以HPS教育的简史型视角构建初中科学复习课模式——以“植物的有性生殖”为例

蔡呈腾

（温州市第二外国语学校 浙江温州 325000）

HPS是“科学史（History of Science）、科学哲学（Philosophy of Science）和科学社会学（Sociology of Science）”的简称。HPS教育坚持真正地、有效地、全面地提高国民的科学素养的教育价值取向，提倡从科学史、科学哲学和科学社会学视角理解科学，筛选、编排和融入HPS的教育内容，倡导建构与对话的教学模式。笔者在开发复习课的HPS教育课程内容时，构建了简史型的复习课模型：以某个自然现象（或规律）的人类探索史作为复习课的主要框架内容，梳理该自然现象（或规律）在科学史上演进的路线，以时间为轴，突显发现过程中的内在逻辑，体现科学本质特征。以“植物的有性生殖”为探索对象的简史型复习课的具体框架见表1。

表1 以HPS教育的简史型视角建构初中科学复习课模式框架

从科学学科核心素养制定本节复习的教学目标如下：

①通过自主构建概念图表达植物从花到果实的发育过程，理解被子植物生长发育的特征，形成结构与功能相适应的观念。

②通过创设与科学史相匹配的真实情境，基于表观证据来推测与论证植物存在性别，结果需要传粉、受精和发育等过程；基于探究实践进行实验方案设计来说明植物的生殖过程。

③以问题、证据、解释、交流等要素完成小组合作下的“植物花粉是结果的必要条件”的实验方案设计，完成“花粉不仅起刺激作用”的实验设计思想。

④从古希腊和古中国开始到19世纪双受精现象的发现，探索人类在研究植物性别、生殖中的重要历程，重构植物有性生殖知识体系，重走科学家探索之路，体验科学是不断否定、迭代、完善的过程，科学与技术相辅相成，相互促进。

1 HPS教育的简史型复习课的课程内容

以“植物有性生殖”为课程内容的简史型复习课将人类对植物有性生殖探索历程作一个全面的梳理，探索历程按照科学发展的不同“范式”，总结成如下三个时代。

1.1 经验总结时代

古代有对植物有性生殖现象进行观察，并进行简单的逻辑分析与推理，但很少进行实证论证。

（1）从“文化自信”“立德树人”等角度选材：

①东汉农学家崔寔在《四民月令》中记载，长成雄株的种子和长成雌株的种子在颜色或形状上存在区别。

②北魏农学家贾思勰发现，要使甜瓜多开雌花多结瓜的方法是搭起支架。

（2）从对植物有性生殖研究主线角度选材：

狄奥弗拉斯图（Theophrastos）发现，用不结果实的枣椰树花粉给结果实的树授粉才能结出果实。

1.2 实验探索时代

复习课不可能全部罗列出科学史上所有研究植物有性生殖的实验，但可选取适合开发成课堂实践活动的实验。

（1）1682年，英国植物学家格鲁（Nehemiah Grew）解剖花，并用显微镜观察花的结构。他认为，只有花粉粒落到柱头上才能形成果实和种子；在花中有产生精子的部分，其中有相当于动物精子的小球，能使相当于卵巢的部分发育受孕。

（2）1694年，德国植物学家卡梅拉里乌斯（Rudolf Jakob Camerarius）发现，附近没有雄株的雌性桑树所产生的果实只含有不成熟的种子，受此启发做了系列实验：①把长花粉、不结果实的桑树（雄桑树）与结果实、不长花粉的桑树（雌桑树）隔离开。结果实的桑树虽然结实，但果实中没有一粒种子。②换用野靛做上述实验，结果相同。③把玉米的雄蕊切掉，发现一粒种子也不结。卡梅拉里乌斯认为种子的产生是植物维持种族的普遍特性，除非有花药参加，否则不可能事先在子房内准备好幼小的植物，花药具有雄性生殖器官的作用，而子房和花柱则是雌性生殖器官。

（3）进入18世纪，人们承认植物种子的形成需要花粉，但普遍认为花粉只对种子的形成起刺激作用。法国植物学家凯尔路特（Joseph GottliebKolreuter）用红花窄叶的雄株与黄花宽叶的雌株烟草做杂交实验。结果表明，后代中出现了红花宽叶和黄花窄叶的植株，说明它们分别遗传了父本和母本的性状，说明花粉不只是对柱头起刺激作用。

1.3 质疑论证时代

19世纪在揭示植物有性生殖的本质特征时，出现了观点冲突与争论。

（1）意大利人阿米西（Giovanni Battista Amici）用自制显微镜观察马齿苋的柱头时，发现花粉粒附着在柱头上。

（2）法国人布隆尼亚（Adolphe-Théodore Brongniart）发现花粉管穿入柱头后沿花柱下行进入子房内的胚珠中。

（3）德国人施莱登（Matthias Jakob Schleiden）认为，胚囊仅仅只是一个“孵卵器”，与胚的形成无关，胚是由花粉管形成的，这是否认了植物存在有性生殖。这种观点被阿米西通过实验所否定。阿米西发现，在花粉管进入胚囊之前已经有“胚泡”存在，但没有发育成胚；由于花粉管的“刺激”，“胚泡”才发育成胚。

（4）1849年，德国人霍夫迈斯特（WilliamHofmeister）证明胚不是由花粉管形成的，而是由一个已存在于胚囊中的细胞形成的。在随后的几十年中，植物学家们陆陆续续发现，花粉粒中有一个生殖核和一个营养核，花粉萌发形成花粉管时，生殖核进一步分裂成两个精子，且其中一个精子与卵结合成受精卵。这样，施莱登及其拥趸们不得不放弃原有的观点。

（5）1893年，俄国人纳瓦兴（S.G.Nawaschin）发现，植物花粉管中的两个精子都发生受精现象，一个精子与卵结合形成受精卵，另一个精子与两个极核结合形成受精极核，这就是被子植物的双受精现象。

2 HPS教育的简史型复习课的教学模式

人类探索植物生殖的历程是一个从“经验总结”到“实验探索”再到“质疑论证”的过程，这个过程也是复习课的主要框架。为推进植物生殖探索历程，教师还需要将本节复习的知识“植物的生殖”进行重构。整个教学就按照图1所示的流程展开。

图1 HPS教育的简史型复习课的教学流程示意图

2.1 知识结构下的温故知新

本节课复习浙教版科学七年级下册第二章第五节“植物的一生”，在沿着科学家足迹重构“发现植物有性生殖”时，需要应用植物生殖的知识。故此，以构建被子植物生殖“概念图”的方式呈现知识，以求提纲挈领，温旧知新。

教师要求学生完成填写花蕊、种子、幼苗的结构关系图（图2）。

图2 植物花蕊、种子、幼苗的结构关系图

2.2 经验总结下的推理归纳

以HPS教育的简史型视角构建复习课模式，教师需要将科学史上的科学事件转化为课堂活动，使学生“在场”，从而进行经验总结。为此，课堂上创设情境，让学生体验科学家曾经经历的发现：如果你生活在东汉或北魏时代，当观察到什么样的现象，致使你会认为大麻结子（或甜瓜结果）需要雄蕊？

这个问题是为了培养学生的举证能力，即根据结论来反推证据；同时复习雌雄异株、雌雄同株植物，以及单性花、两性花。基于学生举证下的“生成”，学生可能描述昆虫传粉的场景，教师引入狄奥弗拉斯图关于枣椰树授粉的记录，引导学生对比中国古代的“证据”和古希腊的记录。

2.3 探究实验下的创造设计

课堂上不是“教实验”，或“展示科学家做过的实验”，而是将实验转化为学生的探究实践，让学生与科学家一样设计方案并解决问题。教师引导学生设计实验方案证实格鲁的观点：1682年，英国植物学家格鲁解剖花的结构，并通过显微镜观察到，花中有产生精子的部分，其中有相当于动物精子的小球，能使相当于卵巢的部分发育受孕。他认为，只有花粉粒落到柱头上才能形成果实和种子。备选植株：桑（单性花，雌雄异株）、玉米（单性花，雌雄同株）、桃（两性花）。

此方案的设计既是课堂探究实践活动，也是科学史上真实事件在课堂中的再现。课堂上，学生通过评价与交流呈现每小组的探究方案，并与卡梅拉里乌斯的实验进行对比，以此增强对科学探究的感悟和体验。

虽然卡梅拉里乌斯的系列实验能说明花粉在植物生殖中不可或缺，但当时普遍认为花粉只对种子的形成起刺激作用。为引导学生解决这个问题，教师设计活动：18世纪，人们普遍认为花粉只对种子的形成起刺激作用。法国植物学家凯尔路特用红花窄叶的雄株与黄花宽叶的雌株烟草做杂交实验。他要观察到什么样的实验现象，才能说明花粉对种子的形成远远不只是起刺激作用？本课授课对象是使用浙教版教材的七年级学生，他们还不具备遗传、性状等知识，无法完成实验设计的任务，又不能与设计方案证实格鲁的观点的活动雷同，故将该活动设计成基于推测的举证过程，而不是实验方案设计。

在学生讨论的基础上，教师呈现烟草杂交实验结果，引导学生举证说明：花粉不只对种子的形成起刺激作用。

2.4 质疑论证下的模型构建

19世纪，许多植物学家对植物有性生殖进行了质疑论证，最终发现被子植物双受精现象。教师呈现表2所示的资料进行分析，要求学生完成如下问题。

①请以图示的形式描述被子植物有性生殖过程（从花蕊到种子的形成）。该过程是哪些植物学家参与工作的？

②“从问题到结论”的科学发现过程，一般都经历什么样的历程？

学生通过思考，构建植物有性生殖的图示模型，体验科学发展中质疑、论证、迭代、构建的过程。

教师可通过如图3所示的板书进行小结。

图3 板书设计

3 HPS教育的简史型复习课的教学价值

3.1 人文价值取向

HPS教育的简史型复习课的人文价值取向主要体现在两个方面：①复习课成为科学与人文通融的桥梁。例如，古希腊的哲学家虽说对植物的生殖有一定的感性认知，但经过中世纪，这种认知几乎停滞不前，主要的原因在于欧洲中世纪的宗教认为植物的花是贞洁的象征，而雌雄交配是污秽不堪的，把花与交配联系起来是宗教所不能容忍的。这就是科学技术与社会的关系的微妙之处：特定的社会场域可能成为科学技术发展的温床，也可能成为科技发展的牢笼。②科学作为一种发生在人类群体上文化对人性的影响，本身是人文性的，如研究植物有性生殖规律的植物学家们在寻找证据过程中的求真、求实的品质。

3.2 批判质疑取向

HPS教育的简史型复习课的批判质疑价值取向，本身是科学精神的重要组成内容。本节课从狄奥弗拉斯图、崔寔和贾思勰对植物性别的认识开始，到格鲁、梅拉里乌斯、凯尔路特等的实验，再到发现被子植物双受精现象，经历了2 500多年，其中不但有科学家自我否认的精神，也有与他人、其他领域的权威作斗争的事件。以波普尔的证伪主义观点看来，科学的发展就是在被否定中逐步前行的；而库恩为代表的历史主义者认为，一种范式替代另一种范式，这就是科学革命，是科学发展最基本的模式。植物生殖简史中虽没有像库恩所说的有明显的范式更替而发生典型的科学革命事件，但课中总结出对植物有性生殖的“经验总结”到“实验探索”，再到“质疑论证”，3个过程都选择了典型案例进行佐证，正是教学批判质疑取向最好的载体。

3.3 创新实践取向

HPS教育的简史型复习课的创新实践教学价值取向，立足于科学家的实践创新，转化为课堂上学生的学习创新行为。课堂成为学生自主学习的场域，最重要的条件是将科学史上的实验转化为学生基于特定问题情境的实验设计创新实践活动。例如，教师对卡梅拉里乌斯实验的处理，是通过解决“雄蕊在植物生殖中有什么作用”的问题，组织学生进行实验方案设计，通过小组讨论与交流、解释与评价学生的实验方案，最终与梅卡拉里乌斯的实验进行对照，使学生沿着科学家的足迹体验科学探索历程，感受科学创新实践带来的喜悦。