基于HPS模式的教学设计

向炯 崔鸿

摘要以“基因在染色体上“为例，利用HPS教学模式，设计“呈现现象、启发观点、学习历史、设计实验、科学观点、总结与评价”6个教学环节，培养学生生物学学科核心素养，促进学生对科学本质的理解。

关键词 HPS 教学模式 科学本质 基因在染色体上 教学设计

中图分类号 G633.91

文献标志码 B

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》指出生物科学史的学习能够使学生理解科学的本质和科学的思路和方法。因此，教师将HPS（Histo⁃ry，Philosophy，Sociology of Science）教育应用到生物学教学实践中，促进学生对科学本质的理解，加深学生对科学知识理解的深度和广度。

1设计思想

科学的本质是科学探究。人们通过这种探究过程，不断认识自然现象，形成科学的理论，促进社会进步，改善人类的生活。已有学者通过研究表明在教学中融入HPS教育能促进学生对科学本质的理解，培养人文气质、批判性精神和创新能力。

下面以“基因在染色体上”的教学为例，将英国科学教育学者孟克和奥斯本提出的HPS教学模式应用于课堂教学实践，设计“呈现现象（Presentation）、启发观点（Elicitation）、学习历史（Historical Study）、设计实验（Devising Test）、科学观点（The Scientific View）、总结与评价（Review and Evaluation）”6个教学环节，为探索课堂教学中促进学生对科学本质的理解提供参考。该教学流程如图1所示。

2教材分析

“基因在染色体上”是人教版高中生物学《必修2·遗传与进化》第二章第二节的内容。学生在第一章已经学习孟德尔遗传定律，理解了遗传因子（基因）在亲子代间的传递规律。在第二章第一节“减数分裂和受精作用”的学习中，学生在细胞水平上了解了染色体的行为变化。本节内容将遗传因子（基因）在亲子代之间的传递过程与减数分裂中染色体的行为变化相关联，促进学生理解孟德尔遗传的实质。萨顿通过观察减数分裂过程中染色体行为，提出基因在染色体上的假说。摩尔根利用果蝇为实验材料，利用“假说—演绎法”证明了“基因在染色体上”。这些内容为第三节“伴性遗传”中，将基因（如红绿色盲基因、抗维生素佝偻病基因等）定位于特定的性染色体，以及第三章“基因的本质”学习打下良好的知识基础。

3教学目标

1比较孟德尔豌豆杂交实验的F1形成配子过程

中基因（遗传因子）的变化与减数分裂过程中染色体的行为，说明基因和染色体的关系。

2运用科学史材料——《果蝇的限性遗传（Sex-limited Inheritance》，理解摩尔根对果蝇颜色遗传现象的分析。

3试图设计果蝇杂交实验，证明控制白眼的基因在X染色体上，Y染色体上不含等位基因的解释。

4尝试运用假说—演绎等科学方法解释自然现象，证明基因与染色体的关系，认同科学的本质是一种探究的方式，科学知识是不断修正发展的过程。

4教学过程4.1呈现现象

教师提供美国遗传学家萨顿的观察结果：在观察蝗虫的精子和卵细胞的形成过程时发现，减数分裂过程中染色体的行为和孟德尔所述的遗传因子的传递规律非常相似，如圖2与图3所示。

4.2启发观点教师引导学生思考：萨顿观察到这样的现象后，

得到了怎样的结论？学生讨论后，得出：基因和染色体的行为存在着明显的平行关系。教师追问：在分离定律与自由组合定律中，遗传因子的传递规律与同源染色体分离、非同源染色体自由组合的所表现出的染色体行为的相似性体现在哪里方面？并展示基因与染色体的关系（表1）。

4.3学习历史

教师提供有关果蝇和摩尔根实验的资料：果蝇作为重要的遗传学实验材料，具有个体小、易饲养、繁殖快、有易于区分的性状等优点。果蝇体细胞中含有4对染色体，3对常染色体，1对性染色体，如图4所示。

雌果蝇体型较大，背部具5个黑色条纹，性染色体是同型的，用XX表示;雄果蝇体型较小，背部具3个黑色条纹，性染色体是异型的，用XY表示。野生型果蝇均为红眼，摩尔根在实验中偶然发现了一只白眼雄果蝇，并利用这只白色雄果蝇做了果蝇杂交实验，如图5所示。

摩尔根及其同事提出“控制白眼的基因（用w表示）在X染色体上，而Y染色体上不含有它的等位基因”的假说，分析图解如图6所示。

教师要求学生根据所学知识，以小组为单位以果蝇为实验材料，设计实验验证摩尔根的假说是否正确。

4.4设计实验

学生以小组为单位，讨论实验方案。图7为其中一个学习小组的实验设计。

教师呈现摩尔根的研究结果。根据摩尔根于1910年在Science上发表《果蝇中的限性遗传》论文中的相关内容，他设计了5组果蝇杂交实验证明其假设，五组实验的结果均与假设相符，从而证明了假设的正确性，为其最终的结论提供了直接的证据。5组果蝇杂交实验如下所示：

实验1：白眼（♀）×白眼（♂）;

实验2：F2红眼（♀）×白眼（♂）;

实验3：F1红眼（♀）×白眼（♂）;

实验4：F1红眼（♂）×白眼（♀）;

实验5：野生红眼（♂）×白眼（♀）。

教师引导学生分析：第五组实验中，根据分析控制白眼的基因位于Y染色体上，子代全部为红眼。控制白眼的基因不位于Y染色体上，子代中雌蝇表现为红眼，雄蝇表现为白眼，如图8所示。

学生讨论后，得出结果：摩尔根的实验结果表明，野生红眼与白眼杂交后，子代雌蝇全部为红眼，雄蝇全部为白眼。这证明了控制白眼的基因在X染色体上，而Y染色体上不含有它的等位基因。

教师补充：人类历史上第一次将一个特定的基因（白眼基因w）和一条特定染色体（X染色体）联系起来，用实验证明了基因在染色体上，将遗传学研究推向细胞水平。

4.6总结与评价

教师总结：从萨顿对蝗虫减数分裂的研究，他推论出基因由染色体携带从亲代传递给下一代，摩尔根则利用果蝇为实验材料，通过假说—演绎法验证假设，最后得出了基因在染色体上的结论。教师引导学生总结出“基因在染色体上”结论获得的流程图，如图9所示。

5教学反思

本節课将HPS教学模式应用于生物学教学实践中，以摩尔根发表的《果蝇的限性遗传》论文中的部分内容为依据，真实还原历史情境。教师通过展示基因于染色体的平行现象，启发学生提出基因在染色体上的观点，学习摩尔根的果蝇杂交实验，引导学生设计实验验证摩尔根对此现象的解释，呈现科学家摩尔根如何设计实验验证其解释，并引导学生与自己设计的实验做对比，最后总结科学方法是“观察现象→提出问题→作出假设→设计实验→实施实验→实验结果→得出结论”一系列有序步骤。通过本节课的学习，学生在科学探究的过程中，习得科学知识，体验科研精神，提升生物学学科核心素养，促进学生对科学本质的深入理解和内化。

参考文献：

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