基于虛擬實驗的體驗式科學史教學
——以“植物生長素”為例

許岳鋒 范陳蔓 崔 鴻

（華中師范大學生命科學學院 湖北武漢 430079）

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出要注重生物科學史和科學本質的學習。生物科學史能夠讓學生認識到科學的發展過程，理解科學研究的思路和方法，體會科學、技術與社會的關系，促進對科學本質的理解。然而，由于課時、儀器設備、實驗安全等因素的限制，科學史的實際教學往往局限在文字或圖像資料上的“紙上談兵”，難以充分發揮科學史的育人價值。本研究利用虛擬實驗的優勢，突破時空限制，重演歷史，讓學生在“實踐-認知”的循環中親身體驗科學知識的發生過程，形成理性的科學本質觀。

1 虛擬實驗應用于科學史教學的優勢

重演科學史是科學史教學的有效手段，能夠讓學生在親歷提出問題、實驗檢驗、發現規律等過程中，深刻理解科學內涵，構建科學概念，發展終身學習及創新實踐能力。然而，科學史上的許多實驗由于儀器設備昂貴、操作難度大、實驗周期長等原因，往往無法讓學生進行真正的實驗探究，學生參與感較差，學習效果不佳。

虛擬實驗是一種以計算機應用為核心，利用虛擬現實、人機交互、計算機圖像等技術創設的新型實驗。它具有沉浸感、交互性等特點，能夠從多感官通道創設虛擬空間，高度還原實驗情景，以滿足用戶自主體驗的需求。教師將虛擬實驗應用于科學史教學中，能夠讓學生在較短時間內親身體驗生物科學史上漫長的探究過程，從而有效把握科研思路和方法，感受科學家們獻身科學的精神，實現認知過程和情意過程的統一。通過虛擬實驗，教師成為科學史學習的引領者，帶領學生回溯歷史；學生紛紛化身為科學家，在“師生互動、人機互動、生生互動”的三維互動情境下自主探究，與“同行們”共同探討實驗方案，付諸實踐，獲得直接的經驗和感受，從而幫助深化對概念的認識，提高科學探究能力。

2 體驗式學習與科學史教學

體驗式學習是一種學習者用親身經歷去認識周圍事物的過程。美國著名心理學家大衛·庫伯提出了“體驗式學習循環模式”，認為體驗式學習主要包括以下四個階段：①具體體驗——學習者在實踐活動中形成對客體事物的整體感知。②觀察反思——學習者聯系已有的經驗，對體驗進行分析、反思。③抽象概括——學習者將感性認識抽象概括化，構建理論或模型。④行動檢驗——學習者遷移運用到新情景中檢驗，獲得新的感知，再次循環?？梢?，體驗式學習是一個實踐到認知，再回到實踐中檢驗，獲得新認知的螺旋上升過程。

科學史的發展過程與體驗式學習的過程是相似的?？茖W家通過觀察、實驗等實踐活動獲得對事物的認知，建立理論，而后來的科學家又在實踐檢驗中進一步補充、修正，以此循環往復，不斷推動科學的發展。此外，有研究發現，學生對科學概念的理解與科學史的發展之間存在平行關系，是一個循環上升、由淺入深、由簡單到復雜的認識過程，正如列寧所說：“人的認識不是直線，而是無限地近似于一串圓圈、近似于螺旋式的曲線”。因此，將體驗式學習與科學史教學相結合，不僅符合科學發展的歷史演變過程，也符合學生認識事物的一般規律，能夠有效促進學生對概念的建構，深化對科學本質的理解。

3 基于虛擬實驗的體驗式科學史教學流程

美國科學教育家孟克和奧斯本所提出的HPS教學模式是目前國際上較為認可的科學史教學模式，具體包括演示現象、提出觀點、學習歷史、設計實驗、呈現科學觀念和實踐檢驗、總結評價6個環節。本研究在此基礎上，融合虛擬實驗，設計了基于虛擬實驗的體驗式科學史教學流程（圖1），使學生在“實踐-認知”的循環中體驗前人探究歷程，“做中學”，逐步建構知識理論，形成科學本質的理性認識。

圖1 體驗式學習循環模式

圖2 基于虛擬實驗的體驗式科學史教學流程

①演示現象：許多科學問題都源于對生活的觀察和反思。教師可以演示生活中某一現象，創設情境，讓學生體驗到科學家發現問題時的困惑感受，激發探索欲望。

②提出觀點：學生以“頭腦風暴”的方式，對前一階段的問題提出自己的觀點，并用相應的證據進行論證，由此培養批判性思維。在這個過程中，教師應保持自由開放的態度，鼓勵學生大膽猜想，充分發揮學生的想象力和創造力。

③學習歷史：教師以說書人的口吻，將早期科學家們的探索故事、觀點和論據娓娓道來，為課堂已有的觀點增添“新的聲音”。在講述中，還可以輔以信息化手段再現科學史素材，增強歷史沉浸感。

④設計實驗：在教師的引導下，學生對各個觀點、論據進行深入分析、評價，選擇其中最為合理的觀點，結合當時科技水平，選用合適的材料、儀器設備，自主設計實驗方案，并在與“同行們”的相互協助下，不斷改進完善。

⑤虛擬實驗：學生通過虛擬實驗平臺完成實驗操作、現象觀察、結果記錄等探究活動，結合已有的知識，反思虛擬實驗的過程和現象，抽象概括形成對事物的初步認識。

⑥討論交流：學生以小組為單位，結合已有的知識和經驗，對探究結論展開討論，交流自己的看法，并從討論中發現需要進一步深入探究的問題，再次開展②—⑤的新一輪虛擬實驗探究，以此循環往復。學生在“實踐-認知”體驗式學習循環模式中漫步生物科學史，依次體驗各位科學家們的探究過程，逐步構建、完善科學理論，體會科學發展的艱苦曲折。

⑦總結評價：學生以時間軸的形式對科學史梳理總結，分享自身的收獲和感悟，從而認識到科學是在不斷發展的，以外顯的形式深化對科學本質的認識。同時，教師引導學生結合歷史背景，以正確態度評價科學家的成果，將理性科學本質觀、歷史觀遷移運用到日常生活中。

在上述教學流程中，學生將置身于科學史的問題情境中，利用虛擬實驗像科學家們那樣思考、探索，從而獲得對科學本質各層面內涵的理解與發展。在這個過程中，學生既是客體的知識呈現者，也是對客體知識驗證加工的組織者。學生通過實驗、觀察、討論交流等方式解決問題，并在反思探究過程和結論的過程中逐步建構科學知識，提升問題解決和探究能力，感受科學家“大膽猜想，小心求證”的科學態度，實現“以行促知、以行激情”，從而促進生物學學科核心素養的達成。教師則主要起著監控、組織、指導的作用，以促使學生有效進行知識的意義建構。

4 教學案例——“植物生長素”

NOBOOK虛擬實驗平臺（以下簡稱NB虛擬實驗）是一款采用3D虛擬技術開發的教學軟件，具有仿真度高、課程資源豐富、操作便捷等特點。本研究運用NB虛擬實驗，以2019年人教版高中生物學《選擇性必修1·穩態與調節》第五章第一節“植物生長素（第一課時）”為例，具體的教學案例如下：

（1）教師演示現象，引導學生提出觀點。教師展示一棵彎曲生長的桑苗，并介紹桑苗的生長環境，引導學生思考：①什么環境因素導致桑苗形態改變？②桑苗生長方向改變的部位在哪里？③這種改變可能是由植物哪個部位引起的？學生尋找導致桑苗形態變化的環境因素，并帶著問題對桑苗自主觀察，發現彎曲生長的部位。教師展示實物，讓學生體驗與達爾文相似的發現過程。接著以問題串的形式，引導學生提出自己的觀點或假設，激發探究欲望。

（2）學生學習歷史，虛擬實驗。教師講述達爾文在航船中發現植物向光性的歷史小故事，結合植物彎曲部位的觀察結果，引出實驗材料（金絲雀虉草的胚芽鞘）。學生結合先前的思考，自主設計實驗方案，進入NB虛擬實驗進行達爾文的實驗，觀察現象，完成實驗小報告，得出結論。教師營造歷史社會背景，利用虛擬實驗的虛擬性和交互性，讓學生將實驗設計付諸于實踐，獲得直接經驗，并在撰寫實驗報告過程中評價、反思，形成理性認識。

（3）學生討論交流，提出問題。教師組織學生對虛擬實驗的探究討論交流，引導學生思考達爾文的結論中的“影響”是如何發揮作用的。學生討論交流，在達爾文實驗結論的基礎上，提出問題“尖端產生‘影響’的方式是什么？”，并做出合理假設。學生在討論中發現達爾文的解釋并不能夠揭示植物向光性的本質原因，從而開始新一輪虛擬實驗探究活動，提升科學探究能力。

（4）學生層層深入地開展虛擬探究。教師要把握好4個實驗之間的聯系（達爾文的實驗是鮑森·詹森、拜耳實驗的基礎；溫特的實驗是鮑森·詹森、拜爾實驗的綜合），引導學生不斷提出新的問題，開展新一輪的虛擬實驗探究，重演歷史。在教師的引領下，學生不斷地在前人實驗結論的基礎上提出問題，循環“學習歷史-設計實驗-虛擬實驗-討論交流”的虛擬探究過程，層層深入，沿著鮑森·詹森、拜耳、溫特的探索道路前進。教師化身為生長素發現史的引領者，帶領學生在“師生互動、人機互動、生生互動”的三維互動情境下逐步探索，在“實踐-認知”的循環中體驗科學知識的產生過程。

（5）教師引導學生總結，評價深化本質。教師用時間軸的圖表形式展示生長素發現史，讓學生談談在探究過程中的感悟。學生分享感悟，并能結合歷史背景對科學家們給予合理評價。教師以外顯的形式深化科學本質觀，引導學生正確看待歷史人物，并遷移運用于生活。

5 總結與反思

《中國教育現代化2035》明確提出要“加快信息化時代教育的變革”。虛擬實驗作為信息技術與實驗教學的深度融合的成果，能夠有效創造出一個重演生物科學史的虛擬空間，讓學生沉浸其中，在“實踐-認知”體驗式學習循環中認識到科學知識是在不斷發展的，深化對科學本質的理解。在該教學流程的實施過程中，教師要注意以下幾點：①要對科學史的內容有深刻認識，將科學史與生物學知識學習有機融合，利用科學史幫助學生逐步建構科學概念，并以顯性和隱性相結合的方式深化科學本質。②在學生探究的過程中，教師要充分發揮主導作用，從“觀眾”這一角色中跳出來，成為學生探究活動的參與者、共謀者，積極觀察各組成員的表現，反饋求助信息，引領學生自我反思，提升終身學習的能力。③要尋找與科學史相應的優質虛擬實驗資源，為學生提供一定的自由操作空間，滿足其探究需求。