應用HPS 教學模式培養學生生物學學科核心素養

姜雨姍

（哈爾濱師范大學教師教育學院，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 HPS教育與生物學學科核心素養

HPS教育是科學歷史、科學哲學和科學社會學（History philosophy and sociology of science）的簡稱，是以科學本質為基礎的新型科學史教育。它旨在將這三門學科的知識有機地結合起來，從而提高學生的科學素養。科學史是人們了解科學、發展科學的過程，是對人類科學探索過程的記載與整理，為人類進行科學研究提供了必要的歷史記錄和情感；“科學哲學”是一種以“科學”為目標的哲學，它是對人的科學發現進行總結和整理，并為其提供方法論依據；科學社會學是從社會學角度來探討科學與社會之間的聯系和影響的一門學科，它是對科學的運用和傳播，為科學的普及和應用提供了一種現實的方法和方法。HPS教育是指在科學教學中，三者相輔相成，相互交融，從而培養了學生的生物學學科核心素養[1]。

2 HPS教學模式的課堂實踐

本文以人教版高中生物學必修1《分子與細胞》中第五章第四節第二小節“光合作用的原理和應用”為例[2]。

2.1 頭腦風暴，提出問題

教師活動：展示光合作用四個字，引導學生開展頭腦風暴。引導學生調動自己的知識儲備，答出與光合作用有關的概念。然后展示以光合作用為中心的思維導圖，提出問題：光合作用究竟是怎樣進行的呢？其中的物質與能量又經歷著怎樣的變化呢？以此導入新課。

設計意圖：運用頭腦風暴激發學生的思考能力，指導學生回顧已學到的知識，教師可以借此了解學生對光合作用相關知識的掌握情況。

2.2 構建光反應模型

教師活動：教師首先把光合作用的總化學方程式寫下來，然后引導學生思考具體過程。二氧化碳和水是怎樣產生有機物質和氧氣的？如何將光能存儲在有機物質中？這就是我們今天要解決的問題。教師提問：O2的來源有哪些可能性？學生答道：有可能是H2O、CO2、H2O和CO2。教師總結：過去，科學家和我們有著相同的迷茫[3]。

教師提出問題：在光合作用中，糖類的合成和氧氣的產生是同一個化學反應嗎？學生分析資料，得出結論：懸浮液中沒有合成糖類所必需的CO2，因此，這個實驗表明，糖的合成和氧氣的生成是不同的化學反應。光合作用是由多個階段組成的[4]。

設計意圖：明確糖類的合成需要有碳元素參與，培養學生的生命觀念。

教師提出問題，引導學生思考：（1）希爾的實驗表明，水的光解生成氧氣，那么，植物的光合作用所需的氧都是由水提供的嗎？（2）如果要證明所有的O2都來自H2O或來自CO2，可以采取哪些方式？請把你的想法說出來。學生經過思考后回答：同位素示蹤法。設置兩組實驗，一組標記H2O，不標記CO2；—組標記CO2，不標記H2O。如果第一組產生的O2有標記，第二組產生的O2沒有標記，說明O2來自H2O。反之，則說明O2來自CO2。

設計意圖：希爾實驗只能說明水的光解產生氧氣，但不能排除二氧化碳也能產生氧氣的可能性，培養學生的批判性思維。

教師展示資料：美國科學家魯賓與卡門于1941年利用同位素示蹤技術，對光合作用中的氧氣來源進行了研究。他們用16O的同位素18O分別標記H2O和CO2，使它們分別變成H218O和C18O2。然后，進行了兩組實驗：第一組給植物提供H2O和C18O2，第二組給同種植物提供H218O和CO2。在給予充足光照且其他條件都相同的情況下，第一組釋放的氧氣都是O2，第二組釋放的都是18O2。

教師提出問題：魯賓、卡門的研究，得出什么結果？結果表明：光合作用所產生的氧都來自水而非二氧化碳。教師引導學生分析上述實驗，發現其中都有光能參與，引出光合作用分為光反應和暗反應兩個階段。提出問題：光反應中還可能會發生什么反應呢？學生類比細胞呼吸過程，猜測光合作用中也涉及ATP的轉化。

設計意圖：運用類比推理法，復習ATP是直接能源物質這一知識點，與前面的知識建立聯系。

展示資料：美國的阿爾農在1954年發現，在沒有CO2的情況下，給予葉綠體光照，在將ADP、Pi和NADP+供應到反應系統中時，系統中會生成ATP和NADPH(NADP+、H+與電子結合而成的還原物質NADPH）。在1957年，他發現這個過程一直伴隨著水的光解。提出問題：分析該實驗，用化學式表達得出的結論。學生寫出：H2O→H++O2

ADP+Pi→ATP NADP++H+→NADPH

教師引導學生明確光反應中的物質變化與能量轉化。結合葉綠體結構，明確在葉綠體的類囊體上發生水的光解。根據上述分析，請同學對光反應過程進行總結，畫出光反應過程示意圖[5]。

設計意圖：引導學生將所學習的光反應相關知識外化到紙面上，便于教師認清學生的學習情況。

2.3 構建暗反應模型

教師引導學生思考：在我們構建的光反應模型中可以發現，光反應中沒有CO2的參與和糖類的合成，那么，CO2是如何轉變為糖類的呢？

展示資料：美國科學家卡爾文在二十世紀四十年代對小球藻進行了一項實驗：用經過14C標記的14CO2，供小球藻進行光合作用，然后追蹤放射性14C的去向，最終探明了CO2中的碳是如何轉化為有機物中的碳的。教師對卡爾文的實驗進行了介紹，并展示了實驗設備。展示實驗結果1：照射 30s，在不同的化合物C3，C5，C6中發現14C的分布。提出問題：怎樣才能確定CO2中的C最先出現在哪種化合物上呢？學生回答：縮短反應時間。

教師展示實驗結果2：在5秒內，C5和C6中分別存在14C。當時間縮短到幾分之一秒時，14C幾乎全部集中在一種C3化合物上。提出問題：根據這一點，請對二氧化碳中碳的傳輸路線作一個粗略的描述。學生回答：CO2先轉移到C3，再轉移到C5和C6。教師提出問題：提出假設，CO2與哪些物質結合生成 C3將幾種假設方案寫在黑板上。學生回答：①二碳化合物；②二氧化碳；③CO2與C5結合也可以生成C3。

教師展示資料：卡爾文及其同事們反復試驗，都沒有發現C2的存在。進一步的實驗是改變CO2的數量。假設二氧化碳含量的提高會對C3、C5產生什么樣的影響？二氧化碳含量降低后，C3和C5含量會如何變化？當學生說出他們的預期之后，老師就把卡爾文的實驗結果展示出來。實驗結果表明，CO2和C5的結合可以形成C3。教師引導學生寫出C元素的轉移路徑，點明卡爾文循環發生的場所。

2.4 構建完整的光合作用過程模型

教師組織小組活動：仔細觀察我們畫出的光反應和暗反應過程示意圖，光、暗反應是否是兩個完全獨立的過程？它們在物質變化和能量轉化方面又有著怎樣的關系呢？經過學生分組討論后，畫出完整的光合作用過程示意圖，標明場所和條件，派代表將小組討論結果畫在黑板上。學生思考，進行小組討論，構建光合作用過程模型。

教師評價并修改小組展示的示意圖，展示標準的光合作用過程示意圖。學生反思并修改自己的示意圖。

設計意圖：學生經過反復建模再修改的過程，能夠體會科學探究的艱辛和科學的嚴謹性。

2.5 小結

通過對學生在課堂上所學到的知識進行歸納，并安排學生的學習任務。

設計意圖：經過列表比較光反應和暗反應的關系，考查學生對光合作用過程知識的掌握情況。通過對科學探究的過程進行歸納、整理，使學生了解科學探究的實質，體驗科學探究的方式與過程，從而加深對科學知識的認識。

3 啟示與思考

在實施HPS的教學設計時，要根據具體的內容，采用不同的方法，教師要靈活地選擇和調整，不能死板地照搬。在教學過程中，教師要注重把科學史與生物學知識相結合，不能簡單地講述科學故事、追溯科學史，淡化課堂教學的主體。在指導學生從科學歷史中得到科學結論時，要注重科學的思考，避免將科學知識直接扔到學生身上，把科學探究活動轉變為引導學生解決問題、形成科學概念的活動。老師平時要注重積累和搜集生物史材料，并利用科學史教學資源；要不斷地改進自己的知識結構，改變自己的思考模式，學會對科學家做出的貢獻進行客觀、深入的評估；同時，要明確科學史教育的需求，培養學生的終身學習意識，增強科學素質。

同時，將HPS教學應用于生物學課堂，要求教師對科學史的內容有較深的理解，而教師本身又要在科學史、科學哲學等領域提高自己的專業知識和能力。