应用HPS 教学模式培养学生生物学学科核心素养

姜雨姗

（哈尔滨师范大学教师教育学院，黑龙江 哈尔滨 150000）

1 HPS教育与生物学学科核心素养

HPS教育是科学历史、科学哲学和科学社会学（History philosophy and sociology of science）的简称，是以科学本质为基础的新型科学史教育。它旨在将这三门学科的知识有机地结合起来，从而提高学生的科学素养。科学史是人们了解科学、发展科学的过程，是对人类科学探索过程的记载与整理，为人类进行科学研究提供了必要的历史记录和情感；“科学哲学”是一种以“科学”为目标的哲学，它是对人的科学发现进行总结和整理，并为其提供方法论依据；科学社会学是从社会学角度来探讨科学与社会之间的联系和影响的一门学科，它是对科学的运用和传播，为科学的普及和应用提供了一种现实的方法和方法。HPS教育是指在科学教学中，三者相辅相成，相互交融，从而培养了学生的生物学学科核心素养[1]。

2 HPS教学模式的课堂实践

本文以人教版高中生物学必修1《分子与细胞》中第五章第四节第二小节“光合作用的原理和应用”为例[2]。

2.1 头脑风暴，提出问题

教师活动：展示光合作用四个字，引导学生开展头脑风暴。引导学生调动自己的知识储备，答出与光合作用有关的概念。然后展示以光合作用为中心的思维导图，提出问题：光合作用究竟是怎样进行的呢？其中的物质与能量又经历着怎样的变化呢？以此导入新课。

设计意图：运用头脑风暴激发学生的思考能力，指导学生回顾已学到的知识，教师可以借此了解学生对光合作用相关知识的掌握情况。

2.2 构建光反应模型

教师活动：教师首先把光合作用的总化学方程式写下来，然后引导学生思考具体过程。二氧化碳和水是怎样产生有机物质和氧气的？如何将光能存储在有机物质中？这就是我们今天要解决的问题。教师提问：O2的来源有哪些可能性？学生答道：有可能是H2O、CO2、H2O和CO2。教师总结：过去，科学家和我们有着相同的迷茫[3]。

教师提出问题：在光合作用中，糖类的合成和氧气的产生是同一个化学反应吗？学生分析资料，得出结论：悬浮液中没有合成糖类所必需的CO2，因此，这个实验表明，糖的合成和氧气的生成是不同的化学反应。光合作用是由多个阶段组成的[4]。

设计意图：明确糖类的合成需要有碳元素参与，培养学生的生命观念。

教师提出问题，引导学生思考：（1）希尔的实验表明，水的光解生成氧气，那么，植物的光合作用所需的氧都是由水提供的吗？（2）如果要证明所有的O2都来自H2O或来自CO2，可以采取哪些方式？请把你的想法说出来。学生经过思考后回答：同位素示踪法。设置两组实验，一组标记H2O，不标记CO2；—组标记CO2，不标记H2O。如果第一组产生的O2有标记，第二组产生的O2没有标记，说明O2来自H2O。反之，则说明O2来自CO2。

设计意图：希尔实验只能说明水的光解产生氧气，但不能排除二氧化碳也能产生氧气的可能性，培养学生的批判性思维。

教师展示资料：美国科学家鲁宾与卡门于1941年利用同位素示踪技术，对光合作用中的氧气来源进行了研究。他们用16O的同位素18O分别标记H2O和CO2，使它们分别变成H218O和C18O2。然后，进行了两组实验：第一组给植物提供H2O和C18O2，第二组给同种植物提供H218O和CO2。在给予充足光照且其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是O2，第二组释放的都是18O2。

教师提出问题：鲁宾、卡门的研究，得出什么结果？结果表明：光合作用所产生的氧都来自水而非二氧化碳。教师引导学生分析上述实验，发现其中都有光能参与，引出光合作用分为光反应和暗反应两个阶段。提出问题：光反应中还可能会发生什么反应呢？学生类比细胞呼吸过程，猜测光合作用中也涉及ATP的转化。

设计意图：运用类比推理法，复习ATP是直接能源物质这一知识点，与前面的知识建立联系。

展示资料：美国的阿尔农在1954年发现，在没有CO2的情况下，给予叶绿体光照，在将ADP、Pi和NADP+供应到反应系统中时，系统中会生成ATP和NADPH(NADP+、H+与电子结合而成的还原物质NADPH）。在1957年，他发现这个过程一直伴随着水的光解。提出问题：分析该实验，用化学式表达得出的结论。学生写出：H2O→H++O2

ADP+Pi→ATP NADP++H+→NADPH

教师引导学生明确光反应中的物质变化与能量转化。结合叶绿体结构，明确在叶绿体的类囊体上发生水的光解。根据上述分析，请同学对光反应过程进行总结，画出光反应过程示意图[5]。

设计意图：引导学生将所学习的光反应相关知识外化到纸面上，便于教师认清学生的学习情况。

2.3 构建暗反应模型

教师引导学生思考：在我们构建的光反应模型中可以发现，光反应中没有CO2的参与和糖类的合成，那么，CO2是如何转变为糖类的呢？

展示资料：美国科学家卡尔文在二十世纪四十年代对小球藻进行了一项实验：用经过14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向，最终探明了CO2中的碳是如何转化为有机物中的碳的。教师对卡尔文的实验进行了介绍，并展示了实验设备。展示实验结果1：照射 30s，在不同的化合物C3，C5，C6中发现14C的分布。提出问题：怎样才能确定CO2中的C最先出现在哪种化合物上呢？学生回答：缩短反应时间。

教师展示实验结果2：在5秒内，C5和C6中分别存在14C。当时间缩短到几分之一秒时，14C几乎全部集中在一种C3化合物上。提出问题：根据这一点，请对二氧化碳中碳的传输路线作一个粗略的描述。学生回答：CO2先转移到C3，再转移到C5和C6。教师提出问题：提出假设，CO2与哪些物质结合生成 C3将几种假设方案写在黑板上。学生回答：①二碳化合物；②二氧化碳；③CO2与C5结合也可以生成C3。

教师展示资料：卡尔文及其同事们反复试验，都没有发现C2的存在。进一步的实验是改变CO2的数量。假设二氧化碳含量的提高会对C3、C5产生什么样的影响？二氧化碳含量降低后，C3和C5含量会如何变化？当学生说出他们的预期之后，老师就把卡尔文的实验结果展示出来。实验结果表明，CO2和C5的结合可以形成C3。教师引导学生写出C元素的转移路径，点明卡尔文循环发生的场所。

2.4 构建完整的光合作用过程模型

教师组织小组活动：仔细观察我们画出的光反应和暗反应过程示意图，光、暗反应是否是两个完全独立的过程？它们在物质变化和能量转化方面又有着怎样的关系呢？经过学生分组讨论后，画出完整的光合作用过程示意图，标明场所和条件，派代表将小组讨论结果画在黑板上。学生思考，进行小组讨论，构建光合作用过程模型。

教师评价并修改小组展示的示意图，展示标准的光合作用过程示意图。学生反思并修改自己的示意图。

设计意图：学生经过反复建模再修改的过程，能够体会科学探究的艰辛和科学的严谨性。

2.5 小结

通过对学生在课堂上所学到的知识进行归纳，并安排学生的学习任务。

设计意图：经过列表比较光反应和暗反应的关系，考查学生对光合作用过程知识的掌握情况。通过对科学探究的过程进行归纳、整理，使学生了解科学探究的实质，体验科学探究的方式与过程，从而加深对科学知识的认识。

3 启示与思考

在实施HPS的教学设计时，要根据具体的内容，采用不同的方法，教师要灵活地选择和调整，不能死板地照搬。在教学过程中，教师要注重把科学史与生物学知识相结合，不能简单地讲述科学故事、追溯科学史，淡化课堂教学的主体。在指导学生从科学历史中得到科学结论时，要注重科学的思考，避免将科学知识直接扔到学生身上，把科学探究活动转变为引导学生解决问题、形成科学概念的活动。老师平时要注重积累和搜集生物史材料，并利用科学史教学资源；要不断地改进自己的知识结构，改变自己的思考模式，学会对科学家做出的贡献进行客观、深入的评估；同时，要明确科学史教育的需求，培养学生的终身学习意识，增强科学素质。

同时，将HPS教学应用于生物学课堂，要求教师对科学史的内容有较深的理解，而教师本身又要在科学史、科学哲学等领域提高自己的专业知识和能力。