胡有紅

1 HPS教育的概念

HPS教育是英國科學(xué)教育學(xué)者孟克和奧斯本提出的，就是把科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)（history，philosophy and sociology of science縮寫為HPS）的有關(guān)內(nèi)容引入中小學(xué)科學(xué)教育，以期促進學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，培養(yǎng)他們的科學(xué)精神和創(chuàng)造力。這一模式以建構(gòu)主義理論為基礎(chǔ)，其理論核心是：“給學(xué)生提供活動的時（思維時間）空（思維空間），讓主體主動構(gòu)建自己的認知結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力?！?/p>

科學(xué)史的內(nèi)容正是對科學(xué)結(jié)論產(chǎn)生、發(fā)展的背景和歷史經(jīng)過的重現(xiàn)，強調(diào)學(xué)生知識的主動建構(gòu)，在高中生物教學(xué)中引入科學(xué)史教育有助于實現(xiàn)知識、能力、情感、態(tài)度與價值觀的三維目標的統(tǒng)一。

2 HPS教學(xué)模式

HPS教學(xué)模式的程序包括以下6個環(huán)節(jié)，如圖1所示。

2.1 演示現(xiàn)象

教師可以演示某一自然現(xiàn)象，播放一段視頻或講述一個科學(xué)史故事等方式，吸引學(xué)生的注意力。如在學(xué)習(xí)伴性遺傳時，教師先介紹英國科學(xué)家道爾頓發(fā)現(xiàn)色盲癥的故事，以引起學(xué)生的好奇心，同時激起學(xué)生利用科學(xué)史進行探究的欲望。

2.2 引出觀點

教師啟發(fā)學(xué)生就這一自然現(xiàn)象提出自己的觀點或解釋，鼓勵學(xué)生各抒己見，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和科學(xué)研究的熱情。

2.3 學(xué)習(xí)歷史

在這一環(huán)節(jié)，教師的做法是：（1） 介紹早期科學(xué)家關(guān)于這一現(xiàn)象的思想與實例，作為學(xué)生研究的參照系；（2） 舉例說明當(dāng)時其他科學(xué)家所持的不同觀念；（3） 引導(dǎo)學(xué)生討論或探索這些觀念產(chǎn)生的背景、條件，使學(xué)生認識到科學(xué)認識的時代制約性；（4） 按日期和事件簡要地總結(jié)歷史上的研究。

2.4 設(shè)計實驗

學(xué)生分組討論由學(xué)生和科學(xué)家提出的各種觀點的正確性，并從中選擇某種觀點，設(shè)計實驗進行檢驗。這一環(huán)節(jié)不僅可以激發(fā)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，而且使學(xué)生認識到：① 對同一自然現(xiàn)象可能有不同的解釋；② 可以用實驗檢驗這些觀點（假設(shè)）。

2.5 展示科學(xué)觀點和實驗檢驗

由教師講解當(dāng)代的科學(xué)觀念，即介紹教科書上對這一自然現(xiàn)象的解釋，從而為學(xué)生實現(xiàn)觀念轉(zhuǎn)變提供思想基礎(chǔ)。這時，教師的講解增加了學(xué)生的認識，實現(xiàn)由原有的錯誤觀念向科學(xué)觀念的轉(zhuǎn)變。

2.6 總結(jié)評價

教師通過對學(xué)生的活動進行總結(jié)和評價，提高學(xué)生的探究能力，幫助學(xué)生更深刻地理解科學(xué)探究的本質(zhì)、歷史上科學(xué)家的探究過程和科學(xué)觀念。

3 HPS教學(xué)模式在生物課堂教學(xué)中的應(yīng)用

我國《高中生物課程標準》中明確提出：“要注重生物科學(xué)史的學(xué)習(xí)”。科學(xué)史教育可以在加深知識理解的同時，讓學(xué)生領(lǐng)悟到科學(xué)思想、科學(xué)方法和科學(xué)的人文性，領(lǐng)悟到科學(xué)的本質(zhì)，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。HPS教育模式即是科學(xué)史教育的一種模式。

教學(xué)案例分析：“生物膜的流動鑲嵌模型”。

3.1 教學(xué)目標

（1） 知識目標：簡述細胞膜的結(jié)構(gòu)和功能。

（2） 能力目標：嘗試提出問題、做出假設(shè)，理解假說的提出要有實驗和觀察的依據(jù)，需要嚴謹?shù)耐评砗痛竽懙南胂?，并通過觀察和實驗進一步驗證和完善。

（3） 情感、態(tài)度與價值觀目標：探討在建立生物膜模型的過程中，實驗技術(shù)的進步所起的作用；探討建立生物膜模型的過程中如何體現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點。

3.2 教學(xué)重點與難點

教學(xué)重點：對生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程和流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容。

教學(xué)難點：嘗試建立生物膜模型的過程。

3.3 教材分析

“生物膜的流動鑲嵌模型”一節(jié)是人教版高中生物學(xué)教材《分子與細胞》第四章“細胞的物質(zhì)輸入和輸出”的第二節(jié)，主要包括科學(xué)家探索細胞膜化學(xué)成分與結(jié)構(gòu)的科學(xué)史和生物膜的流動鑲嵌模型兩部分內(nèi)容。其中對生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程和流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容是教學(xué)重點，嘗試建立生物膜模型的過程是教學(xué)難點。教材為學(xué)生提供大量充分有效而有序的素材，以問題的形式啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生做出假設(shè)、構(gòu)建模型、設(shè)計實驗，讓學(xué)生感受科學(xué)家探索的歷程和探索過程的艱辛。

3.4 教學(xué)過程

（1） 演示現(xiàn)象。

教師活動一：播放實驗錄像：①臺盼藍染色酵母菌，死的細胞會被染成藍色，活的細胞不著色；②顯微注射器將伊紅注入變形蟲體內(nèi)，伊紅很快擴散到整個細胞，卻不能很快逸出。

學(xué)生活動一：明確細胞膜具有重要功能。

設(shè)計目的：滲透生物學(xué)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點，激發(fā)學(xué)生探究細胞膜結(jié)構(gòu)的欲望。

（2） 探究：循著科學(xué)家的足跡研究問題。過程是教師提供情境資料→學(xué)生構(gòu)建模型→課件展示科學(xué)家的實驗過程。

教師活動二：19世紀末，歐文頓用500多種化學(xué)物質(zhì)對植物細胞的通透性進行上萬次的實驗，發(fā)現(xiàn)脂溶性物質(zhì)比非脂溶性更容易通過細胞膜進入細胞。這說明細胞膜的成分中有什么物質(zhì)？

學(xué)生活動二：細胞膜中含有脂質(zhì)分子。

設(shè)計目的：引入歐文頓以驚人的耐心進行上萬次的實驗，學(xué)生從中感受到科學(xué)工作者對真理的熱愛與鍥而不舍的追求，進而能從中領(lǐng)悟到科學(xué)精神的真諦。

教師活動三：科學(xué)家將細胞膜從哺乳動物成熟的紅細胞中分離出來，加入蛋白酶，細胞膜被分解。這說明膜中還有什么成分？

學(xué)生活動三：細胞膜中含有蛋白質(zhì)分子。

教師活動四：1917年，朗姆瓦將磷脂溶于苯和水中，當(dāng)苯揮發(fā)完以后，磷脂分子在空氣與水的界面上分布散亂，經(jīng)過推擠排列成了單層，而且每個磷脂分子的頭部浸入水中，尾部浮于水面。

學(xué)生活動四：根據(jù)朗姆瓦的實驗構(gòu)建磷脂分子在空氣與水界面上分布的模型。

教師活動五：圖片展示組織細胞生活的環(huán)境：內(nèi)外都是以水為溶劑的液體。

學(xué)生活動五：根據(jù)磷脂分子的特點結(jié)合人體組織細胞內(nèi)、外環(huán)境，猜想并構(gòu)建磷脂分子的排布模型。

教師活動六：1959年，羅伯特森用電鏡觀察到了清晰的細胞膜照片，看到了暗－亮－暗的三層結(jié)構(gòu)，并認為：生物膜為三層統(tǒng)一的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。

學(xué)生活動六：根據(jù)羅伯特森觀察的結(jié)果構(gòu)建蛋白質(zhì)在磷脂雙分子層中排布方式的模型。

教師活動七：冰凍蝕刻電子顯微法觀察到：蛋白質(zhì)鑲在、嵌入、橫跨磷脂雙分子層的三種排布方式。

學(xué)生活動七：根據(jù)蛋白質(zhì)的三種存在形式構(gòu)建蛋白質(zhì)分子在磷脂雙分子層中的排布模型。

教師活動八：1970年，弗雷和埃迪登將人和鼠的細胞膜蛋白分別用紅、綠熒光標記后，讓兩種細胞融合，雜交細胞的一半發(fā)紅色熒光，另一半發(fā)綠色熒光，放置一段時間后發(fā)現(xiàn)兩種顏色的熒光均勻分布。這說明細胞膜的結(jié)構(gòu)特點是什么？

學(xué)生活動八：細胞膜具有一定的流動性。

設(shè)計目的：上述活動的目的主要是滲透以下思想：① 讓學(xué)生沿著科學(xué)家的探索思路，領(lǐng)悟科學(xué)家的思維過程，讓這些知識成為學(xué)生再發(fā)現(xiàn)和再創(chuàng)造的過程，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力；② 現(xiàn)代技術(shù)對生物學(xué)的推動；③ 要勇于質(zhì)疑，勇于向權(quán)威挑戰(zhàn)；④ 生物學(xué)每步前進都是以實驗為基礎(chǔ)的；⑤ 實驗材料的正確選擇至關(guān)重要；⑥ 科學(xué)需要大膽想象與推理。

教師活動九：桑格和尼克森在繼承創(chuàng)新中提出了“生物膜的流動鑲嵌模型”。

學(xué)生活動九：總結(jié)流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容。

設(shè)計目的：培養(yǎng)學(xué)生歸納總結(jié)能力，理解科學(xué)理論的建立過程，是一個不斷開拓、繼承、修正和發(fā)展的過程。

（3） 總結(jié)評價。

教師活動十：生物膜的流動鑲嵌模型是不是就完美無缺了呢？請談?wù)勀愕目捶ā?/p>

學(xué)生活動十：小組討論，發(fā)表見解：人類對自然界的認識永無止境，對膜的研究將更加細致入微……

設(shè)計目的：① 培養(yǎng)學(xué)生交流能力和合作的能力；② 培養(yǎng)學(xué)生不斷思考探究的熱情。

4 HPS教學(xué)模式在生物學(xué)教學(xué)中的作用

將科學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)的學(xué)習(xí)與當(dāng)前的科學(xué)概念和理論的學(xué)習(xí)有機地融合在一起，有利于學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)思維方式和培養(yǎng)科學(xué)方法，接受科學(xué)精神教育，為原來非人文化的學(xué)校科學(xué)課程提供了人文化的因素，同時可以構(gòu)成文、理科學(xué)生學(xué)習(xí)的共同基礎(chǔ)。

整個教學(xué)過程是一個問題解決的探究過程，因而有利于培養(yǎng)學(xué)生的提出問題、解決問題能力和創(chuàng)新能力，并使學(xué)生正確認識科學(xué)技術(shù)對社會發(fā)展的推動作用。

HPS教學(xué)模式充分發(fā)揮學(xué)生的主體性地位，促使其自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、建構(gòu)知識相結(jié)合。

科學(xué)家設(shè)計的巧妙實驗往往令學(xué)生贊嘆，同時學(xué)生也會認識到科學(xué)家和常人一樣也會犯錯誤。

教師把科學(xué)史介紹作為生物教學(xué)的一個環(huán)節(jié)，可以使學(xué)生在心理上、情感上、事實上接近科學(xué)，設(shè)身處地感受以往科學(xué)家的探究與思考，激發(fā)學(xué)生的想象力，形成正確的科學(xué)觀念。

5 教師利用HPS教學(xué)模式的注意點

教師要利用貼近學(xué)生實際生活現(xiàn)象，為學(xué)生提供情境，激起學(xué)生的好奇心，引導(dǎo)學(xué)生去探究，去發(fā)現(xiàn)生命世界的奧秘。

教師要考慮學(xué)生現(xiàn)有的知識、能力和水平，應(yīng)根據(jù)學(xué)生的具體情況，由淺處入手，層層深入，創(chuàng)設(shè)情境，開展教學(xué)。

HPS教學(xué)模式對教師和學(xué)生的要求較高，教師除了課前充分備課外，平時還要注重對學(xué)生學(xué)習(xí)觀念和學(xué)習(xí)方式的培養(yǎng)，使課堂探究能有效、有序地進行。

在生物科學(xué)史上，一直存在著各種理論的激烈碰撞和斗爭，在教學(xué)中，教師應(yīng)允許學(xué)生不同觀點的存在，尊重學(xué)生的各抒己見，鼓勵學(xué)生嘗試各種方式和方法，積極探索。教師要鼓勵學(xué)生質(zhì)疑，挑戰(zhàn)書本的權(quán)威和教師的權(quán)威，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和創(chuàng)新精神。