从科学史角度进行“促胰液素的发现”教学

赵 照 （安徽省六安中学 安徽六安 237000）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》提出：学习生物科学史能使学生沿着科学家探索生物世界的道路，理解科学的本质和科学研究的思路和方法，学习科学家献身科学的精神，这对提高学生的生物学学科核心素养具重要意义。教师应充分利用这些科学史开展教学[1]。但在教学实践中，部分教师对科学史重视不足、选材不适、评论不当等，致使科学史的育人价值未能充分体现。HPS（history，philosophy and sociology of science）教育的内容中不仅蕴含着科学知识的形成过程，还蕴含着科学家创造性的思维方式和灵活多样的科学方法，体现敢于质疑、善于探究的科学态度和科学精神，是培养学生科学素养的重要途径[2]。本文以“促胰液素的发现”为例，尝试利用HPS 教学模式解决生物科学史教学中的常见问题。

1 HPS 教学模式概述

HPS 教育是“科学史、科学哲学和科学社会学”教育的简称，HPS 教育坚持真正地、有效地、全面地提高国民的科学素养的价值取向，提倡从科学史、科学哲学和科学社会学视角理解科学，筛选、编排和融入HPS 的教育内容，倡导构建与对话的教学模式[2]。HPS 教学模式主要包括以下6个程序：提出问题、引出观念、学习历史、设计实验、呈现科学观念和实验检验、总结与评价。

2 HPS 教学模式的课堂实践

2.1 创设情境，提出探究问题 教师活动：出示话梅，让学生说出口腔内的变化，并解释该现象产生的原因。学生回答后，设疑：唾液腺的分泌受神经调节，其他消化腺的分泌是否也受神经调节？

材料1：1850年，法国生理学家克劳·伯尔纳发现酸性食糜进入小肠会引起胰液分泌的现象。设疑：酸性食糜进入小肠，胰腺如何获得信息？学生思考、讨论教师的设疑。

由话梅引起唾液分泌，既复习回顾了神经调节，又引出学生对其他消化腺的分泌调节方式的思考，起到了承上启下的作用。此外，创设话梅和科学史情境可激发学生的学习兴趣和科学探究欲望。

2.2 头脑风暴，引出学生观点 教师鼓励学生大胆猜想胰腺如何获取信息？并通过追问不断引发学生深入思考。追问：有无其他信息种类和传递方式？如有，信号来源是什么？以何种途径传递信息？学生活动：根据已学知识，提出假说并给予图示。

假说1：胰腺的分泌调节是神经调节，酸性食糜刺激小肠，小肠处的神经产生兴奋，通过反射弧传至胰腺，胰腺分泌胰液，该过程主要依靠电信号的方式传递信息。

假说2：胰腺的分泌调节是化学物质调节，这种化学物质是盐酸，胃液中的盐酸随食糜进入小肠后通过血液循环运输到胰腺，刺激胰腺分泌胰液。

通过提出假说解释胰液分泌调节的过程，培养学生提出假说的能力；通过作图描述假说内容，培养学生构建“概念图”模型的能力。

2.3 学习历史，走进科学实践 教师展示19世纪末科学界关于消化现象的研究观点，肯定学生提出的假说。

材料2：以巴甫洛夫为代表的主流权威关于胰腺分泌调节的观点，胃酸刺激小肠的神经，通过神经调节使胰液分泌。

材料3：斯塔林和贝里斯提出新的观点，酸性食糜进入小肠，某种化学物质从小肠处通过血液循环运输到胰腺，促进胰液的分泌。

学生对比自己的假说与科学家的观点，通过对比，树立科学探究的信心，同时理解科学的发展需要不畏权威、敢于质疑，通过不同观点的交锋螺旋上升。

2.4 科学探究，培养科学思维 教师设置问题串引导学生设计实验证明假说，并对实验方案进行点评。

问题串1：能否给予小肠处的神经直接刺激进行证明？若不能，是否可利用反证法证明？

问题串2：化学物质是否为稀盐酸？如何证明？如果是其他物质，如何获取并证明？（提示：在酶的发现过程中，德国化学家毕希纳将酵母菌细胞研磨获取酿酶）

常见方案1：利用电流表测量与胰腺连接的传出神经在刺激小肠后是否产生电流？若产生电流，则为神经调节。教师指出狗的神经纤维较细，操作较困难。

常见方案2：切断血管并给予盐酸刺激，若胰腺不分泌胰液，则可证明胰液的分泌与化学信号通过血液运输有关。教师指出切断血管会导致狗的组织、器官衰竭甚至死亡，实验无法继续进行。

教师归纳提炼探究活动中的2 种思维方式：

①“+”法思维：加入研究对象，观察结果，从而判断研究对象的功能。例如，向狗的血液中注射某化学物质，观察胰腺是否分泌胰液？从而判断该化学物质与胰液的分泌关系。

②“-”法思维：去除研究对象，观察结果，从而判断研究对象的功能。例如，切除狗小肠的神经，再给予小肠稀盐酸刺激，观察胰腺是否分泌胰液？从而判断神经调节与胰液的分泌关系。

学生设计实验，作出预期。

通过问题串及指导，培养学生实验设计能力，提高学生思维的缜密性。通过对实验探究中思维方法的归纳提炼，深入发展学生的科学思维。

2.5 实验检验，呈现科学观念 教师按时间顺序展示科学家实验及结果。

材料4：巴甫洛夫及学生的实验。①刺激迷走神经和内脏大神经，均能引起胰液分泌；②切除迷走神经和内脏大神经后，盐酸刺激小肠，胰腺仍然产生胰液。

材料5：沃泰默实验。①将稀盐酸注入至小肠上段，引起胰液的分泌；②将稀盐酸直接注入至狗的血液中，不引起胰液的分泌；③切除通向该段小肠的神经，只留下血管，再向小肠内注入稀盐酸时，发现仍能促进胰液分泌。

材料6：斯他林和贝里斯实验。剪下狗的一段小肠，刮下黏膜，将黏膜与稀盐酸混合，并加沙子磨碎后制成提取液。将提取液注射至同一条狗的静脉中，发现能促进胰腺分泌胰液。

提问：对比3 组实验，可得出什么结论？能否得出胰液的分泌与神经调节无关？

材料7：科学家后来发现沃泰默切除小肠神经，胰腺分泌的胰液少于不去除小肠神经时。

提问：这一现象说明什么？归纳总结胰液的分泌调节。

学生分析材料4～6 中科学家的实验及结果，得出胰液的分泌是由盐酸刺激小肠产生的某种化学物质通过血液运输作用于胰腺引起的，但无法判断与神经调节的关系。根据材料7，可知胰液的分泌也受神经调节，但以化学物质的调节为主。学生通过分析实验结果，自主构建胰液分泌调节的过程，以此形成激素调节的概念，并培养批判性思维。

2.6 总结评价，理解科学本质 教师再次展示科学史材料。

材料8：沃泰默在做完实验后，并没有得出胰液的分泌与神经调节无关，他反而认为是小肠黏膜上的神经难以剔除干净，是一个顽固的神经反射。

材料9：贝里斯和斯塔林根据沃泰默的发现，提出新的假说，并通过实验进行验证，最终发现促胰液素。

材料10：当时研究消化的权威科学家，也是神经调节坚定的拥护者巴甫洛夫，在重复了贝里斯和斯塔林的实验后，一言不发地走出实验室回到书房，过了半小时后，他又回到了实验室，深表遗憾地说：“自然是对的。很明显，我们失去了一个发现真理的机会。”

提问：这段科学史故事对你有何启发？

学生分析材料，讨论后得出：科学家应具有不畏权威、敢于质疑、善于探究的科学精神，科学知识是不断发展的，科学家同常人一样也会犯错，科学的发展受到社会和历史环境的影响。

通过分析科学家的故事，学生从多角度理解科学的本质，发展科学素养。

3 HPS 教学模式的实践反思

HPS 教学模式的优点体现在以下3 个方面：①学生以科学史为载体，利用其中的科学探究过程，发现激素调节，自主构建激素调节的概念。②学生亲历发现问题，作出猜想（提出假说），设计实验等科学探究过程，获取胰液分泌调节的知识，发展学科核心素养。③学生对科学史的评价，不仅关注科学探究中的艰辛，还领悟到科学知识具有暂时性，科学依赖实验证据，科学观点受到社会和历史的影响等科学哲学思想，深入理解科学本质。

根据HPS 教学模式的程序，在学习历史环节需向学生展示科学史。此时若将科学史中有关科学家的观点、实验过程和结论等全部展示，不利于后面学生开展实验设计、结果检验、观念构建、科学史评价等活动。因此，教学时可将科学史内容剖开，按照需求逐层分批展示，例如，引入时，展现科学家发现的消化现象，让学生提出假说进行解释，再展示科学家的不同观点，让学生进行对比；学生设计实验证明假说后，继续展示科学家的探究实验过程，作为学生实验设计的检验，并利用科学家探究的实验结果，作为验证不同观点的证据；最后，展示科学家的故事和时代背景，让学生进行评价。逐层分批展示科学史是根据教学需要，从科学史中选取科学家的不同观点、实验设计、时代背景等有序展示，这样可避免因同时展示影响学生科学思维的发展和对科学史的评价，充分发展学生的生物学学科核心素养。