借助生長素科學史素材，落實學生科學探究素養

（上海市淞浦中學 上海 200941）

從20世紀50年代開始，眾多國家的科學課程推廣科學探究，美國1996年公布的《國家科學教育標準》中強調各學段所有年級的學生都應有機會進行科學研究并且培養探究性思維和探究性活動的能力。我國教育部在21世紀之初頒布的各個自然學科的課程標準也要求開展以探究為核心的教學。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）中把科學探究確定為生物學科四大核心素養之一。

1 “科學探究”素養的概述

《課程標準》中這樣描述：能夠發現現實生活世界中的生物學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結果的交流與討論的能力。學生應在探究過程中，逐步增強對自然現象的好奇心和求知欲，掌握科學探究的基本思路和方法，提高實踐能力；在探究中，樂于并善于團隊合作，勇于創新。

2 核心素養視角下的科學探究的意義

《課程標準》提出生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任4個維度的生物學學科核心素養。其中生命觀念是基礎和支柱，基于科學思維和科學探究之間相互碰撞進而形成社會責任。生命觀念在科學探究過程中得以實證和養成；在科學探究過程中鍛煉科學思維；在科學探究基礎上認識社會責任。因此，科學探究在生物學學科核心素養的培養中起著決定性的作用，是落實生物學學科核心素養的關鍵，通過科學探究最終建立生命觀念，提升社會責任。

上科版《生命科學》第二冊在“植物生長發育的調節”的一節中，學生通過植物生長素的探索過程的學習，知道了植物體內產生生長素，由于外界單側光的影響，生長素會出現分布不均衡而引起不均衡生長的科學事實，在探究學習過程中理解了植物產生向光性的科學本質。同時，教師通過介紹許多生活實例，使學生了解植物向光性是為了獲取更多的陽光進行光合作用，積累更多的物質和能量。向光性是植物在多變的環境中，通過一定的調節機制，完成復雜的生命活動以保持穩態，是植物適應環境的一種表現。整個教學過程中，教師以科學探究為主線，結合科學思維，促進學生形成生命觀念，提升學生的社會責任。

3 借助生長素科學史素材，開展科學探究教學，落實學生科學探究素養

教材中關于植物生長素的探索史中羅列了達爾文父子的實驗、杰遜的實驗、溫特的實驗、以及郭葛的實驗共4個經典實驗。但是由于教材篇幅問題，科學史內容的呈現形式僅以時間軸為線索，簡單記錄實驗過程和結論。如果在教學中，教師只是通讀教材或者按教材講解，不處理科學史內容，大大削弱了科學史在提高學生的生物學學科核心素養中的教學意義，使科學探究的落實成為表面形式。但是，如果教師能借助科學史素材，有意識地對素材進行處理和優化，讓學生有更多的機會和時間參與思考、觀察、動手、交流，在實踐體驗中提高提出問題、分析解釋數據和現象、設計方案、交流討論等能力，進一步培養創新精神和合作精神。

3.1 現實生活情境引入，尋找提問的角度，樹立發現問題的意識

好奇心會產生強烈的求知或探索欲望。來自身邊熟悉的生活情境中的問題，可以激發學生學習的興趣，使置身于對身邊問題的探究中。向光性是生活中普遍存在的現象，雖然學生平時熟視無睹，但是只要教師選擇合適的角度，也可以激發學生學習的欲望，同時也能培養學生發現問題、提出問題的能力。

教師出示一向光性植物實物，并提出問題：這棵植物大概放在房間的什么位置，按怎樣的方向放置？學生興趣高漲，紛紛參與討論。于是，教師追問：植物為什么會這樣長呢？接著，教師再出示向日葵、紅杏出墻、巖石中的小草等照片，引導學生體會向光性的意義：誰第一個發現向光性現象的呢？教師請學生（課前已作準備）講述達爾文發現向光性的故事。實物、圖片、故事都是學生熟悉和感興趣的，可以促進學生在簡單事例中感悟自然界生物對環境的適應，感悟科學家發現問題的能力和不懈努力的精神。教師提出問題：你們對植物向光性有什么問題想了解嗎？教師要注意激發學生對現實生活世界中生物學問題探究的意識和提問的能力。

3.2 以達爾文父子實驗為材料，說出實驗變量、實驗現象和結論，提高分析實驗的水平

實驗分析能力是保證更好完成科學探究的基本技能之一。只有學會分析實驗，才能更好的設計實驗、完成實驗。對實驗變量的控制、實驗原則和實驗原理的理解、實驗現象的觀察、實驗結論的歸納等能力都是分析實驗過程中的必備能力。

教師把達爾文父子的實驗過程圖（圖1）作為教學素材，要求學生根據材料填表（表1）。在完成填表活動中，學生通過實驗組的對比能找出實驗的變量、實驗的現象，得出實驗結論。教師提出問題，讓學生進一步體會實驗設計的單因子變量原則，提升科學探究中分析實驗的能力：組③為什么不和組①比較？

表1 實驗記錄表

3.3 達爾文父子實驗的拓展，在團隊合作交流中，培養學生設計實驗的能力

科學探究包括提出問題、提出假設、設計實驗、實施實驗、分析數據、得出結論、合作交流等環節。其中，設計實驗是科學探究過程中承上啟下的環節，實驗設計能力是科學探究過程中起決定性作用的一項技能。

在對達爾文父子向光性實驗學習的基礎上，教師提出問題，引導學生進一步探究：

①胚芽鞘生長的部位在哪里？

②有沒有簡單直觀的實驗方法證明胚芽鞘伸長生長的部位在尖端下面？

③胚芽鞘向光彎曲時，胚芽鞘兩側的細胞生長有什么區別呢？

教師培養學生根據問題提出假設的能力，并利用曹沖稱象的故事引導，也可以出示圖2進行引導，請學生根據圖示描述實驗基本步驟，培養學生設計簡單實驗的能力。教師要求學生根據圖3設計實驗方案：從細胞水平上驗證胚芽鞘向光彎曲時，胚芽鞘兩側的細胞生長的不同。學生要根據自己對上述問題提出的假設設計完整的實驗，對實驗可能的現象進行討論。這部分的教學內容要求比較高，需要學生組隊合作完成，鍛煉學生的合作精神。完成方案設計后，學生之間進行交流和評價，也鍛煉了語言表達能力。在這項活動中，學生能比較完整地經歷科學探究的過程：發現問題—提出假設—設計實驗—（實施實驗）—分析數據—得出結論。

3.4 杰遜和溫特的實驗比較，體驗科學探究過程的嚴謹性，培養科學精神

科學不是靜止的，科學探究也是在不斷收集證據、解釋證據、新的證據更新舊的證據、再進一步收集證據、更新證據的循環中不斷發生的。這體現了嚴謹務實的科學態度，也體現了不斷進取、不懈努力的科學精神。

教師通過杰遜實驗的示意圖（圖4），請學生觀察描述實驗方法和實驗現象，得出實驗結論，培養學生通過觀察圖片獲取信息的能力。同時，提出兩個問題，激發學生繼續探究，也同時引導學生探究的方向：①實驗設計中有沒有不嚴密的地方？②有沒有說明產生了向光性的原因？

而對溫特實驗的處理（圖5），即解決了上述兩個問題，可以進一步培養學生對實驗變量的認識，并促進學生從實驗結果中分析實驗變量和實驗方法，找出實驗組。

①組___與組___比較，得出瓊脂塊中的生長素有促進生長的作用。說明生長素可擴散到瓊脂塊中。

②組___與組___比較，說明植物彎曲生長與生長素的含量有關。

3.5 改進經典實驗，挑戰前人成果，培養創新精神

科學探究是發現問題、解決問題、新的問題周而復始的探究過程。在這個過程中，前人的成就是后人成功的基礎，是值得尊敬的財富。但是，不等于說前人的成果一定是正確完整沒有缺陷的。學生一定要具有批判性思維的意識和能力，這也是科學探究素養的精髓之一。

教師告訴學生：課堂開始時的實物并不如起初認為的放在房間的窗臺上，而且，根據達爾文父子的實驗方法并不能得到明顯的向光性現象，這是什么原因呢？學生會發現明亮的教室和黑暗的船艙不同，尋找到實驗不理想的原因是單側光的處理上，提出用暗箱開口設置單側光。學生敢于挑戰經典，優化實驗。教師布置另一項任務：課后探索，改進溫特實驗，即能說明生長素的極性運輸，又能說明生長素的橫向運輸。此項設計的目的是培養學生的批判思維，提升學生的信心和興趣。

科學探究核心素養是生物學學科核心素養視角下的科學探究。在高中生物學教學中，教師要結合生命觀念、科學探究、科學思維、社會責任等素養進行整體落實。科學探究是科學研究能力，也是一種學習方式，通過科學探究，結合科學思維，最終升華生命觀念，擔當社會責任。