HPS教學模式在高中生物教學中的應用

胡有紅

1 HPS教育的概念

HPS教育是英國科學教育學者孟克和奧斯本提出的，就是把科學史、科學哲學和科學社會學（history，philosophy and sociology of science縮寫為HPS）的有關內容引入中小學科學教育，以期促進學生對科學本質的理解，培養他們的科學精神和創造力。這一模式以建構主義理論為基礎，其理論核心是：“給學生提供活動的時（思維時間）空（思維空間），讓主體主動構建自己的認知結構，培養學生的創造力?！?/p>

科學史的內容正是對科學結論產生、發展的背景和歷史經過的重現，強調學生知識的主動建構，在高中生物教學中引入科學史教育有助于實現知識、能力、情感、態度與價值觀的三維目標的統一。

2 HPS教學模式

HPS教學模式的程序包括以下6個環節，如圖1所示。

2.1 演示現象

教師可以演示某一自然現象，播放一段視頻或講述一個科學史故事等方式，吸引學生的注意力。如在學習伴性遺傳時，教師先介紹英國科學家道爾頓發現色盲癥的故事，以引起學生的好奇心，同時激起學生利用科學史進行探究的欲望。

2.2 引出觀點

教師啟發學生就這一自然現象提出自己的觀點或解釋，鼓勵學生各抒己見，培養學生的發散思維和科學研究的熱情。

2.3 學習歷史

在這一環節，教師的做法是：（1） 介紹早期科學家關于這一現象的思想與實例，作為學生研究的參照系；（2） 舉例說明當時其他科學家所持的不同觀念；（3） 引導學生討論或探索這些觀念產生的背景、條件，使學生認識到科學認識的時代制約性；（4） 按日期和事件簡要地總結歷史上的研究。

2.4 設計實驗

學生分組討論由學生和科學家提出的各種觀點的正確性，并從中選擇某種觀點，設計實驗進行檢驗。這一環節不僅可以激發學生的想象力和創造力，而且使學生認識到：① 對同一自然現象可能有不同的解釋；② 可以用實驗檢驗這些觀點（假設）。

2.5 展示科學觀點和實驗檢驗

由教師講解當代的科學觀念，即介紹教科書上對這一自然現象的解釋，從而為學生實現觀念轉變提供思想基礎。這時，教師的講解增加了學生的認識，實現由原有的錯誤觀念向科學觀念的轉變。

2.6 總結評價

教師通過對學生的活動進行總結和評價，提高學生的探究能力，幫助學生更深刻地理解科學探究的本質、歷史上科學家的探究過程和科學觀念。

3 HPS教學模式在生物課堂教學中的應用

我國《高中生物課程標準》中明確提出：“要注重生物科學史的學習”?？茖W史教育可以在加深知識理解的同時，讓學生領悟到科學思想、科學方法和科學的人文性，領悟到科學的本質，從而培養學生的科學素養。HPS教育模式即是科學史教育的一種模式。

教學案例分析：“生物膜的流動鑲嵌模型”。

3.1 教學目標

（1） 知識目標：簡述細胞膜的結構和功能。

（2） 能力目標：嘗試提出問題、做出假設，理解假說的提出要有實驗和觀察的依據，需要嚴謹的推理和大膽的想象，并通過觀察和實驗進一步驗證和完善。

（3） 情感、態度與價值觀目標：探討在建立生物膜模型的過程中，實驗技術的進步所起的作用；探討建立生物膜模型的過程中如何體現結構與功能相適應的觀點。

3.2 教學重點與難點

教學重點：對生物膜結構的探索歷程和流動鑲嵌模型的基本內容。

教學難點：嘗試建立生物膜模型的過程。

3.3 教材分析

“生物膜的流動鑲嵌模型”一節是人教版高中生物學教材《分子與細胞》第四章“細胞的物質輸入和輸出”的第二節，主要包括科學家探索細胞膜化學成分與結構的科學史和生物膜的流動鑲嵌模型兩部分內容。其中對生物膜結構的探索歷程和流動鑲嵌模型的基本內容是教學重點，嘗試建立生物膜模型的過程是教學難點。教材為學生提供大量充分有效而有序的素材，以問題的形式啟發引導學生做出假設、構建模型、設計實驗，讓學生感受科學家探索的歷程和探索過程的艱辛。

3.4 教學過程

（1） 演示現象。

教師活動一：播放實驗錄像：①臺盼藍染色酵母菌，死的細胞會被染成藍色，活的細胞不著色；②顯微注射器將伊紅注入變形蟲體內，伊紅很快擴散到整個細胞，卻不能很快逸出。

學生活動一：明確細胞膜具有重要功能。

設計目的：滲透生物學結構與功能相適應的觀點，激發學生探究細胞膜結構的欲望。

（2） 探究：循著科學家的足跡研究問題。過程是教師提供情境資料→學生構建模型→課件展示科學家的實驗過程。

教師活動二：19世紀末，歐文頓用500多種化學物質對植物細胞的通透性進行上萬次的實驗，發現脂溶性物質比非脂溶性更容易通過細胞膜進入細胞。這說明細胞膜的成分中有什么物質？

學生活動二：細胞膜中含有脂質分子。

設計目的：引入歐文頓以驚人的耐心進行上萬次的實驗，學生從中感受到科學工作者對真理的熱愛與鍥而不舍的追求，進而能從中領悟到科學精神的真諦。

教師活動三：科學家將細胞膜從哺乳動物成熟的紅細胞中分離出來，加入蛋白酶，細胞膜被分解。這說明膜中還有什么成分？

學生活動三：細胞膜中含有蛋白質分子。

教師活動四：1917年，朗姆瓦將磷脂溶于苯和水中，當苯揮發完以后，磷脂分子在空氣與水的界面上分布散亂，經過推擠排列成了單層，而且每個磷脂分子的頭部浸入水中，尾部浮于水面。

學生活動四：根據朗姆瓦的實驗構建磷脂分子在空氣與水界面上分布的模型。

教師活動五：圖片展示組織細胞生活的環境：內外都是以水為溶劑的液體。

學生活動五：根據磷脂分子的特點結合人體組織細胞內、外環境，猜想并構建磷脂分子的排布模型。

教師活動六：1959年，羅伯特森用電鏡觀察到了清晰的細胞膜照片，看到了暗－亮－暗的三層結構，并認為：生物膜為三層統一的靜態結構。

學生活動六：根據羅伯特森觀察的結果構建蛋白質在磷脂雙分子層中排布方式的模型。

教師活動七：冰凍蝕刻電子顯微法觀察到：蛋白質鑲在、嵌入、橫跨磷脂雙分子層的三種排布方式。

學生活動七：根據蛋白質的三種存在形式構建蛋白質分子在磷脂雙分子層中的排布模型。

教師活動八：1970年，弗雷和埃迪登將人和鼠的細胞膜蛋白分別用紅、綠熒光標記后，讓兩種細胞融合，雜交細胞的一半發紅色熒光，另一半發綠色熒光，放置一段時間后發現兩種顏色的熒光均勻分布。這說明細胞膜的結構特點是什么？

學生活動八：細胞膜具有一定的流動性。

設計目的：上述活動的目的主要是滲透以下思想：① 讓學生沿著科學家的探索思路，領悟科學家的思維過程，讓這些知識成為學生再發現和再創造的過程，培養學生的探究能力；② 現代技術對生物學的推動；③ 要勇于質疑，勇于向權威挑戰；④ 生物學每步前進都是以實驗為基礎的；⑤ 實驗材料的正確選擇至關重要；⑥ 科學需要大膽想象與推理。

教師活動九：桑格和尼克森在繼承創新中提出了“生物膜的流動鑲嵌模型”。

學生活動九：總結流動鑲嵌模型的基本內容。

設計目的：培養學生歸納總結能力，理解科學理論的建立過程，是一個不斷開拓、繼承、修正和發展的過程。

（3） 總結評價。

教師活動十：生物膜的流動鑲嵌模型是不是就完美無缺了呢？請談談你的看法。

學生活動十：小組討論，發表見解：人類對自然界的認識永無止境，對膜的研究將更加細致入微……

設計目的：① 培養學生交流能力和合作的能力；② 培養學生不斷思考探究的熱情。

4 HPS教學模式在生物學教學中的作用

將科學史與科學哲學的學習與當前的科學概念和理論的學習有機地融合在一起，有利于學生領悟科學思維方式和培養科學方法，接受科學精神教育，為原來非人文化的學?？茖W課程提供了人文化的因素，同時可以構成文、理科學生學習的共同基礎。

整個教學過程是一個問題解決的探究過程，因而有利于培養學生的提出問題、解決問題能力和創新能力，并使學生正確認識科學技術對社會發展的推動作用。

HPS教學模式充分發揮學生的主體性地位，促使其自主學習、合作學習、建構知識相結合。

科學家設計的巧妙實驗往往令學生贊嘆，同時學生也會認識到科學家和常人一樣也會犯錯誤。

教師把科學史介紹作為生物教學的一個環節，可以使學生在心理上、情感上、事實上接近科學，設身處地感受以往科學家的探究與思考，激發學生的想象力，形成正確的科學觀念。

5 教師利用HPS教學模式的注意點

教師要利用貼近學生實際生活現象，為學生提供情境，激起學生的好奇心，引導學生去探究，去發現生命世界的奧秘。

教師要考慮學生現有的知識、能力和水平，應根據學生的具體情況，由淺處入手，層層深入，創設情境，開展教學。

HPS教學模式對教師和學生的要求較高，教師除了課前充分備課外，平時還要注重對學生學習觀念和學習方式的培養，使課堂探究能有效、有序地進行。

在生物科學史上，一直存在著各種理論的激烈碰撞和斗爭，在教學中，教師應允許學生不同觀點的存在，尊重學生的各抒己見，鼓勵學生嘗試各種方式和方法，積極探索。教師要鼓勵學生質疑，挑戰書本的權威和教師的權威，培養學生的創造力和創新精神。