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        20周年學術成果集

        學術論文選登 | “HPS教學模式”應用于高中生物科學史的教學策略初探 ——以人教版高中生物必修三“促胰液素的發現”內容為例

        作者:leiling發表時間:2020-11-03 閱讀次數:6831

        吳航楓  成都市郫都區嘉祥外國語學校

         

        摘  要以“促胰液素的發現”一節為例,概述如何利用“融合式HPS教學模式”充分挖掘科學史教育的價值。課堂上教師通過中采取科學史資料的補充、設置探究問題等方式,將學科核心素養融入教學各個環節,從而培養學生的科學素養和探究精神,實現科學史教育的真正目的。

        關鍵詞:HPS教學模式;科學史教育;促胰液素;教學策略

         

        生物科學史是以生物科學產生和發展的過程為輪廓,以科學發展歷程中帶有重大轉折作用的主題及事件為主線,用詳實的資料論述了科學家們的創造性勞動,生動地描述他們進行科學探索的思維過程和方法,同時也對生物學發展的邏輯和社會歷史背景等重大問題作出評論[1]。正是由于生物科學史能夠將生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任有機地融合起來,很好地體現了生物學的核心素養和素質教育的要求,因此教師應利用好教材中科學史材料,在教學中充分發揮生物科學史的教育作用。

        HPSHistory、Philosophy & Sociology of science)教育是指基于科學史、科學哲學、科學社會學的教學模式。HPS教育長期以來一直被認為是科學教育的重要貢獻者,是國外科學教育界推行的一種提升科學教育教學質量、加深對科學本質的理解和提高公民的文化素養的教學模式[2]。學生通過HPS教學課程,能夠主動地參與學習,在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據、檢驗假設、發現規律等過程中多維度地深刻理解科學內涵,構建相應的科學概念,提高對科學學習的興趣,發展終身學習及創新實踐能力。因此,利用HPS教學模式去深入呈現科學史內容,便能讓學生真正站在巨人的肩膀上眺望得更高更遠。

        一、“HPS教學模式”的主要內容

        HPS教育是把與科學發生有關的歷史、科學哲學和科學社會學內容整合入科學教育的過程。在科學史的學習過程中,通過教師的引導教師指引學生,將學生的觀念與當時科學家的觀念相互融合,進行跨越時空的交流,幫助學生主動構建科學觀念。為達此目的,教師需將與該科學發現相關的科學歷史背景、科學社會概況等進行補充,打破學生原有思維框架、重建科學知識體系。讓學生更深入、全面、具體地認識自然科學知識與社會的關系。

        現在對于HPS教育模式最為流行的是英國科學教育學者孟克和奧斯本通過總結歷年來科學教育的實踐經驗,借鑒建構主義理論所提出的“融合模式”。[3]此模式充分聯系教學實際、密切關心教學目標,為真正落實科學史教育奠定了基礎,融合式HPS教學模式的基本流程如下(圖1):

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        圖1:   融合式HPS教學模式的基本流程圖

        “促胰液素的發現”是人教版高中生物教材必修三第二章第二節“通過激素的調節”一節中的“資料分析”,由“囿于定論的沃泰默”、“另辟蹊徑的斯他林和貝利斯”以及“巴浦洛夫的感嘆”三個故事構成。這三個故事在一條時間軸上,具有緊密的聯系,較完整地呈現了這個科學發現的詳實過程。針對這段科學史的教學,筆者嘗試借用“HPS教學模式”就教學過程和教學意圖進行具體說明。

        二、基于“HPS教學模式”在“促胰液素的發現”的具體應用

        (一)演示實驗

        “演示實驗”指的是教師向學生陳述或演示某一自然現象,學生觀察此現象,由此產生需要解決的問題。

        初中生物已經學過食物消化與吸收的過程,因此可以先從學生熟悉的消化系統相關知識作為切入點,例如:我們吃進食物后,食物會經歷哪些器官才最終被排出體外?那在通過消化道的時候還有什么物質會促進我們的消化作用?從而逐步引出消化腺中的胰腺,并讓學生明確胰腺在人體內的位置。接著教師繼續設問:“當食物進入人體最大的消化器官胃時,胃會發生怎樣的反應?”,學生很容易得出答案:食物會進行初步消化,同時胃會通過其產生的胃酸幫助食物分解。接著教師進一步啟發:“胃通過蠕動將食物送進小腸,同時胰腺便會分泌胰液,胰液通過導管進入小腸,一方面由于胰液呈堿性可以中和胃酸,并且胰液含有大量的消化酶有利于酸性食糜進一步消化?!敝v到這里,啟發學生思考:為什么酸性食糜進入小腸后便會使胰腺分泌胰液?酸性食糜并沒有接觸胰腺,那促進胰腺分泌胰液的這個信號是如何送達到胰腺的呢?

        通過這一環節的設置,拋出實際問題,激發學生針對這一問題去思考和探究的興趣。

        (二)引出觀點

        “引出觀點”指的是學生受教師啟發對這一現象提出自己的解釋、觀念。

        由于學生在此之前已經學習過“通過神經的調節”,所以當提出上述問題后學生很容易想聯想到這是一個反射活動,順著學生思維引導學生寫出這個反射弧完整的反射路徑:酸性食糜(刺激)→小腸(感受器)→傳入神經→神經中樞→傳出神經→胰腺(效應器)。這時學生便產生了針對這一問題的解釋和觀點:胰腺分泌胰液是受神經的調節。

        通過這一環節的設置,讓學生學會利用所學知識進行合理的推理和猜想,同時也與我們要講的知識形成了認知沖突,帶著疑問去經歷接下來的學習過程,在不斷地糾正和完善的過程中,明白科學是一個不斷否定、不斷認證的過程。

        (三)學習歷史

        “學習歷史”指的是教師向學生介紹早期科學家對這一現象的解釋,以及同時期其他科學家的不同觀念,引導學生討論這些觀念產生的時代背景。

        這一環節便可讓學生自己分析教材上沃泰默和斯他林、貝利斯的實驗。在分析教材之前教師可補充一段科學史:1850年法國生理學家貝爾納研究發現,當狗進食后,胃便開足馬力,把食物磨碎,當酸性食糜進入小腸時,胰腺馬上分泌胰液并立刻送到小腸和磨碎的食物混合起來,進行消化活動。貝爾納就是本書第一章中提出“內環境的恒定主要依賴于神經系統的調節”的科學家,“19世紀學術界普遍認為是胰液的分泌是受神經系統的調節”這種觀點也因此順理成章地被提出來。此段歷史的補充強化了學生的認同感,也能使他們能主動置身于當時的科學環境中。對于這段科學歷史的學習,建議學生以表格的形式呈現出來,增強學生對于實驗的理解和分析。(如表1和表2所示)

        表1:沃泰默的實驗

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         表2:斯他林和貝利斯的實驗

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        這一環節使學生重溫探究歷程,領悟科學研究的過程和方法,并強調科學實驗中遵循對照和單一變量原則的重要性。

        (四)設計實驗

        “設計實驗”是指要求學生選擇某一觀點進行深入分析和設計補充實驗,使得這段科學發現過程更完整和嚴謹。

        此環節可將學生分為兩組,設置兩個問題:①通過兩組科學家的實驗,能說明胰液的分泌不受神經的調節?②斯他林和貝利斯的實驗嚴謹嗎?還需要補充實驗嗎?教師可引導學生分析上述實驗的自變量、因變量、無關變量等因素,利用單一變量的原則去設計補充實驗。

        針對問題①,教師可引導學生回顧赫爾希和蔡斯“T2噬菌體侵染大腸桿菌”的實驗設計思路,結合單一變量、分別單獨觀察的原則學生可補充設計如下實驗:

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        針對問題②學生可補充設計如下實驗:

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        通過設計實驗的過程讓學生能相對于平時的課堂練習,更加興趣盎然,積極思考。讓學生體驗到科學探究和知識遷移的滿足感,同時也讓學生認同科學結論獲得的最基本的方法是實驗驗證的方法,并認識到一個正確結論須通過完善和嚴謹的實驗途徑獲得。

        (五)呈現科學觀念和實驗檢驗

        “呈現科學觀念和實驗檢驗”指的是教師通過講解教科書上對這一現象的解釋,幫助學生實現觀念的轉變。

        通過促胰液素的發現,使斯他林和貝利斯很快意識到這不僅是一個新的化學物質,而是發現了調節機體機能的一個新概念、新領域,動搖了完全由神經調節的概念。此時教師可補充一段科學史資料:1905年,為了尋找一個新詞來稱呼這類化學信使,他們采用了同事哈代的建議,創用了源于希臘文的一個詞“激素”(hormone,“刺激”的意思),促胰液素便是歷史上第一個被發現的激素??茖W史資料的補充,讓學生對這一現象重新樹立了科學的認識,并轉變上課初所建立的錯誤認知。同時,教師結合本節內容中的“巴浦洛夫的感嘆”,尊重科學發展的事實,引導學生客觀地評價各位科學家在科學發展中的得與失,分析討論這些經驗教訓給自己帶來的啟示,認識到科學發展是螺旋式的上升,實現情感態度價值觀的目標。

        (六)總結與評價

        “總結與評價”是指教師幫助學生總結科學知識產生的過程中涉及的相關科學知識,從而更深刻地理解科學的本質。

        通過“促胰液素的發現”這段科學史的完整學習,教師再幫助學生認識深入的科學本質,例如:人類發現的第一種激素——促胰液素的主要來源是十二指腸粘膜上的內分泌細胞,化學本質是多肽;現代生理學研究發現,食物的色、香、味、形對各消化道的刺激,可通過條件反射和非條件反射引起胰液的分泌,因此胰液的分泌液會受到神經的調節。此環節的設置讓學生能從科學本質上深入理解學習內容,而且也為學生解答了對于本節知識認知中所存在的疑惑。

        三、對本節課教學策略的反思和總結

        對于“促胰液素的發現”這部分科學史內容,雖然以“資料分析”的形式出現在教材上,并未單獨成為某一章節的教學內容,但是在讓學生理解科學發展歷程、學習實驗探究方法和知識內容承上啟下等方面是一個很好的教學素材和載體。教師在運用“融合式HPS教學模式”的基礎上,通過生命現象提出問題,從而激發學生的學習興趣,結合科學歷史的發展歷程,引發學生深入思考,并完善科學家實驗的不足,最終深入了解科學本質,領悟科學態度和科學精神[4]。

        筆者在教學中采取科學史資料的補充、設置探究問題等方式來化解和突破學習過程中的難點,將六個環節的起承轉合做到邏輯嚴謹、過渡自然,有效幫助學生不僅知道了科學家發現了什么,還知道是怎么發現的,從中使學生獲得方法論的教育。通過補充的科學史有助于學生對知識的深入理解、創新能力的培養。教師引導學生對科學家實驗的追問和質疑正是對科學知識去粗取精、去偽存真的進程,也符合建構主義對科學本質的理解:科學知識具有動態性,是不斷變化的[5]。只有通過HPS教學模式去深入挖掘教材科學史內容,將學科核心素養有機穿插在各個教學環節中,才能讓科學史教育不僅只服務于知識目標,而且能讓學生體會科學發生發展的過程,培養學生的科學素養,從而更深刻地認識自然科學知識與人類社會的聯系。

         

        參考文獻:

        [1] 劉恩山, 汪忠. 普通高中生物課程標準(實驗)解讀[M]. 江蘇教育出版社, 2004.

        [2] Herman B C, Clough M P. Teachers’ Longitudinal NOS Understanding After Having Completed a Science Teacher Education Program[J]. International Journal of Science & Mathematics Education, 2016, 14(1):207-227.

        [3] Monk M, Osborne J. Placing the history and philosophy of science on the curriculum: A model for the development of pedagogy[J]. Science Education, 1997, 81(4):405-424.

        [4]王嬌龍, 張迎春. 基于HPS的高中生物教學設計研究[J]. 中學生物學, 2015, 31(4).

        [5] 戴丹丹. HPS教學模式在高中生物必修2科學史教育中的應用初探[D]. 南京師范大學, 2015.


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