例談基于生物科學史與模型 建構(gòu)培養(yǎng)學生科學探究素養(yǎng)

李菊芳 朱俊

摘要 通過具體的案例，分析探討了如何通過基于生物科學史和借助模型與建模來培養(yǎng)學生的科學探究素養(yǎng)，并且小結(jié)了運用科學史和建模進行探究式教學的大致流程，以期待將科學探究素養(yǎng)的培育落實到實處。

關(guān)鍵詞 生物科學史 模型建構(gòu) 科學探究素養(yǎng)

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

縱觀近年來課改，發(fā)展學生核心素養(yǎng)成為目前高中階段課程改革的重要目標。生物學學科核心素養(yǎng)是中國學生核心素養(yǎng)的重要組成部分，是指學生在接受生物學教育過程中逐步形成的適應個人終生發(fā)展和社會發(fā)展所需的必備品格和關(guān)鍵能力，包括生命觀念、科學思維、社會責任和科學探究。其中科學探究是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現(xiàn)象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及結(jié)果的交流與討論的能力。科學探究是研究生命科學的最基本方法，也是未來公民在創(chuàng)新型社會中從事生產(chǎn)和生活應具備的能力。生物學教師如何在教學中開展科學探究活動，發(fā)展學生科學探究素養(yǎng)？這是新形勢下面臨的重要挑戰(zhàn)。筆者結(jié)合自己教學實踐，談一談如何在教學過程中基于生物科學史與模型建構(gòu)培養(yǎng)學生科學探究素養(yǎng)。

1 基于科學史，體驗科學探究歷程

科學是一個發(fā)展的過程，生物學課程包含豐富的科學史材料，這是組織探究式教學的優(yōu)質(zhì)資源，對于學生掌握探究方法、提高探究技能具有重要價值。為了讓學生通過體驗知識的發(fā)生和發(fā)展過程，更好理解科學探究的本質(zhì)，教師可對科學史資料進行了適當?shù)闹亟M和加工，為學生創(chuàng)設一個“知識再發(fā)生”的探究情境。例如，在必修1“細胞核——系統(tǒng)的控制中心”一節(jié)，人教版教材中有多則科學家探究細胞核功能的科學史料。為了還原科學發(fā)生的本真，讓學生親歷科學探究歷程，筆者以教材中的科學史料4為例，先介紹傘藻的結(jié)構(gòu)，再根據(jù)史料改編成科學探究實驗。

1.1 創(chuàng)設情境，提出問題

提出問題是科學探究的起點，教師應營造和諧活潑的課堂氛圍，創(chuàng)設有利于生成問題的真實情境。教師展示菊花形帽和傘形帽的2種傘藻圖片，提出問題：萬事皆有因，萬般皆有果，對于傘藻細胞而言，“帽”的形狀是由柄，還是由假根決定？從而誘發(fā)學生敢于、樂于、善于提出有價值的問題。

1.2 討論可能，作出假設

教師要求學生分組討論有哪些可能的假設。學生通過討論大概提出如下幾種可能性。假設1：由柄決定;假設2：由假根決定;假設3：由柄和假根共同決定;假設4：由傘藻生存的環(huán)境決定……

作出假設是科學探究的技能之一，涉及嚴謹?shù)耐评砗痛竽懙南胂蟮人季S方式。教師要善于鼓勵學生大膽想象和推理，培養(yǎng)學生思維的靈活性和開放性，并要求以嚴謹?shù)耐评硌堇[提高假設的科學性和驗證的可行性，通過系統(tǒng)的訓練對學生作出假設的技能加以鞏固。

1.3 規(guī)劃實驗，設計方案

先由學生小組討論實驗設計方案（傘藻的嫁接實驗），再由學生代表闡述設計思路，小組之間互評，教師給予引導，各組學生再完善設計方案。

設計實驗方案是科學探究的主要環(huán)節(jié)，經(jīng)典實驗中蘊藏著豐富的科學思想和巧妙方法，教師要善于引導、培養(yǎng)學生實驗設計的能力。

1.4 分析實驗，預測結(jié)果

小組討論，根據(jù)自己提出的假設提出合理的結(jié)果預測并且學會用如果……則……的句式描述：

如果A且B，則帽形由柄決定;

如果A且B，則帽形由假根決定;

如果A且B，則帽形由柄和假根共同決定。

1.5 回歸史實，重現(xiàn)結(jié)果

學生自主完成實驗方案并作出結(jié)果預測后，教師再呈現(xiàn)科學家做的經(jīng)典實驗，展示實驗的真實結(jié)果，帶領學生分析經(jīng)典實驗的思路、原理和步驟，使學生領悟其中蘊含的科學精神和研究方法，通過對比反思自己的實驗方案。在此過程中，學生既總結(jié)自己設計的嚴謹巧妙之處，獲得科學探究的成就感，也發(fā)現(xiàn)自身的不足加以改進。

1.6 深入探究，深化實驗

教師繼續(xù)通過設問引發(fā)學生思考：假根決定“帽”的形狀，是細胞核還是細胞質(zhì)起主要作用，如何證明？通過繼續(xù)探究培養(yǎng)學生嚴謹?shù)乃季S和科學探究技能。最后，學生通過實驗探究得出了細胞核控制性狀的遺傳的結(jié)論。

筆者總結(jié)了利用科學史進行探究式教學的大致流程，如圖1所示。

2 借助模型與建模，感悟科學探究思維

《普通高中生物學課程標準（2017版）》（以下簡稱課標）提出要讓學生能夠運用模型與建模方法探討生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學社會議題。模型建構(gòu)法通常是運用身邊材料工具等構(gòu)建、推演或運用數(shù)學方法和文字圖像等加以描述、概括的一種活動。高中的生物學模型可以分為物理模型、數(shù)學模型和概念模型3類，其中物理模型是指以實物或圖畫的形式直觀地表達實際對象的形態(tài)結(jié)構(gòu)或三維結(jié)構(gòu)或發(fā)生過程。運用模型建構(gòu)可以讓抽象的知識變得更加具體形象，是學生理解和掌握生物學核心概念的重要方法。因此，充分挖掘模型建構(gòu)探究活動是培育學生科學探究素養(yǎng)的良好途徑。

下面借助物理模型建模，展示科學探究思維培育過程（以人教版必修2減數(shù)分裂中染色體的行為變化模型建構(gòu)部分內(nèi)容為例）。

2.1 創(chuàng)設相關(guān)情境，鋪墊探究問題

教師呈現(xiàn)科學史：1883年，比利時細胞學家比奈登觀察到，馬蛔蟲的受精卵中有兩對染色體，精子和卵細胞中的染色體只有兩條。教師要求學生思考馬蛔蟲的受精卵和精子、卵細胞中染色體數(shù)目和形態(tài)特點的區(qū)別。

2.2 教師發(fā)揮主導，提出探究問題

教師提出問題：減數(shù)分裂怎樣進行，才能使原始生殖細胞中兩兩相同的染色體分離，而且染色體數(shù)目減半？

2.3 借助模型材料，提出模型假設

學生利用教師提供的模型建構(gòu)材料，即兩種不同顏色的扭扭棒若干（兩種顏色一種代表來自父方的染色體，一種代表來自母方的染色體）。學生每四人為一小組合作探究。學生先互相討論，再利用提供的材料動手構(gòu)建可能的減數(shù)分裂過程模型，小組代表再上臺展講每組的模型假設。學生的假設主要有兩種：

①染色體不復制，細胞分裂1次;

②染色體復制1次，細胞分裂2次。

其中第二種假設占主要。基于有絲分裂前概念的學習，多數(shù)學生認為減數(shù)分裂間期也要經(jīng)歷有絲分裂間期類似的染色體復制過程。在教師的提示下，學生結(jié)合科學史材料分析：1890年奧斯卡·赫特維奇經(jīng)過實驗觀察證實了染色體只有經(jīng)過復制才能啟動分裂，并且減數(shù)分裂過程包含兩次連續(xù)的分裂。學生從而得到更多的證據(jù)支撐，并主要根據(jù)第二種假設構(gòu)建模型進行合作探究活動。

從第二種假設模型建構(gòu)中，又從學生展示的模型中選取最多的兩種結(jié)果交流展示，如圖2、圖3所示。

2.4 尋找真實證據(jù)，驗證假設真?zhèn)?/p>

教師提問：究竟哪種模型假設是正確的呢，如何來驗證假說？學生首先想到的是通過實驗觀察驗證。教師肯定學生的實證思維，然后通過展示蝗蟲精母細胞減數(shù)分裂固定裝片的照片和百合花藥減數(shù)分裂過程圖的照片，鼓勵學生深入發(fā)掘證據(jù)。學生找到了減數(shù)第二次分裂前期染色體的形態(tài)圖，發(fā)現(xiàn)著絲點并沒有分裂，細胞內(nèi)不含同源染色體，由此推測模型假設2更具有說服力。

該過程同時對于沒有開展真實實驗的學生也是非常有意義的。教師引導學生通過各種方式去尋找證據(jù)，通過質(zhì)疑、辯駁，促使學生產(chǎn)生思維的碰撞，或者推翻不合理假設，或者完善認可合理的假設，這一過程可以提升學生獲取信息和對信息進行處理的能力，能促進學生理解科學概念、科學本質(zhì)及提高自身的科學思維和合作探究能力。

2.5 突破主觀概念，修正完善模型

學生基于模型假設2對模型進行修正。有不少學生囿于有絲分裂前概念，在構(gòu)建減數(shù)第一次分裂的前期和中期模型時，染色體的行為類似于有絲分裂前期和中期。這時，教師不要急于對學生的模型進行評論，而是及時展示史料：1903年，美國遺傳學家薩頓通過對蝗蟲精子形成過程中染色體變化研究，深刻地闡述了“遺傳的染色體理論”。他得出了“同源染色體在減數(shù)分裂時，以配對的形式聯(lián)合，再彼此分離”的結(jié)論。然后，再提出問題：如何完善減數(shù)分裂過程中染色體模型？

教師引導學生沿著知識發(fā)現(xiàn)的過程繼續(xù)思考，運用已有知識自我構(gòu)建新知識，幫助學生在不斷的思維沖突中逐漸修正完善模型，最后再構(gòu)建出減數(shù)分裂這個核心概念。

通過以上案例分析，筆者小結(jié)了利用物理模型進行探究式教學的一般流程：

創(chuàng)設探究的問題情境→提出探究問題→借助建模，提出模型假設→尋找證據(jù)，驗證假設→修正、完善模型→構(gòu)建核心概念。

3 反思與討論

課標指出，生物學課程期待學生主動參與學習過程，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據(jù)、檢驗假設和發(fā)現(xiàn)規(guī)律等過程中習得生物學知識，養(yǎng)成科學思維的習慣，形成積極的科學態(tài)度。高中階段生物學課程是科學領域的重要學科課程之一，既要求學生獲得基礎的生物學知識，又要讓學生領悟生物學家在研究過程中解決問題的思路和方法。

3.1 借助模型與建模，感悟科學探究思維的反思

在模型制作活動中，學生需要運用已有知識進行假設、模擬、實驗、觀察、對比及歸納、演繹，將復雜事物進行簡化，將抽象概念形象化、具體化。通過合作探究，不同學生對于相同事物所構(gòu)建的模型可能不同。在思維碰撞下，學生的科學思維、創(chuàng)新精神和探究能力均得到提高。

3.2 基于科學史，體驗科學探究歷程的反思

利用生物科學史開展教學時，教師可以借助有趣的史實還原科學發(fā)現(xiàn)的本真過程，讓學生體驗知識的發(fā)生、發(fā)展過程，體會科學家解決問題的過程和研究思路，感悟科學精神和科學態(tài)度，從而更好地理解科學探究的本質(zhì)，提升自身生物學核心素養(yǎng)。教師平時應多閱讀科學史相關(guān)資料，準確把握科學史發(fā)展的脈絡，深入領略科學史中蘊含的人文精神和科學方法，以便自如地對教材涉及的科學史內(nèi)容加以運用、拓展或適當加工重組，以此能更好地發(fā)揮科學史的教育價值。

參考文獻：

[1]王永勝等.生物學核心概念的發(fā)展——高中生物新課程的科學史[M].北京：人民教育出版社，2007：43-44.

[2]朱止威，趙占良.普通高中課程標準實驗教科書·生物·必修2.遺傳與進化教師教學用書[M].北京：人民教育出版社，2007：46-56.

[3]殷海洋.生物模型構(gòu)建課例分析：以“生物學科模型的建構(gòu)專題”教學為例[J].中學生物教學，2018（ 1-2）：143-144.

[4]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.