以HPS教育的簡史型視角構建初中科學復習課模式
——以“植物的有性生殖”為例

蔡呈騰

（溫州市第二外國語學校 浙江溫州 325000）

HPS是“科學史（History of Science）、科學哲學（Philosophy of Science）和科學社會學（Sociology of Science）”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教育價值取向，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，倡導建構與對話的教學模式。筆者在開發復習課的HPS教育課程內容時，構建了簡史型的復習課模型：以某個自然現象（或規律）的人類探索史作為復習課的主要框架內容，梳理該自然現象（或規律）在科學史上演進的路線，以時間為軸，突顯發現過程中的內在邏輯，體現科學本質特征。以“植物的有性生殖”為探索對象的簡史型復習課的具體框架見表1。

表1 以HPS教育的簡史型視角建構初中科學復習課模式框架

從科學學科核心素養制定本節復習的教學目標如下：

①通過自主構建概念圖表達植物從花到果實的發育過程，理解被子植物生長發育的特征，形成結構與功能相適應的觀念。

②通過創設與科學史相匹配的真實情境，基于表觀證據來推測與論證植物存在性別，結果需要傳粉、受精和發育等過程；基于探究實踐進行實驗方案設計來說明植物的生殖過程。

③以問題、證據、解釋、交流等要素完成小組合作下的“植物花粉是結果的必要條件”的實驗方案設計，完成“花粉不僅起刺激作用”的實驗設計思想。

④從古希臘和古中國開始到19世紀雙受精現象的發現，探索人類在研究植物性別、生殖中的重要歷程，重構植物有性生殖知識體系，重走科學家探索之路，體驗科學是不斷否定、迭代、完善的過程，科學與技術相輔相成，相互促進。

1 HPS教育的簡史型復習課的課程內容

以“植物有性生殖”為課程內容的簡史型復習課將人類對植物有性生殖探索歷程作一個全面的梳理，探索歷程按照科學發展的不同“范式”，總結成如下三個時代。

1.1 經驗總結時代

古代有對植物有性生殖現象進行觀察，并進行簡單的邏輯分析與推理，但很少進行實證論證。

（1）從“文化自信”“立德樹人”等角度選材：

①東漢農學家崔寔在《四民月令》中記載，長成雄株的種子和長成雌株的種子在顏色或形狀上存在區別。

②北魏農學家賈思勰發現，要使甜瓜多開雌花多結瓜的方法是搭起支架。

（2）從對植物有性生殖研究主線角度選材：

狄奧弗拉斯圖（Theophrastos）發現，用不結果實的棗椰樹花粉給結果實的樹授粉才能結出果實。

1.2 實驗探索時代

復習課不可能全部羅列出科學史上所有研究植物有性生殖的實驗，但可選取適合開發成課堂實踐活動的實驗。

（1）1682年，英國植物學家格魯（Nehemiah Grew）解剖花，并用顯微鏡觀察花的結構。他認為，只有花粉粒落到柱頭上才能形成果實和種子；在花中有產生精子的部分，其中有相當于動物精子的小球，能使相當于卵巢的部分發育受孕。

（2）1694年，德國植物學家卡梅拉里烏斯（Rudolf Jakob Camerarius）發現，附近沒有雄株的雌性桑樹所產生的果實只含有不成熟的種子，受此啟發做了系列實驗：①把長花粉、不結果實的桑樹（雄桑樹）與結果實、不長花粉的桑樹（雌桑樹）隔離開。結果實的桑樹雖然結實，但果實中沒有一粒種子。②換用野靛做上述實驗，結果相同。③把玉米的雄蕊切掉，發現一粒種子也不結?？防餅跛拐J為種子的產生是植物維持種族的普遍特性，除非有花藥參加，否則不可能事先在子房內準備好幼小的植物，花藥具有雄性生殖器官的作用，而子房和花柱則是雌性生殖器官。

（3）進入18世紀，人們承認植物種子的形成需要花粉，但普遍認為花粉只對種子的形成起刺激作用。法國植物學家凱爾路特（Joseph GottliebKolreuter）用紅花窄葉的雄株與黃花寬葉的雌株煙草做雜交實驗。結果表明，后代中出現了紅花寬葉和黃花窄葉的植株，說明它們分別遺傳了父本和母本的性狀，說明花粉不只是對柱頭起刺激作用。

1.3 質疑論證時代

19世紀在揭示植物有性生殖的本質特征時，出現了觀點沖突與爭論。

（1）意大利人阿米西（Giovanni Battista Amici）用自制顯微鏡觀察馬齒莧的柱頭時，發現花粉粒附著在柱頭上。

（2）法國人布隆尼亞（Adolphe-Théodore Brongniart）發現花粉管穿入柱頭后沿花柱下行進入子房內的胚珠中。

（3）德國人施萊登（Matthias Jakob Schleiden）認為，胚囊僅僅只是一個“孵卵器”，與胚的形成無關，胚是由花粉管形成的，這是否認了植物存在有性生殖。這種觀點被阿米西通過實驗所否定。阿米西發現，在花粉管進入胚囊之前已經有“胚泡”存在，但沒有發育成胚；由于花粉管的“刺激”，“胚泡”才發育成胚。

（4）1849年，德國人霍夫邁斯特（WilliamHofmeister）證明胚不是由花粉管形成的，而是由一個已存在于胚囊中的細胞形成的。在隨后的幾十年中，植物學家們陸陸續續發現，花粉粒中有一個生殖核和一個營養核，花粉萌發形成花粉管時，生殖核進一步分裂成兩個精子，且其中一個精子與卵結合成受精卵。這樣，施萊登及其擁躉們不得不放棄原有的觀點。

（5）1893年，俄國人納瓦興（S.G.Nawaschin）發現，植物花粉管中的兩個精子都發生受精現象，一個精子與卵結合形成受精卵，另一個精子與兩個極核結合形成受精極核，這就是被子植物的雙受精現象。

2 HPS教育的簡史型復習課的教學模式

人類探索植物生殖的歷程是一個從“經驗總結”到“實驗探索”再到“質疑論證”的過程，這個過程也是復習課的主要框架。為推進植物生殖探索歷程，教師還需要將本節復習的知識“植物的生殖”進行重構。整個教學就按照圖1所示的流程展開。

圖1 HPS教育的簡史型復習課的教學流程示意圖

2.1 知識結構下的溫故知新

本節課復習浙教版科學七年級下冊第二章第五節“植物的一生”，在沿著科學家足跡重構“發現植物有性生殖”時，需要應用植物生殖的知識。故此，以構建被子植物生殖“概念圖”的方式呈現知識，以求提綱挈領，溫舊知新。

教師要求學生完成填寫花蕊、種子、幼苗的結構關系圖（圖2）。

圖2 植物花蕊、種子、幼苗的結構關系圖

2.2 經驗總結下的推理歸納

以HPS教育的簡史型視角構建復習課模式，教師需要將科學史上的科學事件轉化為課堂活動，使學生“在場”，從而進行經驗總結。為此，課堂上創設情境，讓學生體驗科學家曾經經歷的發現：如果你生活在東漢或北魏時代，當觀察到什么樣的現象，致使你會認為大麻結子（或甜瓜結果）需要雄蕊？

這個問題是為了培養學生的舉證能力，即根據結論來反推證據；同時復習雌雄異株、雌雄同株植物，以及單性花、兩性花。基于學生舉證下的“生成”，學生可能描述昆蟲傳粉的場景，教師引入狄奧弗拉斯圖關于棗椰樹授粉的記錄，引導學生對比中國古代的“證據”和古希臘的記錄。

2.3 探究實驗下的創造設計

課堂上不是“教實驗”，或“展示科學家做過的實驗”，而是將實驗轉化為學生的探究實踐，讓學生與科學家一樣設計方案并解決問題。教師引導學生設計實驗方案證實格魯的觀點：1682年，英國植物學家格魯解剖花的結構，并通過顯微鏡觀察到，花中有產生精子的部分，其中有相當于動物精子的小球，能使相當于卵巢的部分發育受孕。他認為，只有花粉粒落到柱頭上才能形成果實和種子。備選植株：桑（單性花，雌雄異株）、玉米（單性花，雌雄同株）、桃（兩性花）。

此方案的設計既是課堂探究實踐活動，也是科學史上真實事件在課堂中的再現。課堂上，學生通過評價與交流呈現每小組的探究方案，并與卡梅拉里烏斯的實驗進行對比，以此增強對科學探究的感悟和體驗。

雖然卡梅拉里烏斯的系列實驗能說明花粉在植物生殖中不可或缺，但當時普遍認為花粉只對種子的形成起刺激作用。為引導學生解決這個問題，教師設計活動：18世紀，人們普遍認為花粉只對種子的形成起刺激作用。法國植物學家凱爾路特用紅花窄葉的雄株與黃花寬葉的雌株煙草做雜交實驗。他要觀察到什么樣的實驗現象，才能說明花粉對種子的形成遠遠不只是起刺激作用？本課授課對象是使用浙教版教材的七年級學生，他們還不具備遺傳、性狀等知識，無法完成實驗設計的任務，又不能與設計方案證實格魯的觀點的活動雷同，故將該活動設計成基于推測的舉證過程，而不是實驗方案設計。

在學生討論的基礎上，教師呈現煙草雜交實驗結果，引導學生舉證說明：花粉不只對種子的形成起刺激作用。

2.4 質疑論證下的模型構建

19世紀，許多植物學家對植物有性生殖進行了質疑論證，最終發現被子植物雙受精現象。教師呈現表2所示的資料進行分析，要求學生完成如下問題。

①請以圖示的形式描述被子植物有性生殖過程（從花蕊到種子的形成）。該過程是哪些植物學家參與工作的？

②“從問題到結論”的科學發現過程，一般都經歷什么樣的歷程？

學生通過思考，構建植物有性生殖的圖示模型，體驗科學發展中質疑、論證、迭代、構建的過程。

教師可通過如圖3所示的板書進行小結。

圖3 板書設計

3 HPS教育的簡史型復習課的教學價值

3.1 人文價值取向

HPS教育的簡史型復習課的人文價值取向主要體現在兩個方面：①復習課成為科學與人文通融的橋梁。例如，古希臘的哲學家雖說對植物的生殖有一定的感性認知，但經過中世紀，這種認知幾乎停滯不前，主要的原因在于歐洲中世紀的宗教認為植物的花是貞潔的象征，而雌雄交配是污穢不堪的，把花與交配聯系起來是宗教所不能容忍的。這就是科學技術與社會的關系的微妙之處：特定的社會場域可能成為科學技術發展的溫床，也可能成為科技發展的牢籠。②科學作為一種發生在人類群體上文化對人性的影響，本身是人文性的，如研究植物有性生殖規律的植物學家們在尋找證據過程中的求真、求實的品質。

3.2 批判質疑取向

HPS教育的簡史型復習課的批判質疑價值取向，本身是科學精神的重要組成內容。本節課從狄奧弗拉斯圖、崔寔和賈思勰對植物性別的認識開始，到格魯、梅拉里烏斯、凱爾路特等的實驗，再到發現被子植物雙受精現象，經歷了2 500多年，其中不但有科學家自我否認的精神，也有與他人、其他領域的權威作斗爭的事件。以波普爾的證偽主義觀點看來，科學的發展就是在被否定中逐步前行的；而庫恩為代表的歷史主義者認為，一種范式替代另一種范式，這就是科學革命，是科學發展最基本的模式。植物生殖簡史中雖沒有像庫恩所說的有明顯的范式更替而發生典型的科學革命事件，但課中總結出對植物有性生殖的“經驗總結”到“實驗探索”，再到“質疑論證”，3個過程都選擇了典型案例進行佐證，正是教學批判質疑取向最好的載體。

3.3 創新實踐取向

HPS教育的簡史型復習課的創新實踐教學價值取向，立足于科學家的實踐創新，轉化為課堂上學生的學習創新行為。課堂成為學生自主學習的場域，最重要的條件是將科學史上的實驗轉化為學生基于特定問題情境的實驗設計創新實踐活動。例如，教師對卡梅拉里烏斯實驗的處理，是通過解決“雄蕊在植物生殖中有什么作用”的問題，組織學生進行實驗方案設計，通過小組討論與交流、解釋與評價學生的實驗方案，最終與梅卡拉里烏斯的實驗進行對照，使學生沿著科學家的足跡體驗科學探索歷程，感受科學創新實踐帶來的喜悅。