HPS理念下指向高阶思维培养的高中生物课堂教学实践研究

摘要：文章旨在探讨hps理念在高中生物课堂教学中的应用，特别是如何通过这一理念培养学生的高阶思维。以“生长素的发现过程”为例，文章详细分析了hps教学模式的实施过程，包括历史背景的引入、科学过程的模拟、哲学和社会科学的融合，以及这些环节如何共同作用帮助培养学生高阶思维。研究结果表明，在高中生物课堂教学中运用hps理念能够有效提升学生的批判性思维、创造性思维和逻辑思维能力。

关键词：hps理念；高阶思维；植物生长素；发现历程；教学实践

中图分类号：g633.91文献标识码：a文章编号：1673-8918（2025）05-0132-04

随着教育改革的深入，高中生物教学越来越注重培养学生的科学素养和综合能力。hps（history of science， philosophy of science， sociology of science）教学模式作为一种融合了科学史、科学哲学和科学社会学元素的教学方法，被广泛应用于各学科教学中，旨在帮助学生更好地理解科学的本质，提高他们的科学素养。文章将以“生长素的发现过程”为例，探讨hps理念在高中生物课堂教学中的应用，并指出其对高阶思维培养的重要性。

一、 hps教学模式概述

hps教学模式是一种将科学史、科学哲学和科学社会学融入科学教学中的新型教学模式。它强调科学知识的历史背景、哲学思考和社会应用，旨在帮助学生从多角度理解科学知识，培养他们的科学思维和探究能力。hps教学模式的实施过程通常包括以下几个环节：

环节一：历史背景的引入

介绍科学知识的发展历程，帮助学生了解科学发现的背景和必要性。

环节二：科学过程的模拟

通过模拟科学家的实验过程，帮助学生亲身体验科学发现的过程，培养探究能力和科学素养。

环节三：哲学和社会科学的融合

引导学生思考科学发现对人类社会的影响，培养其社会责任感。

二、 hps理念下“生长素的发现过程”教学设计

（一）历史背景的引入

通过设问“人类发现的第一种植物激素是什么？”“生长素是怎样被发现的？”从而追溯到达尔文环球考察的故事。据史料记载：19世纪末，达尔文在环球考察时，为了饲养随身携带的几只鸟，种了草芦（是一种禾本科虉草属植物）。船舱很暗，只有窗户透射进阳光，达尔文发现草芦的幼苗总是朝着窗户的方向生长，但是甲板上的幼苗直立生长。之后追问：“植物真的能弯向光源的方向生长吗？”哲学观点：马克思主义哲学认为，实践是检验真理的唯一标准。引出兴趣小组有关小麦萌发的延时摄影精彩瞬间。通过眼见为实说明植物真的能朝向光源方向生长。之后追问：这种现象在植物界具有普遍性吗？展示不同植物向光性的照片（放在窗台的植物、向日葵的花盘、生出墙外的枝条等），以证实植物朝向光源方向生长的现象确实存在普遍性。这种普遍性是否蕴藏着某种规律呢？哲学观点：马克思主义哲学认为，规律是事物发展中本身所固有的、本质的、必然的、稳定的联系。即普遍存在的事物背后必然隐藏着某种规律存在。引出向光性概念，即在单侧光的照射下，植物朝向光源方向生长的现象。

（二）科学探究过程的模拟

教师引导：那植物为什么会具有向光性？达尔文及其儿子设计了巧妙的实验进行探索，涉及的主要结构是金丝雀虉草的胚芽鞘。资料补充：金丝雀虉草是一种禾本科虉草属植物，胚芽鞘是包裹在胚芽外面的锥形套状物，在种子萌发时具有顶土、保护胚芽等作用。

1. 达尔文及其儿子的实验

小组讨论达尔文父子的实验①②，思考以下问题：

（1）胚芽鞘的生长情况如何？

（2）实验的对照组和实验组分别是？

（3）①②组中自变量和因变量分别是？

（4）①②组对照你能得出什么推论？

（5）②组对自变量的控制用了什么原理？

设计意图：通过以上典型问题的设置层层深入地分析实验，培养学生的逻辑思维，实现学生科学思维的螺旋式提升。

从①组中看到胚芽鞘能弯向光源方向生长，是否意味着胚芽鞘能感受单侧光的刺激？从而引出探究感光部位的任务。

任务一：探究感光部位

提出问题：胚芽鞘感受单侧光刺激的部位在哪里？

做出假设：假设一：在尖端假设二：在尖端下部假设三：在尖端和尖端下部

演绎推理：

若假设一成立，利用减法原理，采用排除法，遮住尖端，预计：直立生长。

若假设二成立，利用减法原理，采用排除法，遮住尖端下部，预计：直立生长。

若假设三成立，利用减法原理，采用排除法，遮住尖端和尖端下部，预计：直立生长。

实验验证：

展示达尔文的③组④组实验，思考分别支持假设几？否定假设几？

再结合①组对照，能否推理出感光部位在哪里？

设计意图：借助探究感光部位的任务，开展小组讨论，积极调动学生参与课堂，主动建构知识，提升利用假说演绎法分析问题、解决问题的能力。

通过探讨得出结论：感光部位在尖端。之后进行引导：相比于③组，①组④组中出现了弯曲生长，那弯曲生长的部位又在哪里？从而引出任务二。

任务二：探究弯曲生长的部位

提出问题：胚芽鞘弯曲生长的部位在哪里？

做出假设：假设一：在尖端假设二：在尖端下部假设二：在尖端和尖端下部

如何设计实验？（提供：单侧光、记号笔、尺子、胚芽鞘）思维迁移提示：学生体检通过测量而知身高。

学生小组探讨做出汇报，如下图所示。

方法1：可以对胚芽鞘画等高线，一段时间后观察等高线哪一部分之间的距离弯曲且变得更大，可判断该部位即为弯曲生长的部位。

方法2：可以对胚芽鞘画中心竖线，一段时间后观察中心竖线哪一部分断裂且断裂的间距变得更大，可判断该部位即为弯曲生长的部位。

方法3：可以对整个胚芽鞘涂色，如涂红色，一段时间后观察哪部分颜色变浅更明显，可判断该部位即为弯曲生长的部位。

设计意图：通过任务布置，开展小组讨论，积极调动学生参与课堂，建构知识体系，提升学生合作探究能力和分析问题、解决问题的能力。

追问：单侧光照射下，植物为什么会弯向光源生长呢？

结合以上探究，达尔文曾在这两个结论（结论：感光部位在尖端结论：弯曲生长的部位在尖端下部）的基础上大胆地提出假说：尖端受到单侧光照射后，向下部的伸长区传递了某种“影响”，造成伸长区背光面比向光面长得快。

追问学生：你认为达尔文的假说有道理吗？你觉得达尔文的假说中还有哪些问题有待进一步探究？你还能提出哪些未解之谜？

未解之谜：

（1）“影响”真的能从尖端传递到伸长区吗？

（2）为什么伸长区背光面比向光面生长快？

（3）“影响”究竟是什么？

在达尔文实验的启发下陆续出现了很多经典的实验：

未解之谜1：“影响”真的能从尖端传递到伸长区吗？

2. 鲍森·詹森实验（1913年）

展示詹森实验的图像及结论，追问：你认为詹森的实验现象能支持他的结论吗？由学生讨论后小组代表阐述，培养学生实验分析、归纳概括等能力。

【思考】有人说该实验不够严谨，你的观点呢？如何提高实验的说服力？

学生讨论后认为该实验没有对照组，可以设置一组云母片作对照。

设计意图：以如何提高实验的说服力为问题导向，启发学生从实验要遵循对照原则，单一变量原则等角度分析实验，发现实验中存在的问题，并从提升实验思维严密性的角度给出优化方案，发散学生思维，培养思辨、质疑、逻辑严密等科学素养。

未解之谜2：为什么伸长区背光面比向光面生长快？

3. 拜尔实验（1918年）

展示拜尔的推论：胚芽鞘弯曲生长，是因为尖端产生的影响在其下部分布不均匀造成的。

追问：拜尔的设计是否能支撑他的观点？为什么？（由小组讨论后小组代表表述讨论结果，增强学生之间互助学习的力度，帮助学生形成团队意识）。

追问：该实验为什么要在黑暗中进行？

通过小组探讨得出的结论是排除光照对实验结果的影响。

请同学现场模拟拜尔实验切割胚芽鞘尖端，并如拜尔提供的思路一样错位放置，发现问题：胚芽鞘太小，完全切断放在一侧难以放稳，容易掉落。如何解决问题？针对该问题如何改进？设计创新性实验，学生可以发挥自己的创造力，提出新的解决方案。

学生活动：基于拜尔实验的创新设计。

实验材料：长势相同的胚芽鞘若干、刀片、黑暗条件。

实验设计：如下图所示。

设计意图：通过学生实际操作发现问题—解决问题，激发学生的探究欲，如学生想到设计左切一半一个组，右切一半一个组，不切做对照组等。这种创造性的思考方式有助于培养学生的创新精神和实践能力。

过渡：基于以上研究，曾有科学家大胆猜想这种“影响”可能是一种化学物质，真的会是化学物质吗？能否通过设计实验进一步证明“影响”是化学物质？

未解之谜3：“影响”究竟是什么？……

4. 温特实验（1926年）

展示温特的实验过程，思考问题串：

（1）对照组和实验组分别怎样处理？

（2）对照组和实验组分别出现什么现象？

（3）温特实验的结论是什么？

（4）温特的实验思路借鉴了哪些科学家的思路？

在其他科学家思路的基础上又做出怎样巧妙的设计？

设计意图：以问题串的形式引导学生小组探讨，通过对照组和实验组的分析帮助学生感悟温特实验中思维的严密性，又通过问题4的设置帮助学生感悟温特实验的巧妙之处。

随着时间的推移，科技的进步，“影响”的神秘面纱逐渐浮出水面，以科学史料的形式呈现后续研究的成果。

（1）1934年，科学家首先从人尿中分离出与生长素作用相同的化学物质——吲哚乙酸（iaa）。

（2）由于生长素在植物体内含量极少，直到1946年，人们才从高等植物中分离出了生长素，并确认它就是iaa。

（3）后续的进一步研究表明植物体内具有与iaa相同效应的物质还有苯乙酸（paa）、吲哚丁酸（iba）等。

后续研究成果被科学界广泛认同后，人们又继续追问单侧光照射后，运输到伸长区的生长素为什么会分布不均？对这个问题争论不断，你的观点呢？

设计意图：抛出问题，启发学生思考，尽可能提出不同的猜想，提升学生的科学思维。

观点一：（分解假说）单侧光照射使尖端向光侧的生长素发生了分解。

观点二：（转移假说）单侧光照射使尖端向光侧的生长素向背光侧发生了转移。

合作探究：如何以温特的实验设计思路为参照，设计出定量分析的实验，用数据给出更具说服力的论证。

如何设计实验？（提供：胚芽鞘、琼脂块、云母片、单侧光、黑暗）

含量预计：若a>b，支持分解假说；

若a≈b，否定分解假说；