂分子的微团状和磷脂双层分子层的排布方式如图1（右）所示。学生通过探究一活动经历了提出假说的过程，但是假说要经过证实后才能成为结论。教师呈现荷兰科学家E.Gorter和F.Grendel的实验，他们用丙酮提取红细胞膜中的脂类成分，在空气—水界面铺展成单分子层，定量测定单分子层总面积是红细胞表面积的1.8—2.2倍。这一实验结果恰好证实了细胞膜中磷脂双分子层的排列方式，这种排列方式与细胞膜内外的液体环境相适应。

探究活动一：细胞膜中磷脂分子的排列方式

1.结合磷脂分子的结构特点，猜测磷脂分子在水槽中的排列方式，并在图1（左）中画出。

2.根据细胞的生活环境，猜测细胞膜中磷脂可能的排列方式。

图1 细胞膜中磷脂分子的排列方式

人们对细胞膜结构的认识越来越接近真相，但是仍然不能解释细胞的一些生理现象。比如，细胞膜既然是由磷脂构成，为什么一些亲水而不亲脂的糖和离子可以快速地通过细胞膜，为什么细胞膜的表面张力要比油水界面的表面张力要小得多。教师呈现“1935年Davison和Dnelilit不断地向油水界面添加各类物质，发现当向油水界面添加蛋白质时，细胞膜的表面张力和油水界面差不多”，因此他们推测细胞膜中除磷之外，还含有蛋白质。教师设计探究活动二，蛋白质和磷脂在细胞膜中的分布。根据细胞膜的功能，学生大胆猜测蛋白质分子在磷脂双分子层上的分布情况，如图2所示。教师呈现1959年J.D.Robertson运用电镜超薄切片技术观察到了细胞膜的暗—亮—暗结构，提出了三明治式结构模型，证实了学生的猜测。同时，J.D.Robertson认为细胞膜是静态统一的结构，很多科学对这一观点提出了质疑，因为它很难解释细胞膜复杂的功能，例如变形虫的变形、精卵的结合等现象。科学家根据细胞膜的功能不断对细胞膜的结构模型进行修正，才有了为大多数人接受的流动镶嵌模型。

笔者以细胞膜结构的探索史为主线，以问题为驱动，遵循“发现新问题—再研究—再发现”的思路，引导学生进行自主探究，逐步构建细胞膜结构这一核心概念，使学生在感受细胞膜结构和功能协调之美的同时形成结构与功能相适应的生命观念。科学研究简史折射出人类对未知世界兴趣盎然的探索，对真理孜孜不倦的追求。课堂上教师把“史”重现，学生在完成核心概念构建的过程中自然而然地形成生命观念。

探究活动二：蛋白质和磷脂在细胞膜中的分布

根据细胞膜的功能，大胆猜测蛋白质分子在磷脂双分子层上的分布情况，并在图2（左）磷脂双分子层上画出来。

图2 细胞膜中蛋白质和磷脂分子的排列方式

二、融入科学哲学教育，强化科学方法，提升科学思维

科学哲学是指在认识科学知识过程中所形成的科学方法和思维品质。这一内涵恰好和生物学学科核心素养中的科学思维相契合。从科学哲学角度出发，笔者整理了新教材必修内容中的相关内容，如表2所示，该部分内容分布于“科学方法”和“思维训练”等栏目。通过对具体科学知识的学习，学生留在思想意识层面的科学方法和思维品质，更有利于学生的长久发展。

表2 新教材必修内容中蕴含的科学哲学内容

在遗传定律的发现过程中，孟德尔首次创新性地采用了沿用至今的现代遗传学研究方法：假说—演绎法。该方法研究的基本流程是：实验观察—提出问题—做出假设—演绎推理—实验验证—得出结论。教师在本章的教学中，可以遵循假说-演绎法的方法流程进行教学。例如在“孟德尔的豌豆杂交实验（一）”的教学中，教师首先讲述孟德尔关于豌豆的一对相对性状（高茎和矮茎）杂交实验的结果，然后设置问题串：为什么F1代都是高茎而没有矮茎呢？矮茎消失了吗？为什么F1代没有的矮茎，F2代又出现了？F2中出现的3∶1的性状分离比是偶然的吗？由表及里地引发学生理性思考实验现象背后的科学实质。其次，教师设计学生小组活动，根据孟德尔的假说并利用科学符号来解释F1代的性状分离比现象，体会科学符号表达对科学知识传播的作用。正确的假说不仅要能解释已有的实现结果，还应该能够预测另外一些实验结果。再次，让学生设计验证孟德尔假说的测交实验，依据假说内容对测交结果进行预测。通过学生自己的亲身实践，体验孟德尔测交实验的创新之处。最后，教师展示孟德尔测交实验的结果：测交实验中一共得到166株后代，其中87株式高茎，79株式矮茎，高茎和矮茎数量比例接近1∶1。这和学生们对测交实验的预测结果相吻合。学生经历科学家的研究方法认识科学规律，体验科学家的严密思维和科学推理，思维品质得以提升。

“遗传因子的发现”是新教材必修2“遗传与进化”专题第一章的内容。与旧教材不同，本章教学内容放置在了减数分裂之前。教材的编排顺序，既遵循了科学发展的真实情况，又凸显孟德尔豌豆杂交实验设计的创新之处；既重视遗传定律内容的学习，又强调科学方法的教育。［3］因此，教师可以从科学哲学的角度去分析新教材的内容，从具体的知识中挖掘认识事物和解决问题的科学方法和思维品质。从科学哲学角度组织教学，以知识为载体渗透科学思维方法。

三、链接科学社会学教育，创设问题情景，培养社会责任

科学技术的发展对人类的生产、生活产生了重要影响，同时科学知识的传播也受到社会政治、经济、文化、伦理和宗教的影响。HPS的社会学教育，目的是让学生在社会大背景中，理解科学和社会的关系，科学规范地传播和运用科学技术，培养其社会责任意识和使命感。这一目的与生物学学科核心素养中的“社会责任”素养一致。新教材必修内容通过“问题探讨”“与生活的联系”“科学·技术·社会”以及“与生物学有关的职业”栏目等多种途径，如表3所示，联系实际生活，全方位地引导学生关注科学技术和社会的关系，并为他们未来的职业规划提供参考。

表3 新教材必修内容中蕴含的科学社会学内容

（续表）

创设问题情景，联系社会实际，让学生将所学的知识与社会现象相联系，是提升社会责任的主要途径。例如，在“降低化学反应活化能的酶”一节中，“酶为生活添姿彩”内容提到了多酶片。教师可以利用多酶片创设问题情景，展开“pH对酶活性的影响”内容的教学。首先，教师展示家庭常用药多酶片的使用说明书，如图3所示，然后要求学生仔细阅读使用说明书，养成良好的用药习惯。教师根据说明书内容提出问题“为什么多酶片设计成双层包衣片”，激发学生的探究欲。教师继续提问，哪些因素可能影响多酶片效用的发挥。学生通过阅读说明书注意事项内容中的“本品在酸性条件下易破坏”，由此展开pH对酶活性影响的探究。教师可以提供以下实验材料，请学生以小组形式合作探究pH是否对酶活性的影响并完成表4。

【实验材料】3%过氧化氢、土豆圆片（含过氧化氢酶）、清水、盐酸、氢氧化钠

【实验仪器】试管、滴管等实验器材若干

表4 探究影响过氧化氢酶活性的因素

交流实验方案后完成实验操作，小组之间相互展示土豆圆片的上浮或气泡的生成情况并得出结论。接下来加深思维难度，请学生设计定量实验探究pH对酶活性的影响。因为有了定量实验的铺垫，学生水到渠成地设计出通过设定几个不同的pH数值，测定生成物氧气的量来完成定量实验。从定性实验探究到定量实验探究，循序渐进，提升学生的科学探究能力。教师可以介绍DIS系统并播放提前录制的使用方法视频供学生学习，小组成员相互配合动手完成定量实验，分享实验结果并讨论pH对酶活性的影响。本节内容的最后，教师可以回顾本节课初始的情景问题，请学生解释多酶片双层包衣设计的原理。达到学以致用的目的，理解“小药丸”背后的“大科学”。

从科学社会学角度出发，注重生物学知识与实际生活的联系，教师创设真实的问题情景，学生通过真实情景下的科学探究，基于实验结果的证据，获得科学知识和科学规律，并用所学知识对社会议题做出理性解释，培养社会责任。

图3 多酶片使用说明书

四、总结

综上所述，基于HPS教育组织课堂教学可以落实学科核心素养。HPS的科学史内容呈现了科学概念的产生和演化过程。依托科学史的教学过程中，教师可以以问题为驱动，遵循“发现新问题—再研究—再发现”的思路，引导学生进行自主探究，主动构建核心概念，提炼生命观念。科学哲学视角将科学概念形成过程中的科学方法和科学思维显性化，对学生终身认识、分析和解决生命现象将产生长远影响。融入科学哲学的教学过程中，教师以科学家的研究方法设计教学，经历科学家的逻辑推理和思维过程，领悟科学方法。科学社会学可以让学生认识科学知识和生活实际之间的联系，理性和客观地分析社会现象，培养学生理性而审慎应用科技成果的科学技术价值观。链接科学社会学教育，创设真实问题情境，经历实验的科学探究过程，基于实证深化科学规律，并对社会现象做出理性分析，培养社会责任感。在基于HPS教育的教学过程中，教师都可开展以探究为主的教学方式，通过自主探究或合作探究的学习方式发展学生学科核心素养。

另外，教师依据HPS教育理念设计课堂教学，在重点发展某方面素养的同时，也可以发展其他方面的素养。科学知识和观念的发展历史往往是科学思维不断更新的结果。学生经历探究活动的过程也正是科学思维形成的过程。例如，在高中生物依托科学史的教学过程中，通过设计探究活动，学生自主建构概念，发展生命观念素养的同时，学生的科学探究能力和科学思维品质可以发展。学生在学习生物学课程中，获得的科学知识、建立的生命观念、锻炼的科学思维、提升的科学探究能力，都将在履行社会责任中发挥作用。

新教材中有很多关于HPS教育的显性内容，为教师进行HPS教育培养学生核心素养提供了抓手。教师应针对新教材中的HPS教育内容进行挖掘和分析，采取切实有效的策略进行教学实践，从而提高学生的学科素养。同时，教师也应不断学习科学史、科学哲学和科学社会学的知识，加深对本学科核心素养的理解，并将两者有机结合。这是基于HPS教育培养学生核心素养的前提和基础。