HPS教学模式在高中生物教学中的应用

胡有红

1 HPS教育的概念

HPS教育是英国科学教育学者孟克和奥斯本提出的，就是把科学史、科学哲学和科学社会学（history，philosophy and sociology of science缩写为HPS）的有关内容引入中小学科学教育，以期促进学生对科学本质的理解，培养他们的科学精神和创造力。这一模式以建构主义理论为基础，其理论核心是：“给学生提供活动的时（思维时间）空（思维空间），让主体主动构建自己的认知结构，培养学生的创造力。”

科学史的内容正是对科学结论产生、发展的背景和历史经过的重现，强调学生知识的主动建构，在高中生物教学中引入科学史教育有助于实现知识、能力、情感、态度与价值观的三维目标的统一。

2 HPS教学模式

HPS教学模式的程序包括以下6个环节，如图1所示。

2.1 演示现象

教师可以演示某一自然现象，播放一段视频或讲述一个科学史故事等方式，吸引学生的注意力。如在学习伴性遗传时，教师先介绍英国科学家道尔顿发现色盲症的故事，以引起学生的好奇心，同时激起学生利用科学史进行探究的欲望。

2.2 引出观点

教师启发学生就这一自然现象提出自己的观点或解释，鼓励学生各抒己见，培养学生的发散思维和科学研究的热情。

2.3 学习历史

在这一环节，教师的做法是：（1） 介绍早期科学家关于这一现象的思想与实例，作为学生研究的参照系；（2） 举例说明当时其他科学家所持的不同观念；（3） 引导学生讨论或探索这些观念产生的背景、条件，使学生认识到科学认识的时代制约性；（4） 按日期和事件简要地总结历史上的研究。

2.4 设计实验

学生分组讨论由学生和科学家提出的各种观点的正确性，并从中选择某种观点，设计实验进行检验。这一环节不仅可以激发学生的想象力和创造力，而且使学生认识到：① 对同一自然现象可能有不同的解释；② 可以用实验检验这些观点（假设）。

2.5 展示科学观点和实验检验

由教师讲解当代的科学观念，即介绍教科书上对这一自然现象的解释，从而为学生实现观念转变提供思想基础。这时，教师的讲解增加了学生的认识，实现由原有的错误观念向科学观念的转变。

2.6 总结评价

教师通过对学生的活动进行总结和评价，提高学生的探究能力，帮助学生更深刻地理解科学探究的本质、历史上科学家的探究过程和科学观念。

3 HPS教学模式在生物课堂教学中的应用

我国《高中生物课程标准》中明确提出：“要注重生物科学史的学习”。科学史教育可以在加深知识理解的同时，让学生领悟到科学思想、科学方法和科学的人文性，领悟到科学的本质，从而培养学生的科学素养。HPS教育模式即是科学史教育的一种模式。

教学案例分析：“生物膜的流动镶嵌模型”。

3.1 教学目标

（1） 知识目标：简述细胞膜的结构和功能。

（2） 能力目标：尝试提出问题、做出假设，理解假说的提出要有实验和观察的依据，需要严谨的推理和大胆的想象，并通过观察和实验进一步验证和完善。

（3） 情感、态度与价值观目标：探讨在建立生物膜模型的过程中，实验技术的进步所起的作用；探讨建立生物膜模型的过程中如何体现结构与功能相适应的观点。

3.2 教学重点与难点

教学重点：对生物膜结构的探索历程和流动镶嵌模型的基本内容。

教学难点：尝试建立生物膜模型的过程。

3.3 教材分析

“生物膜的流动镶嵌模型”一节是人教版高中生物学教材《分子与细胞》第四章“细胞的物质输入和输出”的第二节，主要包括科学家探索细胞膜化学成分与结构的科学史和生物膜的流动镶嵌模型两部分内容。其中对生物膜结构的探索历程和流动镶嵌模型的基本内容是教学重点，尝试建立生物膜模型的过程是教学难点。教材为学生提供大量充分有效而有序的素材，以问题的形式启发引导学生做出假设、构建模型、设计实验，让学生感受科学家探索的历程和探索过程的艰辛。

3.4 教学过程

（1） 演示现象。

教师活动一：播放实验录像：①台盼蓝染色酵母菌，死的细胞会被染成蓝色，活的细胞不着色；②显微注射器将伊红注入变形虫体内，伊红很快扩散到整个细胞，却不能很快逸出。

学生活动一：明确细胞膜具有重要功能。

设计目的：渗透生物学结构与功能相适应的观点，激发学生探究细胞膜结构的欲望。

（2） 探究：循着科学家的足迹研究问题。过程是教师提供情境资料→学生构建模型→课件展示科学家的实验过程。

教师活动二：19世纪末，欧文顿用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行上万次的实验，发现脂溶性物质比非脂溶性更容易通过细胞膜进入细胞。这说明细胞膜的成分中有什么物质？

学生活动二：细胞膜中含有脂质分子。

设计目的：引入欧文顿以惊人的耐心进行上万次的实验，学生从中感受到科学工作者对真理的热爱与锲而不舍的追求，进而能从中领悟到科学精神的真谛。

教师活动三：科学家将细胞膜从哺乳动物成熟的红细胞中分离出来，加入蛋白酶，细胞膜被分解。这说明膜中还有什么成分？

学生活动三：细胞膜中含有蛋白质分子。

教师活动四：1917年，朗姆瓦将磷脂溶于苯和水中，当苯挥发完以后，磷脂分子在空气与水的界面上分布散乱，经过推挤排列成了单层，而且每个磷脂分子的头部浸入水中，尾部浮于水面。

学生活动四：根据朗姆瓦的实验构建磷脂分子在空气与水界面上分布的模型。

教师活动五：图片展示组织细胞生活的环境：内外都是以水为溶剂的液体。

学生活动五：根据磷脂分子的特点结合人体组织细胞内、外环境，猜想并构建磷脂分子的排布模型。

教师活动六：1959年，罗伯特森用电镜观察到了清晰的细胞膜照片，看到了暗－亮－暗的三层结构，并认为：生物膜为三层统一的静态结构。

学生活动六：根据罗伯特森观察的结果构建蛋白质在磷脂双分子层中排布方式的模型。

教师活动七：冰冻蚀刻电子显微法观察到：蛋白质镶在、嵌入、横跨磷脂双分子层的三种排布方式。

学生活动七：根据蛋白质的三种存在形式构建蛋白质分子在磷脂双分子层中的排布模型。

教师活动八：1970年，弗雷和埃迪登将人和鼠的细胞膜蛋白分别用红、绿荧光标记后，让两种细胞融合，杂交细胞的一半发红色荧光，另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种颜色的荧光均匀分布。这说明细胞膜的结构特点是什么？

学生活动八：细胞膜具有一定的流动性。

设计目的：上述活动的目的主要是渗透以下思想：① 让学生沿着科学家的探索思路，领悟科学家的思维过程，让这些知识成为学生再发现和再创造的过程，培养学生的探究能力；② 现代技术对生物学的推动；③ 要勇于质疑，勇于向权威挑战；④ 生物学每步前进都是以实验为基础的；⑤ 实验材料的正确选择至关重要；⑥ 科学需要大胆想象与推理。

教师活动九：桑格和尼克森在继承创新中提出了“生物膜的流动镶嵌模型”。

学生活动九：总结流动镶嵌模型的基本内容。

设计目的：培养学生归纳总结能力，理解科学理论的建立过程，是一个不断开拓、继承、修正和发展的过程。

（3） 总结评价。

教师活动十：生物膜的流动镶嵌模型是不是就完美无缺了呢？请谈谈你的看法。

学生活动十：小组讨论，发表见解：人类对自然界的认识永无止境，对膜的研究将更加细致入微……

设计目的：① 培养学生交流能力和合作的能力；② 培养学生不断思考探究的热情。

4 HPS教学模式在生物学教学中的作用

将科学史与科学哲学的学习与当前的科学概念和理论的学习有机地融合在一起，有利于学生领悟科学思维方式和培养科学方法，接受科学精神教育，为原来非人文化的学校科学课程提供了人文化的因素，同时可以构成文、理科学生学习的共同基础。

整个教学过程是一个问题解决的探究过程，因而有利于培养学生的提出问题、解决问题能力和创新能力，并使学生正确认识科学技术对社会发展的推动作用。

HPS教学模式充分发挥学生的主体性地位，促使其自主学习、合作学习、建构知识相结合。

科学家设计的巧妙实验往往令学生赞叹，同时学生也会认识到科学家和常人一样也会犯错误。

教师把科学史介绍作为生物教学的一个环节，可以使学生在心理上、情感上、事实上接近科学，设身处地感受以往科学家的探究与思考，激发学生的想象力，形成正确的科学观念。

5 教师利用HPS教学模式的注意点

教师要利用贴近学生实际生活现象，为学生提供情境，激起学生的好奇心，引导学生去探究，去发现生命世界的奥秘。

教师要考虑学生现有的知识、能力和水平，应根据学生的具体情况，由浅处入手，层层深入，创设情境，开展教学。

HPS教学模式对教师和学生的要求较高，教师除了课前充分备课外，平时还要注重对学生学习观念和学习方式的培养，使课堂探究能有效、有序地进行。

在生物科学史上，一直存在着各种理论的激烈碰撞和斗争，在教学中，教师应允许学生不同观点的存在，尊重学生的各抒己见，鼓励学生尝试各种方式和方法，积极探索。教师要鼓励学生质疑，挑战书本的权威和教师的权威，培养学生的创造力和创新精神。