基于科學(xué)史料的初中生物學(xué)教學(xué)實(shí)踐

摘 要：中學(xué)生物學(xué)教學(xué)要充分利用科學(xué)史料培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。本文以“斗嘴的達(dá)爾文雀”作為主線情境，通過(guò)“引入科學(xué)史料，創(chuàng)設(shè)主線情境”“演繹科學(xué)史料，模擬實(shí)驗(yàn)探究”“分析科學(xué)史料，深挖思維邏輯”“闡釋科學(xué)史料，培育科學(xué)精神”四個(gè)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

關(guān)鍵詞：科學(xué)史料；模擬實(shí)驗(yàn)；科學(xué)思維

文章編號(hào)：1003-7586（2024）09-0014-03 中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

生物科學(xué)史全面地記錄了人類對(duì)生命奧秘的不斷探索和發(fā)現(xiàn)，這段歷史不僅見(jiàn)證了生物學(xué)由淺入深、由表及里的發(fā)展過(guò)程，還折射出科學(xué)家在探究過(guò)程中的科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度及科學(xué)精神。教師在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，應(yīng)合理制定教學(xué)目標(biāo)，充分挖掘生物科學(xué)史的教育價(jià)值，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)等教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

“生物進(jìn)化的原因”是蘇科版義務(wù)教育教科書(shū)《生物學(xué)·八年級(jí)·下冊(cè)》（以下簡(jiǎn)稱“教材”）第23章第3節(jié)的內(nèi)容。通過(guò)學(xué)習(xí)該內(nèi)容，學(xué)生可以從生物學(xué)的視角，深入理解生命活動(dòng)的進(jìn)程與規(guī)律，進(jìn)而全面認(rèn)識(shí)生物界的構(gòu)成及其發(fā)展變化。然而在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生對(duì)于“自然選擇”“適者生存”等抽象概念缺乏深入理解，甚至存在誤解，導(dǎo)致教學(xué)難度增加。

基于此，本文對(duì)教材課程資源進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，借鑒達(dá)爾文的科學(xué)探索路徑，以“斗嘴的達(dá)爾文雀”作為主線情境，聚焦生物進(jìn)化原因的發(fā)現(xiàn)歷程，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，幫助學(xué)生突破認(rèn)知障礙，深入理解“自然選擇學(xué)說(shuō)”的核心理論。學(xué)生在積極參與和體驗(yàn)式學(xué)習(xí)中，逐步構(gòu)建起“進(jìn)化與適應(yīng)”的生命觀念，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 引入科學(xué)史料，創(chuàng)設(shè)主線情境

教材設(shè)置的“原雞進(jìn)化”和“樺尺蠖體色變化”兩個(gè)相互獨(dú)立的情境，學(xué)生需要頻繁切換思維，導(dǎo)致其難以在情境中進(jìn)行深入分析與思考。

鑒于此，筆者以加拉帕格斯群島上觀察到的“達(dá)爾文雀”作為案例，以“斗嘴的達(dá)爾文雀”創(chuàng)設(shè)主線情境貫穿整節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，將各個(gè)知識(shí)點(diǎn)融入主線情境，旨在幫助學(xué)生構(gòu)建邏輯清晰、層次分明的認(rèn)知框架，提升學(xué)生核心素養(yǎng)。圍繞主線情境，教師設(shè)計(jì)一系列層層深入的子情境，以情境串聯(lián)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生深入地探究實(shí)踐，最終促進(jìn)學(xué)生學(xué)科概念的形成。

教師以精心設(shè)計(jì)的主線情境為引導(dǎo)，讓學(xué)生能夠更加全面、深入地認(rèn)識(shí)科學(xué)知識(shí)的應(yīng)用與實(shí)踐，從而更好地領(lǐng)悟生物學(xué)的內(nèi)在價(jià)值與深遠(yuǎn)意義。一方面，教師以“勇地雀喙的變化”“干旱對(duì)勇地雀喙的影響”“大嘴地雀對(duì)勇地雀喙的影響”“多種多樣的達(dá)爾文雀”為情境線索，串聯(lián)生物多樣性及生物進(jìn)化等知識(shí)點(diǎn)；另一方面，教師以“達(dá)爾文雀的喙是如何進(jìn)化的”“加拉帕格斯群島上的達(dá)爾文雀是如何進(jìn)化的”“地球上生物多樣性是如何形成的”等遞進(jìn)問(wèn)題串深入教學(xué)，并結(jié)合模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析、類比推理和歸納總結(jié)等思維方法，有效提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，發(fā)展其批判性思維與創(chuàng)新實(shí)踐能力。本節(jié)課的主線設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

2 演繹科學(xué)史料，模擬實(shí)驗(yàn)探究

義務(wù)教育階段的生物學(xué)課程注重學(xué)生的探究和實(shí)踐，鑒于物種進(jìn)化是一種涉及多個(gè)性狀同時(shí)演變的復(fù)雜過(guò)程，本文將課堂探究實(shí)踐聚焦于勇地雀喙的形態(tài)這一具體性狀的進(jìn)化上，簡(jiǎn)化學(xué)習(xí)過(guò)程、降低理解難度。學(xué)生通過(guò)深入探究喙的具體進(jìn)化機(jī)制，進(jìn)而理解其他性狀的進(jìn)化規(guī)律，最終理解物種進(jìn)化理論。這種由點(diǎn)到面、循序漸進(jìn)的教學(xué)方法，有助于學(xué)生更加系統(tǒng)、全面地認(rèn)識(shí)生物進(jìn)化。然而，由于研究對(duì)象及其身處的環(huán)境難以獲取和重現(xiàn)，在課堂上模擬科學(xué)家的探索過(guò)程存在一定的困難，因此，當(dāng)實(shí)驗(yàn)受到時(shí)間或空間的限制時(shí)，教師需要依據(jù)研究目標(biāo)和對(duì)象，合理設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)。

教師展示實(shí)驗(yàn)中所使用的主要材料，包括不同型號(hào)的鑷子、黃豆以及桂圓等。為確保學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c實(shí)驗(yàn)步驟具有清晰的認(rèn)識(shí)，教師提出以下問(wèn)題：本模擬實(shí)驗(yàn)的變量是什么？實(shí)驗(yàn)中所使用的材料分別模擬什么研究要素？如何有效控制取食時(shí)間，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性？如果受到環(huán)境影響，食物發(fā)生了改變，勇地雀的喙可能會(huì)產(chǎn)生怎樣變化？學(xué)生通過(guò)對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行討論，深入理解實(shí)驗(yàn)原理，為接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)操作與數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)。

經(jīng)過(guò)學(xué)生分組討論，確定本實(shí)驗(yàn)的核心變量為勇地雀喙的形狀。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生使用大、小兩種開(kāi)口的鑷子分別模擬大喙和小喙的勇地雀，而不同的種子和果實(shí)則作為勇地雀的食物來(lái)源。為確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，師生共同制訂了以下模擬實(shí)驗(yàn)方案：①學(xué)生模擬三次取食過(guò)程，每次模擬代表一代的基因傳遞過(guò)程。在第一代實(shí)驗(yàn)中，每組將有兩名學(xué)生使用大、小開(kāi)口的鑷子（分別代表大喙和小喙）作為親鳥(niǎo)，其余學(xué)生將扮演親鳥(niǎo)的后代。②教師播放的“鳥(niǎo)鳴聲”將作為每次“取食”活動(dòng)的開(kāi)始和結(jié)束標(biāo)志。當(dāng)鳥(niǎo)鳴聲響起時(shí)，學(xué)生需使用相應(yīng)的鑷子將培養(yǎng)皿中的食物（黃豆或桂圓）放入紙杯中。③為了模擬勇地雀在自然環(huán)境中的生存壓力，親代勇地雀在生存過(guò)程中必須至少取得20粒黃豆或5粒桂圓，方可有資格生存并繁殖后代。④對(duì)于取食數(shù)量未達(dá)到要求的學(xué)生，將被視為淘汰，而達(dá)到要求的學(xué)生能夠讓組內(nèi)其他同學(xué)繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。以上方案旨在通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，深入探究勇地雀喙的形狀變化對(duì)其生存和繁殖的影響。教師通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、精確的結(jié)果記錄，幫助學(xué)生得出更為理性、客觀的結(jié)論。實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

3 分析科學(xué)史料，深挖思維邏輯

科學(xué)史料不僅可以幫助學(xué)生回溯歷史、理解科學(xué)發(fā)展過(guò)程，更可以讓學(xué)生深入理解科學(xué)家的思維邏輯和科學(xué)創(chuàng)造過(guò)程。科學(xué)家的思維邏輯，往往隱藏在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、理論構(gòu)建等各個(gè)環(huán)節(jié)中。因此，在教學(xué)實(shí)踐中，教師需要引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)分析科學(xué)線索，逐步還原科學(xué)家的研究過(guò)程，進(jìn)而理解科學(xué)研究是從問(wèn)題出發(fā)，通過(guò)邏輯推理和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終得出科學(xué)結(jié)論的探究過(guò)程。

教師在引導(dǎo)學(xué)生填寫(xiě)表格的同時(shí)，出示以下思考題引導(dǎo)學(xué)生相互討論：①早期的勇地雀在生存和繁衍過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生具有不同喙型的后代，其原因是什么？②當(dāng)以黃豆（小型種子）為食時(shí)，第三代幸存數(shù)量最多的是哪種喙型的勇地雀？若幸存的勇地雀可繼續(xù)繁殖其種群數(shù)量會(huì)發(fā)生什么變化？此現(xiàn)象說(shuō)明什么？③模擬實(shí)驗(yàn)中，限定時(shí)間與食物數(shù)量模擬了自然界中的什么情境？這說(shuō)明了什么生物學(xué)原理？④當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化，只能以桂圓（大型種子）為食時(shí)，第三代幸存數(shù)量最多的是哪種喙型的勇地雀？說(shuō)明環(huán)境在生物進(jìn)化過(guò)程中起什么作用？

教師展示相關(guān)資料，并引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)問(wèn)題支架進(jìn)行邏輯推理與論證。學(xué)生嘗試運(yùn)用自然選擇學(xué)說(shuō)來(lái)解釋勇地雀的進(jìn)化方向，以深化對(duì)生物進(jìn)化理論的理解。通過(guò)對(duì)資料的分析與整理，學(xué)生交流并達(dá)成共識(shí)：①勇地雀在生存和繁衍的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生具有不同喙型的后代，這是遺傳變異的結(jié)果，可遺傳的變異是生物進(jìn)化的基礎(chǔ)；②在生活空間、所需食物充裕的情況下，第四代的起始數(shù)量為16只，第五代則高達(dá)32只，說(shuō)明生物本身具有過(guò)度繁殖的傾向，這是生物進(jìn)化的前提；③模擬實(shí)驗(yàn)中，以限定時(shí)間和食物數(shù)量模擬自然界中的種間競(jìng)爭(zhēng)與種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)，生存競(jìng)爭(zhēng)是生物進(jìn)化的動(dòng)力；④在激烈的生存競(jìng)爭(zhēng)中，具有有利變異的個(gè)體能生存下來(lái)并繁殖后代，而具有不利變異的個(gè)體則逐漸被淘汰。

在對(duì)問(wèn)題進(jìn)行思考的基礎(chǔ)上，學(xué)生跟隨達(dá)爾文的思維邏輯，逐步構(gòu)建以“過(guò)度繁殖”“生存競(jìng)爭(zhēng)”“遺傳變異”和“適者生存”為主要內(nèi)容的自然選擇學(xué)說(shuō)（見(jiàn)圖2）。通過(guò)對(duì)科學(xué)史料的深入剖析和對(duì)自身思維邏輯的細(xì)致挖掘，學(xué)生不僅可以更好地理解科學(xué)的發(fā)展歷程，還可以從中汲取靈感，啟發(fā)自身的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力。

4 闡釋科學(xué)史料，培育科學(xué)精神

科學(xué)史料是記錄科學(xué)發(fā)展歷程的重要載體，其中蘊(yùn)含著科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)理性的探索歷程和不懈求真的實(shí)踐態(tài)度。在評(píng)價(jià)反饋中，教師可以補(bǔ)充相應(yīng)的科學(xué)史料作為子情境幫助學(xué)生鞏固和發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。教師在引導(dǎo)學(xué)生解決各種子情境中的復(fù)雜現(xiàn)象和高階問(wèn)題時(shí)，鼓勵(lì)其運(yùn)用科學(xué)思維和科學(xué)方法進(jìn)行分析，通過(guò)合理有效的解釋和客觀公正的評(píng)估，得出客觀、可驗(yàn)證、可重復(fù)的普適性解釋。

學(xué)生得出以自然選擇學(xué)說(shuō)為核心的生物進(jìn)化理論后，教師繼續(xù)提供子情境：島上豐富的食物資源吸引了大嘴地雀來(lái)此地棲息。大嘴地雀與勇地雀的食性相同，但體型更大，碩大的鳥(niǎo)喙在取食時(shí)優(yōu)勢(shì)更為突出。教師提問(wèn)：如果這種情況一直持續(xù)下去，勇地雀的喙會(huì)發(fā)生怎樣的變化？學(xué)生繼續(xù)深入探究，推測(cè)出兩種可能：一是與之前情境的發(fā)展趨勢(shì)相似，大喙勇地雀更有競(jìng)爭(zhēng)性，在取得繁殖優(yōu)勢(shì)后帶動(dòng)整個(gè)勇地雀種群的鳥(niǎo)喙尺寸增加；二是可能與之前情境發(fā)展完全相反，隨著大嘴地雀在島上的繁殖，勇地雀的生存空間受到了明顯的擠壓，只能重新選擇小種子作為食物來(lái)源，因此鳥(niǎo)喙尺寸也開(kāi)始逐漸變小。

經(jīng)過(guò)討論后，教師出示相關(guān)數(shù)據(jù)：勇地雀的種群數(shù)量已經(jīng)由原先的約1 300只銳減至150只，其鳥(niǎo)喙尺寸也逐漸變小；與此同時(shí)，大嘴地雀的種群數(shù)量也從約250只下降到了幾十只。學(xué)生通過(guò)這些數(shù)據(jù)得知，在這場(chǎng)激烈的食物競(jìng)爭(zhēng)中，許多勇地雀因食物短缺而未能幸存。

5 總結(jié)

教師通過(guò)拓展科學(xué)史料、闡釋科學(xué)史料等方式，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、穩(wěn)重、理性的科學(xué)品質(zhì)，幫助學(xué)生更好地理解和踐行科學(xué)精神。同時(shí)在教學(xué)中，教師應(yīng)該補(bǔ)充達(dá)爾文自然選擇學(xué)說(shuō)的局限性。盡管達(dá)爾文觀察到了生物的遺傳和變異現(xiàn)象，但他未能揭示變異的本質(zhì)。此外，自然選擇學(xué)說(shuō)主張物種形成是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，卻難以解釋物種大爆發(fā)現(xiàn)象。教師以此鼓勵(lì)學(xué)生繼續(xù)深入探究，為現(xiàn)代進(jìn)化學(xué)說(shuō)的發(fā)展與完善貢獻(xiàn)自己的智慧與力量。