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(yǎng)

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(yǎng)?？茖W史是人們了解科學、發(fā)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(fā)現(xiàn)進行總結和整理，并為其提供方法論依據(jù)；科學社會學是從社會學角度來探討科學與社會之間的聯(lián)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(xiàn)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(yǎng)了學生的生物學學科核心素養(yǎng)[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(jié)第二小節(jié)“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(jīng)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(fā)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(chǎn)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(chǎn)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(yǎng)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(jīng)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(chǎn)生的O2有標記，第二組產(chǎn)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(chǎn)生氧氣，但不能排除二氧化碳也能產(chǎn)生氧氣的可能性，培養(yǎng)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(fā)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(lián)系。

展示資料：美國的阿爾農(nóng)在1954年發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)中時，系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)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(fā)生水的光解。根據(jù)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(fā)現(xiàn)，光反應中沒有CO2的參與和糖類的合成，那么，CO2是如何轉變?yōu)樘穷惖哪兀?/p>

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(jīng)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(fā)現(xiàn)14C的分布。提出問題：怎樣才能確定CO2中的C最先出現(xiàn)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(jù)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(fā)現(xiàn)C2的存在。進一步的實驗是改變CO2的數(shù)量。假設二氧化碳含量的提高會對C3、C5產(chǎn)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(huán)發(fā)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jù)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?yōu)橐龑W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(yǎng)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(yè)知識和能力。