淺談高中生物科學史教學中學生探究能力培養(yǎng)的實踐

程銳創(chuàng)

摘 要 《普通高中生物課程標準》倡導“探究性學習”的基本理念，在能力目標上提出了“發(fā)展科學探究能力”，要求“注重生物科學史的學習”。高中生物科學史中的經典實驗是培養(yǎng)學生探究能力的典范，把科學史教學和培養(yǎng)學生探究能力結合在一起，幫助學生掌握生物科學的產生，理解科學的本質，對于學生系統(tǒng)地掌握生物學的研究方法、啟迪思維是非常有利的。

關鍵詞 高中生物科學史 探究能力 培養(yǎng)

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

《普通高中生物課程標準（實驗）解讀》將生物科學史描述為：“以生物科學產生和發(fā)展的過程為輪廓，以科學發(fā)展歷程中帶有重大轉折作用的課題及事件為主線，用詳實的資料論述科學家們的創(chuàng)造性勞動，生動地描述他們進行科學探索的思維過程和方法，同時也對生物學發(fā)展的邏輯和社會歷史背景等重大問題進行評論?！毙抡n程標準提出倡導探究性學習的理念，我們把探究過程與生物科學史相互整合，不僅讓學生理解科學的產生過程，而且有利于學生系統(tǒng)地掌握生物學的研究方法。通過學習生物科學史，使學生了解科學家的探索過程，掌握科學研究的思維。在學習生物科學史的基礎上培養(yǎng)學生的科學探究能力，進而發(fā)展學生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新意識。

1 高中生物科學史教學中探究能力培養(yǎng)的現狀

1.1 新舊高中生物教材中生物科學史內容比較分析

1.1.1 《普通高中生物課程標準》（以下簡稱《標準》）對科學史要求的強化

與《教學大綱》比較，《標準》在知識目標要求和教學建議部分對生物科學史作了“點名”要求，《標準》中被列入具體內容標準的科學史增加為10個，而且由了解水平上升為理解、應用、經歷、反應水平。同時要求對于《標準》中沒有列出的其他生物科學史實也應注意引用。

1.1.2 生物科學史是數量增加

新課標教材在舊教材的基礎上增加了內容，由38個增至50個。教師還可以根據教學實際的需要作適當的補充，對于某些極少涉及科學史的章節(jié)應該有計劃、有針對性的呈現。

1.1.3 生物科學史的形式更加多樣化

舊教材中多以課內小段文字、“課外讀”的形式呈現；新課標教材中除課程基本內容外，還有科學家訪談、資料分析、科學前沿、科學史話、科學家的故事、科學·技術·社會、拓展視野、科技探索之路等形式的呈現。

1.2 生物科學史教學中探究能力培養(yǎng)存在的問題

1.2.1 教師對生物科學史的教學價值認識有待提高

教師對生物科學史的教學價值普遍認可，但在教學中，大多只是將其單純地作為歷史資料，用于吸引學生的注意力，激發(fā)學習興趣，對其他深層次的價值認識不夠。生物科學史在呈現歷史的同時，還蘊含著豐富的科學知識、科學方法和科學人文精神，能夠讓學生探究知識產生的過程、幫助學生認識科學的本質、理解概念和學習方法，提高學生的人文素養(yǎng)和科學素養(yǎng)。因此，教師應該積極主動地去挖掘科學史的價值，沖破原有的局限，從而確保生物科學史教學的有效開展。

1.2.2 生物教師的精力及能力的限制

傳統(tǒng)教育中所培養(yǎng)的大部分教師知識結構單一，缺乏科學探究的經驗。部分教師對生物科學史知識的了解和掌握僅限于課內教材，或者通過網絡臨時補充些，沒有真正思考科學史如何對教學起作用，因此教師對其知識的儲備不足導致生物科學史的教學無法深入，從而影響學生探究能力的培養(yǎng)效果。許多教師在應試教育的重壓下，為完成教學任務，忽視學生探究能力的培養(yǎng)。這些因素都可導致教師在學生探究能力培養(yǎng)中教學設計不當，指導不利，點撥不到，嚴重影響了探究教學的有效開展。

1.2.3 課程改革與高考的矛盾沖突 雖然素質教育的觀點早已深入人心，但考試成績仍是主要關注點。而探究能力的培養(yǎng)對素質的提高卻是一個需長期積累才能逐漸顯現的過程，絕大多數學生雖然在科學探究思維、創(chuàng)新與實踐能力等方面會有提高，但卻不一定在考分上得到“立竿見影”的效果。雖然科學史已經在高考中有所體現，但科學史內容的教學仍是淺嘗輒止。

1.2.4 學生需要一定的適應期

學生多年在灌輸的環(huán)境下學習，習慣于做大量的課外練習，以練代學，不注重動手能力的培養(yǎng)，不注重對知識的理解、綜合和運用，更少有創(chuàng)新思維，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。探究能力的提升在剛開始時難度偏大，需要一定的適應時期。

教師在生物科學史教學中培養(yǎng)學生的探究能力，不僅能使學生學習生物學理論知識，同時有助于引導學生體驗探究過程，領會科學探究需要一絲不茍的科學態(tài)度、嚴謹的思維方式、科學的實驗設計，以及堅持不懈的科學精神。

2 高中生物科學史教學中探究能力培養(yǎng)的一般模式

新課程理念倡導科學探究學習，主張學生通過探究活動主動地學習科學方法，獲取科學知識，生物學探究的一般程序：提出問題——作出假設——制定實驗計劃——實施實驗計劃（驗證假設）——記錄——資料和信息處理——得出結論——表達和交流——進一步提出問題。每一個環(huán)節(jié)又包含多種方法，如提出問題中包括觀察、質疑等；制定計劃包括材料選擇、方案設計等；得出結論包括判斷、歸納、推理等。科學探究是一個復雜的、不斷發(fā)展進步的過程。

在生物科學史教學中提倡探究教學，就是要引導學生主動發(fā)現問題、解決問題，親身體驗。將生物科學史學習與探究能力培養(yǎng)結合起來需要教師進行精心設計，圖1為生物科學史與探究學習有機結合的一般過程。

但是教師也不能為了探究而探究，那只會成為“形式上的探究”，因此要根據教學內容的不同、教學目標的不同，結合學生已有的知識水平層次、教師的個人教學風格等，采用多樣化的探究能力培養(yǎng)模式，同時可以有重點、有針對性的進行個別環(huán)節(jié)的探究。

3 高中生物科學史教學中探究能力培養(yǎng)的實踐

3.1 利用生物科學史導入，激發(fā)學生探究興趣

興趣是學習的原動力，學生有了興趣，才能積極主動地探索知識，追尋真理發(fā)現的過程。在課堂教學中適時地引入生物科學史，可以使學生消除“高不可攀”的心理，降低其認識起點，充分激發(fā)學生的好奇心理，激發(fā)學生的探究興趣，達到良好的教學效果。

【例1】 在“孟德爾的豌豆雜交實驗”教學中導入孟德爾的生平、雜交實驗等的簡介，體現生物科學史激發(fā)學生探究興趣的作用。

如：“八年耕耘源于對科學的癡迷，一畦畦豌豆蘊藏遺傳的秘密。實驗設計開辟了研究的新路，數學統(tǒng)計揭示出遺傳的規(guī)律。”教師以此開始，指導學生閱讀教材，初步認識孟德爾（由教材中的詩引入，將學生的注意力集中到孟德爾身上，激發(fā)學生對孟德爾本人及其事跡的好奇，同時達成情感、態(tài)度與價值觀目標）。

師：孟德爾（1822-1884）其實只是一個默默無聞的奧地利修道士，為什么他能發(fā)現遺傳的基本規(guī)律而聞名于世？孟德爾是個喜歡學習的“窮學生”，因家境貧寒，21歲成為了修道士。曾經到維也納大學進修自然科學和數學，這為他之后的研究奠定了一定的知識基礎。在科學研究中，他觀察非常細致、態(tài)度嚴謹，而且善于記錄

學生在了解孟德爾的生活背景后，發(fā)現一個默默無聞的修道士，竟然可以做一般人做不到的事情，體會到原來科學發(fā)現離我們這么近，只要有心，人人都可以有所作為。同時介紹孟德爾擅長數學，為遺傳比例的得出埋下伏筆。

師：孟德爾在修道院的小園地里開始了長達8年的豌豆實驗。他選擇不同的豌豆品種進行實驗，如高莖或矮莖、種子圓滑或皺縮等。在種植過程中，對豌豆不同代的性狀和數目進行了細致入微的觀察、計數和分析。為什么選擇豌豆作為實驗材料？

學生仔細觀察豌豆花的結構，討論分析，得出豌豆適宜實驗的特點。在此過程中，學生的觀察、分析能力得到了鍛煉。

師：孟德爾種了8年的豌豆，究竟做了什么實驗呢？（教師展示一對相對性狀的雜交實驗過程，強調孟德爾做了大量的實驗，記錄了21 000棵豌豆的實驗結果，并對結果進行統(tǒng)計分析，因此數據是完全可靠的）① 為什么子一代全部表現為高莖？矮莖性狀消失了嗎？② 子二代中高莖與矮莖表現為3∶1是偶然的嗎？③ 為什么先進行一對相對性狀的遺傳實驗，不同時進行多對相對性狀的雜交實驗？

教師引導學生思考這些問題，分析實驗的要點，促使學生理解相關概念。教師由問題串展開，自然而然地過渡到“3∶1”的分析。通過討論分析，學生的思維能力得到提高。

師：歷經8個寒暑的辛勤勞作，記錄了無數的實驗數據，孟德爾將數學統(tǒng)計方法運用于生物學，同時開創(chuàng)了假說一演繹法，最終發(fā)現了遺傳學的基本規(guī)律。1865年，他在布魯恩科學協(xié)會的會議廳，宣讀了自己的研究論文，可惜沒人能夠理解。在孟德爾逝世16年后，他的研究成果終于為世人所了解。為了紀念孟德爾的貢獻，人們將分離、自由組合定律分別稱為“孟德爾第一定律”“孟德爾第二定律”，其也被尊稱為“遺傳學之父”。

通過史實介紹，學生認識到科學研究方法在實驗探究中的重要性，好的方法是科學發(fā)現的捷徑。同時認識到生物科學知識、理論、真理的發(fā)現都不是一蹴而就的，都需要歷經艱辛才能獲得，因此應該尊重知識，珍惜知識。

3.2 利用生物科學史引導質疑，激發(fā)假設欲望

科學研究始于問題，通過思考、分析所遇到現象產生的原因或規(guī)律，然后合理假設。在學生探究能力培養(yǎng)過程中，教師應該引導學生觀察分析實驗現象，大膽質疑，激發(fā)學生提出科學合理假設的欲望。

【例2】 “植物生長素的發(fā)現”的教學重點是生長素的發(fā)現過程，教材根據科學家的實驗順序闡述生長素的發(fā)現過程。教學中，教師應以科學發(fā)現中的研究方法為主線，采用探究的教學方式，培養(yǎng)學生的探究能力，激發(fā)學生的探究欲望，體會科學發(fā)現過程，領悟科學探究方法。

當教師播放“觀察黑暗條件和單側光照下胚芽鞘的生長情況”的動畫，引導學生得出“胚芽鞘向光性生長與單側光有關”的結論。繼續(xù)播放“切除尖端和保留尖端的胚芽鞘在單側光照下的生長情況”實驗的動畫，引導學生得出“胚芽鞘生長與尖端有關”的結論。再追問這些結論是否真正解決了問題？同學們有沒有其他疑問產生？教師鼓勵學生從疑問中作出假設。

學生假設：尖端產生某種物質促使生長；胚芽鞘的生長部位是尖端；胚芽鞘的生長部位是尖端下部；胚芽鞘感光部位是尖端……

然后，學生通過觀察實驗“放過胚芽鞘尖端的瓊脂與未放過尖端的瓊脂分別在切去尖端的胚芽鞘上的生長情況”和“觀察保留尖端的胚芽鞘生長情況以及沾過胚芽鞘尖端的瓊脂放在切去尖端的胚芽鞘上的生長情況”，來檢驗假設，解決矛盾。在這個過程中矛盾疊生，問題起伏，教師利用生物科學史材料以及適當的引導，促使學生大膽質疑，激發(fā)假設欲望。

合理假設往往是創(chuàng)新的萌芽和開始，也可能是一種科學的創(chuàng)舉和發(fā)現。教學中，教師應著重培養(yǎng)和訓練學生的假想推斷能力，把學生的思維引入一個自由開闊而又有著豐富內涵的探究空間，拓寬學生的探究路徑和思維視野，讓學生能夠而且善于突發(fā)奇想。

在學習過程中，學生不僅要掌握發(fā)現問題、作出假設的技巧，而且要感受科學探究的魅力。科學是不斷發(fā)展的，不應囿于原有的理論，而是應該大膽質疑，挑戰(zhàn)權威，才能有所創(chuàng)新。

3.3 利用生物科學史分析實驗，體驗探究樂趣

生物科學史中蘊含實驗方法、思考方式、探究過程及實驗結論，學生可以根據科學史進行思維探究與分析，體驗科學家探究的樂趣。

【例3】 怎樣才能改變以往閱讀教材實驗材料，背誦實驗結論或利用學案，結合教材中的填空等索然無味的課堂呢（以“生物膜流動鑲嵌模型”為例）？教師應該利用教材中的生物科學史，并且在教材的基礎上豐富生物膜流動鑲嵌模型的探究過程（如增加電子顯微鏡的知識），提高學生探究樂趣的同時，達到培養(yǎng)學生探究能力的目的。

師：歐文頓用500多種化學物質對植物細胞的通透性進行上萬次的實驗，發(fā)現細胞膜對不同物質的通透性不一樣，凡是可以溶于脂質的物質更容易通過細胞膜進入細胞，展示圖片（補充相關知識背景：相似相溶原理）。

學生觀察探究并分析歐文頓的實驗現象，依據實驗現象，學生作出推理：細胞膜的組成成分中含有脂質。

教師介紹細胞膜能被蛋白酶分解。依據實驗現象，學生作出推理：還有蛋白質。

結合兩個實驗，學生小組得出結論：生物膜主要由脂質和蛋白質組成。

在上萬次的實驗后才得出生物膜的組成成分中有脂質，學生領會到科學實驗是非常嚴謹的，很多實驗都需要反復操作才能得出結論。在學習過程中，學生分析現象，討論推理，體驗探究過程和體驗科學研究的一般思路：由成分分析進入結構分析，起到過渡的作用。

教師指導學生閱讀磷脂分子的資料，提出問題：① 如果將磷脂分子放入水槽中，磷脂分子在“空氣一水”界面上有幾種可能的排布方式？試著畫簡圖并解釋？② 在什么情況下，把單層磷脂分子按入水中時，既不浮起也不沉底？試著畫出磷脂分子的排布并解釋？③ 生物膜中，磷脂分子最有可能的排布？原因是什么？是單層還是雙層？（補充背景知識：紅細胞膜中的脂質單分子層是紅細胞表面積的兩倍）依此得出相關結論。

教師展示羅伯特森的細胞膜電鏡照片，補充電子顯微鏡的工作原理（電子顯微鏡通過入射電子與蛋白質和磷脂碰撞產生不同散射度，從而形成不同影像。蛋白質密度高，影像呈黑色，磷脂密度低，影像發(fā)亮）。教師提出問題：① 蛋白質分子與磷脂雙分子層存在什么樣的位置關系？② 推測羅伯特森的模型？

在此基礎上，學生小組合作，分析資料，處理、整合實驗數據，大膽推理和想象，探究蛋白質在磷脂雙分子層中的排布情況，推理得到羅伯特森的生物膜模型：“蛋白質—脂質—蛋白質”三層結構。

學生分析實驗過程和結果，進行演繹推理。雖然學生無法親自實驗，但是通過學習科學家探究細胞膜模型的歷程，由資料進行模型構建，同樣可以加深對細胞膜模型的理解。

師：羅伯特森把“蛋白質—脂質—蛋白質”模型描述為靜態(tài)的統(tǒng)一結構，這能否與生物膜的生理功能相適應？（展示變形蟲的變形運動，白細胞吞噬細菌過程等）。

學生根據科學資料，分析靜態(tài)模型的缺陷，得出結論：靜態(tài)模型無法解釋細胞膜的某些功能，細胞膜應該是動態(tài)的結構而不是靜止的。

教師介紹人—鼠細胞融合實驗資料，提出問題：根據該資料你能進一步得出什么結論？

學生在資料中尋找實驗證據，推理得出結論：細胞膜具有流動性。最后，水到渠成的明確流動鑲嵌模型的基本內容。

在無法真實操作科學史的探究實驗時，教師按照科學發(fā)現過程逐步展現實驗。學生通過分析推理，循著科學家的探究思路，猶如抽絲剝繭般將知識呈現。這樣學生不僅加深了對知識的理解，培養(yǎng)了實驗分析能力，領會了科學探究的一般方法，還體會到科學探究的艱辛及科學探究的創(chuàng)新性，真正體驗探究樂趣。