例析科學(xué)史在培養(yǎng)科學(xué)探究能力中的應(yīng)用

郭曉明 李妹芳

【摘 要】在生物教學(xué)中，有豐富的科學(xué)史素材。本文以科學(xué)史教學(xué)為例，闡述了如何啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生提出問題、作出假設(shè)、像科學(xué)家那樣分析問題，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、得出結(jié)論，從而提高學(xué)生科學(xué)探究能力。

【關(guān)鍵詞】生物學(xué)教學(xué)；科學(xué)史；科學(xué)探究

【中圖分類號(hào)】G633.91 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】2095-3089（2019）02-0018-01

俗話說：“授之以魚不如授之以漁”，學(xué)生課堂中學(xué)習(xí)到的知識(shí)是有限的，而科學(xué)的發(fā)展日新月異。社會(huì)需要的是能獨(dú)立獲取知識(shí)、解決實(shí)際問題的創(chuàng)新性人才。對(duì)于學(xué)生來說重要的是學(xué)會(huì)方法。學(xué)會(huì)科學(xué)探究方法比知識(shí)的掌握有更深遠(yuǎn)的意義。

新《課程標(biāo)準(zhǔn)》提出生物學(xué)科核心素養(yǎng)，在課程目標(biāo)中提出學(xué)生要掌握科學(xué)探究的思路和方法，形成科學(xué)思維習(xí)慣[1][2]。科學(xué)探究能力的培養(yǎng)是生物教學(xué)工作中的重點(diǎn)。本文將從提出科學(xué)問題、做出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果四個(gè)方面，闡述如何在科學(xué)史的教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索能力。

一、身臨其境，提出問題

“授人以漁不如授人以欲”。和方法相比，探究欲望更為重要。興趣是最好的老師，發(fā)現(xiàn)問題、提出問題是進(jìn)行科學(xué)探究的第一步，有了問題才有探究的興趣和動(dòng)力。在科學(xué)史的學(xué)習(xí)中，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)科學(xué)家在各階段遇到的各種問題，像科學(xué)家一樣去思考，提高學(xué)生提出科學(xué)問題的能力。

例如在《酶的本質(zhì)》教學(xué)中，通過感受問題情境，體會(huì)科學(xué)家是如何通過現(xiàn)象觀察到本質(zhì)，并提出問題的。展示19世紀(jì)釀酒業(yè)面臨的普遍問題，釀出的葡萄酒為什么會(huì)變酸？探究這一問題的著眼點(diǎn)是什么？引發(fā)學(xué)生關(guān)注釀酒的過程。明確釀酒的過程就是糖類通過發(fā)酵變成酒精。接下來我們應(yīng)該探索什么呢？學(xué)生各抒己見，集思廣益，發(fā)現(xiàn)問題：糖類是怎么變成酒精的呢？是簡(jiǎn)單地化學(xué)過程，還是與生命活動(dòng)有關(guān)系？教師展示巴斯德（L.Pasteur）實(shí)驗(yàn)，提出問題：巴斯德和李比希（J.V.Liebig）結(jié)論是什么？你支持誰的觀點(diǎn)？如何論證？學(xué)生思考小組討論，然后展示畢希納（E.Buchne）的實(shí)驗(yàn)。提出問題：得到釀酶之后我們又遇到了什么問題？學(xué)生思考提出，繼續(xù)探索。

將學(xué)生置身于科學(xué)家的研究背景之中，去發(fā)現(xiàn)問題，感受科學(xué)家的探索歷程，在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣去思考、提出問題，從而學(xué)會(huì)凝練出科學(xué)問題的方法。

二、合理推測(cè)，作出假設(shè)

培養(yǎng)科學(xué)探究能力過程中，作出假設(shè)是重要一環(huán)。科學(xué)史中“提出假說”這一環(huán)節(jié)與其對(duì)應(yīng)，在學(xué)習(xí)中強(qiáng)調(diào)提出假說需要實(shí)驗(yàn)與觀察作為前提，還需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评砗痛竽懙南胂?。假說不等于結(jié)論，要通過觀察與實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證和完善。

例如在學(xué)習(xí)對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程中，關(guān)于細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，科學(xué)家提出許多假說和模型，在教學(xué)過程中可以貫穿“提出假說”，使學(xué)生感受科學(xué)家是如何提出假說的。首先展示歐文頓的實(shí)驗(yàn)，教師提出疑問：歐文頓（E.Overton）對(duì)膜成分進(jìn)行提取與分析了嗎？使學(xué)生得出歐文頓是依據(jù)相似相溶的原理推導(dǎo)出的，這只是對(duì)膜成分的猜想。教師提出疑問：那歐文頓是隨便亂說的嗎？使學(xué)生明白假說的提出要有實(shí)驗(yàn)和觀察的依據(jù)，不可主觀臆斷。教師再提出疑問：提出的假說是否一定成立呢？是否要進(jìn)行驗(yàn)證呢？介紹20世紀(jì)初科學(xué)家對(duì)膜成分進(jìn)行了化學(xué)分析，使學(xué)生明確假說需要通過觀察與實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證與完善。在本材料的學(xué)習(xí)中已經(jīng)貫穿了“提出假說”的整個(gè)過程。教師繼續(xù)提出下一材料，并提出：兩位荷蘭科學(xué)家并沒有在顯微鏡下觀察到細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，而是通過實(shí)驗(yàn)得出的，所以這也是一個(gè)假說。提出疑問：為什么可以得出脂質(zhì)分子排列為連續(xù)的兩層呢？有沒有可能是不規(guī)則排列呢？難道兩位科學(xué)家是隨意猜測(cè)的？使學(xué)生也產(chǎn)生疑問。然后教師提出磷脂分子的結(jié)構(gòu)，并啟發(fā)學(xué)生根據(jù)磷脂分子的特點(diǎn)及細(xì)胞膜所處位置，分析磷脂雙分子層如何排列并圖示磷脂分子的排列方式。學(xué)生通過動(dòng)手操作，已經(jīng)明白結(jié)論是如何得出的，所以兩位科學(xué)家提出的假說也是有科學(xué)依據(jù)的，這與脂質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)。本材料的學(xué)習(xí)使學(xué)生在此明確假說的提出應(yīng)有科學(xué)依據(jù)。

學(xué)生模擬科學(xué)家的猜想，然后對(duì)照科學(xué)家們的假說，進(jìn)行對(duì)比，從而在課堂教學(xué)中使學(xué)生掌握作出假設(shè)的方法。

三、分析對(duì)比，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

在科學(xué)探究歷史長(zhǎng)河中，既有成功案例，又有失敗案例。實(shí)驗(yàn)是否成功主要取決于兩方面：實(shí)驗(yàn)選材和過程設(shè)計(jì)。引導(dǎo)學(xué)生分析案例成功或失敗的原因，體會(huì)科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性；動(dòng)手設(shè)計(jì)，對(duì)比科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)自我評(píng)價(jià)，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

1.實(shí)驗(yàn)選材。

選擇實(shí)驗(yàn)材料是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的第一步，也是關(guān)鍵性的一步，材料選對(duì)了等于實(shí)驗(yàn)成功了一半。在學(xué)習(xí)《孟德爾的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)（一）》時(shí)，首先對(duì)孟德爾（G.J.Mendel）進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，展示他選用的植物材料：山柳菊、玉米、豌豆等，所有試驗(yàn)材料中，豌豆的雜交試驗(yàn)最為成功。提出疑問：為什么用豌豆做遺傳實(shí)驗(yàn)容易取得成功？帶著疑問進(jìn)行分析，并在分析原因過程中讓學(xué)生明白選材的重要性。在學(xué)習(xí)《基因在染色體上》時(shí)，再次提出疑問：如果你是摩爾根（T.H.Morgan），你會(huì)選擇什么材料呢？并介紹不同昆蟲讓學(xué)生進(jìn)行選擇。并在之后的探究實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生自主選材并提出合理性，通過實(shí)踐，學(xué)會(huì)選材。

2.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程。

在高中階段的實(shí)驗(yàn)中主要用到的實(shí)驗(yàn)方法是控制變量法，而這種方法也是科學(xué)家們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究常用方法之一。實(shí)驗(yàn)方法體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)過程之中，究竟該如何設(shè)計(jì)，應(yīng)該注意些什么？這在科學(xué)史中都有體現(xiàn)。在學(xué)習(xí)《生長(zhǎng)素的發(fā)現(xiàn)過程》時(shí)，首先提出達(dá)爾文（C.Darwin）的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄恐参锏南蚬庑耘c植物的哪一部位有關(guān)。如果你是達(dá)爾文你會(huì)選擇什么植物？如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)？如何設(shè)置對(duì)照，控制無關(guān)變量呢？以小組合作的方式探究設(shè)計(jì)，學(xué)生展示，教師評(píng)價(jià)，然后展示達(dá)爾文的實(shí)驗(yàn)圖，學(xué)生對(duì)照自己的設(shè)計(jì)與達(dá)爾文的設(shè)計(jì)，在相互評(píng)價(jià)與交流中學(xué)會(huì)控制變量的方法，并學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。在學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，也體會(huì)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性。再比如，在《光合作用的探索歷程》一節(jié)中，科學(xué)家普利斯特利（J.Priestley）通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了植物可以更新“渾濁的空氣”，而有人重復(fù)試驗(yàn)時(shí)，卻得到相反的結(jié)果，認(rèn)為植物也能使空氣變“渾濁”。為什么會(huì)出現(xiàn)這種結(jié)果呢？利普斯特利在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)忽略了什么？如果是你，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明光在植物更新空氣中的作用？學(xué)生通過分析發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)小小的失誤，就會(huì)造成實(shí)驗(yàn)的失敗。感受到控制無關(guān)變量的重要性的同時(shí)，設(shè)計(jì)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)踐中學(xué)會(huì)方法。

四、嚴(yán)謹(jǐn)推論，分析結(jié)果

對(duì)于相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不同知識(shí)背景的人可能有不同的結(jié)論。準(zhǔn)確分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果是科學(xué)探究能力的重要組成部分。豐富的知識(shí)儲(chǔ)備和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评砣币徊豢伞?/p>

例如在《一對(duì)相對(duì)性狀的雜交試驗(yàn)》中，孟德爾沒有停留在對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察與描述上，而是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)。在觀察和統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，果斷地摒棄了前人融合遺傳的觀點(diǎn)，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评砗痛竽懙南胂螅瑢?duì)分離現(xiàn)象的原因做出了合理的解釋，并對(duì)解釋進(jìn)行驗(yàn)證，從而提出分離定律[3]。正是因?yàn)橛薪y(tǒng)計(jì)學(xué)的知識(shí)基礎(chǔ)，孟德爾才能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合理分析。在教學(xué)過程中，采用講授法，帶領(lǐng)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使學(xué)生體會(huì)孟德爾解釋的合理性，學(xué)會(huì)孟德爾分析數(shù)據(jù)的方法；提倡各學(xué)科知識(shí)的遷移，發(fā)展綜合能力。

又如在《促胰液素的發(fā)現(xiàn)》教學(xué)中，采用合作探究法。首先教師出示19世紀(jì)人們對(duì)胰液分泌的認(rèn)識(shí)：認(rèn)為胰腺分泌胰液只是在鹽酸刺激下的神經(jīng)調(diào)節(jié)過程。然后給出沃泰默（Wertherimer）做的三組實(shí)驗(yàn)：

學(xué)生小組分析，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，認(rèn)為胰腺分泌胰液不僅有激素調(diào)節(jié)也有神經(jīng)調(diào)節(jié)。教師對(duì)學(xué)生的結(jié)論提出肯定與鼓勵(lì)，然后提出沃泰默對(duì)結(jié)果的解釋，提出問題：你同意他的解釋嗎？指出由于沃泰默的墨守成規(guī)不知變通，使他失去了發(fā)現(xiàn)真理的機(jī)會(huì)。

介紹斯他林和貝利斯大膽做出的另一種假設(shè)：胰腺分泌胰液的過程也有化學(xué)調(diào)節(jié)。提出問題：如何對(duì)斯他林與貝利斯的假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證呢？學(xué)生利用控制變量法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并與科學(xué)家進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，進(jìn)而得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：胰液的分泌是小腸粘膜分泌的化學(xué)物質(zhì)調(diào)節(jié)的結(jié)果。[4]學(xué)生閱讀“巴普洛夫的感慨”，分析斯他林和貝利斯取得成功的原因，體會(huì)到真理往往掌握在少數(shù)人手中，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析要科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，不可僵化迷信，要有大膽的質(zhì)疑精神和豐富的想象力。通過訓(xùn)練，學(xué)會(huì)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方法。

總之，在教學(xué)過程中，教師要充分利用科學(xué)史資源，運(yùn)用多種形式，采取合適的方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。課堂中引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣去思考、提出問題；嚴(yán)謹(jǐn)推理，大膽想象，作出假設(shè)；通過分析具體案例，讓學(xué)生自己動(dòng)手動(dòng)腦，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；從而培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)遷移的意識(shí)及敢于質(zhì)疑的精神。

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