金子明

摘要： HPS教學是高中生命科學課堂教學中常用的教學模式，但諸多教師在實踐中往往只采用科學史中的某個實驗片段，使得HPS在發(fā)展學生學科核心素養(yǎng)方面沒有起到應(yīng)有的效果。而在單元教學中，運用HPS組織課堂教學不僅是《課程標準》的要求，也便于設(shè)置連續(xù)的科學史情境，更好地幫助學生了解知識的來龍去脈，以發(fā)展學科核心素養(yǎng)。文章嘗試基于HPS模式，立足教材重構(gòu)教學順序，在“生命的延續(xù)”單元教學進行實踐，并以“連鎖和交換定律”一課為例進行課例介紹。

關(guān)鍵詞： HPS;高中生命科學;單元教學

HPS是科學史（History of Science）、科學哲學（Philosophy of Science）、科學社會學（Sociology of Science）英文單詞的縮寫1，即在學科教學中，合理運用學科科學史、科學哲學和科學社會學的相關(guān)內(nèi)容來組織教學活動。在高中生命科學教學中，教師經(jīng)常將科學史作為教學情境，但筆者發(fā)現(xiàn)，諸多教師在基于HPS的教學實踐中往往只是采用科學史中的某個或某些實驗片段，將挖掘?qū)嶒瀮?nèi)在的科學思維作為重點，但對科學家進行實驗的背景和實驗之間的關(guān)系很少關(guān)注，對知識或規(guī)律的來龍去脈往往點到為止，使得HPS對學生核心素養(yǎng)發(fā)展的貢獻不明顯。筆者試圖通過HPS與單元教學設(shè)計結(jié)合，將科學史連點成線貫穿于單元教學中，提升HPS的教學效果，并以滬教版高中生物教材中“生命的延續(xù)”單元為例進行了實踐。

一、高中生命科學單元教學中運用HPS模式的意義

HPS模式最早由奧地利科學史家馬赫于19世紀末期提出，他認為“任何科學教育都不能忽視科學的歷史與哲學”2，因其可以培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，逐漸成為科學教育的優(yōu)秀范式，被教育工作者廣泛采用。

1.運用HPS組織課堂教學是《課程標準》的要求

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》在實施建議中提到，要“注重生物科學史和科學本質(zhì)的學習”，“學習生物科學史能使學生沿著科學家探索生物世界的道路，理解科學的本質(zhì)和科學研究的思路和方法，對提高學生的生物學學科核心素養(yǎng)是很有意義的”，“本課程標準中的多處內(nèi)容都包含科學史的要素，教師應(yīng)充分利用這些科學史來開展教學”。1

2.在單元教學中運用HPS模式具有較好的情境連續(xù)性

上海市教委在2018年出版了《中學生命科學單元教學設(shè)計指南》，指出廣大教師“普遍缺乏從單元層面對目標、內(nèi)容、教學方法、作業(yè)與評價、教學資源一致性的整體設(shè)計，碎片化的課時教學設(shè)計通常也難以與教學目標很好地呼應(yīng)”。2 而HPS恰好滲透著人類認識和發(fā)展科學的過程，在單元教學中運用HPS組織課堂教學，具有較好的情境連續(xù)性，能夠幫助學生了解知識的來龍去脈，發(fā)展生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任的學科核心素養(yǎng)。

3.“生命的延續(xù)”單元適合運用HPS的教學內(nèi)容

在課堂教學中，并非所有教學內(nèi)容都適合運用HPS，有學者提出，“是否符合課標要求”“是否有適合HPS相關(guān)的內(nèi)容”“是否符合學生的認知水平”等是判斷教學內(nèi)容是否合適HPS教學的標準。3 “生命的延續(xù)”單元是滬科版高中生命科學課程中的重要單元，教材中涉及的內(nèi)容根據(jù)章節(jié)順序依次是“細胞的分裂和分化”“遺傳與變異”“生物進化”。這一部分教學內(nèi)容在科學史上是前后關(guān)聯(lián)的，但教材在編排上并沒有將它們前后銜接起來。筆者嘗試基于HPS，對教材進行二次開發(fā)，重構(gòu)教學順序，在高二年級第一輪復(fù)習中，將“生命的延續(xù)”復(fù)習專題和等級考拓展教材的“遺傳”新課整合為一個學習單元，并在課堂上重現(xiàn)“現(xiàn)象—假說—演繹—驗證—新的現(xiàn)象”的探究過程，幫助學生更好地理解知識的產(chǎn)生由來和相互關(guān)系，鍛煉科學思維，發(fā)展核心素養(yǎng)。

二、“生命的延續(xù)”單元滲透HPS的設(shè)計意圖和重構(gòu)思路

1.設(shè)計意圖

譚永平指出，深入理解生命的本質(zhì)，需要回答生命“是什么”“怎么樣”和“為什么”。4 而生命延續(xù)的“是什么”“怎么樣”和“為什么”，需要在細胞分裂的染色體行為中找到答案，需要在變異和環(huán)境的相互選擇中找到答案。考慮到學生理解遺傳規(guī)律實質(zhì)的需要，以及遺傳變異和進化學說關(guān)系的需要，將第七章“細胞的分裂與分化”、第八章“遺傳與變異”、第九章“生物進化”、拓展型教材第三章“遺傳”整合為一個單元，其中前三者為復(fù)習內(nèi)容，最后者為新課內(nèi)容。

在單元的整體設(shè)計中，以近代遺傳學學科史為大情境，以歷史發(fā)展先后順序作為主線貫穿。生命科學的學科史是非常有意思的，比如“粒子遺傳學說”是“自然選擇學說”的理論基礎(chǔ)，但前者的提出卻晚于后者，這是因為人們對生命世界的認識是從宏觀到微觀的。教材中處處滲透了HPS教學的思想，但由于教材首先要呈現(xiàn)生命的基本特征，以此為依據(jù)進行單元編排，所以近代遺傳學史難以按歷史發(fā)展的順序在教材中整體展現(xiàn)。而學生在學習相關(guān)新課時，注意力集中在知識內(nèi)容上，不太關(guān)注“進化適應(yīng)、細胞分裂、遺傳變異”等知識點在學科史中的來源和碰撞，缺乏對學科發(fā)展和知識關(guān)系的感性認識和理性推導，是一件比較遺憾的事。所以，在第一輪復(fù)習中充分利用和整合學科史，將其作為主線來重構(gòu)知識內(nèi)容，不僅可以彌補遺憾，也可以完成等級考拓展教材的新課教學。

2.重構(gòu)思路

本單元情境主要涉及1859年《物種起源》發(fā)表后到1953年DNA雙螺旋分子結(jié)構(gòu)模型問世前的那段學科史。重構(gòu)的思路是：首先復(fù)習“生物進化”章節(jié)，從19世紀中葉達爾文提出“自然選擇學說”出發(fā)，以“自然選擇學說”與“融合遺傳假說”的矛盾，引向“遺傳與變異”章節(jié)中1860年左右的孟德爾“豌豆雜交實驗和遺傳假說”的發(fā)表，復(fù)習“自然選擇學說”和“豌豆雜交實驗”;以“1903年細胞分裂和染色體行為變化的研究”，為孟德爾遺傳假說“平反”，并以此為歷史情境，復(fù)習“有絲分裂”“減數(shù)分裂”“基因分離定律”和“基因自由組合定律”，引導學生關(guān)注“減數(shù)分裂中染色體行為變化和遺傳定律實質(zhì)的關(guān)系”;以“1910年摩爾根用果蠅對孟德爾遺傳假說的驗證”，復(fù)習“伴性遺傳”，進行“連鎖和交換定律”新課教學;以“20世紀初摩爾根的學生斯特蒂文特發(fā)現(xiàn)染色體易位”為引，復(fù)習“變異”和“人類遺傳病”;再以摩爾根的學生、我國近代“遺傳學之父”談家楨的“異色瓢蟲色斑遺傳研究”為引，進行“孟德爾遺傳定律拓展”的新課教學;最后整合“進化、遺傳、變異”的知識，復(fù)習“現(xiàn)代進化理論”（見表1）。

表1 重構(gòu)后的“生命的延續(xù)”單元章節(jié)安排

[課時 課題 教學內(nèi)容 課型 2課時

達爾文的困惑

9.1生物的進化

9.2生物進化理論（自然選擇學說部分）

8.1遺傳規(guī)律（豌豆雜交實驗和遺傳假說） 復(fù)習課

3課時

豌豆中的玄機

7.1生殖和生命的延續(xù)

7.2有絲分裂

7.3減數(shù)分裂

8.1遺傳規(guī)律（實質(zhì)） 復(fù)習課

3課時 果蠅登上舞臺 8.2伴性遺傳

3.1拓展教材：基因連鎖和交換定律 復(fù)習課

新授課 2課時 染色體的秘密 8.3變異

8.4人類遺傳病和遺傳病的預(yù)防 復(fù)習課 1課時 基因的相互作用 3.2拓展教材：孟德爾遺傳定律的擴展 新授課 1課時 結(jié)語 9.2生物進化理論（現(xiàn)代進化理論部分） 復(fù)習課 ]

三、課堂實例

基于HPS教學，筆者分別以達爾文、孟德爾、摩爾根、斯特蒂文特和談家楨五位有相互關(guān)聯(lián)的生物學家的重要科學結(jié)論和科學史片段作為學習情境，進行每節(jié)課的教學設(shè)計。這里以“連鎖和交換定律”一課教學為例，進行說明。

1.教材和學情分析

“連鎖和交換定律”是滬科版高中生命科學拓展型教材第三章第一節(jié)的教學內(nèi)容，《高中生命科學學科教學基本要求》將其定位在A級水平，要求學生能夠“描述摩爾根設(shè)計的兩組測交實驗現(xiàn)象”“說出基因連鎖和交換定律的實質(zhì)”“說出基因連鎖和交換定律在育種和醫(yī)學實踐中的應(yīng)用價值”。1

“基因連鎖和交換定律”被稱為“遺傳學第三定律”，其中“連鎖”是指基因在染色體上的線性排列，伴性遺傳（性連鎖）與其有關(guān);“交換”是指減數(shù)分裂時同源染色體的非姐妹染色單體之間發(fā)生交叉互換，連鎖的基因會隨之發(fā)生位置變化，增加配子基因型的種類。在孟德爾兩大定律的基礎(chǔ)上，學生要正確理解基因連鎖和交換定律的實質(zhì)，進一步完善他們的遺傳和變異觀，這是本節(jié)課之于單元教學目標落實的主要內(nèi)容，也是本節(jié)課的重點。而綜合利用有效的模型和思維工具，突破問題鏈，解決矛盾點，通過假說演繹來分析兩組測交實驗結(jié)果的原因，是本節(jié)課的難點。

從教師單元教學設(shè)計的角度來看，要落實本節(jié)課的學習目標，必須調(diào)動學生關(guān)于染色體、基因、細胞分裂、遺傳變異的全部知識，為學生鋪設(shè)好足夠的“臺階”。該內(nèi)容難度雖然已經(jīng)調(diào)整為A級水平，但在單元中依然處在一個綜合性較高的難點高峰：一方面是因為該定律的理解需要學生具有較為清晰的邏輯思維，另一方面，需要學生具有較為扎實的減數(shù)分裂知識基礎(chǔ)，對基因的分離和自由組合的實質(zhì)有準確的認識，要熟練掌握和運用雜交實驗過程中的專業(yè)名詞。所以在新課前，需完成“細胞分裂”和“孟德爾遺傳定律”的復(fù)習。

從學生學科素養(yǎng)發(fā)展的角度來看，本節(jié)課的學習價值至少有三點：一是運用減數(shù)分裂模型和遺傳圖解，明確基因連鎖和交換定律的實質(zhì)，領(lǐng)略基因連鎖和交換定律對于生命進化的意義;二是經(jīng)歷科學史中科學家的思維過程，借助假說演繹、回溯推理等思維工具，探究規(guī)律本質(zhì)，體驗實用的科學方法;三是學習科學家尊重事實、大膽猜測、小心求證的科學態(tài)度和具有創(chuàng)新性的理論應(yīng)用能力，培養(yǎng)社會責任。

2.教學設(shè)計與說明

“基因連鎖和交換定律”不僅是學生學習的難點，也是教師教學設(shè)計的難點。但“連鎖交換定律”的探究過程是培養(yǎng)學生科學思維和科學探究的極好資源，滲透了普適的科學思想方法和有效的生命科學研究思維工具。既要讓學生的頭腦和身體參與進來，又要給足學生“跳一跳夠得到”的思維臺階，是在教學設(shè)計中最主要的思考問題。

遺傳規(guī)律的發(fā)展是基于變異現(xiàn)象，通過假說演繹提出和雜交實驗驗證的，是通過對染色體方面的研究進一步證實的。所以筆者認為，以學科史為情境，以實驗現(xiàn)象為問題，以假說演繹法為手段，以減數(shù)分裂模型為工具，在教師的引導下進行探究式學習，是符合學生學情的，是有助于學生提升科學思維能力的有效教學設(shè)計思路之一。

本節(jié)課用到的科學史素材，是單元教學的歷史情境的一部分，也是教材本身對這部分知識的呈現(xiàn)方式。在這樣的思考下，形成了本節(jié)課的設(shè)計思路：以摩爾根對“基因連鎖和交換定律”的探究為情境主線，學生經(jīng)歷縱橫兩條邏輯線（見圖1），落實重點，突破難點，發(fā)展學科核心素養(yǎng)。

（1）橫向的邏輯線

橫向的邏輯線是學生經(jīng)歷矛盾沖突的探究史，從與“自由組合定律”違背的實驗現(xiàn)象，到借助“減數(shù)分裂模型”解開現(xiàn)象背后的原因，再通過交換值意義的發(fā)現(xiàn)和證實，學生逐步加深理解遺傳信息在有性生殖中傳遞和變化的規(guī)律，最終能夠理解并說出基因連鎖和交換的實質(zhì)，落實學習重點。

在上一節(jié)課的尾聲里，留下本節(jié)課的第一個矛盾，即摩爾根在驗證孟德爾的“遺傳因子自由組合假說”的實驗過程中，得到基因型為BbVv的果蠅，而它們隨機交配產(chǎn)生后代的表現(xiàn)型比與“9∶3∶3∶1”不符，從而開啟新課學習。結(jié)合雜交研究的常規(guī)手段，學生提出可以嘗試進行測交實驗，給出測交實驗實際結(jié)果后，引發(fā)第二個矛盾，即測交實驗結(jié)果不是1∶1∶1∶1。通過對假說演繹法的理解，學生回顧“遺傳因子自由組合假說”的前提，也就是“基因自由組合定律”的適用范圍，提出新的假說：這兩對等位基因可能位于一對染色體上。通過構(gòu)建BbVv產(chǎn)生配子的減數(shù)分裂模型（活動一），認識到基因的連鎖，并用遺傳圖解解釋測交實驗1的結(jié)果。再引發(fā)第三個矛盾：正交和反交的實驗結(jié)果截然不同。通過對測交實驗2產(chǎn)生后代的表現(xiàn)型本身分析，發(fā)現(xiàn)在該雜交過程中發(fā)生了基因重組，由于自由組合與本假設(shè)不符，則將基因重組的原因鎖定在交叉互換現(xiàn)象，通過構(gòu)建BbVv發(fā)生交換的產(chǎn)生配子的減數(shù)分裂模型（活動二），認識到基因的交換，歸納出“基因連鎖和交換定律”的內(nèi)容和實質(zhì)，認識該定律對于進化的意義。再引出第四個矛盾，在解釋雌、雄果蠅的不完全連鎖和完全連鎖之后，用遺傳圖解解釋測交實驗2的結(jié)果（活動三）。繼而引出第五個矛盾，單個卵原細胞和單個雌果蠅產(chǎn)生四種配子的比值不同，還是借助減數(shù)分裂模型，幫助學生理解交叉互換發(fā)生的偶然性，提出“交換值”的概念、意義，以“交換值的應(yīng)用”作為本節(jié)課的收尾，而最后提到的斯特蒂文特又是下一節(jié)課“變異”的復(fù)習的導入。通過經(jīng)歷五個矛盾沖突，探究環(huán)環(huán)相扣，讓學生體驗嚴謹縝密的科學推理，感受遺傳學研究的樂趣，領(lǐng)略生物多樣性的成因。

（2）縱向的邏輯線

縱向的邏輯線是學生經(jīng)歷科學思維的問題—活動鏈，借助假說演繹和模型工具，揭開矛盾背后的真相，落實學習難點的突破。

探究史中的五個矛盾，即五個探究問題，通過五個不同的學習活動解決。五個矛盾的問題解決，方法各有不同，有所偏重。其中，矛盾二、三的解決是本節(jié)課的難點，所以需要充分調(diào)動學生的主觀能動性，手、腦、口并用，合作解決。矛盾一的解決，是學生提出其他的雜交研究手段。矛盾二的解決，是學生否定原假說，提出新假說，并借助活動一進行論證。矛盾三的解決，是學生透過現(xiàn)象看到基因重組的本質(zhì)，回溯推理“鎖定交叉互換”現(xiàn)象，通過活動二加以論證，通過活動三進行分析。矛盾四的解決，是學生直接通過教師解釋來獲得答案。矛盾五的解決，是結(jié)合“減數(shù)分裂模型”，根據(jù)重組配子的比值，回溯初級卵母細胞發(fā)生交換的頻率，認識交換的非必然性。

3.學習目標的制訂

知識與技能：經(jīng)歷探究史，描述摩爾根兩組果蠅測交實驗的現(xiàn)象;說出“基因連鎖和交換定律”的實質(zhì)，說出交換的頻率可以用交換值表示。

過程與方法：通過假說演繹和回溯推理，利用“減數(shù)分裂模型”分析兩組測交實驗結(jié)果的原因。

情感態(tài)度價值觀：領(lǐng)略科學家的科學精神，領(lǐng)悟“連鎖和交換定律”對生命進化適應(yīng)的意義，在微觀角度感悟生命的神奇和生物多樣性之美。

4.重點難點

重點：說出“基因連鎖和交換定律”的實質(zhì)。

難點：通過假說演繹和回溯推理，利用減數(shù)分裂知識分析兩組測交實驗結(jié)果的原因。

5.教學技術(shù)與學習資源應(yīng)用

學案、PPT、投屏軟件、染色體磁貼、白板磁貼、記號筆等。

6.教學過程

教學過程如表2所示。

7.教習與評價

借助本課設(shè)計的問題—活動鏈，通過學生的回答情況、搭建的減數(shù)分裂模型和書寫的遺傳圖解進行過程性評價，也可以用于調(diào)整教學節(jié)奏;觀察學習過程中學生參與學習活動、合作討論的積極性，進行態(tài)度上的評價;通過作業(yè)評價學生的學習成果。

8.教學成效和反思

“基因的連鎖和交換定律”一向是教學的難點，被許多學生稱為高中生命科學學習的難度高峰，但自從2014年上海公布高考改革方案起，《上海高中生命科學學科基本要求》將其難度等級從B級水平降低至A級水平。從近期的考題來看，對該內(nèi)容的考查要求也確實降低許多。本課時設(shè)計的初衷，一方面是希望通過歷史脈絡(luò)讓學生對近代遺傳學史有個大致的認識，了解知識之間的邏輯聯(lián)系，另一方面是讓學生真正理解“連鎖交換定律”的實質(zhì)，而非通過大量的運算，訓練學生的解題能力。

通過課堂教學實踐，筆者認為，問題鏈和“臺階”設(shè)置合理有效，單元設(shè)計目標和課堂教學目標都基本達成。學生能夠繪制染色體發(fā)生交叉互換后的形態(tài)，同時利用“減數(shù)分裂模型”將染色體的傳遞過程繪出，并解釋兩組測交實驗的現(xiàn)象，突破了本節(jié)課時的重點和難點。在信息化工具的利用上，本課使用了希沃投屏軟件，將學生繪制的作品通過投屏的方式展現(xiàn)，縮短了學生交流準備的時間。

四、HPS模式在高中生命科學單元教學中的實踐反思

1.HPS模式運用于單元教學應(yīng)在《課程標準》的指導下進行

筆者在教習實踐中，也曾陷入兩個誤區(qū)。第一個是過于重視科學史的完整呈現(xiàn)，拓展了過多的科學家的探究史。如在“減數(shù)分裂”的教學中，講授了薩頓對同源染色體分離的研究過程，而《課程標準》注重的是染色體在減數(shù)分裂過程中變化的意義，這一段探究史對教學目標的落實沒有太大價值。第二個是在教學過程中，過分增加了人物傳記的比重。如在“基因的分離和自由組合定律”的教學中，為了讓學生更好地了解孟德爾為什么會運用豌豆來研究遺傳學問題，在課堂上過多地講授孟德爾的生平，以及他與達爾文、多普勒等人的關(guān)系，而《課程標準》希望學生關(guān)注孟德爾的科學精神和科學方法。因此，HPS模式運用于單元教學要避免“本末倒置”的問題，應(yīng)當在《課程標準》的指導下設(shè)計合理的教學目標，選用有助于落實教學目標的HPS資源來進行教學設(shè)計。

2.充分發(fā)揮單元教學設(shè)計的優(yōu)勢來運用HPS資源

鐘啟泉指出，“課時主義”把教學內(nèi)容碎片化，導致知識點的處理缺乏全局性的掌握。1 單元教學設(shè)計的最大優(yōu)勢就是具有更寬闊的全局性，這種全局性可以打破HPS資源在課時教學中運用的不連續(xù)和不完整的弊端。如在單元教學的各個課時中強調(diào)科學史片段的前后聯(lián)系，將真實的探究鏈呈現(xiàn)給學生;又如將不能在課堂上呈現(xiàn)的科學史資源以單元活動或單元作業(yè)的形式呈現(xiàn)給學生，實現(xiàn)HPS對培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)的價值。另外，單元教學設(shè)計有其一定的自主性，教師可以根據(jù)實際情況對教材進行二次開發(fā)，以學科史作為單元教學的設(shè)計主線是一種好的思路。