HPS教学模式在培养学生科学思维中的教学实践——以“植物生长素的发现”为例

钱仁凯 程国胜

（巢湖市第二中学 安徽合肥 238000）

科学思维是生物学学科核心素养的重要内容，也是学生认知生命观念、培养社会责任的重要方法和手段。科学思维方法包括归纳与演绎、分析与综合、抽象与概括以及批判性思维等。发展学生科学思维能力和品质是生物学教学的重要目标之一。生物学是自然科学中的一门基础学科，生物学学科的理科属性与科学本质决定了其精髓并不仅仅是展示学科的基本内容，而更应当反映生命科学的本质与规律，体现其应用与发展。科学史记录了人类认识科学、发展科学的探究历程，也包含了解释和反思科学本质的历史观念，能够很好地呈现生物学学科知识和知识生境之间的关系以及生命科学螺旋式发展的样态。基于科学史建构符合学生认知规律和学科发展特点的教学模式，能促使学生认知科学本质，发展科学思维，培养科学品质，从而实现生物学学科核心素养的提升。

HPS教学模式是英国学者孟克和奥斯本在总结教学改革经验的基础上提出的，以建构主义理论为基础、融合科学本质教育的新模式。HPS即科学史、科学哲学和科学社会学（History、Philosophy and Sociology of Science）的简称。其中，科学史记录了人类认识科学、发展科学的探究历程，包含了解释和反思科学本质的历史观念和方法；
科学哲学呈现了科学发现的规律梳理，为科学思维的形成提供了理论上的支撑；
科学社会学强调了人文教育和科学思维的迁移应用。HPS教育模式共有融入教学模式、互动历史小故事模式和适度模式3种模式。大多数学者认为适度模式具有较强的可操作性，该模式共有6个环节（图1）。

图1 HPS教育适度模式流程

1.1 演示现象，提出问题

创设情境是开展有效教学活动的基础。教师在创设情境、导入新课时，可以向学生呈现科学发展史、科学故事及科学探究现象，如酶的本质探究历程、植物的向光性探究历程、激素的发现过程等，激发学生的学习兴趣和探索欲望，并据此提出一个具有价值的问题，为后续的探究活动做铺垫。

1.2 思考讨论，引出观念

针对前一环节提出的问题，教师可引导学生进行自主思考、小组讨论，提出自己的观点。但此时，教师不宜过早地对学生的观点进行评判。为了让学生尽可能多的提出不同的观点，教师可采用“头脑风暴法”，训练学生的发散性思维。

1.3 学习历史，演绎探究

学习科学史、演绎科学探究过程是HPS教学模式的重要环节。在这一环节中，教师可通过多媒体课件等辅助设备介绍科学家的研究历程，引导学生分析科学实验的过程及结论，体会研究历程中的科学方法，发展科学思维。

1.4 小组合作，设计实验

教师组织学生设计实验方案或建构模型，以验证自己提出的观点或者假设。学生在体验科学探究过程中，提升归纳与演绎、分析与综合、抽象与概括以及批判性思维等能力。在本环节的教学中，教师需要让学生明晰：①对于科学现象可以有不同的解释观点；
②通过科学实验检验观点的正确性。

1.5 呈现证据，实验检验

教师可结合科学史向学生阐述关于该问题的科学解释和主流观念，帮助学生实现观念转变或者建立科学观念。在本环节中，学生需要借助科学解释来检验自己的观点，并通过搜集证据进行辩证，最后得出结论。

1.6 总结评价，思维提升

通过总结与评价，学生不仅能够获得生物学学科知识，同时也能够认同人类认识科学、发展科学的探究历程和解释，反思科学本质的历史观念，更重要的是能够在螺旋式上升样态的科学认知中，提高发展性学习能力，提升科学思维。

由上述过程可知，HPS教学模式与科学思维的培育存在高度的契合（图2）。教师通过有机整合科学史和生物学概念的学习，使得学生在探究、解决问题的过程中，发展思维能力，建立和发展科学观念。

图2 HPS教学模式培育全面发展的人的实践路径

2.1 演示现象，提出问题

教师利用多媒体呈现具体实例，激发学生学习兴趣。例如，教师呈现“满园春色关不住，一枝红杏出墙来”的诗句和“金灿灿的向日葵朵朵向阳开”“黄山迎客松伸手迎接天下客”的图片，并据此提问：这些图片体现了植物生长的共性是什么？学生能够说出植物的向光性，教师进一步追问：导致植物向光性的原因是什么呢？

设计意图：教师展示与植物的向光性相关的现象，再提出相关问题，激发学生学习兴趣，为后续的深度学习和思维训练奠定基础。

2.2 思考讨论，引出观念

基于教师提出的问题，学生进行合作讨论，提出自己的观点：由于受到外界单侧光的影响，植物出现了弯曲生长。此时，教师不直接对学生的观点进行评判，而是引导学生证明自己的观念，并进一步思考：植物向光性的内在因素是什么？

设计意图：教师基于情境问题，引导学生提出自己的解释或观点，进一步探究植物向光性，培养学生的科学思维。

2.3 学习历史，演绎探究

教师向学生展示科学史：科学家达尔文注意到了植物的向光性，并于1880年利用金丝雀虉草的胚芽鞘作为实验材料设计了一系列的探究实验。教师通过多媒体向学生呈现达尔文的实验设计（图3），引导学生分析：①基于科学实验的控制单一变量原则，哪些实验可以形成对照实验？②实验的自变量和因变量是什么？③实验得出的结论是什么？学生小组合作讨论交流，并完成表1的相关内容。教师对学生讨论的结果进行点评，并引导学生总结：达尔文的实验证实胚芽鞘向光性的外因是单侧光照，内因是胚芽鞘尖端的存在，同时感光部位是胚芽鞘尖端。

图3 达尔文的探究实验

表1 达尔文实验的分析结果

教师基于实验结果的分析，向学生展示达尔文的假说：胚芽鞘尖端受单侧光刺激后，就向下部的伸长区传递某种“影响”，造成背光面比向光面生长快，因而使胚芽鞘出现向光性弯曲。达尔文推测这种“影响”可能是一种化学物质。教师引导学生思考：如何设计实验来验证达尔文提出的假说呢？

设计意图：科学重视实证。教师通过展示达尔文运用实验法探究植物向光性背后的原理的过程，培养学生严谨的科学态度。学生分析达尔文的实验，熟悉并掌握科学探究的一般思路和过程，发展科学思维。此外，教师引导学生分析达尔文提出的假说，并讨论如何验证假说，为下一环节做好铺垫。

2.4 小组合作，设计实验

教师基于达尔文提出的假说，引导学生设计验证实验。教师用多媒体展示实验材料，学生进行分组讨论，设计验证实验、预测实验结果，进行小组展示。教师通过引导学生分析实验设计中的要素（表2），予以必要的指导。

表2 验证实验设计

设计意图：科学家的实验研究对学生来说有很大的操作难度。教师让学生用图文形式描述实验思路和实验过程，也是让学生“体验”科学探究、训练科学思维的有效途径。以上探究实验从知识建构上是递进式的，符合学生的逻辑推理，能够有效提升学生的思维能力。

2.5 呈现证据，实验检验

教师利用多媒体呈现其他科学家的后续实验（图4），并对小组展示的实验设计进行点评。各组得出正确的实验结论。据此，教师说明：达尔文的假说被其他科学家的实验验证，这种科学探究的方法就是“假说—演绎”法。

图4 教师提供的其他科学家的后续实验

设计意图：科学史的渗透及关键实验和研究成果的体验，能让学生最大限度地与科学家“对话”，并能体会到，人类的许多科学发现，是这样经过一代又一代人的探索，才一步一步地接近事实的真相。科学发展的一大步往往都是由每位科学家所取得的进展小步汇合而成。据此，教师能够帮助学生树立科学的发展观，发展科学思维。

2.6 总结评价，思维提升

教师总结学生的探究活动，并进一步提供相关的科学史内容：1931年，科学家郭葛首次从人的尿液中提取出了具有生长素效应的化学物质并分析其化学本质为吲哚乙酸。1946年，科学家才从植物体内提取分离出了生长素，并进一步确定其化学本质为吲哚乙酸。据此，教师引导学生分析植物向光性的原因，并完成表3的相关内容。

表3 植物向光性的分析模型

设计意图：在总结阶段，教师引导学生总结植物向光性的原因，使得学生不仅能够获取知识层面上的进阶，而且得到了科学方法层面上的思维训练。

基于HPS教学模式培育全面发展的人的实践路径分析，从科学历史、科学哲学、科学方法3个层面发展学生的科学思维、培养学生的思维习惯是提升学生学科核心素养的有效途径。HPS教学模式能达成科学史与生物学概念的有效融合，避免了知识的直接呈现，让学生在发现问题、解决问题中形成科学概念，在亲历科学探究过程、体验科学探究方法中，领悟科学思维方式，发展科学思维，提升思维品质。