基于科學史料的初中生物學教學實踐

摘 要：中學生物學教學要充分利用科學史料培養(yǎng)學生的生物學學科核心素養(yǎng)。本文以“斗嘴的達爾文雀”作為主線情境，通過“引入科學史料，創(chuàng)設主線情境”“演繹科學史料，模擬實驗探究”“分析科學史料，深挖思維邏輯”“闡釋科學史料，培育科學精神”四個環(huán)節(jié)培養(yǎng)學生的科學思維。

關鍵詞：科學史料；模擬實驗；科學思維

文章編號：1003-7586（2024）09-0014-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

生物科學史全面地記錄了人類對生命奧秘的不斷探索和發(fā)現(xiàn)，這段歷史不僅見證了生物學由淺入深、由表及里的發(fā)展過程，還折射出科學家在探究過程中的科學思維、科學態(tài)度及科學精神。教師在教學實踐過程中，應合理制定教學目標，充分挖掘生物科學史的教育價值，通過模擬實驗等教學方式，實現(xiàn)教學目標，從而有效培養(yǎng)學生的生物學學科核心素養(yǎng)。

“生物進化的原因”是蘇科版義務教育教科書《生物學·八年級·下冊》（以下簡稱“教材”）第23章第3節(jié)的內(nèi)容。通過學習該內(nèi)容，學生可以從生物學的視角，深入理解生命活動的進程與規(guī)律，進而全面認識生物界的構成及其發(fā)展變化。然而在教學實踐中，學生對于“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，導致教學難度增加。

基于此，本文對教材課程資源進行二次開發(fā)，借鑒達爾文的科學探索路徑，以“斗嘴的達爾文雀”作為主線情境，聚焦生物進化原因的發(fā)現(xiàn)歷程，通過模擬實驗和數(shù)據(jù)分析，幫助學生突破認知障礙，深入理解“自然選擇學說”的核心理論。學生在積極參與和體驗式學習中，逐步構建起“進化與適應”的生命觀念，進而發(fā)展學生的生物學學科核心素養(yǎng)。

1 引入科學史料，創(chuàng)設主線情境

教材設置的“原雞進化”和“樺尺蠖體色變化”兩個相互獨立的情境，學生需要頻繁切換思維，導致其難以在情境中進行深入分析與思考。

鑒于此，筆者以加拉帕格斯群島上觀察到的“達爾文雀”作為案例，以“斗嘴的達爾文雀”創(chuàng)設主線情境貫穿整節(jié)課的教學內(nèi)容，將各個知識點融入主線情境，旨在幫助學生構建邏輯清晰、層次分明的認知框架，提升學生核心素養(yǎng)。圍繞主線情境，教師設計一系列層層深入的子情境，以情境串聯(lián)設計教學環(huán)節(jié)，激發(fā)學生的學習興趣，引導學生深入地探究實踐，最終促進學生學科概念的形成。

教師以精心設計的主線情境為引導，讓學生能夠更加全面、深入地認識科學知識的應用與實踐，從而更好地領悟生物學的內(nèi)在價值與深遠意義。一方面，教師以“勇地雀喙的變化”“干旱對勇地雀喙的影響”“大嘴地雀對勇地雀喙的影響”“多種多樣的達爾文雀”為情境線索，串聯(lián)生物多樣性及生物進化等知識點；另一方面，教師以“達爾文雀的喙是如何進化的”“加拉帕格斯群島上的達爾文雀是如何進化的”“地球上生物多樣性是如何形成的”等遞進問題串深入教學，并結合模擬實驗、數(shù)據(jù)分析、類比推理和歸納總結等思維方法，有效提升學生的科學素養(yǎng)，發(fā)展其批判性思維與創(chuàng)新實踐能力。本節(jié)課的主線設計思路如圖1所示。

2 演繹科學史料，模擬實驗探究

義務教育階段的生物學課程注重學生的探究和實踐，鑒于物種進化是一種涉及多個性狀同時演變的復雜過程，本文將課堂探究實踐聚焦于勇地雀喙的形態(tài)這一具體性狀的進化上，簡化學習過程、降低理解難度。學生通過深入探究喙的具體進化機制，進而理解其他性狀的進化規(guī)律，最終理解物種進化理論。這種由點到面、循序漸進的教學方法，有助于學生更加系統(tǒng)、全面地認識生物進化。然而，由于研究對象及其身處的環(huán)境難以獲取和重現(xiàn)，在課堂上模擬科學家的探索過程存在一定的困難，因此，當實驗受到時間或空間的限制時，教師需要依據(jù)研究目標和對象，合理設計模擬實驗。

教師展示實驗中所使用的主要材料，包括不同型號的鑷子、黃豆以及桂圓等。為確保學生對實驗目的與實驗步驟具有清晰的認識，教師提出以下問題：本模擬實驗的變量是什么？實驗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間，以確保實驗數(shù)據(jù)的準確性？如果受到環(huán)境影響，食物發(fā)生了改變，勇地雀的喙可能會產(chǎn)生怎樣變化？學生通過對上述問題進行討論，深入理解實驗原理，為接下來的實驗操作與數(shù)據(jù)分析奠定基礎。

經(jīng)過學生分組討論，確定本實驗的核心變量為勇地雀喙的形狀。實驗中，學生使用大、小兩種開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則作為勇地雀的食物來源。為確保實驗數(shù)據(jù)的科學性和準確性，師生共同制訂了以下模擬實驗方案：①學生模擬三次取食過程，每次模擬代表一代的基因傳遞過程。在第一代實驗中，每組將有兩名學生使用大、小開口的鑷子（分別代表大喙和小喙）作為親鳥，其余學生將扮演親鳥的后代。②教師播放的“鳥鳴聲”將作為每次“取食”活動的開始和結束標志。當鳥鳴聲響起時，學生需使用相應的鑷子將培養(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對于取食數(shù)量未達到要求的學生，將被視為淘汰，而達到要求的學生能夠讓組內(nèi)其他同學繼續(xù)進行實驗。以上方案旨在通過模擬實驗，深入探究勇地雀喙的形狀變化對其生存和繁殖的影響。教師通過引導學生進行嚴謹?shù)膶嶒炘O計、精確的結果記錄，幫助學生得出更為理性、客觀的結論。實驗中數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

3 分析科學史料，深挖思維邏輯

科學史料不僅可以幫助學生回溯歷史、理解科學發(fā)展過程，更可以讓學生深入理解科學家的思維邏輯和科學創(chuàng)造過程?？茖W家的思維邏輯，往往隱藏在實驗設計、數(shù)據(jù)分析、理論構建等各個環(huán)節(jié)中。因此，在教學實踐中，教師需要引導學生仔細分析科學線索，逐步還原科學家的研究過程，進而理解科學研究是從問題出發(fā)，通過邏輯推理和實驗驗證，最終得出科學結論的探究過程。

教師在引導學生填寫表格的同時，出示以下思考題引導學生相互討論：①早期的勇地雀在生存和繁衍過程中會產(chǎn)生具有不同喙型的后代，其原因是什么？②當以黃豆（小型種子）為食時，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)量會發(fā)生什么變化？此現(xiàn)象說明什么？③模擬實驗中，限定時間與食物數(shù)量模擬了自然界中的什么情境？這說明了什么生物學原理？④當環(huán)境發(fā)生變化，只能以桂圓（大型種子）為食時，第三代幸存數(shù)量最多的是哪種喙型的勇地雀？說明環(huán)境在生物進化過程中起什么作用？

教師展示相關資料，并引導學生依據(jù)問題支架進行邏輯推理與論證。學生嘗試運用自然選擇學說來解釋勇地雀的進化方向，以深化對生物進化理論的理解。通過對資料的分析與整理，學生交流并達成共識：①勇地雀在生存和繁衍的過程中會產(chǎn)生具有不同喙型的后代，這是遺傳變異的結果，可遺傳的變異是生物進化的基礎；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32只，說明生物本身具有過度繁殖的傾向，這是生物進化的前提；③模擬實驗中，以限定時間和食物數(shù)量模擬自然界中的種間競爭與種內(nèi)競爭，生存競爭是生物進化的動力；④在激烈的生存競爭中，具有有利變異的個體能生存下來并繁殖后代，而具有不利變異的個體則逐漸被淘汰。

在對問題進行思考的基礎上，學生跟隨達爾文的思維邏輯，逐步構建以“過度繁殖”“生存競爭”“遺傳變異”和“適者生存”為主要內(nèi)容的自然選擇學說（見圖2）。通過對科學史料的深入剖析和對自身思維邏輯的細致挖掘，學生不僅可以更好地理解科學的發(fā)展歷程，還可以從中汲取靈感，啟發(fā)自身的科學思維和創(chuàng)新能力。

4 闡釋科學史料，培育科學精神

科學史料是記錄科學發(fā)展歷程的重要載體，其中蘊含著科學家嚴謹理性的探索歷程和不懈求真的實踐態(tài)度。在評價反饋中，教師可以補充相應的科學史料作為子情境幫助學生鞏固和發(fā)展生物學學科核心素養(yǎng)。教師在引導學生解決各種子情境中的復雜現(xiàn)象和高階問題時，鼓勵其運用科學思維和科學方法進行分析，通過合理有效的解釋和客觀公正的評估，得出客觀、可驗證、可重復的普適性解釋。

學生得出以自然選擇學說為核心的生物進化理論后，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，碩大的鳥喙在取食時優(yōu)勢更為突出。教師提問：如果這種情況一直持續(xù)下去，勇地雀的喙會發(fā)生怎樣的變化？學生繼續(xù)深入探究，推測出兩種可能：一是與之前情境的發(fā)展趨勢相似，大喙勇地雀更有競爭性，在取得繁殖優(yōu)勢后帶動整個勇地雀種群的鳥喙尺寸增加；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源，因此鳥喙尺寸也開始逐漸變小。

經(jīng)過討論后，教師出示相關數(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，其鳥喙尺寸也逐漸變??；與此同時，大嘴地雀的種群數(shù)量也從約250只下降到了幾十只。學生通過這些數(shù)據(jù)得知，在這場激烈的食物競爭中，許多勇地雀因食物短缺而未能幸存。

5 總結

教師通過拓展科學史料、闡釋科學史料等方式，培養(yǎng)學生嚴謹、穩(wěn)重、理性的科學品質(zhì)，幫助學生更好地理解和踐行科學精神。同時在教學中，教師應該補充達爾文自然選擇學說的局限性。盡管達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，自然選擇學說主張物種形成是一個漸進的過程，卻難以解釋物種大爆發(fā)現(xiàn)象。教師以此鼓勵學生繼續(xù)深入探究，為現(xiàn)代進化學說的發(fā)展與完善貢獻自己的智慧與力量。