依托科學史培養科學思維

陳衛東

摘要：科學家提出探究問題、設計實驗方案、分析實驗結果、得出實驗推論等過程，蘊含著科學研究的一般方法，從科學史中開掘出來并在教學中合理使用，有利于培養學生的科學思維。《植物生長素的發現》一課，圍繞科學家發現植物生長素的科學史展開，著重凸顯“歸納與概括”“模型與建模”“質疑與反思”等科學研究方法，以培養學生的科學思維。

關鍵詞：科學史 科學思維 歸納與概括 模型與建模 質疑與反思

“科學思維”是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》要求學生“應該在學習過程中逐步發展科學思維，如能夠基于生物學事實和證據運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創造性思維等方法，探討、闡釋生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題。”

人教版高中生物選擇性必修1《穩態與調節》模塊中《植物生長素》一節，編入了達爾文、鮑森·詹森、拜耳、溫特等科學家的探索實驗，呈現了植物生長素發現的科學史，其中蘊含豐富的科學思維培養的資源。對此，筆者開設了《植物生長素的發現》一課，再現科學家的研究歷程，強調科學研究方法，著力培養學生的科學思維。

一、教學設計

明確本節課的教學目標為：概述植物生長素的發現過程;體驗發現生長素的過程和方法;評價實驗設計和結論，培養科學思維。教學重點是生長素的發現過程。教學難點是生長素的產生、運輸和分布以及科學實驗設計的嚴謹性分析。以下為具體的教學過程：

（一）生長素的發現過程

1.向光性現象導入。

出示長時間放置在窗臺上不移動的盆栽植物圖片，提出問題：這株植物在生長方向上有什么特點？ （預設：向光性）然后，引導學生歸納出向光性的定義。

過渡：人們對向光性現象“熟視無睹”，而達爾文做了個有心人，提出了“為什么”。

介紹達爾文研究金絲雀虉草向光性的背景資料：

1831年畢業于劍橋大學后，達爾文在其導師亨斯洛的推薦下，以“博物學家”的身份參加了英國海軍“小獵犬號”艦環繞世界的科學考察航行。達爾文在隨“小獵犬號”環球旅行時，隨身帶了幾只鳥，為了喂養這些鳥，又在船艙中種了一種叫草蘆的草。船艙很暗，只有窗戶會透射進陽光。達爾文注意到，草的幼苗向著窗戶的方向彎曲、生長。后來，達爾文著手開展了一系列的實驗來研究向光性問題，并在1880年出版的《植物的運動力》一書中總結了這些實驗結果。

提出問題：達爾文的研究工作對我們有什么啟示？預設：處處留心皆學問;科學研究需要有敏銳的觀察力。

2.達爾文實驗的分析。

過渡：科學重視實證，我們來看看達爾文做了什么樣的實驗。

出示實驗過程圖示（如圖1），引導學生討論、交流實驗的操作過程和結果。

學生陳述問題的答案后，再提出新的問題：實驗中遮蓋胚芽鞘的尖端及尖端下部的目的是什么？預設：為了分析這些部位與向光生長的相關性;這運用的是實驗設計中的排除法，采用了對照試驗中的“減法原理”。

提出問題：胚芽鞘感受單側光刺激的是哪一部分？ （預設：胚芽鞘的尖端）彎曲生長的又是哪一部分？（預設：尖端下部）感受光刺激的部位和向光彎曲的不是同一部位，達爾文怎樣解釋這一現象的？ （預設：單側光照射使胚芽鞘的尖端產生某種刺激，當這種刺激傳遞到下部的伸長區時，會造成背光面比向光面生長得快，因而出現向光性彎曲）

3.鮑森·詹森、拜爾、溫特實驗的分析。

過渡：達爾文的推論中還有哪些內容尚未得到證實？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探究。

出示三個實驗過程圖示（如圖2—下頁圖4），讓學生小組分別討論其中的一個實驗，要求在討論中解答以下問題：

（1）這三個實驗是圍繞什么具體問題展開的？

預設：這三個實驗圍繞三個遞進的問題“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物質？”展開。

（2）實驗是如何設計的？實驗現象是什么？從實驗可得出什么結論？

預設：胚芽鞘尖端產生的刺激可以透過瓊脂片傳遞給下部;胚芽鞘彎曲生長，是因為尖端產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物質，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：背光側比向光側生長得快→背光側比向光側生長素分布得多→單側光照射的影響。學生討論，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？預設：植物彎向光源生長會不會是向光側的生長素被單側光照射后分解了？會不會是抑制物質分布不均勻造成的？

提出問題：如何證明你的推測？學生說出實驗驗證的設計思路。

讓學生列舉生長素的種類，并得出植物激素的概念。

（二）歸納生物科學研究的基本方法

1.思想方法。

提出問題：四位科學家科學研究的基本環節是怎樣的？預設：觀察現象→提出問題→進行實驗→合理推論→提出假說→實驗驗證→得出結論。師生共同概括出生物科學研究的基本方法是“假說—演繹法”。

2.實驗設計方法。

預設：達爾文的實驗設計中用到了排除法;溫特的實驗設計中體現了單因子變量原則的對照法。

3.實驗操作方法。

提出問題：怎樣檢出胚芽鞘向光生長過程中的彎曲部位？預設：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夾角的部位就是彎曲部位。

引導歸納：科學研究需要哪些優良品質？

（三）生長素的合成、運輸與分布

提出閱讀問題：（1）植物生長素的合成部位有哪些？（2）生長素是如何進行極性運輸的？（3）生長素是否可以進行非極性運輸？（4）怎樣理解植物的形態學上端、形態學下端？（5）生長素在不同的組織、器官中的分布有何特點？學生帶著問題閱讀課本后，師生共同歸類基礎知識。

（四）評價實驗設計和結論

演示生長素轉移方向實驗的設計步驟，學生評價并完善實驗的設計。

二、幾點思考

科學家提出探究問題、設計實驗方案、分析實驗結果、得出實驗推論等過程，蘊含著科學研究的一般方法，從科學史中開掘出來并在教學中合理使用，有利于培養學生的科學思維。本節課的教學，圍繞科學家發現植物生長素的科學史展開，著重凸顯“歸納與概括”“模型與建模”“質疑與反思”等科學研究方法，以培養學生的科學思維。

（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概括出一般原理。“概括”是形成概念的一種思維過程和方法，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屬性，推廣到具有這些屬性的一切事物，從而形成關于這類事物的普遍概念。本課例中，設計了對學生歸納概括能力的訓練，主要是形成“歸因歸納”“論證歸納”的基本方法。其一，引導學生尋找探究問題與實驗現象之間的因果關系，開展“歸因歸納”。比如，達爾文實驗中，通過對胚芽鞘尖端或尖端下部遮光，相應的實驗現象是“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的結論。其二，引導學生針對問題解決，收集實驗證據，開展“論證歸納”。學習植物生長素發現的科學史，學生可以發現，不同年代的多位科學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“觸發點”。設計問題串，鋪就一條問題“暗線”，讓學生循著科學家研究的足跡“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？這種物質是否可以傳遞？向光性的形成機理是什么？環環相扣的問題的解決，可以讓學生掌握“論證歸納”的基本方法，進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：人們為了某種特定的目的而對認識對象所做的一種簡化的、概括性的描述，是認識和闡明生命活動規律、原理的重要方法之一，其形式主要包括物理模型、概念模型和數學模型。“建模”就是建立模型，是為了理解事物而對事物做出的一種抽象的無歧義的書面描述。本設計中，引導學生建構兩種模型。一是在實驗設計中，建構自變量與因變量相關性模型。比如，達爾文探究植物向光性的關聯部位，他在實驗設計中分別對胚芽鞘尖端和尖端下部遮光。為什么會這樣來設計自變量呢？教師引導學生分析“感受光源的是什么部位”“發生彎曲的是什么部位”。這樣，學生就容易理解為什么設置對照試驗時，要對尖端或尖端下部遮光。這是實驗設計中，自變量與因變量的合理關聯。二是在實驗設計中，把握自變量控制中的“加法原理”和“減法原理”。比如，鮑森·詹森設計的對照實驗中，與常態生長的植物幼苗相比，切除對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”。對照實驗中，與常態相比，通過增加（或減少）某種影響因素來改變自變量的設置，進而觀察因變量的變化，可以論證我們的假設，證實或證偽某種假說。

（三）質疑與反思

批判性是思維活動中獨立發現和批判的程度，是科學思維的重要組成部分。有良好批判性思維品質的人能對別人或自己的觀點進行反思、提出質疑，能對生物學問題開展科學分析與評價，做出理性判斷。生物科學史等內容的教學中，學生在質疑權威的過程中、在學習行為自我反思中，可以培養思維的批判性。比如，本教學設計中，教師引導學生歸納向光性的成因：由于單側光的照射，胚芽尖端的生長素發生橫向運輸，移向背光側，再縱向運輸，聚集到尖端下部的背光側，使其生長快于向光側，造成植物幼苗向光生長。這種解釋的基本出發點是生長素的移動。然后，通過一個開放性問題“植物的向光性生長有沒有其他的可能原因”引發學生的批判性思考。對于學生可能不成熟的想法，教師一定要加以保護和引導。比較合適的做法是，順著學生的理性判斷，師生再做一次“合理”的解釋。學生思維活躍起來，還會從日常生活中發現像龍爪槐一樣倒長的特例。如是，逐漸養成良好的自我反思習慣，讓思維活動更具主動性、分析性、策略性、獨立性，減少盲從性、狹隘性。

參考文獻：

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