HPS教學模式在培養學生科學思維中的教學實踐
——以“植物生長素的發現”為例

錢仁凱 程國勝

（巢湖市第二中學 安徽合肥 238000）

科學思維是生物學學科核心素養的重要內容，也是學生認知生命觀念、培養社會責任的重要方法和手段。科學思維方法包括歸納與演繹、分析與綜合、抽象與概括以及批判性思維等。發展學生科學思維能力和品質是生物學教學的重要目標之一。生物學是自然科學中的一門基礎學科，生物學學科的理科屬性與科學本質決定了其精髓并不僅僅是展示學科的基本內容，而更應當反映生命科學的本質與規律，體現其應用與發展。科學史記錄了人類認識科學、發展科學的探究歷程，也包含了解釋和反思科學本質的歷史觀念，能夠很好地呈現生物學學科知識和知識生境之間的關系以及生命科學螺旋式發展的樣態。基于科學史建構符合學生認知規律和學科發展特點的教學模式，能促使學生認知科學本質，發展科學思維，培養科學品質，從而實現生物學學科核心素養的提升。

1 HPS教學模式

HPS教學模式是英國學者孟克和奧斯本在總結教學改革經驗的基礎上提出的，以建構主義理論為基礎、融合科學本質教育的新模式。HPS即科學史、科學哲學和科學社會學（History、Philosophy and Sociology of Science）的簡稱。其中，科學史記錄了人類認識科學、發展科學的探究歷程，包含了解釋和反思科學本質的歷史觀念和方法；科學哲學呈現了科學發現的規律梳理，為科學思維的形成提供了理論上的支撐；科學社會學強調了人文教育和科學思維的遷移應用。HPS教育模式共有融入教學模式、互動歷史小故事模式和適度模式3種模式。大多數學者認為適度模式具有較強的可操作性，該模式共有6個環節（圖1）。

圖1 HPS教育適度模式流程

1.1 演示現象，提出問題

創設情境是開展有效教學活動的基礎。教師在創設情境、導入新課時，可以向學生呈現科學發展史、科學故事及科學探究現象，如酶的本質探究歷程、植物的向光性探究歷程、激素的發現過程等，激發學生的學習興趣和探索欲望，并據此提出一個具有價值的問題，為后續的探究活動做鋪墊。

1.2 思考討論，引出觀念

針對前一環節提出的問題，教師可引導學生進行自主思考、小組討論，提出自己的觀點。但此時，教師不宜過早地對學生的觀點進行評判。為了讓學生盡可能多的提出不同的觀點，教師可采用“頭腦風暴法”，訓練學生的發散性思維。

1.3 學習歷史，演繹探究

學習科學史、演繹科學探究過程是HPS教學模式的重要環節。在這一環節中，教師可通過多媒體課件等輔助設備介紹科學家的研究歷程，引導學生分析科學實驗的過程及結論，體會研究歷程中的科學方法，發展科學思維。

1.4 小組合作，設計實驗

教師組織學生設計實驗方案或建構模型，以驗證自己提出的觀點或者假設。學生在體驗科學探究過程中，提升歸納與演繹、分析與綜合、抽象與概括以及批判性思維等能力。在本環節的教學中，教師需要讓學生明晰：①對于科學現象可以有不同的解釋觀點；②通過科學實驗檢驗觀點的正確性。

1.5 呈現證據，實驗檢驗

教師可結合科學史向學生闡述關于該問題的科學解釋和主流觀念，幫助學生實現觀念轉變或者建立科學觀念。在本環節中，學生需要借助科學解釋來檢驗自己的觀點，并通過搜集證據進行辯證，最后得出結論。

1.6 總結評價，思維提升

通過總結與評價，學生不僅能夠獲得生物學學科知識，同時也能夠認同人類認識科學、發展科學的探究歷程和解釋，反思科學本質的歷史觀念，更重要的是能夠在螺旋式上升樣態的科學認知中，提高發展性學習能力，提升科學思維。

由上述過程可知，HPS教學模式與科學思維的培育存在高度的契合（圖2）。教師通過有機整合科學史和生物學概念的學習，使得學生在探究、解決問題的過程中，發展思維能力，建立和發展科學觀念。

圖2 HPS教學模式培育全面發展的人的實踐路徑

2 HPS教學模式的應用——以“植物生長素的發現”為例

2.1 演示現象，提出問題

教師利用多媒體呈現具體實例，激發學生學習興趣。例如，教師呈現“滿園春色關不住，一枝紅杏出墻來”的詩句和“金燦燦的向日葵朵朵向陽開”“黃山迎客松伸手迎接天下客”的圖片，并據此提問：這些圖片體現了植物生長的共性是什么？學生能夠說出植物的向光性，教師進一步追問：導致植物向光性的原因是什么呢？

設計意圖：教師展示與植物的向光性相關的現象，再提出相關問題，激發學生學習興趣，為后續的深度學習和思維訓練奠定基礎。

2.2 思考討論，引出觀念

基于教師提出的問題，學生進行合作討論，提出自己的觀點：由于受到外界單側光的影響，植物出現了彎曲生長。此時，教師不直接對學生的觀點進行評判，而是引導學生證明自己的觀念，并進一步思考：植物向光性的內在因素是什么？

設計意圖：教師基于情境問題，引導學生提出自己的解釋或觀點，進一步探究植物向光性，培養學生的科學思維。

2.3 學習歷史，演繹探究

教師向學生展示科學史：科學家達爾文注意到了植物的向光性，并于1880年利用金絲雀虉草的胚芽鞘作為實驗材料設計了一系列的探究實驗。教師通過多媒體向學生呈現達爾文的實驗設計（圖3），引導學生分析：①基于科學實驗的控制單一變量原則，哪些實驗可以形成對照實驗？②實驗的自變量和因變量是什么？③實驗得出的結論是什么？學生小組合作討論交流，并完成表1的相關內容。教師對學生討論的結果進行點評，并引導學生總結：達爾文的實驗證實胚芽鞘向光性的外因是單側光照，內因是胚芽鞘尖端的存在，同時感光部位是胚芽鞘尖端。

圖3 達爾文的探究實驗

表1 達爾文實驗的分析結果

教師基于實驗結果的分析，向學生展示達爾文的假說：胚芽鞘尖端受單側光刺激后，就向下部的伸長區傳遞某種“影響”，造成背光面比向光面生長快，因而使胚芽鞘出現向光性彎曲。達爾文推測這種“影響”可能是一種化學物質。教師引導學生思考：如何設計實驗來驗證達爾文提出的假說呢？

設計意圖：科學重視實證。教師通過展示達爾文運用實驗法探究植物向光性背后的原理的過程，培養學生嚴謹的科學態度。學生分析達爾文的實驗，熟悉并掌握科學探究的一般思路和過程，發展科學思維。此外，教師引導學生分析達爾文提出的假說，并討論如何驗證假說，為下一環節做好鋪墊。

2.4 小組合作，設計實驗

教師基于達爾文提出的假說，引導學生設計驗證實驗。教師用多媒體展示實驗材料，學生進行分組討論，設計驗證實驗、預測實驗結果，進行小組展示。教師通過引導學生分析實驗設計中的要素（表2），予以必要的指導。

表2 驗證實驗設計

設計意圖：科學家的實驗研究對學生來說有很大的操作難度。教師讓學生用圖文形式描述實驗思路和實驗過程，也是讓學生“體驗”科學探究、訓練科學思維的有效途徑。以上探究實驗從知識建構上是遞進式的，符合學生的邏輯推理，能夠有效提升學生的思維能力。

2.5 呈現證據，實驗檢驗

教師利用多媒體呈現其他科學家的后續實驗（圖4），并對小組展示的實驗設計進行點評。各組得出正確的實驗結論。據此，教師說明：達爾文的假說被其他科學家的實驗驗證，這種科學探究的方法就是“假說—演繹”法。

圖4 教師提供的其他科學家的后續實驗

設計意圖：科學史的滲透及關鍵實驗和研究成果的體驗，能讓學生最大限度地與科學家“對話”，并能體會到，人類的許多科學發現，是這樣經過一代又一代人的探索，才一步一步地接近事實的真相。科學發展的一大步往往都是由每位科學家所取得的進展小步匯合而成。據此，教師能夠幫助學生樹立科學的發展觀，發展科學思維。

2.6 總結評價，思維提升

教師總結學生的探究活動，并進一步提供相關的科學史內容：1931年，科學家郭葛首次從人的尿液中提取出了具有生長素效應的化學物質并分析其化學本質為吲哚乙酸。1946年，科學家才從植物體內提取分離出了生長素，并進一步確定其化學本質為吲哚乙酸。據此，教師引導學生分析植物向光性的原因，并完成表3的相關內容。

表3 植物向光性的分析模型

設計意圖：在總結階段，教師引導學生總結植物向光性的原因，使得學生不僅能夠獲取知識層面上的進階，而且得到了科學方法層面上的思維訓練。

3 結語

基于HPS教學模式培育全面發展的人的實踐路徑分析，從科學歷史、科學哲學、科學方法3個層面發展學生的科學思維、培養學生的思維習慣是提升學生學科核心素養的有效途徑。HPS教學模式能達成科學史與生物學概念的有效融合，避免了知識的直接呈現，讓學生在發現問題、解決問題中形成科學概念，在親歷科學探究過程、體驗科學探究方法中，領悟科學思維方式，發展科學思維，提升思維品質。