從科學史角度進行“促胰液素的發現”教學

趙 照 （安徽省六安中學 安徽六安 237000）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》提出：學習生物科學史能使學生沿著科學家探索生物世界的道路，理解科學的本質和科學研究的思路和方法，學習科學家獻身科學的精神，這對提高學生的生物學學科核心素養具重要意義。教師應充分利用這些科學史開展教學[1]。但在教學實踐中，部分教師對科學史重視不足、選材不適、評論不當等，致使科學史的育人價值未能充分體現。HPS（history，philosophy and sociology of science）教育的內容中不僅蘊含著科學知識的形成過程，還蘊含著科學家創造性的思維方式和靈活多樣的科學方法，體現敢于質疑、善于探究的科學態度和科學精神，是培養學生科學素養的重要途徑[2]。本文以“促胰液素的發現”為例，嘗試利用HPS 教學模式解決生物科學史教學中的常見問題。

1 HPS 教學模式概述

HPS 教育是“科學史、科學哲學和科學社會學”教育的簡稱，HPS 教育堅持真正地、有效地、全面地提高國民的科學素養的價值取向，提倡從科學史、科學哲學和科學社會學視角理解科學，篩選、編排和融入HPS 的教育內容，倡導構建與對話的教學模式[2]。HPS 教學模式主要包括以下6個程序：提出問題、引出觀念、學習歷史、設計實驗、呈現科學觀念和實驗檢驗、總結與評價。

2 HPS 教學模式的課堂實踐

2.1 創設情境，提出探究問題 教師活動：出示話梅，讓學生說出口腔內的變化，并解釋該現象產生的原因。學生回答后，設疑：唾液腺的分泌受神經調節，其他消化腺的分泌是否也受神經調節？

材料1：1850年，法國生理學家克勞·伯爾納發現酸性食糜進入小腸會引起胰液分泌的現象。設疑：酸性食糜進入小腸，胰腺如何獲得信息？學生思考、討論教師的設疑。

由話梅引起唾液分泌，既復習回顧了神經調節，又引出學生對其他消化腺的分泌調節方式的思考，起到了承上啟下的作用。此外，創設話梅和科學史情境可激發學生的學習興趣和科學探究欲望。

2.2 頭腦風暴，引出學生觀點 教師鼓勵學生大膽猜想胰腺如何獲取信息？并通過追問不斷引發學生深入思考。追問：有無其他信息種類和傳遞方式？如有，信號來源是什么？以何種途徑傳遞信息？學生活動：根據已學知識，提出假說并給予圖示。

假說1：胰腺的分泌調節是神經調節，酸性食糜刺激小腸，小腸處的神經產生興奮，通過反射弧傳至胰腺，胰腺分泌胰液，該過程主要依靠電信號的方式傳遞信息。

假說2：胰腺的分泌調節是化學物質調節，這種化學物質是鹽酸，胃液中的鹽酸隨食糜進入小腸后通過血液循環運輸到胰腺，刺激胰腺分泌胰液。

通過提出假說解釋胰液分泌調節的過程，培養學生提出假說的能力；通過作圖描述假說內容，培養學生構建“概念圖”模型的能力。

2.3 學習歷史，走進科學實踐 教師展示19世紀末科學界關于消化現象的研究觀點，肯定學生提出的假說。

材料2：以巴甫洛夫為代表的主流權威關于胰腺分泌調節的觀點，胃酸刺激小腸的神經，通過神經調節使胰液分泌。

材料3：斯塔林和貝里斯提出新的觀點，酸性食糜進入小腸，某種化學物質從小腸處通過血液循環運輸到胰腺，促進胰液的分泌。

學生對比自己的假說與科學家的觀點，通過對比，樹立科學探究的信心，同時理解科學的發展需要不畏權威、敢于質疑，通過不同觀點的交鋒螺旋上升。

2.4 科學探究，培養科學思維 教師設置問題串引導學生設計實驗證明假說，并對實驗方案進行點評。

問題串1：能否給予小腸處的神經直接刺激進行證明？若不能，是否可利用反證法證明？

問題串2：化學物質是否為稀鹽酸？如何證明？如果是其他物質，如何獲取并證明？（提示：在酶的發現過程中，德國化學家畢希納將酵母菌細胞研磨獲取釀酶）

常見方案1：利用電流表測量與胰腺連接的傳出神經在刺激小腸后是否產生電流？若產生電流，則為神經調節。教師指出狗的神經纖維較細，操作較困難。

常見方案2：切斷血管并給予鹽酸刺激，若胰腺不分泌胰液，則可證明胰液的分泌與化學信號通過血液運輸有關。教師指出切斷血管會導致狗的組織、器官衰竭甚至死亡，實驗無法繼續進行。

教師歸納提煉探究活動中的2 種思維方式：

①“+”法思維：加入研究對象，觀察結果，從而判斷研究對象的功能。例如，向狗的血液中注射某化學物質，觀察胰腺是否分泌胰液？從而判斷該化學物質與胰液的分泌關系。

②“-”法思維：去除研究對象，觀察結果，從而判斷研究對象的功能。例如，切除狗小腸的神經，再給予小腸稀鹽酸刺激，觀察胰腺是否分泌胰液？從而判斷神經調節與胰液的分泌關系。

學生設計實驗，作出預期。

通過問題串及指導，培養學生實驗設計能力，提高學生思維的縝密性。通過對實驗探究中思維方法的歸納提煉，深入發展學生的科學思維。

2.5 實驗檢驗，呈現科學觀念 教師按時間順序展示科學家實驗及結果。

材料4：巴甫洛夫及學生的實驗。①刺激迷走神經和內臟大神經，均能引起胰液分泌；②切除迷走神經和內臟大神經后，鹽酸刺激小腸，胰腺仍然產生胰液。

材料5：沃泰默實驗。①將稀鹽酸注入至小腸上段，引起胰液的分泌；②將稀鹽酸直接注入至狗的血液中，不引起胰液的分泌；③切除通向該段小腸的神經，只留下血管，再向小腸內注入稀鹽酸時，發現仍能促進胰液分泌。

材料6：斯他林和貝里斯實驗。剪下狗的一段小腸，刮下黏膜，將黏膜與稀鹽酸混合，并加沙子磨碎后制成提取液。將提取液注射至同一條狗的靜脈中，發現能促進胰腺分泌胰液。

提問：對比3 組實驗，可得出什么結論？能否得出胰液的分泌與神經調節無關？

材料7：科學家后來發現沃泰默切除小腸神經，胰腺分泌的胰液少于不去除小腸神經時。

提問：這一現象說明什么？歸納總結胰液的分泌調節。

學生分析材料4～6 中科學家的實驗及結果，得出胰液的分泌是由鹽酸刺激小腸產生的某種化學物質通過血液運輸作用于胰腺引起的，但無法判斷與神經調節的關系。根據材料7，可知胰液的分泌也受神經調節，但以化學物質的調節為主。學生通過分析實驗結果，自主構建胰液分泌調節的過程，以此形成激素調節的概念，并培養批判性思維。

2.6 總結評價，理解科學本質 教師再次展示科學史材料。

材料8：沃泰默在做完實驗后，并沒有得出胰液的分泌與神經調節無關，他反而認為是小腸黏膜上的神經難以剔除干凈，是一個頑固的神經反射。

材料9：貝里斯和斯塔林根據沃泰默的發現，提出新的假說，并通過實驗進行驗證，最終發現促胰液素。

材料10：當時研究消化的權威科學家，也是神經調節堅定的擁護者巴甫洛夫，在重復了貝里斯和斯塔林的實驗后，一言不發地走出實驗室回到書房，過了半小時后，他又回到了實驗室，深表遺憾地說：“自然是對的。很明顯，我們失去了一個發現真理的機會。”

提問：這段科學史故事對你有何啟發？

學生分析材料，討論后得出：科學家應具有不畏權威、敢于質疑、善于探究的科學精神，科學知識是不斷發展的，科學家同常人一樣也會犯錯，科學的發展受到社會和歷史環境的影響。

通過分析科學家的故事，學生從多角度理解科學的本質，發展科學素養。

3 HPS 教學模式的實踐反思

HPS 教學模式的優點體現在以下3 個方面：①學生以科學史為載體，利用其中的科學探究過程，發現激素調節，自主構建激素調節的概念。②學生親歷發現問題，作出猜想（提出假說），設計實驗等科學探究過程，獲取胰液分泌調節的知識，發展學科核心素養。③學生對科學史的評價，不僅關注科學探究中的艱辛，還領悟到科學知識具有暫時性，科學依賴實驗證據，科學觀點受到社會和歷史的影響等科學哲學思想，深入理解科學本質。

根據HPS 教學模式的程序，在學習歷史環節需向學生展示科學史。此時若將科學史中有關科學家的觀點、實驗過程和結論等全部展示，不利于后面學生開展實驗設計、結果檢驗、觀念構建、科學史評價等活動。因此，教學時可將科學史內容剖開，按照需求逐層分批展示，例如，引入時，展現科學家發現的消化現象，讓學生提出假說進行解釋，再展示科學家的不同觀點，讓學生進行對比；學生設計實驗證明假說后，繼續展示科學家的探究實驗過程，作為學生實驗設計的檢驗，并利用科學家探究的實驗結果，作為驗證不同觀點的證據；最后，展示科學家的故事和時代背景，讓學生進行評價。逐層分批展示科學史是根據教學需要，從科學史中選取科學家的不同觀點、實驗設計、時代背景等有序展示，這樣可避免因同時展示影響學生科學思維的發展和對科學史的評價，充分發展學生的生物學學科核心素養。