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生物学学科核心素养HPS材料分析

摘要:HPS(科学史、科学哲学与科学社会学)材料是渗透生物学学科核心素养的良好素材。人教版高中生物新版本选择性必修模块的3本教材共计21则HPS材料中,绝大多数材料都能够体现两个及以上维度的核心素养,具有丰富的教育价值。教师们在分析与利用HPS材料进行教学时,要立足于学生生物学概念的建构,着力于学生核心素养的发展,做好教学设计。
 
关键词:HPS;核心素养;高中生物教材;选择性必修模块
 
学科核心素养是立德树人根本任务的具体体现,为各学科所关注[1][2]。生物学学科核心素养包括“生命观念”、“科学思维”、“科学探究”和“社会责任”,要在教学中对其进行落实,需要教师深入挖掘教学内容。HPS(History,PhilosophyandSociologyofScience,即科学史、科学哲学和科学社会学)材料是渗透核心素养的良好素材,笔者先前曾针对《分子与细胞》和《遗传与进化》模块人教版教材中的HPS材料进行梳理,发现教材中的多数材料都有多维度的教育价值[3]17[4]。目前,选择性必修的3个模块的新教材也已经开始投入使用。本文对其中的HPS材料进行分析,剖析其所属HPS维度[3]20与其蕴涵的生物学学科核心素养教育价值,并对新旧版本教材中的变化进行说明,以期为广大中学教师使用新教材进行基于学科核心素养的教学提供思路。
 
一、人教版选择性必修教材所含HPS材料分析
 
(一)选择性必修1《稳态与调节》材料分析
 
[5]1.许智宏院士访谈许智宏院士是植物发育及植物细胞工程方面的专家,但他的访谈并未局限于植物学研究领域,包含内容非常丰富,值得教师深刻挖掘并引导学生加以注意。许院士的访谈内容涉及到的知识包括细胞全能性、植物组织培养、植物原生质体、细胞分裂、植物激素及其作用、生物体内不同水平的反馈调节、动植物发育、动植物对环境的适应方式、生物多样性,等等。这些知识在访谈中是融为一体的,彼此联系非常紧密,对学生形成系统性观念非常有帮助,体现了核心素养的“生命观念”维度。许院士还介绍了自己研究时的一些经验,体现了核心素养的“科学思维”与“科学探究”维度。关于了解生命活动调节原理对指导生产、生活有什么意义,许院士以香蕉滞销问题为例,很好地说明了理解生物学知识对社会生产与生活的重要性,体现了核心素养的“社会责任”维度。该材料主要涉及科学社会学范畴。2.稳态稳态概念是现代生理学的指导思想与理论基础,对理解其他生命系统层次的稳定性也有着重要启示作用,是生命科学基本概念之一。新教材将稳态概念的提出从“科学史话”栏目提到了正文,将稳态概念的发展放到了正文后的小字部分,并对不同生命系统水平的稳态作了更详实的介绍。另外,教材还在正文部分介绍了人类对内环境稳态调节机制认识深化的历程。该材料属于科学史范畴,同时,这种学科思想的变化也属于科学哲学范畴。学生如果可以深刻领会稳态思想,将有助于生物学学科思想体系的建立,体现核心素养的“生命观念”维度。教师应带领学生回顾分子与细胞水平的稳态调节问题,并在带领学生学习选择性必修2《生物与环境》的群体稳态相关章节时注意回顾稳态概念。3.脑新生神经元在新增的“神经调节的结构基础”一节中,教材于“生物科技进展”栏目介绍了科学家对高等动物成年后脑细胞(主要指神经元)是否会增加的认识的发展变化。该材料对HPS三个维度均有所体现:材料本身属于科学史范畴,其反映“科学知识可能随着研究的深入而改变”这一科学本质,属于科学哲学范畴,涉及到的医疗方面的前景则属于科学社会学范畴。学生学习该材料,可以加深对生命活动调节复杂性的认识,体现核心素养的“生命观念”维度;了解模式生物在研究中的重要作用,体现核心素养的“科学探究”维度;认识到生命科学前沿研究对医疗手段的潜在影响,体现核心素养的“社会责任”维度。4.生物电的发现在“神经冲动的产生和传导”一节,教材于“生物科学史话”栏目新增了“生物电的发现”这一材料,介绍了电生理学发展史上围绕生物电是否存在而展开的著名论战,并介绍了研究手段更新对科学研究发展的重要作用。该材料除属于科学史范畴外,还涉及到科学研究的发展与深化,体现科学本质,属于科学哲学范畴;其反映出的学术争鸣推动科学发展以及研究手段与实验材料对科学突破的重要性,则属于科学社会学范畴。教材对材料中蕴涵的关于科学研究的启示作了非常精准的阐述,给出了详实的论证,特别有助于学生理解核心素养的“科学探究”维度。另外,伏特和伽尔伐尼为证明自己的观点,分别设计了精巧的实验:伏特去掉了实验中的生物,证明不同金属间存在电位差,发明了世界上第一个电池,开创了重要的研究领域;伽尔伐尼去掉了实验中金属,有力地证明了生物电确实存在,开创了电生理学,对医学和心理学发展也有深远影响。若教师能适当补充素材,带领学生深刻理解相关研究,会对核心素养中“科学思维”与“社会责任”的发展均有所帮助。5.中国脑计划在“神经系统的分级调节”一节,教材介绍了“中国脑计划”项目。旧版教材曾谈及“人类脑计划”研究项目,中国是加入该研究的第20个国家。如今,中国在生命科学研究领域已经取得了长足进步,设立了未来十五年内在脑科学等前沿领域取得国际领先成果的目标。该材料主要属于科学社会学范畴。材料中分析脑研究需要绘制的三种图谱,对学生理解细胞与大脑活动的关系很有帮助,同时对克隆猴技术与脑科学研究的关系的分析也有利于学生认识到不同知识之间的密切联系,有助于“生命观念”的形成。材料分析了研究方法与实验材料和工具对科学发展的作用,能够帮助学生加深对科学研究的认识,体现核心素养的“科学探究”维度。另外,该材料也是进行爱国主义教育的良好素材,有利于激发学生的国家自豪感,增强社会责任感。6.促胰液素的发现促胰液素的发现是通过科学史上的实验来学习知识的又一实例,属于科学史范畴,对同一实验结果的不同分析体现了“观察渗透理论”,属于科学哲学范畴。学生在分析实验时,能够领会科学家的研究思路,在学情允许的情况下,教师可以引导学生在有提示的情况下自行设计实验或对不完整的实验方法进行补充完善,从而增强科学探究能力。同时该材料也有助于学生的概念建构,体现了“生命观念”、“科学思维”与“科学探究”等多个核心素养维度。需要注意的是,消化受神经调节实际上在当时也是较新的观点。胃酸分泌由神经调节是巴甫洛夫发现的,他因此获得了诺贝尔生理学或医学奖。胰腺分泌胰液也是受神经调节的,只不过该过程的主要调控方式是体液调节。教师需要交代清楚,防止学生产生误解。7.研究激素的方法在“激素与内分泌系统”一节,教材新增了两则关于激素研究方法的科学史材料,主要详细介绍了胰岛素的发现史。与所有历时较久的研究一致,该材料对HPS的三个维度均有所体现,特别是班廷的研究,涉及到了查阅前人文献在科研中的重要作用和跨学科合作对解决问题的帮助,值得同学们注意。在核心素养方面,该材料主要涉及科学研究方法,体现“科学思维”与“科学探究”维度,同时由于胰岛素在治疗糖尿病方面的重要作用,该材料也可以用于引导学生关注生物学知识在现实生活中的应用,体现“社会责任”维度。材料中给出的实验是良好的情境,教师应利用好此材料,带领学生分析科学家的研究思路,一方面将必修模块中学到的研究方法迁移应用到该情境中,另一方面也为未来于其他情境中解决问题锻炼探究能力。8.免疫系统的新发现该材料为“免疫系统的组成和功能”节末的新增材料,介绍了脑部淋巴管的发现历程,属于科学史范畴。同时,由证明鼠脑中淋巴管的存在到证明人脑中淋巴管的存在,反映出科学观察是有目的的观察,正如文中所说:“如果你不知道自己想要观察什么,那么你就错过它们了”,这属于科学哲学范畴。学生通过学习该材料,能够加深对神经—体液—免疫调节网络的认识,体现核心素养的“生命观念”维度;从鼠脑到人脑的类推能够促进“科学思维”的发展;了解相关研究历程有利于领悟“科学探究”;对该发现的社会意义的分析则对“社会责任”的落实有所帮助。9.植物生长素的发现植物生长素的发现过程是高中生物教材中又一通过多位科学家的实验展现对某问题的探究历史的实例,属于科学史与科学哲学范畴,可用于渗透科学本质。该材料非常适合教师进行思维探究式教学,引导学生分析科学家的实验,甚至组织学生对实验进行自主设计,发展思维能力,能够体现“生命观念”、“科学思维”与“科学探究”等多个核心素养维度。10.赤霉素的发现在“其他植物激素”一节,教材介绍了赤霉素的发现过程,属于科学史与科学哲学范畴。教师可以引导学生分析实验材料,设计类似于“引起水稻患恶苗病的原因是赤霉菌本身还是赤霉菌分泌的物质?”“为什么一定要对滤液中引起恶苗病的物质进行分离?”“科学家们的研究间有什么逻辑关系?”等问题,带领学生发展“科学思维”与“科学探究”的核心素养。
 
(二)选择性必修2《生物与环境》材料分析
 
[6]1.方精云院士访谈方精云院士是生态学专家,他的访谈对于学生了解生态学研究的特点与意义很有帮助,访谈主要涉及的是科学社会学范畴。学生通过学习,能够理解生态学研究的重要意义,了解野外工作在生态学研究中的作用,同时也有利于树立对利用生态学知识建设生态文明的信念。材料体现了核心素养的“科学探究”与“社会责任”维度,其中反映出的方院士刻苦而坚持的研究精神也特别值得同学们学习。2.高斯的实验在“种群数量的变化”与“影响种群数量变化的因素”这两节,教材分别介绍了著名生态学家高斯的两个重要实验,从而引出“种群的‘S’形增长”与“种群数量变化受种间竞争影响”等核心概念,属于科学史范畴。教师可以将这两个实验作为学习情境,引导学生分析出现该实验现象的原因,从而实现知识的自主建构,并加深对数学模型在解决生物学问题方面的作用的认识。该材料的良好应用有利于学生“生命观念”、“科学思维”与“科学探究”核心素养的发展。3.马世骏马世骏院士是我国著名生态学家,为防治蝗灾做出了重大贡献,并且有着自成体系的生态学思想,教材呈现的材料属于科学史范畴,而马世骏院士从事研究的初衷这段材料属于科学社会学范畴,他的研究思想等内容材料属于科学哲学范畴。学生能够通过学习对生态观念加深认识,同时明确生物学知识在解决实际生活中问题的作用,体现核心素养的“生命观念”与“社会责任”维度。4.黄石公园灭狼与引狼入园的启示20世纪初,美国黄石国家公园内开展了灭狼运动,随后当地生态系统由于食物网中顶级捕食者的缺位而发生恶化。管理者不得不于20世纪末重新引进灰狼,其后黄石公园的生态系统有所恢复。这一事例在生态学史上非常有名,充分展现了不尊重生态规律的任意妄为会带来严重的后果,能够帮助学生加深对“生命观念”和“社会责任”的认识。5.林德曼在介绍生态系统能量流动特点时,教材呈现了林德曼的研究数据,属于科学史材料。该材料能够带领学生通过数据分析能量流动的特点,而且是科学史上的经典研究,为学生提供了学习情境。教师可以引导学生先通过数据自己进行分析,然后再与科学家的理论相印证,从而构建概念,加深认识,体现核心素养的“生命观念”与“科学思维”维度。6.生态系统信息传递教材在本节介绍了几则科学史材料,展示了科学家在蜜蜂舞蹈、昆虫信息素和植物所释放的化学物质方面的研究。材料有助于学生加深对信息传递作用的认识,体现核心素养的“生命观念”维度。另外,教材开头所说的研究蜜蜂的科学家应是指卡尔·冯·弗里希,他是行为生态学的奠基者之一,于1973年获诺贝尔生理学或医学奖。他出生于奥地利,逝世于德国,并不是教材所说的荷兰科学家。1967年也不是他首次发现蜜蜂舞蹈的时间,而是综合总结相关研究成果的著作出版的年份,希望教材下一轮修订时加以考虑。
 
(三)选择性必修3《生物技术与工程》材料分析
 
[7]1.杨焕明院士访谈旧版必修2教材开头曾经呈现过对杨焕明院士的访谈,侧重对基因相关问题的分析。同时旧版选修3教材开头是杨院士的一篇寄语,带领同学们学习生物科技。而新版选择性必修3教材的编写人员再次对杨院士进行了访谈,侧重点为生物技术与工程方面,相比寄语显得更为亲切,内容也更为丰富。杨院士介绍了中国科技的发展,也对学生学习生物技术与工程给出了建议。材料属于科学史与科学社会学范畴,主要体现核心素养的“社会责任”维度,其对生命科学系统性的分析也能体现“生命观念”的维度。2.从传统发酵技术到发酵工程选择性必修模块的前三章均在章首呈现了相关科学技术探究历程,这一设计在旧版教材中也存在,但新版教材以时间为线索,呈现得更清楚,且增加了相关图片,更利于学生学习。如“发酵工程”章首呈现了人类围绕微生物发酵的探索之路,材料同时体现科学史与科学社会学。教师可以利用材料引导学生回顾酶、细胞呼吸、基因突变等核心概念,也可以为后续基因工程的学习做好铺垫,展现不同知识间的联系,体现核心素养的“生命观念”维度。同时,材料反映出生物学在现实生活中具有重要的应用价值,能够激发学生利用生物学知识解决现实问题的信念,体现核心素养的“社会责任”维度。3.耐高温DNA聚合酶的发现耐高温DNA聚合酶的发现是PCR技术得以广泛使用的基础。教材在“微生物的培养技术及应用”和“基因工程的基本操作程序”两节分别谈及了相应的内容,前者侧重于选择培养基的应用,后者侧重于中国科学家钱嘉韵的贡献。教师教学时可以对这几部分内容进行整合,引导学生理解不同微生物的差异、酶的特性、发酵工程与基因工程间的关系、不同学者研究间的相互作用等内容,并加强爱国主义教育。材料属于科学史与科学社会学范畴,体现核心素养的“生命观念”、“科学探究”与“社会责任”等维度。4.细胞工程的发展历程与发酵工程类似,“细胞工程”一章开头同样介绍了相关发展历程,属于科学史与科学社会学范畴。同时,教材后续内容中还更细致地介绍了上述材料中涉及到的诱导多能干细胞、单克隆抗体、胚胎分割等相关问题的发展历史。教师可以引导学生加深对细胞相关核心概念的理解,从而使学生更深刻地认识到细胞作为生命系统的重要意义,并感受不同分支学科间的系统整合性,体现核心素养的“生命观念”维度。学生还可以通过学习相关内容,分析科学家的研究思路,了解我国科研工作者取得的研究进展,并感受生物学知识在医疗方面的作用,发展“科学思维”,增强“社会责任”。5.基因工程的诞生和发展在“基因工程”一章开头,教材梳理了相关基础理论与技术的发展,并对科学、技术、工程和社会的相互关系作了系统阐释,属于科学史与科学社会学范畴。其中的一些内容学生在必修2模块已经学习过,而本章能使他们认识到这些理论知识对技术应用的作用,也利于他们更好地理解与基因工程相关的生物技术。材料有助于学生加深对基因相关核心概念的理解,也能引导他们思考科学、技术、工程和社会间的关系,体现核心素养的“生命观念”与“社会责任”维度。
 
(四)维度整理
 
由表1可见,人教版选择性必修3个模块教材中共有21则HPS材料,其中选择性必修1、2、3模块分别占10则、6则与5则。在这些材料中,体现科学史内容的有18则,体现科学哲学的有9则,主要分布于选择性必修1模块。体现科学社会学的有12则,其中选择性必修3的5则材料均对该维度有所体现。所有材料中,只体现一个HPS维度的材料有7则,其中选择性必修2中占了5则,而其他模块中的材料基本都属于多个维度的范畴。生物学学科核心素养维度方面,21则材料中,体现“生命观念”核心素养的有17则,体现“科学思维”核心素养的有10则,体现“科学探究”核心素养的有12则,体现“社会责任”核心素养的有14则。除两则材料外,均可体现多方面的核心素养,充分体现了HPS材料的多重教育价值,特别是选择性必修1模块对此体现最为明显,值得教师对其深刻挖掘。
 
二、总结与建议
 
选择性必修的3个模块均具有一定的HPS材料,其中选择性必修1模块所包含的材料数量最多,并具有多个维度的生物学学科核心素养教育价值,教师应充分发挥其价值;选择性必修2模块所包含的材料相对较少,体现维度也相对单一,但是对于学生理解生态学思想和生态工程的指导方针非常有帮助,教师也应加以利用;选择性必修3模块内的HPS材料主要呈现于章首,所占篇幅不多,但包含的内容非常丰富,特别有助于学生形成完整的学科思想脉络,在教学中不应忽略。总之,与两个必修模块相似,选择性必修模块中的HPS材料也是教学中应当加以分析与利用的良好素材。本文所梳理的材料出自教材正文与一些固定栏目。除此之外,课后练习中其实也含有HPS材料:如选择性必修1第四章第4节涉及到了顾方舟对脊髓灰质炎活疫苗的研究和巴斯德对狂犬病疫苗的研发,选择性必修3第二章第2节从多莉的死亡导入,引导学生调查克隆动物相关问题。这些材料作为情境出现于习题中,也是良好的学习材料。也有的HPS材料是内隐于正文中的,如“条件反射”出自巴甫洛夫的研究,而教材并未指出这一点,教师可以酌情处理,需要时可以介绍给学生。综上所述,选择性必修模块中通过明示与暗示,展现了许多HPS材料,它们是渗透核心素养教育的良好抓手。教师应加深对科学史、科学哲学与科学社会学的了解,从促进核心概念建构、学科思想形成、科学本质理解、核心素养发展的角度入手,思考如何在教学中用好这些HPS材料。教师应注意最终目标是学生生物学学科核心素养的发展,既要立足于生物学,将科学史材料作为学生学习生物学知识的情境材料而不是需要背诵的具体史实,又要致力于多个维度核心素养的体现,展现科学家研究中涉及的丰富内涵,而不是仅停留于知识的呈现。只要能依照上述原则进行思考,相信广大教师一定可以用好HPS材料,充分发挥其丰富的教育价值。
 
参考文献:
 
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作者:赵婷婷
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