HPS理念下指向高階思維培養的高中生物課堂教學實踐研究

摘要：文章旨在探討hps理念在高中生物課堂教學中的應用，特別是如何通過這一理念培養學生的高階思維。以“生長素的發現過程”為例，文章詳細分析了hps教學模式的實施過程，包括歷史背景的引入、科學過程的模擬、哲學和社會科學的融合，以及這些環節如何共同作用幫助培養學生高階思維。研究結果表明，在高中生物課堂教學中運用hps理念能夠有效提升學生的批判性思維、創造性思維和邏輯思維能力。

關鍵詞：hps理念；高階思維；植物生長素；發現歷程；教學實踐

中圖分類號：g633.91文獻標識碼：a文章編號：1673-8918（2025）05-0132-04

隨著教育改革的深入，高中生物教學越來越注重培養學生的科學素養和綜合能力。hps（history of science， philosophy of science， sociology of science）教學模式作為一種融合了科學史、科學哲學和科學社會學元素的教學方法，被廣泛應用于各學科教學中，旨在幫助學生更好地理解科學的本質，提高他們的科學素養。文章將以“生長素的發現過程”為例，探討hps理念在高中生物課堂教學中的應用，并指出其對高階思維培養的重要性。

一、 hps教學模式概述

hps教學模式是一種將科學史、科學哲學和科學社會學融入科學教學中的新型教學模式。它強調科學知識的歷史背景、哲學思考和社會應用，旨在幫助學生從多角度理解科學知識，培養他們的科學思維和探究能力。hps教學模式的實施過程通常包括以下幾個環節：

環節一：歷史背景的引入

介紹科學知識的發展歷程，幫助學生了解科學發現的背景和必要性。

環節二：科學過程的模擬

通過模擬科學家的實驗過程，幫助學生親身體驗科學發現的過程，培養探究能力和科學素養。

環節三：哲學和社會科學的融合

引導學生思考科學發現對人類社會的影響，培養其社會責任感。

二、 hps理念下“生長素的發現過程”教學設計

（一）歷史背景的引入

通過設問“人類發現的第一種植物激素是什么？”“生長素是怎樣被發現的？”從而追溯到達爾文環球考察的故事。據史料記載：19世紀末，達爾文在環球考察時，為了飼養隨身攜帶的幾只鳥，種了草蘆（是一種禾本科虉草屬植物）。船艙很暗，只有窗戶透射進陽光，達爾文發現草蘆的幼苗總是朝著窗戶的方向生長，但是甲板上的幼苗直立生長。之后追問：“植物真的能彎向光源的方向生長嗎？”哲學觀點：馬克思主義哲學認為，實踐是檢驗真理的唯一標準。引出興趣小組有關小麥萌發的延時攝影精彩瞬間。通過眼見為實說明植物真的能朝向光源方向生長。之后追問：這種現象在植物界具有普遍性嗎？展示不同植物向光性的照片（放在窗臺的植物、向日葵的花盤、生出墻外的枝條等），以證實植物朝向光源方向生長的現象確實存在普遍性。這種普遍性是否蘊藏著某種規律呢？哲學觀點：馬克思主義哲學認為，規律是事物發展中本身所固有的、本質的、必然的、穩定的聯系。即普遍存在的事物背后必然隱藏著某種規律存在。引出向光性概念，即在單側光的照射下，植物朝向光源方向生長的現象。

（二）科學探究過程的模擬

教師引導：那植物為什么會具有向光性？達爾文及其兒子設計了巧妙的實驗進行探索，涉及的主要結構是金絲雀虉草的胚芽鞘。資料補充：金絲雀虉草是一種禾本科虉草屬植物，胚芽鞘是包裹在胚芽外面的錐形套狀物，在種子萌發時具有頂土、保護胚芽等作用。

1. 達爾文及其兒子的實驗

小組討論達爾文父子的實驗①②，思考以下問題：

（1）胚芽鞘的生長情況如何？

（2）實驗的對照組和實驗組分別是？

（3）①②組中自變量和因變量分別是？

（4）①②組對照你能得出什么推論？

（5）②組對自變量的控制用了什么原理？

設計意圖：通過以上典型問題的設置層層深入地分析實驗，培養學生的邏輯思維，實現學生科學思維的螺旋式提升。

從①組中看到胚芽鞘能彎向光源方向生長，是否意味著胚芽鞘能感受單側光的刺激？從而引出探究感光部位的任務。

任務一：探究感光部位

提出問題：胚芽鞘感受單側光刺激的部位在哪里？

做出假設：假設一：在尖端假設二：在尖端下部假設三：在尖端和尖端下部

演繹推理：

若假設一成立，利用減法原理，采用排除法，遮住尖端，預計：直立生長。

若假設二成立，利用減法原理，采用排除法，遮住尖端下部，預計：直立生長。

若假設三成立，利用減法原理，采用排除法，遮住尖端和尖端下部，預計：直立生長。

實驗驗證：

展示達爾文的③組④組實驗，思考分別支持假設幾？否定假設幾？

再結合①組對照，能否推理出感光部位在哪里？

設計意圖：借助探究感光部位的任務，開展小組討論，積極調動學生參與課堂，主動建構知識，提升利用假說演繹法分析問題、解決問題的能力。

通過探討得出結論：感光部位在尖端。之后進行引導：相比于③組，①組④組中出現了彎曲生長，那彎曲生長的部位又在哪里？從而引出任務二。

任務二：探究彎曲生長的部位

提出問題：胚芽鞘彎曲生長的部位在哪里？

做出假設：假設一：在尖端假設二：在尖端下部假設二：在尖端和尖端下部

如何設計實驗？（提供：單側光、記號筆、尺子、胚芽鞘）思維遷移提示：學生體檢通過測量而知身高。

學生小組探討做出匯報，如下圖所示。

方法1：可以對胚芽鞘畫等高線，一段時間后觀察等高線哪一部分之間的距離彎曲且變得更大，可判斷該部位即為彎曲生長的部位。

方法2：可以對胚芽鞘畫中心豎線，一段時間后觀察中心豎線哪一部分斷裂且斷裂的間距變得更大，可判斷該部位即為彎曲生長的部位。

方法3：可以對整個胚芽鞘涂色，如涂紅色，一段時間后觀察哪部分顏色變淺更明顯，可判斷該部位即為彎曲生長的部位。

設計意圖：通過任務布置，開展小組討論，積極調動學生參與課堂，建構知識體系，提升學生合作探究能力和分析問題、解決問題的能力。

追問：單側光照射下，植物為什么會彎向光源生長呢？

結合以上探究，達爾文曾在這兩個結論（結論：感光部位在尖端結論：彎曲生長的部位在尖端下部）的基礎上大膽地提出假說：尖端受到單側光照射后，向下部的伸長區傳遞了某種“影響”，造成伸長區背光面比向光面長得快。

追問學生：你認為達爾文的假說有道理嗎？你覺得達爾文的假說中還有哪些問題有待進一步探究？你還能提出哪些未解之謎？

未解之謎：

（1）“影響”真的能從尖端傳遞到伸長區嗎？

（2）為什么伸長區背光面比向光面生長快？

（3）“影響”究竟是什么？

在達爾文實驗的啟發下陸續出現了很多經典的實驗：

未解之謎1：“影響”真的能從尖端傳遞到伸長區嗎？

2. 鮑森·詹森實驗（1913年）

展示詹森實驗的圖像及結論，追問：你認為詹森的實驗現象能支持他的結論嗎？由學生討論后小組代表闡述，培養學生實驗分析、歸納概括等能力。

【思考】有人說該實驗不夠嚴謹，你的觀點呢？如何提高實驗的說服力？

學生討論后認為該實驗沒有對照組，可以設置一組云母片作對照。

設計意圖：以如何提高實驗的說服力為問題導向，啟發學生從實驗要遵循對照原則，單一變量原則等角度分析實驗，發現實驗中存在的問題，并從提升實驗思維嚴密性的角度給出優化方案，發散學生思維，培養思辨、質疑、邏輯嚴密等科學素養。

未解之謎2：為什么伸長區背光面比向光面生長快？

3. 拜爾實驗（1918年）

展示拜爾的推論：胚芽鞘彎曲生長，是因為尖端產生的影響在其下部分布不均勻造成的。

追問：拜爾的設計是否能支撐他的觀點？為什么？（由小組討論后小組代表表述討論結果，增強學生之間互助學習的力度，幫助學生形成團隊意識）。

追問：該實驗為什么要在黑暗中進行？

通過小組探討得出的結論是排除光照對實驗結果的影響。

請同學現場模擬拜爾實驗切割胚芽鞘尖端，并如拜爾提供的思路一樣錯位放置，發現問題：胚芽鞘太小，完全切斷放在一側難以放穩，容易掉落。如何解決問題？針對該問題如何改進？設計創新性實驗，學生可以發揮自己的創造力，提出新的解決方案。

學生活動：基于拜爾實驗的創新設計。

實驗材料：長勢相同的胚芽鞘若干、刀片、黑暗條件。

實驗設計：如下圖所示。

設計意圖：通過學生實際操作發現問題—解決問題，激發學生的探究欲，如學生想到設計左切一半一個組，右切一半一個組，不切做對照組等。這種創造性的思考方式有助于培養學生的創新精神和實踐能力。

過渡：基于以上研究，曾有科學家大膽猜想這種“影響”可能是一種化學物質，真的會是化學物質嗎？能否通過設計實驗進一步證明“影響”是化學物質？

未解之謎3：“影響”究竟是什么？……

4. 溫特實驗（1926年）

展示溫特的實驗過程，思考問題串：

（1）對照組和實驗組分別怎樣處理？

（2）對照組和實驗組分別出現什么現象？

（3）溫特實驗的結論是什么？

（4）溫特的實驗思路借鑒了哪些科學家的思路？

在其他科學家思路的基礎上又做出怎樣巧妙的設計？

設計意圖：以問題串的形式引導學生小組探討，通過對照組和實驗組的分析幫助學生感悟溫特實驗中思維的嚴密性，又通過問題4的設置幫助學生感悟溫特實驗的巧妙之處。

隨著時間的推移，科技的進步，“影響”的神秘面紗逐漸浮出水面，以科學史料的形式呈現后續研究的成果。

（1）1934年，科學家首先從人尿中分離出與生長素作用相同的化學物質——吲哚乙酸（iaa）。

（2）由于生長素在植物體內含量極少，直到1946年，人們才從高等植物中分離出了生長素，并確認它就是iaa。

（3）后續的進一步研究表明植物體內具有與iaa相同效應的物質還有苯乙酸（paa）、吲哚丁酸（iba）等。

后續研究成果被科學界廣泛認同后，人們又繼續追問單側光照射后，運輸到伸長區的生長素為什么會分布不均？對這個問題爭論不斷，你的觀點呢？

設計意圖：拋出問題，啟發學生思考，盡可能提出不同的猜想，提升學生的科學思維。

觀點一：（分解假說）單側光照射使尖端向光側的生長素發生了分解。

觀點二：（轉移假說）單側光照射使尖端向光側的生長素向背光側發生了轉移。

合作探究：如何以溫特的實驗設計思路為參照，設計出定量分析的實驗，用數據給出更具說服力的論證。

如何設計實驗？（提供：胚芽鞘、瓊脂塊、云母片、單側光、黑暗）

含量預計：若agt;b，支持分解假說；

若a≈b，否定分解假說；

含量預計：若elt;c≈dlt;f，支持轉移假說；

若e≈c≈d≈f，否定轉移假說。

實驗數據驗證：

結論：實驗數據支持轉移假說

設問：總結以上科學家的研究事實，你能參照達爾文的假說歸納概括出植物向光性的原因了嗎？學生小組討論后，小組代表闡述：尖端受到單側光照射后，導致生長素在尖端發生轉移現象，導致下部伸長區背光側的生長素多，向光側的生長素少，引起背光側細胞生長快，向光側細胞生長慢，從而發生向光彎曲生長。

哲學觀點：美國細胞生物學家威爾遜曾經說過“每一個生物科學問題的答案都必須在細胞中尋找”。以上推理能從細胞水平找到佐證依據嗎？如在顯微鏡下觀察細胞形態變化找到眼見為實的證據？播放顯微觀察圖片，觀察伸長區背光側和向光側細胞伸長生長的情況，見證細胞水平的直接證據。

小結：在發現生長素之后，人們又陸續發現了赤霉素、細胞分裂素、脫落酸和乙烯等物質。人們把這類由植物體內產生，能從產生部位運送到作用部位，對植物的生長發育有顯著影響的微量有機物，叫作植物激素（phytohormone）。植物激素作為信息分子，幾乎參與調節植物生長、發育過程中的所有生命活動。

人類的許多科學發現，就是像這樣經過一代又一代人的探索，每一位科學家所取得的進展可能只是一小步，眾多的一小步終將匯合成科學前進的一大步。

（三）哲學和社會科學的融合

在理解了生長素的發現過程后，教師繼續引導學生思考生長素對植物生長的重要性，以及對農業生產的影響。例如，教師可以讓學生討論生長素在農業生產中的應用，如促進作物生長、提高產量等。同時，也可以討論生長素使用不當可能帶來的環境問題，如土壤污染、生態破壞等。通過這些討論，學生可以更深入地理解科學發現與社會應用的關系，培養他們的社會責任感。

三、 hps理念下高階思維的培養

（一）批判性思維

hps理念下的高中生物課堂教學強調對科學知識的批判性思考。在了解了生長素的發現過程后，學生可以學會質疑和反思，提出自己的見解和觀點。例如，在討論詹森實驗時，發現缺乏對照組，實驗不夠嚴謹。這種批判性思維的培養有助于學生在面對復雜問題時獨立思考、給出解決問題的策略。

（二）創造性思維

通過模擬科學家拜爾的實驗過程，學生發現胚芽鞘太小，完全切斷放在一側難以放穩，容易掉落。針對這一問題如何設計創新實驗，學生可以發揮自己的創造力，提出新的假設和解決方案。如學生想到設計左切一半一個組，右切一半一個組，不切做對照組等。這種創造性的思考方式有助于培養學生的創新精神和實踐能力。

（三）邏輯思維

hps理念下的高中生物課堂教學注重科學實驗設計的嚴謹性和邏輯性。學生在理解實驗過程的同時，可以學會邏輯推理和嚴密分析，從而提高他們的邏輯思維。例如，在分析生長素在伸長區為什么分布不均勻時，學生需要運用邏輯推理來設計定量分析的實驗，通過分析預測實驗數據、得出結論。這種邏輯思維的培養有助于學生在面對復雜問題時能夠條理清晰、邏輯嚴密地進行分析和推理。

四、 研究結論

文章以“植物生長素的發現”為例，探討了hps理念在高中生物課堂教學中的應用及其對學生高階思維培養的重要性。研究結果表明，hps理念下的高中生物課堂教學能夠有效提升學生的批判性思維、創造性思維和邏輯性思維。因此，在高中生物教學中，教師可積極采用hps教學模式，通過引入歷史背景、模擬科學過程、融合哲學和社會科學等方式來培養學生的高階思維，提高他們的科學探究素養和綜合能力。

參考文獻：

［1］盧妃.初中生物教學中應用hps教學模式培養學生科學本質觀的實踐研究［d］.太原：山西師范大學，2020.

［2］何城蝶.hps教學模式在高中生物學教學中培養學生科學思維的實踐研究［d］.桂林：廣西師范大學，2019.

［3］宋增強.嘗試教學法在《植物生長素的發現》一節中的應用［j］.中國校外教育，2015（6）：58.

［4］張小丹.基于nobook虛擬仿真實驗的生物學教學［j］.中國教育技術裝備，2019（13）：46-48.