生物學(xué)科學(xué)史探究教學(xué)的策略

吳 寧

(江蘇省常州市第二中學(xué) 常州 213000)

1 創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，激發(fā)學(xué)生探究欲望

情境，或情景，是指教師在教學(xué)過程中運(yùn)用各種手段和方式創(chuàng)設(shè)的一種適教和適學(xué)的情感氛圍，從而為完成教學(xué)目標(biāo)和任務(wù)奠定基礎(chǔ)。所謂真實(shí)性情境，就是來源于現(xiàn)實(shí)中真實(shí)存在的情景和環(huán)境。

生物學(xué)科學(xué)史中的探究活動(dòng)，大部分是以實(shí)驗(yàn)為載體的探究。例如，光合作用的發(fā)現(xiàn)史就是由一系列經(jīng)典實(shí)驗(yàn)構(gòu)成，教師在教學(xué)中一般通過多媒體PPT來展示經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，但無論是教學(xué)效果還是教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度都差強(qiáng)人意。筆者有幸在一次區(qū)域性的名師示范課中，發(fā)現(xiàn)施教者帶領(lǐng)學(xué)生還原了真實(shí)的普里斯特利的實(shí)驗(yàn)，真實(shí)的實(shí)驗(yàn)由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的偶然性而狀況百出，學(xué)生會(huì)不斷地對與教材中不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行探究假設(shè)再驗(yàn)證。生物學(xué)科學(xué)史的探究活動(dòng)還有一部分是無實(shí)驗(yàn)載體的探究。無實(shí)驗(yàn)載體探究雖沒有真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境，但這并不意味著探究缺乏真實(shí)性，也并不意味著探究情境可隨心所欲地設(shè)計(jì)。例如，在“基因突變”一節(jié)的教學(xué)中，可從“1910年黑人患者貧血就醫(yī)發(fā)現(xiàn)紅細(xì)胞異?！?949年經(jīng)過電泳分析發(fā)現(xiàn)了異常血紅蛋白→1956年英國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)異常血紅蛋白中氨基酸的變化”這段真實(shí)情境來展開教學(xué)[1]。

真實(shí)的情境是探究的開始，科學(xué)史中的探究也應(yīng)遵循這一規(guī)律。真實(shí)的情境，遠(yuǎn)比教材枯燥的文字更能激起學(xué)生的探究欲望。總體來說，真實(shí)性情境一方面要注重還原歷史的本來面目，教師在備課時(shí)應(yīng)更加深入搜集科學(xué)史資料并有選擇地補(bǔ)充到課堂教學(xué)中，另一方面又要將內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)的社會(huì)、生活相結(jié)合。

2 搭建思維階梯，引導(dǎo)學(xué)生合理假設(shè)

建立假設(shè)是學(xué)生針對問題尋求解釋的過程，它既基于一定的事實(shí)和經(jīng)驗(yàn)，又有較多想象的成分。如果教師不注重引導(dǎo)，往往會(huì)使學(xué)生作出的假設(shè)荒誕不經(jīng)、不著邊際。

例如，在生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型建構(gòu)中，關(guān)于蛋白質(zhì)和磷脂雙分子層的結(jié)合方式，科學(xué)史上有一個(gè)很好的佐證，即Bar重復(fù)Gorter E和Grendel F的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)紅細(xì)胞膜上脂質(zhì)單層平鋪面積不是紅細(xì)胞面積的2倍，而是1.5倍[2]。這樣一個(gè)矛盾沖突會(huì)極大地引起學(xué)生的探究欲望，學(xué)生很快就對此有了很多假設(shè)：“科學(xué)家Bar測量錯(cuò)誤”“磷脂分子的分子體積不穩(wěn)定”和“磷脂分子排成單層后結(jié)合更緊密”。筆者在教學(xué)中，為學(xué)生搭建思維階梯，提供了在電鏡冰凍蝕刻技術(shù)手段下膜的結(jié)構(gòu)圖，學(xué)生在充分思辨后，便能提出“是因?yàn)椴糠值鞍踪|(zhì)嵌入磷脂雙分子層而導(dǎo)致的”這一符合邏輯的假設(shè)。

可見，合理假說根本不是簡單的“是”或者“否”，其中有嚴(yán)密的邏輯關(guān)系。上述案例中學(xué)生一開始的假設(shè)并非基于一定依據(jù)、邏輯推演而得出。此時(shí)，教師如果只關(guān)注學(xué)生提出假設(shè)的積極性，便會(huì)使學(xué)生的思維停留于表面，難以培養(yǎng)其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和思維。所以教師一定要善于為學(xué)生搭建思維階梯，在一定程度上引導(dǎo)學(xué)生把握邏輯線索作出合理的假設(shè)。

3 建立合作小組，引導(dǎo)學(xué)生充分設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案是指學(xué)生驗(yàn)證假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的過程。在教學(xué)中，由于學(xué)生思維能力的個(gè)體差異，少數(shù)思維能力較強(qiáng)的學(xué)生往往會(huì)率先設(shè)計(jì)出較完善的方案。另外，當(dāng)全班都沒有設(shè)計(jì)出理想的方案時(shí)，教師會(huì)因“時(shí)間有限”直接給出預(yù)設(shè)好的方案。這就會(huì)使大部分學(xué)生沒有真正參與到方案設(shè)計(jì)過程中來。筆者認(rèn)為在探究教學(xué)的這一環(huán)節(jié)，可參照生物學(xué)科學(xué)史中的“科學(xué)家團(tuán)隊(duì)”在合作小組中來進(jìn)行分工。

例如，在“DNA的分子結(jié)構(gòu)”一節(jié)教學(xué)中，教師可引導(dǎo)一些學(xué)生扮演威爾金斯和富蘭克林，其研究成果是DNA的分子衍射圖；另一部分學(xué)生扮演查哥夫，其研究成果是腺嘌呤的數(shù)量等于胸腺嘧啶數(shù)量，鳥嘌呤的數(shù)量等于胞嘧啶數(shù)量；其他小組學(xué)生扮演沃森和克里克，利用教師提供的模型堿基、磷酸基團(tuán)等構(gòu)建DNA立體結(jié)構(gòu)。在建構(gòu)中威爾金斯和查哥夫始終關(guān)注沃森和克里克的模型是否符合自己的研究成果。再如，在驗(yàn)證假說“單側(cè)光引起生長素由向光側(cè)向背光側(cè)運(yùn)輸”時(shí)，合作小組中一部分思維較快的學(xué)生會(huì)很快地模仿溫特實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出了大致方案，另一部分學(xué)生從對照實(shí)驗(yàn)的原則入手對方案進(jìn)行評價(jià)，然后大家一起對方案進(jìn)行修正。

在生物學(xué)科學(xué)史中，科學(xué)家也是通過團(tuán)隊(duì)合作探索生命的本質(zhì)，而且很多生命規(guī)律的揭示需要各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家共同參與。教師在教學(xué)中必須要有意識地培養(yǎng)學(xué)生的合作精神，方案的設(shè)計(jì)尤其需要團(tuán)隊(duì)的合作。

4 挖掘課程資源，為方案實(shí)施創(chuàng)造條件

方案實(shí)施是按照設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行操作獲取事實(shí)與證據(jù)的過程，是培養(yǎng)學(xué)生觀察、動(dòng)手、思考和合作等能力的重要環(huán)節(jié)，很多生物學(xué)科學(xué)史是建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的。而生物學(xué)實(shí)驗(yàn)有其特殊性，許多實(shí)驗(yàn)方案較難在高中的生物學(xué)課堂上展開。所以，在科學(xué)史教學(xué)中方案實(shí)施步驟往往被省略或以多媒體PPT展示來代替。筆者在教學(xué)中有以下做法可供參考。

例如，首先虛擬實(shí)驗(yàn)讓一些方案的實(shí)施成為可能。目前很多中學(xué)的生物學(xué)課程基地都建有虛擬實(shí)驗(yàn)室，普通中學(xué)也可通過互聯(lián)網(wǎng)加入虛擬實(shí)驗(yàn)室。例如，“NB生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室”，可通過https：//shengwuv2-gz.nobook.com/#/console/templates這個(gè)網(wǎng)址進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)室的平臺。筆者在進(jìn)行“細(xì)胞核功能”一節(jié)的科學(xué)史教學(xué)時(shí)，通過該平臺讓學(xué)生體驗(yàn)了傘藻的嫁接模擬實(shí)驗(yàn)。目前多數(shù)大學(xué)都建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室，其中一些醫(yī)學(xué)院的生化虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的建立，可為學(xué)生提供無法實(shí)施的生理解剖實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐機(jī)會(huì)。中學(xué)完全可通過與大學(xué)建立合作關(guān)系，拓展中學(xué)生的實(shí)驗(yàn)特別是科學(xué)史探究實(shí)驗(yàn)實(shí)施的硬件設(shè)備。再如，雖然是科學(xué)史教學(xué)，也是有較多的實(shí)驗(yàn)方案可在中學(xué)實(shí)施。在“生長素的發(fā)現(xiàn)史中”一節(jié)的教學(xué)中，筆者組織學(xué)生探究“胚芽鞘的生長部位”時(shí)，學(xué)生設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案“在胚芽鞘側(cè)面用記號筆做標(biāo)記”，之后發(fā)現(xiàn)尖端下部的實(shí)線變成了虛線，表明胚芽鞘的生長部位是尖端下部。

學(xué)生只有體驗(yàn)了過程才能更好掌握探究的一般規(guī)律，真正的科學(xué)探究也不是經(jīng)過一兩次實(shí)驗(yàn)就可得出結(jié)論的。孟德爾的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)做了8年，歐文頓用500多種化學(xué)物質(zhì)對細(xì)胞膜的通透性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)實(shí)施階段都是不斷遇到問題不斷調(diào)整的，最終才能得到結(jié)論。學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師需盡可能挖掘可利用的資源，為科學(xué)史中探究實(shí)驗(yàn)的實(shí)施創(chuàng)造條件。

5 運(yùn)用建構(gòu)理論，讓學(xué)生自主得出結(jié)論

在科學(xué)探究中，得出結(jié)論是指學(xué)生對事實(shí)或證據(jù)進(jìn)行分析、推理和歸納的過程，是培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力、誤差分析能力和抽象概括能力的重要環(huán)節(jié)。科學(xué)探究是針對真實(shí)問題進(jìn)行的，它的特征是未知。

例如，在探究“噬菌體的遺傳物質(zhì)是DNA還是蛋白質(zhì)”時(shí)，筆者鑒于學(xué)生原有的對遺傳物質(zhì)的認(rèn)知，運(yùn)用建構(gòu)主義理論，設(shè)置了探究的主題：“噬菌體侵染大腸桿菌的，是DNA、蛋白質(zhì)，或是整個(gè)病毒？”之后由學(xué)生進(jìn)行假設(shè)，利用同位素標(biāo)記和離心檢測等方法設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，根據(jù)離心結(jié)果發(fā)現(xiàn)噬菌體侵染時(shí)只有DNA侵入細(xì)菌內(nèi)部，從而間接得出遺傳物質(zhì)是DNA這個(gè)結(jié)論。

可見，教師可運(yùn)用建構(gòu)主義理論，充分考慮學(xué)生的前概念，學(xué)生才能得到“真實(shí)”的結(jié)論，這種真實(shí)是基于探究之后的“水到渠成”。學(xué)生在積極思辨自主得出結(jié)論后就很有成就感，在掌握探究一般規(guī)律的同時(shí)，更會(huì)對發(fā)現(xiàn)科學(xué)的本質(zhì)有深入理解。