基于HPS的高中生物教学设计研究

王娇龙　张迎春

1 问题的提出

我国高中生物课程标准明确指出：提高每个高中学生的生物科学素养是课程实施的核心任务。科学素养应包括科学知识、科学过程与方法、对科学本质的理解、科学态度情感与价值观、科学思想与科学思维方法的形成、科学技术与社会的关系等方面。HPS教育范式（History、Philosophy & Sociology of science）正是着眼于提高学生科学素养、科学本质观而形成，与我国科学教育核心目标——提高学生科学素养相辅相成。纵观HPS发展历程，欧美等发达国家从20世纪80年代后相继推行HPS教育范式，而我国HPS教育研究始于21世纪初。与国际HPS教育研究相比，我国HPS教育研究起步晚，研究文献数量少，与国际科学教育存在一定差距，将HPS教育范式引入我国科学教育迫在眉睫。

此外，在基础教育实践中，教学设计往往表现为有思考、缺创造性，有内容、缺规范性。基于以上两点，本研究采用文献研究、案例分析等方法围绕“如何基于HPS进行高中生物教学设计研究”的问题展开论述。研究的目的与价值在于通过对教学设计与HPS教育范式相关理论的梳理，分析出HPS教学设计的特点与操作步骤，并且通过实际案例分析为我国科学教师进行教学设计提供新思路，推动我国基于HPS的基础科学教育（特别是生物）的发展，达到提高学生科学素养、使得学生全面发展的目的。

2 HPS教育范式的历史回顾与研究现状

HPS原是科学史（History of science）和科学哲学（Philosophy of science）的英文缩写，随后科学教育研究者把科学社会学也纳入其中，于是HPS就成为科学史、科学哲学与科学社会学（History、Philosophy & Sociology of science）的简称。科学教育以反映科学文化、理解科学本质为目的，强调了科学传播与普及的社会目的。HPS正是在科学教育不断发展中产生，以建构主义、终身学习、探究学习、有意义学习等作为该教育范式理论基础，将科学史、科学哲学与科学社会学三者有机融合，旨在提升科学教育的教学质量、提高公众科学素养。

在HPS教育萌芽阶段，科学史与科学哲学内容零星由一些学者提出，并加入到科学教育中，目的在于加强科学本质、科学精神的教育。随着科学教育的不断发展，HPS教育不断受到教育界重视，1987年专门从事国际科学史、科学哲学与科学教育研究团体IHPST（International History， Philosophy， and Science Teaching Group）成立，并于1989年在美国弗罗里达州立大学，召开第一次HPS与科学教育国际学术会议。至今，IHPST已成功召开十二届国际学术会议与一届亚洲IHPST区域会议。HPS教育在德国、意大利、芬兰、韩国等多个国家开展教育实践，总结出关于HPS教学的策略、方法、经验等，旨在帮助学生不仅知道、了解科学知识，更重要是通过自己主动的思考、参与、反思而认识科学、理解科学。

国内学者关于HPS的研究，始于2000年刘华杰的“科学元勘中SSK学派的历史与方法论述评”。随后，丁邦平与袁维新从教育的视角解读HPS教育范式，关注HPS教育与我国课程改革；张晶则从哲学视角审视HPS教育范式，更多关注科学哲学对科学教育的影响。而将HPS教育融入教学实践的案例研究仅有1篇。因此，将HPS教育应用与生物教学实践的研究十分薄弱，与我们教育大国的科学教育地位极不相称。

3 HPS教学的实践

HPS教学设计课堂内容呈现模式是具体的教学案例呈现方式。英国科学教育学者孟克和奥斯本借鉴建构主义的学习理论，将社会学的内容与科学史、科学哲学一并融入科学教学，提出经典的HPS教学六步（表1），在世界范围内有很大影响力。该教学过程设计成为HPS教学设计的很好的范例。在具体操作过程中可以借鉴并参考这种教学程序，也可以根据自己的教学实际需要进行改进与创新。

由意大利巴里大学Liborio Dibattista、Francesca Morges牵头的研究团队也开发出一套HPS课堂呈现模式，并应用于2009～2010学期在意大利普利亚区进行的“科学史走进学校”计划，其教学设计课堂内容呈现模式包括：（1） 提出问题；（2） 展示科学史；（3） 明确认知目标；（4） 实验活动；（5） 学生元认知反思；（6） 评价（包括口头评价、初始阶段讨论与报告评价、活动评价、多媒体成果汇报评价等）。

颜石珍在《当代教育科学中》发表的“科学过程视野下HPS融入初中科学教学的案例研究”，以初中生物“光合作用”一节为案例，采用演示现象，引出观念，学习历史，设计实验、呈现科学观念并实践检验、评价等环节进行关于HPS的教学实践，围绕“科学究竟是什么”“科学知识是怎样产生的”“科学在社会发展和进步中的作用是什么”“科学和科学方法的局限性”等问题展开，将科学史、科学哲学、科学社会学融入初中生物课堂，凸显了科学本质观及建构知识的过程。

4 将HPS教育范式应用于高中生物的教学设计创新

HPS教育自产生之日起至今已有27年，国际科学教育界无论在理论研究方面，还是教育实践方面，均有一定研究成果，也呈现出HPS教育强调科学史与科学哲学学习，强调以学生为中心的探究活动、强调创造性写作、复刻模型以及多元评价的特点。然而，国际HPS教育研究成果与我国基础教育实际国情之间存在课程设置、评价方式等差异，我国HPS教育需要在借鉴国际已有经验基础上，依据具体国情作出调整与改进，以更好适应我国基础教育课程改革。

以“生物膜的流动镶嵌模型”HPS教学设计为例，HPS教育应用于生物教学设计应呈现如下特征。

（1） 细化课标要求。

在分析课程标准时，对课标具体内容“简述细胞膜系统的结构与功能”理解，具体细化表现以下几点：① 内容包括细胞膜的结构与功能两方面，其中细胞膜的功能在第三章第一节“细胞膜——系统的边界”中已有涉及，所以本节课的重点是细胞膜的结构；② 在理解细胞膜结构的基础上，要再次结合第三章第一节的内容加深对细胞膜功能的理解；③ 虽然课标要求是知识水平中的了解层次——“简述”，但在实际教学中，教师不能简单拘泥于“简述”要求，因为课标只是高中学生对生物科学素养培养的统一基本要求，教师要尽量使学生理解在细胞膜发现过程中的科学方法（主要是经验方法中的观察法、实验法，理性方法中的推理分析法）、科学思想（结构与功能相统一、多样性与共同性相统一等），在能力、情感、态度与价值观目标中均有收获，使学生形成正确的科学本质观，达到循序渐进提高科学素养的目的。

（2） “教学目标”设计明确具体。

在课标细化的基础上，教学目标的三个维度必须与具体教学内容密切联系。“生物膜的流动镶嵌模型”教学目标设计如下。

知识目标：

（1） 简述生物膜的结构；

（2） 举例说明生物膜具有流动性特点。

能力目标：

（1）通过资料分析、思考讨论，尝试推理和解决问题的过程；

（2）学会制作生物膜流动镶嵌模型。

情感、态度与价值观目标：

（1）认同生物膜结构的探究历程是在不断观察、实验、探索中前进的；

（2）认同细胞膜结构与功能相适应的辩证唯物主义自然观；

（3）确立电子显微镜、X射线衍射分析技术在促进生物膜结构发现中的作用。

5 “教学过程”设计体现HPS

HPS教学过程的基本主线是科学史学习，在此基础上渗透科学方法、科学思想、科学本质的理解。通过对细胞膜成分发现历史、细胞膜结构发现历史的学习与分析，教师以问题串的形式，引导学生主动思考生物膜具体组成成分及排列方式，使学生最终在对细胞膜结构理解的基础上，加强对细胞膜功能的理解。该教学过程始终贯穿了科学方法、生物科学思想、科学精神与科学态度的渗透。

例如：罗伯特森电镜下观看到细胞膜暗-亮-暗结构与荧光标记小鼠细胞与人细胞融合的实验学习，体现了科学经验方法中的实验法与观察法；而1925年E.Corter与F.Grendel从人红细胞中提取脂质，并在空气-水界面上铺展成单分子层，继而推测细胞膜中，脂质分子必然排列为连续两层的历史学习，则体现了科学理性方法中推理分析法；细胞膜磷脂双分子层与蛋白质镶嵌模型的结构，决定了细胞膜对物质具有选择透过性，膜外糖蛋白的存在，使细胞间信息交流成为可能，这体现了细胞膜结构与功能相统一的科学思想；从欧文顿的实验-假设到Danielli、Davson的蛋白质-脂质-蛋白质三明治模型假设，再到罗伯特森电镜下实际观察到的暗-亮-暗三明治模型，最后到1972年桑格与尼克森提出流动镶嵌模型，细胞膜模型的建立呈现不断建立——修正的过程，在此过程中科学技术特别是电子显微镜、X射线衍射分析技术的产生极大促进了细胞膜流动镶嵌模型的建立。

6 “评价设计”强调过程性

在基于HPS教学过程实施中，学生会进行提出问题、作出假设、阐述观点等行为，教师要针对这些行为进行过程性评价，鼓励学生的开放性思维，纠正学生的错误观点。例如，对学生画出磷脂分子在水中排列方式的评价、对细胞膜蛋白质-脂质-蛋白质三层静态结构理解的评价等。

“生物膜的流动镶嵌模型”HPS教学设计的主线是细胞膜成分与结构的探索历程，在此历程中科学家对细胞膜模型数次修订，直至提出较为完善的流动镶嵌模型。当然，以科学史为主线的学习，并不是单纯的学习科学史，目的不在于使学生机械习得何年何月发生何种科学事件。而是在科学史的学习中，教师特别注重科学哲学、科学社会学的渗透，注重科学方法、科学思想的学习，注重情感、态度与价值观的培养。在此学习过程中，因为学生对细胞膜流动镶嵌模型的认知，不是一步到位形成的，也不是由教师直接给与的，而是在科学史学习过程中，在体验科学方法与科学思想过程中逐步形成，其中有学生的主动思考、提出问题、实验验证等环节，因而本教学设计也就使学生达到了建构自身知识的目的。

简言，“生物膜的流动镶嵌模型”的HPS教学设计，展现了以科学史为主线，以科学知识、科学方法、科学思想为主要内容，以问题引导为主要教学方式的基本特征。其创新点表现为基于HPS与有意义学习的生物教学设计，该教学设计的意义与价值体现为提高教学质量，在学习基本科学知识基础之上，发展学生对科学本质的理解，感受科学方法与科学精神，最终达到提高科学素养的目的。