HPS教学模式在高中生物课堂中的实践——以“光合作用的原理和应用”为例

何城蝶 韦艳艳，2*

（1.广西师范大学生命科学学院 广西桂林 541006）

（2.华中师范大学生命科学学院 湖北武汉 430000）

由于科学进步、国家发展及课程改革的需要，国家提出教育要提高学生核心素养的要求。而高中生物学科核心素养包括社会责任、生命观念、科学探究、科学思维。科学思维的培养作为生物学核心素养“能力”培养的关键部分，在核心素养中占据的位置较为重要。且有实验表明HPS教学模式能够有效提高学生的科学本质及科学思维的能力。下面主要以人教版高中生物学必修一第五章第四节“光合作用的原理和应用”为例，探究及讨论HPS教学模式在培养学生科学思维中的实践应用，以期为在教学过程中应用HPS教学模式培养学生科学思维提供教案参考。

1 HPS概述

HPS教学模式是一种把科学史、科学哲学和科学社会学内容贯穿到整个教学过程中的前卫的、目前热门的教学模式。19世纪末，物理学家恩斯特.马赫首次提出HPS的概念，紧接着大不列颠科学家孟克和奥斯本首先提出了HPS教育的基础即HPS教学模式。HPS教学模式是HPS教育某一维度的内容，该模式共有孟克与奥斯本提出的融入教学模式、琳达和杰姆斯提出的互动历史小故事模式和马修斯提出的适度模式3种模式。因马修斯的适度模式为大多数研究者认可，且具有较强的可执行性，所以以马修斯的适度模式进行研究。该模式主要包含如下6个步骤:

①演示现象。教师在上课前几分钟向学生陈述或者在电子白板上展示与本节课内容相关的真实情境及现象。学生通过观察、分析与讨论这一情境及现象，发挥主观能动性，思考此情境下将会产生并且亟待解释的问题。

②引出观念。教师用语言或者肢体动作，引导学生对情境下的实验现象提出自己的解释及观念。

③学习历史。在这个环节中，教师要事先查找资料，并向学生认真介绍早期科学家们在研究这一实验时的不同观点及一系列不断接近答案的解释。这一环节的主要目的是引导学生讨论科学家由于当时所处环境的局限性而产生实验结果的不完整，用心感受并知晓科学技术是持续前进的。

④进行实验设计。教师根据学生在教室就坐位置按照就近原则进行分组，布置讨论任务。不同的学习小组挑选不同的科学家的观点进行实验设计，设计内容主要包括实验目的、实验原理和具体的实验步骤及过程，用于验证该科学家的实验结果。

⑤科学观念的显示和实验的检验。进行实验设计的分享，选取存在较大疑惑的且学校能满足实验要求的内容进行实验，用步骤④中所提出的实验过程及步骤开展实验，将课本中文字化的知识转变为科学的真相，用以帮助学生实现观念的转变从而相信科学。

⑥总结与评价。在最后的这一环节，教师处于主导地位，调动学生课堂的主人翁意识，积极引导学生总结在科学知识产生过程中所获得的概念性知识及所涉及的实验原理、实验步骤等的设计思路。

2 HPS教学模式在高中生物学教学中的实践

以人教版高中生物学必修一教材“光合作用的原理和应用”为例子，阐明怎样采用HPS教学模式在生物学实际教学过程中使学生的科学思维得以提升。

2.1 演示现象，激发问题

通过具体的问题情境导入新课。教师在电子白板上展示光合作用的原理和应用的全过程动态Flash，提出疑问:绿色植物在光照条件之下到底制造了何种物质？这种物质的合成需要用什么物质作为原料？教师利用问题抓住学生的好奇心，继续引导学生观察动画，并追问:植物的生长生活需要养料，但是这些养料从何而来呢？什么条件之下才能更新空气呢？氧气又是在什么时候什么阶段产生的？

教师通过层层设问，引导学生对光合作用的原理和应用的内容进行逐步深入的思考，促成学生产生强烈的探索的欲望。在此过程中，教师注意学生的参与情况，要促进学生都能表述自己的想法，不能因为赶课时，而随意点一两名学生回答问题。在这一过程中，教师着重培养学生在真实的问题情境中发现重点问题的能力。

2.2 引出观念，精练总结

针对演示现象中有关光合作用的原理和应用的具体问题，教师调动学生的积极性，鼓励并引导学生勇于表达自己的见解。学生对以上问题的回答各有千秋。教师要多提问几个学生，带领学生求得真知并适当引导学生进行总结，引导学生用简短的一句话引申出粗略的光合作用的概念:绿色植物在光环境下合成氧气的过程就是光合作用。通过此过程，学生的概括总结能力得以提升。

2.3 学习历史，掌握科学的发展

课前，教师告诉学生光合作用的原理的发现是历经很长时间由多位科学家的实验逐步证明的。学生分组，借助网络或者图书馆里的书籍，收集某位科学家的关于“光合作用的原理和应用”研究过程的史料，课上进行展示。此过程中，教师要告诉学生展示要求:实验材料、实验过程、实验结果及结论、其结论是否遭受其他科学家的质疑等。展示内容主要包括小白鼠与绿色植物共存的实验是由英国科学家普利斯特利发现的，他通过实验结果证实，植物通过生长能够净化原本污浊的空气。比利时化学家、生物学家范·海尔蒙特探讨支持植物茁壮生长的养料从何而来，因此他进行了柳树的种植实验:种植前称量烘干后的土壤的重量及柳树的质量，实验结束后继续测量烘干后的土壤的重量及柳树的重量，前后数据对比得出植物的养料来自水和土壤这一结论。英格豪斯经过500多次的实验得出结论:植物中只有绿叶能在光照条件下更换空气。英格豪斯的实验是对普利斯特利实验的二次证明与拓展延伸，促进了光合作用的发现。后来，随着时间的推移生物技术得到了发展，物质组成可通过仪器测定，证明了绿色叶片在光下释放了氧气，吸收了二氧化碳。1845年，梅耶根据能量守恒发现光合作用能以光能为初始能源转换为化学能并贮存于植物的某些物质中。那究竟贮存于哪里呢？这引起了其科学家极大的好奇心。1864年，萨克斯通过植物遮光实验成功证明了绿色植物通过光合作用制造氧气和淀粉；鲁宾和卡门利用同位素标记法为实验手段进行探究，通过标记H218O和C18O2两组对比实验证明光合作用释放的氧气全部来自水。20世纪40年代，卡尔文同样应用同位素标记法将14CO2提供给小球藻进行光合作用，通过这个实验明确了卡尔文循环途径。教师要引导学生进行课后的学习，培养学生从大量的资料中收集有用资料的能力。

2.4 设计实验，提升思维能力

教师引导学生根据科学家的实验过程、结果及学校现有的资源，从实验目的出发，明确实验原理、实验步骤并完成相关实验的设计。根据学校现有的资源能够得以重现的实验是萨克斯的植物遮光实验。教师要尽量多提出问题，供学生思考，促进学生思维的提升。例如，萨克斯遮光实验的实验目的是什么，实验原理是什么？如果让你进行这一实验，你会怎样设计实验步骤呢？教师要让学生充分地进行实验步骤的讨论及展示，并根据学生的展示，引导出一个可行的简便的实验步骤。学生回答言之有理即可。教师要注重学生在课堂中的主人翁角色，只能引导学生不能代为作答。科学思维的能力会伴随着学生的深入思考得以有效提升。

2.5 显示科学观念和实验检验，掌握科学方法

教师引导学生自主建构光合作用的概念。接着，学生根据概念，书写光合作用的反应式，深入分析伴随着光合作用的发生而发生的物质变化和能量变化的具体过程。并按照课堂上师生总结出的实验过程进行实验:

①课前，取一棵天竺葵，叶片用遮光片部分遮光进行遮光一昼夜（饥饿处理），在此过程中实验材料的前期准备由教师负责。

②去掉部分遮光的遮光片。

③将剪下的天竺葵叶片放入酒精中并水浴加热进行脱色处理。

④将脱色处理完后（叶片为白色）的天竺葵叶片从酒精中取出放入玻璃皿用清水进行漂洗，漂洗完毕将叶片放入另外一个玻璃皿中，滴加碘液。

⑤观察实验结果。学生发现天竺葵叶片无遮挡光照部分变蓝，而相反的遮挡光照部分不变蓝。

通过讨论，学生得出光合作用的原理和应用中产生的有机物为淀粉这一结论。学生亲自动手实验将文字性知识转变为直观可见的实验现象，同时通过实验结果还能学习科学的发现过程，掌握科学的方法。

2.6 总结与评价，理解科学本质

首先，教师引导学生总结归纳通过对光合作用的原理和应用发现史的学习得出的光合作用的概念，并指出概念中重要的识记点。总结完毕后，教师引导学生找出科学史中部分科学家研究的局限性，并对上述局限性进行探讨，进行情感教育，拓展思维的宽度。

3 生物学教学中应用HPS教学模式的建议

（1）课前明确任务。教师引导学生利用一切可用资源查找与课堂相关的科学史，培养学生自主学习以及在大量的资料中收集可用资料的能力。

（2）课时以学生为主体，教师为主导。时刻不忘学生是课堂的主人，教师在课堂上要尽量多设置与真实情境相关的、与现实生活相联系的问题，引导学生进行思考，在思考中使思维深度得以提升，思维宽度得以拓展。

（3）科学史要具有针对性。对于科学史的学习，教师可以让学生在课前寻找资料，在课堂上充分的展示，力争做到人人参与。学生展示的科学史要具有针对性，而不是对科学史的简单罗列。教师可引导学生阐明科学史，明确每位科学家的实验目的、实验原理、实验步骤、实验结果以及他的实验结果是否具有时代的局限性等。

（4）可以适当开展科学史中蕴含的相关实验。教师要根据学校现有的资源开展学生课堂实验，从而将文字化的知识转变为学生的动手经验。

（5）引导学生对科学史的发展进行总结。教师要使学生明确本节课的科学知识重点，并加强对学生的情感熏陶，使学生了解每一个科学的发现都是科学家历经千辛万苦经由科学的结论得出的，要学习科学家不畏艰难，勇于质疑的精神。