HPS教學模式在高中生物課堂中的實踐
——以“光合作用的原理和應用”為例

何城蝶 韋艷艷，2*

（1.廣西師范大學生命科學學院 廣西桂林 541006）

（2.華中師范大學生命科學學院 湖北武漢 430000）

由于科學進步、國家發展及課程改革的需要，國家提出教育要提高學生核心素養的要求。而高中生物學科核心素養包括社會責任、生命觀念、科學探究、科學思維。科學思維的培養作為生物學核心素養“能力”培養的關鍵部分，在核心素養中占據的位置較為重要。且有實驗表明HPS教學模式能夠有效提高學生的科學本質及科學思維的能力。下面主要以人教版高中生物學必修一第五章第四節“光合作用的原理和應用”為例，探究及討論HPS教學模式在培養學生科學思維中的實踐應用，以期為在教學過程中應用HPS教學模式培養學生科學思維提供教案參考。

1 HPS概述

HPS教學模式是一種把科學史、科學哲學和科學社會學內容貫穿到整個教學過程中的前衛的、目前熱門的教學模式。19世紀末，物理學家恩斯特.馬赫首次提出HPS的概念，緊接著大不列顛科學家孟克和奧斯本首先提出了HPS教育的基礎即HPS教學模式。HPS教學模式是HPS教育某一維度的內容，該模式共有孟克與奧斯本提出的融入教學模式、琳達和杰姆斯提出的互動歷史小故事模式和馬修斯提出的適度模式3種模式。因馬修斯的適度模式為大多數研究者認可，且具有較強的可執行性，所以以馬修斯的適度模式進行研究。該模式主要包含如下6個步驟:

①演示現象。教師在上課前幾分鐘向學生陳述或者在電子白板上展示與本節課內容相關的真實情境及現象。學生通過觀察、分析與討論這一情境及現象，發揮主觀能動性，思考此情境下將會產生并且亟待解釋的問題。

②引出觀念。教師用語言或者肢體動作，引導學生對情境下的實驗現象提出自己的解釋及觀念。

③學習歷史。在這個環節中，教師要事先查找資料，并向學生認真介紹早期科學家們在研究這一實驗時的不同觀點及一系列不斷接近答案的解釋。這一環節的主要目的是引導學生討論科學家由于當時所處環境的局限性而產生實驗結果的不完整，用心感受并知曉科學技術是持續前進的。

④進行實驗設計。教師根據學生在教室就坐位置按照就近原則進行分組，布置討論任務。不同的學習小組挑選不同的科學家的觀點進行實驗設計，設計內容主要包括實驗目的、實驗原理和具體的實驗步驟及過程，用于驗證該科學家的實驗結果。

⑤科學觀念的顯示和實驗的檢驗。進行實驗設計的分享，選取存在較大疑惑的且學校能滿足實驗要求的內容進行實驗，用步驟④中所提出的實驗過程及步驟開展實驗，將課本中文字化的知識轉變為科學的真相，用以幫助學生實現觀念的轉變從而相信科學。

⑥總結與評價。在最后的這一環節，教師處于主導地位，調動學生課堂的主人翁意識，積極引導學生總結在科學知識產生過程中所獲得的概念性知識及所涉及的實驗原理、實驗步驟等的設計思路。

2 HPS教學模式在高中生物學教學中的實踐

以人教版高中生物學必修一教材“光合作用的原理和應用”為例子，闡明怎樣采用HPS教學模式在生物學實際教學過程中使學生的科學思維得以提升。

2.1 演示現象，激發問題

通過具體的問題情境導入新課。教師在電子白板上展示光合作用的原理和應用的全過程動態Flash，提出疑問:綠色植物在光照條件之下到底制造了何種物質？這種物質的合成需要用什么物質作為原料？教師利用問題抓住學生的好奇心，繼續引導學生觀察動畫，并追問:植物的生長生活需要養料，但是這些養料從何而來呢？什么條件之下才能更新空氣呢？氧氣又是在什么時候什么階段產生的？

教師通過層層設問，引導學生對光合作用的原理和應用的內容進行逐步深入的思考，促成學生產生強烈的探索的欲望。在此過程中，教師注意學生的參與情況，要促進學生都能表述自己的想法，不能因為趕課時，而隨意點一兩名學生回答問題。在這一過程中，教師著重培養學生在真實的問題情境中發現重點問題的能力。

2.2 引出觀念，精練總結

針對演示現象中有關光合作用的原理和應用的具體問題，教師調動學生的積極性，鼓勵并引導學生勇于表達自己的見解。學生對以上問題的回答各有千秋。教師要多提問幾個學生，帶領學生求得真知并適當引導學生進行總結，引導學生用簡短的一句話引申出粗略的光合作用的概念:綠色植物在光環境下合成氧氣的過程就是光合作用。通過此過程，學生的概括總結能力得以提升。

2.3 學習歷史，掌握科學的發展

課前，教師告訴學生光合作用的原理的發現是歷經很長時間由多位科學家的實驗逐步證明的。學生分組，借助網絡或者圖書館里的書籍，收集某位科學家的關于“光合作用的原理和應用”研究過程的史料，課上進行展示。此過程中，教師要告訴學生展示要求:實驗材料、實驗過程、實驗結果及結論、其結論是否遭受其他科學家的質疑等。展示內容主要包括小白鼠與綠色植物共存的實驗是由英國科學家普利斯特利發現的，他通過實驗結果證實，植物通過生長能夠凈化原本污濁的空氣。比利時化學家、生物學家范·海爾蒙特探討支持植物茁壯生長的養料從何而來，因此他進行了柳樹的種植實驗:種植前稱量烘干后的土壤的重量及柳樹的質量，實驗結束后繼續測量烘干后的土壤的重量及柳樹的重量，前后數據對比得出植物的養料來自水和土壤這一結論。英格豪斯經過500多次的實驗得出結論:植物中只有綠葉能在光照條件下更換空氣。英格豪斯的實驗是對普利斯特利實驗的二次證明與拓展延伸，促進了光合作用的發現。后來，隨著時間的推移生物技術得到了發展，物質組成可通過儀器測定，證明了綠色葉片在光下釋放了氧氣，吸收了二氧化碳。1845年，梅耶根據能量守恒發現光合作用能以光能為初始能源轉換為化學能并貯存于植物的某些物質中。那究竟貯存于哪里呢？這引起了其科學家極大的好奇心。1864年，薩克斯通過植物遮光實驗成功證明了綠色植物通過光合作用制造氧氣和淀粉；魯賓和卡門利用同位素標記法為實驗手段進行探究，通過標記H218O和C18O2兩組對比實驗證明光合作用釋放的氧氣全部來自水。20世紀40年代，卡爾文同樣應用同位素標記法將14CO2提供給小球藻進行光合作用，通過這個實驗明確了卡爾文循環途徑。教師要引導學生進行課后的學習，培養學生從大量的資料中收集有用資料的能力。

2.4 設計實驗，提升思維能力

教師引導學生根據科學家的實驗過程、結果及學校現有的資源，從實驗目的出發，明確實驗原理、實驗步驟并完成相關實驗的設計。根據學校現有的資源能夠得以重現的實驗是薩克斯的植物遮光實驗。教師要盡量多提出問題，供學生思考，促進學生思維的提升。例如，薩克斯遮光實驗的實驗目的是什么，實驗原理是什么？如果讓你進行這一實驗，你會怎樣設計實驗步驟呢？教師要讓學生充分地進行實驗步驟的討論及展示，并根據學生的展示，引導出一個可行的簡便的實驗步驟。學生回答言之有理即可。教師要注重學生在課堂中的主人翁角色，只能引導學生不能代為作答。科學思維的能力會伴隨著學生的深入思考得以有效提升。

2.5 顯示科學觀念和實驗檢驗，掌握科學方法

教師引導學生自主建構光合作用的概念。接著，學生根據概念，書寫光合作用的反應式，深入分析伴隨著光合作用的發生而發生的物質變化和能量變化的具體過程。并按照課堂上師生總結出的實驗過程進行實驗:

①課前，取一棵天竺葵，葉片用遮光片部分遮光進行遮光一晝夜（饑餓處理），在此過程中實驗材料的前期準備由教師負責。

②去掉部分遮光的遮光片。

③將剪下的天竺葵葉片放入酒精中并水浴加熱進行脫色處理。

④將脫色處理完后（葉片為白色）的天竺葵葉片從酒精中取出放入玻璃皿用清水進行漂洗，漂洗完畢將葉片放入另外一個玻璃皿中，滴加碘液。

⑤觀察實驗結果。學生發現天竺葵葉片無遮擋光照部分變藍，而相反的遮擋光照部分不變藍。

通過討論，學生得出光合作用的原理和應用中產生的有機物為淀粉這一結論。學生親自動手實驗將文字性知識轉變為直觀可見的實驗現象，同時通過實驗結果還能學習科學的發現過程，掌握科學的方法。

2.6 總結與評價，理解科學本質

首先，教師引導學生總結歸納通過對光合作用的原理和應用發現史的學習得出的光合作用的概念，并指出概念中重要的識記點。總結完畢后，教師引導學生找出科學史中部分科學家研究的局限性，并對上述局限性進行探討，進行情感教育，拓展思維的寬度。

3 生物學教學中應用HPS教學模式的建議

（1）課前明確任務。教師引導學生利用一切可用資源查找與課堂相關的科學史，培養學生自主學習以及在大量的資料中收集可用資料的能力。

（2）課時以學生為主體，教師為主導。時刻不忘學生是課堂的主人，教師在課堂上要盡量多設置與真實情境相關的、與現實生活相聯系的問題，引導學生進行思考，在思考中使思維深度得以提升，思維寬度得以拓展。

（3）科學史要具有針對性。對于科學史的學習，教師可以讓學生在課前尋找資料，在課堂上充分的展示，力爭做到人人參與。學生展示的科學史要具有針對性，而不是對科學史的簡單羅列。教師可引導學生闡明科學史，明確每位科學家的實驗目的、實驗原理、實驗步驟、實驗結果以及他的實驗結果是否具有時代的局限性等。

（4）可以適當開展科學史中蘊含的相關實驗。教師要根據學校現有的資源開展學生課堂實驗，從而將文字化的知識轉變為學生的動手經驗。

（5）引導學生對科學史的發展進行總結。教師要使學生明確本節課的科學知識重點，并加強對學生的情感熏陶，使學生了解每一個科學的發現都是科學家歷經千辛萬苦經由科學的結論得出的，要學習科學家不畏艱難，勇于質疑的精神。