HPS模式在高中生命科学单元教学中的实践

金子明

摘要： HPS教学是高中生命科学课堂教学中常用的教学模式，但诸多教师在实践中往往只采用科学史中的某个实验片段，使得HPS在发展学生学科核心素养方面没有起到应有的效果。而在单元教学中，运用HPS组织课堂教学不仅是《课程标准》的要求，也便于设置连续的科学史情境，更好地帮助学生了解知识的来龙去脉，以发展学科核心素养。文章尝试基于HPS模式，立足教材重构教学顺序，在“生命的延续”单元教学进行实践，并以“连锁和交换定律”一课为例进行课例介绍。

关键词： HPS;高中生命科学;单元教学

HPS是科学史（History of Science）、科学哲学（Philosophy of Science）、科学社会学（Sociology of Science）英文单词的缩写1，即在学科教学中，合理运用学科科学史、科学哲学和科学社会学的相关内容来组织教学活动。在高中生命科学教学中，教师经常将科学史作为教学情境，但笔者发现，诸多教师在基于HPS的教学实践中往往只是采用科学史中的某个或某些实验片段，将挖掘实验内在的科学思维作为重点，但对科学家进行实验的背景和实验之间的关系很少关注，对知识或规律的来龙去脉往往点到为止，使得HPS对学生核心素养发展的贡献不明显。笔者试图通过HPS与单元教学设计结合，将科学史连点成线贯穿于单元教学中，提升HPS的教学效果，并以沪教版高中生物教材中“生命的延续”单元为例进行了实践。

一、高中生命科学单元教学中运用HPS模式的意义

HPS模式最早由奥地利科学史家马赫于19世纪末期提出，他认为“任何科学教育都不能忽视科学的历史与哲学”2，因其可以培养学生的科学素养，逐渐成为科学教育的优秀范式，被教育工作者广泛采用。

1.运用HPS组织课堂教学是《课程标准》的要求

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》在实施建议中提到，要“注重生物科学史和科学本质的学习”，“学习生物科学史能使学生沿着科学家探索生物世界的道路，理解科学的本质和科学研究的思路和方法，对提高学生的生物学学科核心素养是很有意义的”，“本课程标准中的多处内容都包含科学史的要素，教師应充分利用这些科学史来开展教学”。1

2.在单元教学中运用HPS模式具有较好的情境连续性

上海市教委在2018年出版了《中学生命科学单元教学设计指南》，指出广大教师“普遍缺乏从单元层面对目标、内容、教学方法、作业与评价、教学资源一致性的整体设计，碎片化的课时教学设计通常也难以与教学目标很好地呼应”。2 而HPS恰好渗透着人类认识和发展科学的过程，在单元教学中运用HPS组织课堂教学，具有较好的情境连续性，能够帮助学生了解知识的来龙去脉，发展生命观念、科学思维、科学探究和社会责任的学科核心素养。

3.“生命的延续”单元适合运用HPS的教学内容

在课堂教学中，并非所有教学内容都适合运用HPS，有学者提出，“是否符合课标要求”“是否有适合HPS相关的内容”“是否符合学生的认知水平”等是判断教学内容是否合适HPS教学的标准。3 “生命的延续”单元是沪科版高中生命科学课程中的重要单元，教材中涉及的内容根据章节顺序依次是“细胞的分裂和分化”“遗传与变异”“生物进化”。这一部分教学内容在科学史上是前后关联的，但教材在编排上并没有将它们前后衔接起来。笔者尝试基于HPS，对教材进行二次开发，重构教学顺序，在高二年级第一轮复习中，将“生命的延续”复习专题和等级考拓展教材的“遗传”新课整合为一个学习单元，并在课堂上重现“现象—假说—演绎—验证—新的现象”的探究过程，帮助学生更好地理解知识的产生由来和相互关系，锻炼科学思维，发展核心素养。

二、“生命的延续”单元渗透HPS的设计意图和重构思路

1.设计意图

谭永平指出，深入理解生命的本质，需要回答生命“是什么”“怎么样”和“为什么”。4 而生命延续的“是什么”“怎么样”和“为什么”，需要在细胞分裂的染色体行为中找到答案，需要在变异和环境的相互选择中找到答案。考虑到学生理解遗传规律实质的需要，以及遗传变异和进化学说关系的需要，将第七章“细胞的分裂与分化”、第八章“遗传与变异”、第九章“生物进化”、拓展型教材第三章“遗传”整合为一个单元，其中前三者为复习内容，最后者为新课内容。

在单元的整体设计中，以近代遗传学学科史为大情境，以历史发展先后顺序作为主线贯穿。生命科学的学科史是非常有意思的，比如“粒子遗传学说”是“自然选择学说”的理论基础，但前者的提出却晚于后者，这是因为人们对生命世界的认识是从宏观到微观的。教材中处处渗透了HPS教学的思想，但由于教材首先要呈现生命的基本特征，以此为依据进行单元编排，所以近代遗传学史难以按历史发展的顺序在教材中整体展现。而学生在学习相关新课时，注意力集中在知识内容上，不太关注“进化适应、细胞分裂、遗传变异”等知识点在学科史中的来源和碰撞，缺乏对学科发展和知识关系的感性认识和理性推导，是一件比较遗憾的事。所以，在第一轮复习中充分利用和整合学科史，将其作为主线来重构知识内容，不仅可以弥补遗憾，也可以完成等级考拓展教材的新课教学。

2.重构思路

本单元情境主要涉及1859年《物种起源》发表后到1953年DNA双螺旋分子结构模型问世前的那段学科史。重构的思路是：首先复习“生物进化”章节，从19世纪中叶达尔文提出“自然选择学说”出发，以“自然选择学说”与“融合遗传假说”的矛盾，引向“遗传与变异”章节中1860年左右的孟德尔“豌豆杂交实验和遗传假说”的发表，复习“自然选择学说”和“豌豆杂交实验”;以“1903年细胞分裂和染色体行为变化的研究”，为孟德尔遗传假说“平反”，并以此为历史情境，复习“有丝分裂”“减数分裂”“基因分离定律”和“基因自由组合定律”，引导学生关注“减数分裂中染色体行为变化和遗传定律实质的关系”;以“1910年摩尔根用果蝇对孟德尔遗传假说的验证”，复习“伴性遗传”，进行“连锁和交换定律”新课教学;以“20世纪初摩尔根的学生斯特蒂文特发现染色体易位”为引，复习“变异”和“人类遗传病”;再以摩尔根的学生、我国近代“遗传学之父”谈家桢的“异色瓢虫色斑遗传研究”为引，进行“孟德尔遗传定律拓展”的新课教学;最后整合“进化、遗传、变异”的知识，复习“现代进化理论”（见表1）。

表1 重构后的“生命的延续”单元章节安排

[课时 课题 教学内容 课型 2课时

达尔文的困惑

9.1生物的进化

9.2生物进化理论（自然选择学说部分）

8.1遗传规律（豌豆杂交实验和遗传假说） 复习课

3课时

豌豆中的玄机

7.1生殖和生命的延续

7.2有丝分裂

7.3减数分裂

8.1遗传规律（实质） 复习课

3课时 果蝇登上舞台 8.2伴性遗传

3.1拓展教材：基因连锁和交换定律 复习课

新授课 2课时 染色体的秘密 8.3变异

8.4人类遗传病和遗传病的预防 复习课 1课时 基因的相互作用 3.2拓展教材：孟德尔遗传定律的扩展 新授课 1课时 结语 9.2生物进化理论（现代进化理论部分） 复习课 ]

三、课堂实例

基于HPS教学，笔者分别以达尔文、孟德尔、摩尔根、斯特蒂文特和谈家桢五位有相互关联的生物学家的重要科学结论和科学史片段作为学习情境，进行每节课的教学设计。这里以“连锁和交换定律”一课教学为例，进行说明。

1.教材和学情分析

“连锁和交换定律”是沪科版高中生命科学拓展型教材第三章第一节的教学内容，《高中生命科学学科教学基本要求》将其定位在A级水平，要求学生能够“描述摩尔根设计的两组测交实验现象”“说出基因连锁和交换定律的实质”“说出基因连锁和交换定律在育种和医学实践中的应用价值”。1

“基因连锁和交换定律”被称为“遗传学第三定律”，其中“连锁”是指基因在染色体上的线性排列，伴性遗传（性连锁）与其有关;“交换”是指减数分裂时同源染色体的非姐妹染色单体之间发生交叉互换，连锁的基因会随之发生位置变化，增加配子基因型的种类。在孟德尔两大定律的基础上，学生要正确理解基因连锁和交换定律的实质，进一步完善他们的遗传和变异观，这是本节课之于单元教学目标落实的主要内容，也是本节课的重点。而综合利用有效的模型和思维工具，突破问题鏈，解决矛盾点，通过假说演绎来分析两组测交实验结果的原因，是本节课的难点。

从教师单元教学设计的角度来看，要落实本节课的学习目标，必须调动学生关于染色体、基因、细胞分裂、遗传变异的全部知识，为学生铺设好足够的“台阶”。该内容难度虽然已经调整为A级水平，但在单元中依然处在一个综合性较高的难点高峰：一方面是因为该定律的理解需要学生具有较为清晰的逻辑思维，另一方面，需要学生具有较为扎实的减数分裂知识基础，对基因的分离和自由组合的实质有准确的认识，要熟练掌握和运用杂交实验过程中的专业名词。所以在新课前，需完成“细胞分裂”和“孟德尔遗传定律”的复习。

从学生学科素养发展的角度来看，本节课的学习价值至少有三点：一是运用减数分裂模型和遗传图解，明确基因连锁和交换定律的实质，领略基因连锁和交换定律对于生命进化的意义;二是经历科学史中科学家的思维过程，借助假说演绎、回溯推理等思维工具，探究规律本质，体验实用的科学方法;三是学习科学家尊重事实、大胆猜测、小心求证的科学态度和具有创新性的理论应用能力，培养社会责任。

2.教学设计与说明

“基因连锁和交换定律”不仅是学生学习的难点，也是教师教学设计的难点。但“连锁交换定律”的探究过程是培养学生科学思维和科学探究的极好资源，渗透了普适的科学思想方法和有效的生命科学研究思维工具。既要让学生的头脑和身体参与进来，又要给足学生“跳一跳够得到”的思维台阶，是在教学设计中最主要的思考问题。

遗传规律的发展是基于变异现象，通过假说演绎提出和杂交实验验证的，是通过对染色体方面的研究进一步证实的。所以笔者认为，以学科史为情境，以实验现象为问题，以假说演绎法为手段，以减数分裂模型为工具，在教师的引导下进行探究式学习，是符合学生学情的，是有助于学生提升科学思维能力的有效教学设计思路之一。

本节课用到的科学史素材，是单元教学的历史情境的一部分，也是教材本身对这部分知识的呈现方式。在这样的思考下，形成了本节课的设计思路：以摩尔根对“基因连锁和交换定律”的探究为情境主线，学生经历纵横两条逻辑线（见图1），落实重点，突破难点，发展学科核心素养。

（1）横向的逻辑线

横向的逻辑线是学生经历矛盾冲突的探究史，从与“自由组合定律”违背的实验现象，到借助“减数分裂模型”解开现象背后的原因，再通过交换值意义的发现和证实，学生逐步加深理解遗传信息在有性生殖中传递和变化的规律，最终能够理解并说出基因连锁和交换的实质，落实学习重点。

在上一节课的尾声里，留下本节课的第一个矛盾，即摩尔根在验证孟德尔的“遗传因子自由组合假说”的实验过程中，得到基因型为BbVv的果蝇，而它们随机交配产生后代的表现型比与“9∶3∶3∶1”不符，从而开启新课学习。结合杂交研究的常规手段，学生提出可以尝试进行测交实验，给出测交实验实际结果后，引发第二个矛盾，即测交实验结果不是1∶1∶1∶1。通过对假说演绎法的理解，学生回顾“遗传因子自由组合假说”的前提，也就是“基因自由组合定律”的适用范围，提出新的假说：这两对等位基因可能位于一对染色体上。通过构建BbVv产生配子的减数分裂模型（活动一），认识到基因的连锁，并用遗传图解解释测交实验1的结果。再引发第三个矛盾：正交和反交的实验结果截然不同。通过对测交实验2产生后代的表现型本身分析，发现在该杂交过程中发生了基因重组，由于自由组合与本假设不符，则将基因重组的原因锁定在交叉互换现象，通过构建BbVv发生交换的产生配子的减数分裂模型（活动二），认识到基因的交换，归纳出“基因连锁和交换定律”的内容和实质，认识该定律对于进化的意义。再引出第四个矛盾，在解释雌、雄果蝇的不完全连锁和完全连锁之后，用遗传图解解释测交实验2的结果（活动三）。继而引出第五个矛盾，单个卵原细胞和单个雌果蝇产生四种配子的比值不同，还是借助减数分裂模型，帮助学生理解交叉互换发生的偶然性，提出“交换值”的概念、意义，以“交换值的应用”作为本节课的收尾，而最后提到的斯特蒂文特又是下一节课“变异”的复习的导入。通过经历五个矛盾冲突，探究环环相扣，让学生体验严谨缜密的科学推理，感受遗传学研究的乐趣，领略生物多样性的成因。

（2）纵向的逻辑线

纵向的逻辑线是学生经历科学思维的问题—活动链，借助假说演绎和模型工具，揭开矛盾背后的真相，落实学习难点的突破。

探究史中的五个矛盾，即五个探究问题，通过五个不同的学习活动解决。五个矛盾的问题解决，方法各有不同，有所偏重。其中，矛盾二、三的解决是本节课的难点，所以需要充分调动学生的主观能动性，手、脑、口并用，合作解决。矛盾一的解决，是学生提出其他的杂交研究手段。矛盾二的解决，是学生否定原假说，提出新假说，并借助活动一进行论证。矛盾三的解决，是学生透过现象看到基因重组的本质，回溯推理“锁定交叉互换”现象，通过活动二加以论证，通过活动三进行分析。矛盾四的解决，是学生直接通过教师解释来获得答案。矛盾五的解决，是结合“减数分裂模型”，根据重组配子的比值，回溯初级卵母细胞发生交换的頻率，认识交换的非必然性。

3.学习目标的制订

知识与技能：经历探究史，描述摩尔根两组果蝇测交实验的现象;说出“基因连锁和交换定律”的实质，说出交换的频率可以用交换值表示。

过程与方法：通过假说演绎和回溯推理，利用“减数分裂模型”分析两组测交实验结果的原因。

情感态度价值观：领略科学家的科学精神，领悟“连锁和交换定律”对生命进化适应的意义，在微观角度感悟生命的神奇和生物多样性之美。

4.重点难点

重点：说出“基因连锁和交换定律”的实质。

难点：通过假说演绎和回溯推理，利用减数分裂知识分析两组测交实验结果的原因。

5.教学技术与学习资源应用

学案、PPT、投屏软件、染色体磁贴、白板磁贴、记号笔等。

6.教学过程

教学过程如表2所示。

7.教习与评价

借助本课设计的问题—活动链，通过学生的回答情况、搭建的减数分裂模型和书写的遗传图解进行过程性评价，也可以用于调整教学节奏;观察学习过程中学生参与学习活动、合作讨论的积极性，进行态度上的评价;通过作业评价学生的学习成果。

8.教学成效和反思

“基因的连锁和交换定律”一向是教学的难点，被许多学生称为高中生命科学学习的难度高峰，但自从2014年上海公布高考改革方案起，《上海高中生命科学学科基本要求》将其难度等级从B级水平降低至A级水平。从近期的考题来看，对该内容的考查要求也确实降低许多。本课时设计的初衷，一方面是希望通过历史脉络让学生对近代遗传学史有个大致的认识，了解知识之间的逻辑联系，另一方面是让学生真正理解“连锁交换定律”的实质，而非通过大量的运算，训练学生的解题能力。

通过课堂教学实践，笔者认为，问题链和“台阶”设置合理有效，单元设计目标和课堂教学目标都基本达成。学生能够绘制染色体发生交叉互换后的形态，同时利用“减数分裂模型”将染色体的传递过程绘出，并解释两组测交实验的现象，突破了本节课时的重点和难点。在信息化工具的利用上，本课使用了希沃投屏软件，将学生绘制的作品通过投屏的方式展现，缩短了学生交流准备的时间。

四、HPS模式在高中生命科学单元教学中的实践反思

1.HPS模式运用于单元教学应在《课程标准》的指导下进行

笔者在教习实践中，也曾陷入两个误区。第一个是过于重视科学史的完整呈现，拓展了过多的科学家的探究史。如在“减数分裂”的教学中，讲授了萨顿对同源染色体分离的研究过程，而《课程标准》注重的是染色体在减数分裂过程中变化的意义，这一段探究史对教学目标的落实没有太大价值。第二个是在教学过程中，过分增加了人物传记的比重。如在“基因的分离和自由组合定律”的教学中，为了让学生更好地了解孟德尔为什么会运用豌豆来研究遗传学问题，在课堂上过多地讲授孟德尔的生平，以及他与达尔文、多普勒等人的关系，而《课程标准》希望学生关注孟德尔的科学精神和科学方法。因此，HPS模式运用于单元教学要避免“本末倒置”的问题，应当在《课程标准》的指导下设计合理的教学目标，选用有助于落实教学目标的HPS资源来进行教学设计。

2.充分发挥单元教学设计的优势来运用HPS资源

钟启泉指出，“课时主义”把教学内容碎片化，导致知识点的处理缺乏全局性的掌握。1 单元教学设计的最大优势就是具有更宽阔的全局性，这种全局性可以打破HPS资源在课时教学中运用的不连续和不完整的弊端。如在单元教学的各个课时中强调科学史片段的前后联系，将真实的探究链呈现给学生;又如将不能在课堂上呈现的科学史资源以单元活动或单元作业的形式呈现给学生，实现HPS对培养学生学科核心素养的价值。另外，单元教学设计有其一定的自主性，教师可以根据实际情况对教材进行二次开发，以学科史作为单元教学的设计主线是一种好的思路。