基于HPS教育理念的概念教学——以“光合作用”为例

杨 玲

(江苏省无锡市梅里中学 江苏无锡 214112)

1 教学分析和设计思路

本节教学内容选自苏科版《生物学·七年级·上册》第四章第一节,涉及《义务教育生物学课程标准(2022年版)》(以下简称《课程标准》)主题四“植物的生活”中的次位概念“4.3.1 植物能利用太阳能(光能),将二氧化碳和水合成为贮存了能量的有机物,同时释放氧气”。《课程标准》给出了明确的教学建议,要求教师在教学中引入科学史,帮助学生认识科学家的探究历程。HPS 教育强调要从科学史、科学哲学和科学社会学等不同视角全面理解科学。将HPS教育理念应用于概念教学中,引导学生从不同科学视角分析概念的形成和发展,从而理解科学研究的过程和方法,在深入理解概念内涵的同时,提升对科学本质的认识。

2 教学目标

(1)以科学史研究历程为主线,获取光合作用的原料、产物、条件、场所和能量变化等信息,认识光合作用过程,自主建构光合作用概念体系。

(2)尝试以科学家的身份开展实验,探究阳光在植物生长中的作用,学会控制变量、制订计划、基于实证得出结论等探究技能和暗处理、鉴定淀粉等实验方法。

(3)通过了解科学家们对已有概念不断继承、质疑、求证和发展的过程,理解并概述光合作用概念的演变过程,形成严谨的科学态度和质疑权威、勇于创新的科学精神,客观、辩证地了解科学家。

3 教学过程

3.1 溯源科学史研究起点,揭示错误前概念

教学伊始,教师要求学生围绕“小树苗长成大树所需的营养物质来自哪里”这一问题发表自己的看法。学生们各抒己见,有部分学生认为树苗长成大树所需的营养物质来自土壤。针对学生的这种错误前概念,教师展示早期科学家的观点:亚里士多德认为,植物是从土壤中汲取营养物质而生长的。此时,教师没有急着让学生判断亚里士多德的观点正确与否,而是引导他们从科学社会学的视角出发,分析这个观点产生的时代背景和亚里士多德提出此观点的依据。学生通过调查当时的时代背景,认识到当时社会上流行的“经验主义”对科学研究的影响,亚里士多德没有经过实验验证,只是观察到植物在土壤中生长,依据经验和感觉提出观点,显然这样的观点没有足够的科学证据支撑。

设计意图:生物学科学史通常起源于对生命现象的观察和研究。所以,基于HPS教育理念开展的概念教学需要从现实生活中常见的生命现象入手,且这个生命现象应能溯源到相应科学史,是科学家们曾经观察和研究过的。通过呈现科学史中与学生错误前概念相似的早期科学家观点,可以帮助学生揭示前概念的错误之处,认识到科学观点不能凭空臆想,而应基于实证。从科学社会学的视角分析科学史实的产生背景,有利于学生理解科学知识受到当时科技发展水平及社会文化背景的制约。

3.2 依托科学史发展线索,还原概念演变历程

3.2.1 海尔蒙特实验

教师展示:海尔蒙特的质疑(亚里士多德的观点没有证据支持,仅停留于作出假设阶段)、海尔蒙特求证的实验过程(①称重记录,土壤烘干后为90 kg;柳树苗2.3 kg;②将柳树苗种到土壤中,为了防止灰尘落入,制作保护罩,只定期浇灌纯净的雨水;③5年后,再次称重记录,土壤烘干后为89.943 kg,而柳树苗重76.8 kg)、实验结果(柳树苗增加74.5 kg,土壤减少0.057 kg)及实验结论(水分是植物制造自身的原料)。

组织学生讨论:①海尔蒙特得出结论的过程和亚里士多德有哪些不同之处? ②海尔蒙特的实验有哪些值得借鉴之处? ③海尔蒙特实验的结论是错误的,是否说明他的研究没有意义? 你的观点是什么?

设计意图:通过讨论题①,引导学生提高实证意识;通过讨论题②,引导学生关注定量分析、控制变量等探究技能,学习科学家坚持实验、严谨细致的研究习惯;讨论题③则从科学哲学的视角出发,引导学生客观地认识科学家的贡献,学习科学家敢于质疑权威、不断创新求证的科学精神。

3.2.2 普利斯特利实验

教师展示:普利斯特利的质疑(仁慈的上帝是如何让“坏空气”变成“好空气”的?)、普利斯特利求证的实验过程(①把燃烧的蜡烛放在密闭的钟罩内,蜡烛很快熄灭;把小鼠放在密闭的钟罩内,小鼠很快死亡;②把燃烧的蜡烛和绿色植物一起放在密闭的钟罩内,蜡烛能燃烧较长时间;把小鼠和绿色植物一起放在密闭的钟罩内,小鼠能存活较长时间)及实验结论(钟罩内的“坏空气”让蜡烛熄灭或让小鼠死亡,绿色植物使钟罩内的“坏空气”更新为能让蜡烛燃烧或小鼠存活的“好空气”)。

组织学生讨论:普利斯特利在光合作用发现过程中做出突出贡献,然而推动他研究的动力却是坚信上帝用某种方法使“坏空气”变成“好空气”的基督教信仰。你如何看待普利斯特利的做法与想法?

设计意图:通过讨论,引导学生从科学社会学的视角出发,了解科学史相关的社会文化背景以及科学家的故事,从而更客观、辩证地了解科学家。

3.2.3 英格豪斯实验

教师展示:英格豪斯的质疑(普利斯特利所谓的“好空气”和“坏空气”分别是什么?)和英格豪斯求证的过程(设置对照实验,通过500 多次实验得出结论,绿色植物只有在光下才能产生氧气)。

组织学生讨论:①英格豪斯实验和普利斯特利实验有什么关系? ②英格豪斯实验有哪些值得借鉴之处?

设计意图:讨论题①从科学哲学的角度出发,帮助学生理解科学的发展并非一蹴而就,而是科学家在前人的研究基础上对已有研究成果不断继承和创新的结果。通过讨论题②,引导学生关注设置对照实验、反复实验等探究技能,学习科学家严谨求实的科学精神。科学概念是在科学家不断批判质疑和理性求证的过程中演变和完善的,引导学生从科学史、科学哲学和科学社会学的角度全面分析概念的发展变化过程,有利于学生深入理解科学概念。

3.3 解构科学史经典实验,自主论证推理概念

教师展示:1864年萨克斯提出问题并作出假设,组织学生讨论问题并制订计划:①实验的变量是什么? 如何控制变量? ②萨克斯的假设是在阳光下植物能制造出淀粉等有机物,该如何检验植物内是否有淀粉存在呢? 学生讨论后确定,实验的变量是光,控制变量的方法是设置对照实验,对实验组进行遮光处理,对照组不遮光。各小组提出了不同的实验方案:A组认为要准备两盆植物,一盆放在光下,一盆放在黑暗处;B 组认为,只要准备一盆植物,对其一半遮光。教师组织学生讨论哪一种实验方案更严谨。学生讨论后发现B 组的方案更严谨,可以避免两盆植物生长状态不同对实验的干扰。受此启发,学生进一步提出了更为严谨的实验方案:对同一盆植物的同一片叶片进行部分遮光。教师指出,萨克斯也是如此设计的,学生为自己设计的实验方案与科学家相同而感到欣喜的同时,也体会到科学家严谨的实验思维。在讨论如何检验淀粉的存在时,除了指导学生掌握用碘液鉴定淀粉的实验方法,更重要的是引导学生思考:①实验前,叶片中就存在淀粉怎么办? ②叶片是绿色的,向叶片滴加碘液后,看不出颜色变化怎么办? 引导学生通过思考,设计暗处理和褪去叶片绿色的实验步骤。如此,一步步引导学生围绕实验方案,层层深入解决问题,完成计划的制订。在此基础上,组织学生开展实验、获取证据,验证萨克斯假设的正确性并得出结论,学生不再是科学史的旁观者,而成为了实实在在的参与者。

设计意图:科学史中呈现的实验对学生而言并非只能“远观”,教师可以解构并重新设计科学史上的经典实验,使之成为探究实验,引导学生以科学家的身份自主制订计划、开展探究、获取证据,然后基于实证获得科学结论。

3.4 贯穿科学史研究主线,归纳概括建构概念

科学概念随着科学家研究的不断深入而逐步完善。学生沿着科学家的探究史逐步了解概念演变的过程,获取的仅是碎片化知识,要使之成为概念体系,教师还需要引导学生以科学史研究为主线,通过抽象与概括、归纳与综合等思维活动自主建构。在“光合作用”概念教学中,学生依托科学史获取相关概念碎片后,教师指导学生以科学史研究历程为主线,以时间轴为工具,绘制概念演变过程图(图1)。再依据下图,提取、归纳光合作用的原料、产物、条件、场所、能量变化等信息,进而概括获得光合作用反应式和光合作用的实质,完成概念体系的全面建构。

图1 光合作用概念演变过程图

4 总结与反思

将HPS教育理念应用到概念教学中,通过展示科学史中科学家们对前人观点的批判质疑和实验求证,还原概念演变历程。在帮助学生深入理解概念的同时,培育学生基于实证和严谨的逻辑提出主张的科学思维,从科学社会学和科学哲学的视角,引导学生认识科学中蕴含的社会人文内涵,理解“科学概念可能随着研究深入而不断发展变化”的科学本质。