基于HPS教育理念的概念教學
——以“光合作用”為例

楊 玲

(江蘇省無錫市梅里中學 江蘇無錫 214112)

1 教學分析和設計思路

本節教學內容選自蘇科版《生物學·七年級·上冊》第四章第一節,涉及《義務教育生物學課程標準(2022年版)》(以下簡稱《課程標準》)主題四“植物的生活”中的次位概念“4.3.1 植物能利用太陽能(光能),將二氧化碳和水合成為貯存了能量的有機物,同時釋放氧氣”。《課程標準》給出了明確的教學建議,要求教師在教學中引入科學史,幫助學生認識科學家的探究歷程。HPS 教育強調要從科學史、科學哲學和科學社會學等不同視角全面理解科學。將HPS教育理念應用于概念教學中,引導學生從不同科學視角分析概念的形成和發展,從而理解科學研究的過程和方法,在深入理解概念內涵的同時,提升對科學本質的認識。

2 教學目標

(1)以科學史研究歷程為主線,獲取光合作用的原料、產物、條件、場所和能量變化等信息,認識光合作用過程,自主建構光合作用概念體系。

(2)嘗試以科學家的身份開展實驗,探究陽光在植物生長中的作用,學會控制變量、制訂計劃、基于實證得出結論等探究技能和暗處理、鑒定淀粉等實驗方法。

(3)通過了解科學家們對已有概念不斷繼承、質疑、求證和發展的過程,理解并概述光合作用概念的演變過程,形成嚴謹的科學態度和質疑權威、勇于創新的科學精神,客觀、辯證地了解科學家。

3 教學過程

3.1 溯源科學史研究起點,揭示錯誤前概念

教學伊始,教師要求學生圍繞“小樹苗長成大樹所需的營養物質來自哪里”這一問題發表自己的看法。學生們各抒己見,有部分學生認為樹苗長成大樹所需的營養物質來自土壤。針對學生的這種錯誤前概念,教師展示早期科學家的觀點:亞里士多德認為,植物是從土壤中汲取營養物質而生長的。此時,教師沒有急著讓學生判斷亞里士多德的觀點正確與否,而是引導他們從科學社會學的視角出發,分析這個觀點產生的時代背景和亞里士多德提出此觀點的依據。學生通過調查當時的時代背景,認識到當時社會上流行的“經驗主義”對科學研究的影響,亞里士多德沒有經過實驗驗證,只是觀察到植物在土壤中生長,依據經驗和感覺提出觀點,顯然這樣的觀點沒有足夠的科學證據支撐。

設計意圖:生物學科學史通常起源于對生命現象的觀察和研究。所以,基于HPS教育理念開展的概念教學需要從現實生活中常見的生命現象入手,且這個生命現象應能溯源到相應科學史,是科學家們曾經觀察和研究過的。通過呈現科學史中與學生錯誤前概念相似的早期科學家觀點,可以幫助學生揭示前概念的錯誤之處,認識到科學觀點不能憑空臆想,而應基于實證。從科學社會學的視角分析科學史實的產生背景,有利于學生理解科學知識受到當時科技發展水平及社會文化背景的制約。

3.2 依托科學史發展線索,還原概念演變歷程

3.2.1 海爾蒙特實驗

教師展示:海爾蒙特的質疑(亞里士多德的觀點沒有證據支持,僅停留于作出假設階段)、海爾蒙特求證的實驗過程(①稱重記錄,土壤烘干后為90 kg;柳樹苗2.3 kg;②將柳樹苗種到土壤中,為了防止灰塵落入,制作保護罩,只定期澆灌純凈的雨水;③5年后,再次稱重記錄,土壤烘干后為89.943 kg,而柳樹苗重76.8 kg)、實驗結果(柳樹苗增加74.5 kg,土壤減少0.057 kg)及實驗結論(水分是植物制造自身的原料)。

組織學生討論:①海爾蒙特得出結論的過程和亞里士多德有哪些不同之處? ②海爾蒙特的實驗有哪些值得借鑒之處? ③海爾蒙特實驗的結論是錯誤的,是否說明他的研究沒有意義? 你的觀點是什么?

設計意圖:通過討論題①,引導學生提高實證意識;通過討論題②,引導學生關注定量分析、控制變量等探究技能,學習科學家堅持實驗、嚴謹細致的研究習慣;討論題③則從科學哲學的視角出發,引導學生客觀地認識科學家的貢獻,學習科學家敢于質疑權威、不斷創新求證的科學精神。

3.2.2 普利斯特利實驗

教師展示:普利斯特利的質疑(仁慈的上帝是如何讓“壞空氣”變成“好空氣”的?)、普利斯特利求證的實驗過程(①把燃燒的蠟燭放在密閉的鐘罩內,蠟燭很快熄滅;把小鼠放在密閉的鐘罩內,小鼠很快死亡;②把燃燒的蠟燭和綠色植物一起放在密閉的鐘罩內,蠟燭能燃燒較長時間;把小鼠和綠色植物一起放在密閉的鐘罩內,小鼠能存活較長時間)及實驗結論(鐘罩內的“壞空氣”讓蠟燭熄滅或讓小鼠死亡,綠色植物使鐘罩內的“壞空氣”更新為能讓蠟燭燃燒或小鼠存活的“好空氣”)。

組織學生討論:普利斯特利在光合作用發現過程中做出突出貢獻,然而推動他研究的動力卻是堅信上帝用某種方法使“壞空氣”變成“好空氣”的基督教信仰。你如何看待普利斯特利的做法與想法?

設計意圖:通過討論,引導學生從科學社會學的視角出發,了解科學史相關的社會文化背景以及科學家的故事,從而更客觀、辯證地了解科學家。

3.2.3 英格豪斯實驗

教師展示:英格豪斯的質疑(普利斯特利所謂的“好空氣”和“壞空氣”分別是什么?)和英格豪斯求證的過程(設置對照實驗,通過500 多次實驗得出結論,綠色植物只有在光下才能產生氧氣)。

組織學生討論:①英格豪斯實驗和普利斯特利實驗有什么關系? ②英格豪斯實驗有哪些值得借鑒之處?

設計意圖:討論題①從科學哲學的角度出發,幫助學生理解科學的發展并非一蹴而就,而是科學家在前人的研究基礎上對已有研究成果不斷繼承和創新的結果。通過討論題②,引導學生關注設置對照實驗、反復實驗等探究技能,學習科學家嚴謹求實的科學精神。科學概念是在科學家不斷批判質疑和理性求證的過程中演變和完善的,引導學生從科學史、科學哲學和科學社會學的角度全面分析概念的發展變化過程,有利于學生深入理解科學概念。

3.3 解構科學史經典實驗,自主論證推理概念

教師展示:1864年薩克斯提出問題并作出假設,組織學生討論問題并制訂計劃:①實驗的變量是什么? 如何控制變量? ②薩克斯的假設是在陽光下植物能制造出淀粉等有機物,該如何檢驗植物內是否有淀粉存在呢? 學生討論后確定,實驗的變量是光,控制變量的方法是設置對照實驗,對實驗組進行遮光處理,對照組不遮光。各小組提出了不同的實驗方案:A組認為要準備兩盆植物,一盆放在光下,一盆放在黑暗處;B 組認為,只要準備一盆植物,對其一半遮光。教師組織學生討論哪一種實驗方案更嚴謹。學生討論后發現B 組的方案更嚴謹,可以避免兩盆植物生長狀態不同對實驗的干擾。受此啟發,學生進一步提出了更為嚴謹的實驗方案:對同一盆植物的同一片葉片進行部分遮光。教師指出,薩克斯也是如此設計的,學生為自己設計的實驗方案與科學家相同而感到欣喜的同時,也體會到科學家嚴謹的實驗思維。在討論如何檢驗淀粉的存在時,除了指導學生掌握用碘液鑒定淀粉的實驗方法,更重要的是引導學生思考:①實驗前,葉片中就存在淀粉怎么辦? ②葉片是綠色的,向葉片滴加碘液后,看不出顏色變化怎么辦? 引導學生通過思考,設計暗處理和褪去葉片綠色的實驗步驟。如此,一步步引導學生圍繞實驗方案,層層深入解決問題,完成計劃的制訂。在此基礎上,組織學生開展實驗、獲取證據,驗證薩克斯假設的正確性并得出結論,學生不再是科學史的旁觀者,而成為了實實在在的參與者。

設計意圖:科學史中呈現的實驗對學生而言并非只能“遠觀”,教師可以解構并重新設計科學史上的經典實驗,使之成為探究實驗,引導學生以科學家的身份自主制訂計劃、開展探究、獲取證據,然后基于實證獲得科學結論。

3.4 貫穿科學史研究主線,歸納概括建構概念

科學概念隨著科學家研究的不斷深入而逐步完善。學生沿著科學家的探究史逐步了解概念演變的過程,獲取的僅是碎片化知識,要使之成為概念體系,教師還需要引導學生以科學史研究為主線,通過抽象與概括、歸納與綜合等思維活動自主建構。在“光合作用”概念教學中,學生依托科學史獲取相關概念碎片后,教師指導學生以科學史研究歷程為主線,以時間軸為工具,繪制概念演變過程圖(圖1)。再依據下圖,提取、歸納光合作用的原料、產物、條件、場所、能量變化等信息,進而概括獲得光合作用反應式和光合作用的實質,完成概念體系的全面建構。

圖1 光合作用概念演變過程圖

4 總結與反思

將HPS教育理念應用到概念教學中,通過展示科學史中科學家們對前人觀點的批判質疑和實驗求證,還原概念演變歷程。在幫助學生深入理解概念的同時,培育學生基于實證和嚴謹的邏輯提出主張的科學思維,從科學社會學和科學哲學的視角,引導學生認識科學中蘊含的社會人文內涵,理解“科學概念可能隨著研究深入而不斷發展變化”的科學本質。