一道科學(xué)史中考生物學(xué)試題評析及教學(xué)啟示*

沈偉云 （浙江省嵊州市教育體育局教研室 浙江嵊州 312400）

科學(xué)史為科學(xué)教學(xué)提供了科學(xué)發(fā)現(xiàn)的歷史背景、探索歷程及典型案例，在傳統(tǒng)教學(xué)中對于導(dǎo)入新課、激發(fā)學(xué)生興趣等方面起著一定的作用，但令人遺憾的是還停留在較淺顯的學(xué)習(xí)階段。通過對近幾年浙江省中考科學(xué)試題的分析，許多地市都出現(xiàn)了基于科學(xué)史背景的中考生物學(xué)試題，而學(xué)生得分普遍偏低，這對科學(xué)史教學(xué)提出了新的要求。為此，以2017年金華市第35題為例作一探討。

1 試題評析

例：海爾蒙特、普利斯特利、薩克斯等多位科學(xué)家用了200多年的時間，經(jīng)過無數(shù)次的實驗才對光合作用有了一個比較清楚的認(rèn)識。其中為了驗證葉片在光合作用和呼吸作用過程中有氣體的產(chǎn)生和消耗，就有許多經(jīng)典實驗流傳至今。現(xiàn)將其一實驗思路及過程簡述如下：

（注：NaHCO3稀溶液能維持溶液中CO2濃度恒定，其原理是當(dāng)CO2濃度降低時，NaHCO3稀溶液能釋放CO2，當(dāng)CO2濃度升高時，NaHCO3稀溶液能吸收CO2。）

①剪取一煙草葉片，立即將其放入盛有NaHCO3稀溶液的容器中，發(fā)現(xiàn)葉片浮于液面。

②用真空泵抽去該葉片中的氣體后，發(fā)現(xiàn)葉片下沉至容器底部。

③將該容器放在陽光下一段時間，發(fā)現(xiàn)葉片逐漸上浮。

④再將該容器放在黑暗環(huán)境中一段時間，發(fā)現(xiàn)葉片又慢慢下沉至試管底部。

請你用所學(xué)的知識對以上實驗③、④中的上浮與下沉現(xiàn)象進(jìn)行解釋。

圖1 實驗過程示意圖

解析：③在光照條件下，當(dāng)葉片光合作用強度大于呼吸作用時，吸收CO2，放出O2，釋放出的氣泡附著在葉片表面，葉片受到的浮力會逐漸增大，當(dāng)浮力大于重力時，葉片就上浮。

④在黑暗條件下，葉片只進(jìn)行呼吸作用不進(jìn)行光合作用，消耗O2，放出CO2，而放出的CO2會被NaHCO3稀溶液吸收，此時葉片受到的浮力逐漸變小，當(dāng)葉片受到的浮力小于重力時，葉片即下沉。

該題是基于科學(xué)史上有關(guān)光合作用和呼吸作用的一個探究實驗而命制的，較完整呈現(xiàn)了科學(xué)探索的過程，并且較好地將化學(xué)（NaHCO3）、物理（浮力）、生物學(xué)知識融合在一起，考查學(xué)生的學(xué)科整合能力。要求學(xué)生對其現(xiàn)象作出解釋，也有利于考查學(xué)生的說理表達(dá)能力。

2 教學(xué)啟示

初中科學(xué)教材呈現(xiàn)的內(nèi)容大多偏重于成熟的實驗和理論，強調(diào)知識點的具體內(nèi)容，缺乏知識的歷史性和探索性，若在生物學(xué)教學(xué)中引入科學(xué)史，讓學(xué)生重溫科學(xué)家當(dāng)年研究探索的歷程，使學(xué)生在學(xué)習(xí)知識的同時，能感受到歷史的厚重感，不僅有助于學(xué)生深刻體驗科學(xué)家的經(jīng)歷、思想，而且也有利于學(xué)生在主動探索中理解掌握知識重點，學(xué)會科學(xué)的思維方法。

2.1 滲透教育，熏陶學(xué)生科學(xué)思想精神 情感態(tài)度價值觀是科學(xué)教學(xué)的三維目標(biāo)之一，立德樹人是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的根本要求。學(xué)習(xí)科學(xué)史，以史為鑒，能增強學(xué)生的社會責(zé)任感，培養(yǎng)正確的情感態(tài)度與價值觀［1］。

該試題第1句表述了海爾蒙特、普利斯特利、薩克斯等科學(xué)家在200多年的時間內(nèi)，通過無數(shù)次實驗才對光合作用有了較為清楚的認(rèn)識，從中可讓學(xué)生感受到科學(xué)探索是一個長期的、百折不撓克服困難的過程。

在教學(xué)中教師可適時補充相應(yīng)的科學(xué)史素材，對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)思想精神的熏陶。例如在學(xué)習(xí)遺傳時，可提供沃森和克里克密切合作發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的史實，對學(xué)生進(jìn)行協(xié)作精神教育。在學(xué)習(xí)血液循環(huán)時，可補充哈維大膽推翻蓋侖學(xué)說，創(chuàng)立血液循環(huán)理論的史實，讓學(xué)生接受敢于沖破傳統(tǒng)和權(quán)威的束縛，去偽存真的科學(xué)精神。

科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)指出，應(yīng)不失時機地介紹我國古代一些曾長期在世界居于領(lǐng)先地位并產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響的科學(xué)技術(shù)成就和科學(xué)思想方法［2］。例如在學(xué)習(xí)分類知識時可舉明代李時珍提出的“三界十六部”分類法，較世界著名分類學(xué)家林奈早160多年。在講生命起源時，可向?qū)W生介紹我國科學(xué)家于1965年第1次合成了具有全部生物活性的蛋白質(zhì)結(jié)晶牛胰島素。

通過科學(xué)史教育，展現(xiàn)科學(xué)家在科學(xué)探索中表現(xiàn)出的實事求是、不畏艱難、開拓創(chuàng)新的科學(xué)精神和民主討論、尊重事實和服從真理的科學(xué)態(tài)度，有助于學(xué)生掌握和運用人類優(yōu)秀智慧成果，涵養(yǎng)內(nèi)在精神，形成正確的科學(xué)價值觀。

2.2 拓展史實，培養(yǎng)學(xué)生信息搜集能力 搜集生物學(xué)信息資料是學(xué)生自主學(xué)習(xí)，拓展知識，進(jìn)行判斷、推理和論證的必要的學(xué)習(xí)手段和方式。教材限于篇幅，僅提供少量的科學(xué)史，教師可結(jié)合學(xué)習(xí)需要，引導(dǎo)學(xué)生搜集科學(xué)史料，既可作為拓展性課程的重要內(nèi)容，也可培養(yǎng)學(xué)生信息搜集能力。

例如在學(xué)習(xí)有關(guān)酶的知識時，可以作業(yè)形式讓學(xué)生搜集相關(guān)資料，匯總?cè)缦拢?773年，斯帕蘭扎尼發(fā)現(xiàn)在胃里存在化學(xué)消化。之后，其他科學(xué)家分離出胃里的某種物質(zhì)，并稱之為“胃蛋白酶”。1857年，通過酵母制酒實驗，李比希認(rèn)為酶是無生命的化學(xué)物質(zhì)，巴斯德認(rèn)為酶是有生命的物質(zhì)，他們展開了討論。1897年，畢希納偶然的實驗：從死亡的酵母細(xì)胞中提取出一種物質(zhì)，也能催化發(fā)酵，從而解決了上述爭論。20世紀(jì)30年代科學(xué)家相繼提取出多種酶，并證實其成分是蛋白質(zhì)，20世紀(jì)80年代，切赫和奧特曼發(fā)現(xiàn)少數(shù)酶不是蛋白質(zhì)。

教師可引導(dǎo)學(xué)生在提取科學(xué)史實信息的基礎(chǔ)上，回答問題，例如：①胃蛋白酶只能催化蛋白質(zhì)說明了什么？②李比希與巴斯德哪一個觀點正確？什么實驗可以證實？③酶是否一定就是蛋白質(zhì)？④酶的研究歷史告訴了我們一個什么道理？學(xué)生通過從科學(xué)史獲取信息，從而獲得問題的解決。

通過基于學(xué)習(xí)主題搜集科學(xué)史，拓寬了學(xué)生學(xué)習(xí)視野。通過科學(xué)史料提取信息，解決問題，有助于增強學(xué)生的閱讀能力，也有利于培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。

2.3 分析說理，訓(xùn)練學(xué)生邏輯思維能力 邏輯思維是指在感性認(rèn)識的基礎(chǔ)上，以概念為基本單元，以判斷、推理為基本形式，以辯證方法為指導(dǎo)，間接、概括地反映客觀事物規(guī)律的理性思維過程［3］。長期以來，對生物學(xué)的學(xué)習(xí)存在一種誤解，認(rèn)為它是一門偏重記憶的學(xué)科，忽視對邏輯思維能力的培養(yǎng)。通過對科學(xué)史的分析說理，有助于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力。

例如在學(xué)習(xí)光合作用時，涉及到英國科學(xué)家普里斯特利實驗，其現(xiàn)象是“與綠色植物一起放在密閉玻璃罩內(nèi)點燃的蠟燭不易熄滅，與綠色植物一起放在密閉玻璃罩內(nèi)的小鼠不易窒息”。對此現(xiàn)象，可引導(dǎo)學(xué)生分析說理如下：若鐘罩內(nèi)只有蠟燭燃燒，則消耗了O2釋放出CO2，隨著氧氣濃度的降低，CO2濃度增加，蠟燭很快熄滅。若鐘罩內(nèi)有綠色植物，則蠟燭燃燒產(chǎn)生的CO2成為植物光合作用的原料被吸收，當(dāng)光照充足時，光合作用較呼吸作用強，綠色植物能為蠟燭繼續(xù)燃燒補充氧氣，所以鐘罩內(nèi)蠟燭燃燒時間長。

通過引導(dǎo)學(xué)生對科學(xué)史進(jìn)行分析說理，既可加深學(xué)生對生物學(xué)概念和規(guī)律的理解，又可訓(xùn)練學(xué)生運用生物學(xué)語言，準(zhǔn)確邏輯表述思維的本領(lǐng)，從而培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力。

2.4 經(jīng)歷過程，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力 科學(xué)探究是科學(xué)的本質(zhì)，具有重要的教育價值，在科學(xué)教學(xué)中，教師往往注重實驗探究，而忽視科學(xué)史探究的教學(xué)?？茖W(xué)史在很大程度上反映了科學(xué)家的探究活動與方法，學(xué)生較易領(lǐng)悟科學(xué)探究過程和學(xué)習(xí)科學(xué)方法，對科學(xué)方法的學(xué)習(xí)，對探究本質(zhì)的理解，為教學(xué)中探究活動的開展提供了科學(xué)理論的指導(dǎo)和依據(jù)［4］，即科學(xué)史探究彌補了實驗探究的不足。

例如關(guān)于生物能否自然發(fā)生，科學(xué)史上有過許多探究實驗，教師可通過呈現(xiàn)科學(xué)史，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)家的探究過程。

圖2

圖3

例如尼達(dá)姆按圖2做了實驗：將煮沸的肉湯先放入瓶中，然后用軟木塞迅速蓋住。幾天后，發(fā)現(xiàn)瓶子內(nèi)肉湯中出現(xiàn)了微生物。于是他提出了生物會自然發(fā)生的觀點。但斯巴蘭扎尼認(rèn)為微生物可能來自軟木塞，于是他做了如圖3所示實驗，將肉湯倒入瓶中，然后立即將瓶口燒熔封閉。第1次加熱至沸騰時間很短僅為2 min，幾天后，發(fā)現(xiàn)肉湯中仍有微生物。第2次加熱至沸騰時間較長為60 min，幾天后，肉湯中沒有發(fā)現(xiàn)微生物。后來通過巴斯德等多位科學(xué)家的探究，最終得出生物不能自然發(fā)生的結(jié)論。

科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)指出，科學(xué)探究是指學(xué)生經(jīng)歷與科學(xué)家相似的探究過程，以獲取知識、領(lǐng)悟科學(xué)的思想觀念、學(xué)習(xí)和掌握方法而進(jìn)行的各種活動［2］。通過學(xué)生深入學(xué)習(xí)領(lǐng)會科學(xué)史中的探究，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣開展探究，有助于學(xué)生進(jìn)一步理解科學(xué)探究本質(zhì)，提高科學(xué)探究能力。