依托科學(xué)史培養(yǎng)科學(xué)思維

陳衛(wèi)東

摘要：科學(xué)家提出探究問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、得出實(shí)驗(yàn)推論等過程，蘊(yùn)含著科學(xué)研究的一般方法，從科學(xué)史中開掘出來并在教學(xué)中合理使用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維?！吨参锷L素的發(fā)現(xiàn)》一課，圍繞科學(xué)家發(fā)現(xiàn)植物生長素的科學(xué)史展開，著重凸顯“歸納與概括”“模型與建?！薄百|(zhì)疑與反思”等科學(xué)研究方法，以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

關(guān)鍵詞：科學(xué)史 科學(xué)思維 歸納與概括 模型與建模 質(zhì)疑與反思

“科學(xué)思維”是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》要求學(xué)生“應(yīng)該在學(xué)習(xí)過程中逐步發(fā)展科學(xué)思維，如能夠基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會(huì)議題?！?/p>

人教版高中生物選擇性必修1《穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》模塊中《植物生長素》一節(jié)，編入了達(dá)爾文、鮑森·詹森、拜耳、溫特等科學(xué)家的探索實(shí)驗(yàn)，呈現(xiàn)了植物生長素發(fā)現(xiàn)的科學(xué)史，其中蘊(yùn)含豐富的科學(xué)思維培養(yǎng)的資源。對(duì)此，筆者開設(shè)了《植物生長素的發(fā)現(xiàn)》一課，再現(xiàn)科學(xué)家的研究歷程，強(qiáng)調(diào)科學(xué)研究方法，著力培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

一、教學(xué)設(shè)計(jì)

明確本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)為：概述植物生長素的發(fā)現(xiàn)過程;體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)生長素的過程和方法;評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)論，培養(yǎng)科學(xué)思維。教學(xué)重點(diǎn)是生長素的發(fā)現(xiàn)過程。教學(xué)難點(diǎn)是生長素的產(chǎn)生、運(yùn)輸和分布以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性分析。以下為具體的教學(xué)過程：

（一）生長素的發(fā)現(xiàn)過程

1.向光性現(xiàn)象導(dǎo)入。

出示長時(shí)間放置在窗臺(tái)上不移動(dòng)的盆栽植物圖片，提出問題：這株植物在生長方向上有什么特點(diǎn)？ （預(yù)設(shè)：向光性）然后，引導(dǎo)學(xué)生歸納出向光性的定義。

過渡：人們對(duì)向光性現(xiàn)象“熟視無睹”，而達(dá)爾文做了個(gè)有心人，提出了“為什么”。

介紹達(dá)爾文研究金絲雀虉草向光性的背景資料：

1831年畢業(yè)于劍橋大學(xué)后，達(dá)爾文在其導(dǎo)師亨斯洛的推薦下，以“博物學(xué)家”的身份參加了英國海軍“小獵犬號(hào)”艦環(huán)繞世界的科學(xué)考察航行。達(dá)爾文在隨“小獵犬號(hào)”環(huán)球旅行時(shí)，隨身帶了幾只鳥，為了喂養(yǎng)這些鳥，又在船艙中種了一種叫草蘆的草。船艙很暗，只有窗戶會(huì)透射進(jìn)陽光。達(dá)爾文注意到，草的幼苗向著窗戶的方向彎曲、生長。后來，達(dá)爾文著手開展了一系列的實(shí)驗(yàn)來研究向光性問題，并在1880年出版的《植物的運(yùn)動(dòng)力》一書中總結(jié)了這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

提出問題：達(dá)爾文的研究工作對(duì)我們有什么啟示？預(yù)設(shè)：處處留心皆學(xué)問;科學(xué)研究需要有敏銳的觀察力。

2.達(dá)爾文實(shí)驗(yàn)的分析。

過渡：科學(xué)重視實(shí)證，我們來看看達(dá)爾文做了什么樣的實(shí)驗(yàn)。

出示實(shí)驗(yàn)過程圖示（如圖1），引導(dǎo)學(xué)生討論、交流實(shí)驗(yàn)的操作過程和結(jié)果。

學(xué)生陳述問題的答案后，再提出新的問題：實(shí)驗(yàn)中遮蓋胚芽鞘的尖端及尖端下部的目的是什么？預(yù)設(shè)：為了分析這些部位與向光生長的相關(guān)性;這運(yùn)用的是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的排除法，采用了對(duì)照試驗(yàn)中的“減法原理”。

提出問題：胚芽鞘感受單側(cè)光刺激的是哪一部分？ （預(yù)設(shè)：胚芽鞘的尖端）彎曲生長的又是哪一部分？（預(yù)設(shè)：尖端下部）感受光刺激的部位和向光彎曲的不是同一部位，達(dá)爾文怎樣解釋這一現(xiàn)象的？ （預(yù)設(shè)：?jiǎn)蝹?cè)光照射使胚芽鞘的尖端產(chǎn)生某種刺激，當(dāng)這種刺激傳遞到下部的伸長區(qū)時(shí)，會(huì)造成背光面比向光面生長得快，因而出現(xiàn)向光性彎曲）

3.鮑森·詹森、拜爾、溫特實(shí)驗(yàn)的分析。

過渡：達(dá)爾文的推論中還有哪些內(nèi)容尚未得到證實(shí)？胚芽鞘尖端向下傳遞的刺激是什么？后人為解決這些問題繼續(xù)探究。

出示三個(gè)實(shí)驗(yàn)過程圖示（如圖2—下頁圖4），讓學(xué)生小組分別討論其中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，要求在討論中解答以下問題：

（1）這三個(gè)實(shí)驗(yàn)是圍繞什么具體問題展開的？

預(yù)設(shè)：這三個(gè)實(shí)驗(yàn)圍繞三個(gè)遞進(jìn)的問題“刺激能不能傳遞？”“刺激傳遞的效果是什么？”“刺激可不可能是一種化學(xué)物質(zhì)？”展開。

（2）實(shí)驗(yàn)是如何設(shè)計(jì)的？實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是什么？從實(shí)驗(yàn)可得出什么結(jié)論？

預(yù)設(shè)：胚芽鞘尖端產(chǎn)生的刺激可以透過瓊脂片傳遞給下部;胚芽鞘彎曲生長，是因?yàn)榧舛水a(chǎn)生的刺激在其下部分布不均勻造成的;造成彎曲的刺激是一種化學(xué)物質(zhì)，溫特命名為生長素。

4.解釋向光性的成因。

師生共同以“倒敘”方式來分析：背光側(cè)比向光側(cè)生長得快→背光側(cè)比向光側(cè)生長素分布得多→單側(cè)光照射的影響。學(xué)生討論，解釋向光性的成因。

提出問題：植物的向光性生長有沒有其他的可能原因呢？預(yù)設(shè)：植物彎向光源生長會(huì)不會(huì)是向光側(cè)的生長素被單側(cè)光照射后分解了？會(huì)不會(huì)是抑制物質(zhì)分布不均勻造成的？

提出問題：如何證明你的推測(cè)？學(xué)生說出實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)思路。

讓學(xué)生列舉生長素的種類，并得出植物激素的概念。

（二）歸納生物科學(xué)研究的基本方法

1.思想方法。

提出問題：四位科學(xué)家科學(xué)研究的基本環(huán)節(jié)是怎樣的？預(yù)設(shè)：觀察現(xiàn)象→提出問題→進(jìn)行實(shí)驗(yàn)→合理推論→提出假說→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證→得出結(jié)論。師生共同概括出生物科學(xué)研究的基本方法是“假說—演繹法”。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

預(yù)設(shè)：達(dá)爾文的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中用到了排除法;溫特的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)了單因子變量原則的對(duì)照法。

3.實(shí)驗(yàn)操作方法。

提出問題：怎樣檢出胚芽鞘向光生長過程中的彎曲部位？預(yù)設(shè)：可以在幼苗上畫平行橫線，橫線不平行的部位就是彎曲部位;加豎直參照物，幼苗生長方向與參照物出現(xiàn)夾角的部位就是彎曲部位。

引導(dǎo)歸納：科學(xué)研究需要哪些優(yōu)良品質(zhì)？

（三）生長素的合成、運(yùn)輸與分布

提出閱讀問題：（1）植物生長素的合成部位有哪些？（2）生長素是如何進(jìn)行極性運(yùn)輸?shù)?？?）生長素是否可以進(jìn)行非極性運(yùn)輸？（4）怎樣理解植物的形態(tài)學(xué)上端、形態(tài)學(xué)下端？（5）生長素在不同的組織、器官中的分布有何特點(diǎn)？學(xué)生帶著問題閱讀課本后，師生共同歸類基礎(chǔ)知識(shí)。

（四）評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)論

演示生長素轉(zhuǎn)移方向?qū)嶒?yàn)的設(shè)計(jì)步驟，學(xué)生評(píng)價(jià)并完善實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。

二、幾點(diǎn)思考

科學(xué)家提出探究問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、得出實(shí)驗(yàn)推論等過程，蘊(yùn)含著科學(xué)研究的一般方法，從科學(xué)史中開掘出來并在教學(xué)中合理使用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。本節(jié)課的教學(xué)，圍繞科學(xué)家發(fā)現(xiàn)植物生長素的科學(xué)史展開，著重凸顯“歸納與概括”“模型與建?！薄百|(zhì)疑與反思”等科學(xué)研究方法，以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

（一）歸納與概括

“歸納”的基本釋義是歸攏并使有條理;由一系列具體的事實(shí)概括出一般原理?！案爬ā笔切纬筛拍畹囊环N思維過程和方法，即從思想中把某些具有一些相同屬性事物中抽取出來的本質(zhì)屬性，推廣到具有這些屬性的一切事物，從而形成關(guān)于這類事物的普遍概念。本課例中，設(shè)計(jì)了對(duì)學(xué)生歸納概括能力的訓(xùn)練，主要是形成“歸因歸納”“論證歸納”的基本方法。其一，引導(dǎo)學(xué)生尋找探究問題與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之間的因果關(guān)系，開展“歸因歸納”。比如，達(dá)爾文實(shí)驗(yàn)中，通過對(duì)胚芽鞘尖端或尖端下部遮光，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是“不向光生長”及“向光生長”，歸納出植物向光生長與胚芽的尖端有關(guān)的結(jié)論。其二，引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)問題解決，收集實(shí)驗(yàn)證據(jù)，開展“論證歸納”。學(xué)習(xí)植物生長素發(fā)現(xiàn)的科學(xué)史，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)，不同年代的多位科學(xué)家在探索植物向光性成因的道路上，是承前啟后式的，前人的疑難問題就是后人探究的“觸發(fā)點(diǎn)”。設(shè)計(jì)問題串，鋪就一條問題“暗線”，讓學(xué)生循著科學(xué)家研究的足跡“按圖索驥”，解決問題。圍繞總覽性問題——“植物為什么向光生長”，學(xué)生論證解決一系列問題：植物感受光刺激的部位是什么？單側(cè)光照射后植物是否向尖端下部傳遞了某種刺激？這種刺激是不是一種物質(zhì)？這種物質(zhì)是否可以傳遞？向光性的形成機(jī)理是什么？環(huán)環(huán)相扣的問題的解決，可以讓學(xué)生掌握“論證歸納”的基本方法，進(jìn)而不斷提升歸納與概括能力。

（二）模型與建模

人教版高中生物教材給“模型”下了這樣的定義：人們?yōu)榱四撤N特定的目的而對(duì)認(rèn)識(shí)對(duì)象所做的一種簡(jiǎn)化的、概括性的描述，是認(rèn)識(shí)和闡明生命活動(dòng)規(guī)律、原理的重要方法之一，其形式主要包括物理模型、概念模型和數(shù)學(xué)模型?！敖！本褪墙⒛Ｐ?，是為了理解事物而對(duì)事物做出的一種抽象的無歧義的書面描述。本設(shè)計(jì)中，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)兩種模型。一是在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，建構(gòu)自變量與因變量相關(guān)性模型。比如，達(dá)爾文探究植物向光性的關(guān)聯(lián)部位，他在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中分別對(duì)胚芽鞘尖端和尖端下部遮光。為什么會(huì)這樣來設(shè)計(jì)自變量呢？教師引導(dǎo)學(xué)生分析“感受光源的是什么部位”“發(fā)生彎曲的是什么部位”。這樣，學(xué)生就容易理解為什么設(shè)置對(duì)照試驗(yàn)時(shí)，要對(duì)尖端或尖端下部遮光。這是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，自變量與因變量的合理關(guān)聯(lián)。二是在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，把握自變量控制中的“加法原理”和“減法原理”。比如，鮑森·詹森設(shè)計(jì)的對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，與常態(tài)生長的植物幼苗相比，切除對(duì)照組的胚芽尖端就是采用了“減法原理”，在胚芽尖端與尖端下部插入瓊脂片就是采用了“加法原理”。對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，與常態(tài)相比，通過增加（或減少）某種影響因素來改變自變量的設(shè)置，進(jìn)而觀察因變量的變化，可以論證我們的假設(shè)，證實(shí)或證偽某種假說。

（三）質(zhì)疑與反思

批判性是思維活動(dòng)中獨(dú)立發(fā)現(xiàn)和批判的程度，是科學(xué)思維的重要組成部分。有良好批判性思維品質(zhì)的人能對(duì)別人或自己的觀點(diǎn)進(jìn)行反思、提出質(zhì)疑，能對(duì)生物學(xué)問題開展科學(xué)分析與評(píng)價(jià)，做出理性判斷。生物科學(xué)史等內(nèi)容的教學(xué)中，學(xué)生在質(zhì)疑權(quán)威的過程中、在學(xué)習(xí)行為自我反思中，可以培養(yǎng)思維的批判性。比如，本教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師引導(dǎo)學(xué)生歸納向光性的成因：由于單側(cè)光的照射，胚芽尖端的生長素發(fā)生橫向運(yùn)輸，移向背光側(cè)，再縱向運(yùn)輸，聚集到尖端下部的背光側(cè)，使其生長快于向光側(cè)，造成植物幼苗向光生長。這種解釋的基本出發(fā)點(diǎn)是生長素的移動(dòng)。然后，通過一個(gè)開放性問題“植物的向光性生長有沒有其他的可能原因”引發(fā)學(xué)生的批判性思考。對(duì)于學(xué)生可能不成熟的想法，教師一定要加以保護(hù)和引導(dǎo)。比較合適的做法是，順著學(xué)生的理性判斷，師生再做一次“合理”的解釋。學(xué)生思維活躍起來，還會(huì)從日常生活中發(fā)現(xiàn)像龍爪槐一樣倒長的特例。如是，逐漸養(yǎng)成良好的自我反思習(xí)慣，讓思維活動(dòng)更具主動(dòng)性、分析性、策略性、獨(dú)立性，減少盲從性、狹隘性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 譚永平.再論“用教材教”——發(fā)展高中生科學(xué)思維的視角[J].生物學(xué)教學(xué)，2020（9）.