基于虛擬實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)式科學(xué)史教學(xué)
——以“植物生長素”為例

許岳鋒 范陳蔓 崔 鴻

（華中師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 湖北武漢 430079）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》提出要注重生物科學(xué)史和科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)。生物科學(xué)史能夠讓學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)的發(fā)展過程，理解科學(xué)研究的思路和方法，體會科學(xué)、技術(shù)與社會的關(guān)系，促進(jìn)對科學(xué)本質(zhì)的理解。然而，由于課時(shí)、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)安全等因素的限制，科學(xué)史的實(shí)際教學(xué)往往局限在文字或圖像資料上的“紙上談兵”，難以充分發(fā)揮科學(xué)史的育人價(jià)值。本研究利用虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢，突破時(shí)空限制，重演歷史，讓學(xué)生在“實(shí)踐-認(rèn)知”的循環(huán)中親身體驗(yàn)科學(xué)知識的發(fā)生過程，形成理性的科學(xué)本質(zhì)觀。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于科學(xué)史教學(xué)的優(yōu)勢

重演科學(xué)史是科學(xué)史教學(xué)的有效手段，能夠讓學(xué)生在親歷提出問題、實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律等過程中，深刻理解科學(xué)內(nèi)涵，構(gòu)建科學(xué)概念，發(fā)展終身學(xué)習(xí)及創(chuàng)新實(shí)踐能力。然而，科學(xué)史上的許多實(shí)驗(yàn)由于儀器設(shè)備昂貴、操作難度大、實(shí)驗(yàn)周期長等原因，往往無法讓學(xué)生進(jìn)行真正的實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生參與感較差，學(xué)習(xí)效果不佳。

虛擬實(shí)驗(yàn)是一種以計(jì)算機(jī)應(yīng)用為核心，利用虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、計(jì)算機(jī)圖像等技術(shù)創(chuàng)設(shè)的新型實(shí)驗(yàn)。它具有沉浸感、交互性等特點(diǎn)，能夠從多感官通道創(chuàng)設(shè)虛擬空間，高度還原實(shí)驗(yàn)情景，以滿足用戶自主體驗(yàn)的需求。教師將虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于科學(xué)史教學(xué)中，能夠讓學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)親身體驗(yàn)生物科學(xué)史上漫長的探究過程，從而有效把握科研思路和方法，感受科學(xué)家們獻(xiàn)身科學(xué)的精神，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知過程和情意過程的統(tǒng)一。通過虛擬實(shí)驗(yàn)，教師成為科學(xué)史學(xué)習(xí)的引領(lǐng)者，帶領(lǐng)學(xué)生回溯歷史；學(xué)生紛紛化身為科學(xué)家，在“師生互動(dòng)、人機(jī)互動(dòng)、生生互動(dòng)”的三維互動(dòng)情境下自主探究，與“同行們”共同探討實(shí)驗(yàn)方案，付諸實(shí)踐，獲得直接的經(jīng)驗(yàn)和感受，從而幫助深化對概念的認(rèn)識，提高科學(xué)探究能力。

2 體驗(yàn)式學(xué)習(xí)與科學(xué)史教學(xué)

體驗(yàn)式學(xué)習(xí)是一種學(xué)習(xí)者用親身經(jīng)歷去認(rèn)識周圍事物的過程。美國著名心理學(xué)家大衛(wèi)·庫伯提出了“體驗(yàn)式學(xué)習(xí)循環(huán)模式”，認(rèn)為體驗(yàn)式學(xué)習(xí)主要包括以下四個(gè)階段：①具體體驗(yàn)——學(xué)習(xí)者在實(shí)踐活動(dòng)中形成對客體事物的整體感知。②觀察反思——學(xué)習(xí)者聯(lián)系已有的經(jīng)驗(yàn)，對體驗(yàn)進(jìn)行分析、反思。③抽象概括——學(xué)習(xí)者將感性認(rèn)識抽象概括化，構(gòu)建理論或模型。④行動(dòng)檢驗(yàn)——學(xué)習(xí)者遷移運(yùn)用到新情景中檢驗(yàn)，獲得新的感知，再次循環(huán)?？梢?，體驗(yàn)式學(xué)習(xí)是一個(gè)實(shí)踐到認(rèn)知，再回到實(shí)踐中檢驗(yàn)，獲得新認(rèn)知的螺旋上升過程。

科學(xué)史的發(fā)展過程與體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的過程是相似的?？茖W(xué)家通過觀察、實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐活動(dòng)獲得對事物的認(rèn)知，建立理論，而后來的科學(xué)家又在實(shí)踐檢驗(yàn)中進(jìn)一步補(bǔ)充、修正，以此循環(huán)往復(fù)，不斷推動(dòng)科學(xué)的發(fā)展。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對科學(xué)概念的理解與科學(xué)史的發(fā)展之間存在平行關(guān)系，是一個(gè)循環(huán)上升、由淺入深、由簡單到復(fù)雜的認(rèn)識過程，正如列寧所說：“人的認(rèn)識不是直線，而是無限地近似于一串圓圈、近似于螺旋式的曲線”。因此，將體驗(yàn)式學(xué)習(xí)與科學(xué)史教學(xué)相結(jié)合，不僅符合科學(xué)發(fā)展的歷史演變過程，也符合學(xué)生認(rèn)識事物的一般規(guī)律，能夠有效促進(jìn)學(xué)生對概念的建構(gòu)，深化對科學(xué)本質(zhì)的理解。

3 基于虛擬實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)式科學(xué)史教學(xué)流程

美國科學(xué)教育家孟克和奧斯本所提出的HPS教學(xué)模式是目前國際上較為認(rèn)可的科學(xué)史教學(xué)模式，具體包括演示現(xiàn)象、提出觀點(diǎn)、學(xué)習(xí)歷史、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、呈現(xiàn)科學(xué)觀念和實(shí)踐檢驗(yàn)、總結(jié)評價(jià)6個(gè)環(huán)節(jié)。本研究在此基礎(chǔ)上，融合虛擬實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了基于虛擬實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)式科學(xué)史教學(xué)流程（圖1），使學(xué)生在“實(shí)踐-認(rèn)知”的循環(huán)中體驗(yàn)前人探究歷程，“做中學(xué)”，逐步建構(gòu)知識理論，形成科學(xué)本質(zhì)的理性認(rèn)識。

圖1 體驗(yàn)式學(xué)習(xí)循環(huán)模式

圖2 基于虛擬實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)式科學(xué)史教學(xué)流程

①演示現(xiàn)象：許多科學(xué)問題都源于對生活的觀察和反思。教師可以演示生活中某一現(xiàn)象，創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生體驗(yàn)到科學(xué)家發(fā)現(xiàn)問題時(shí)的困惑感受，激發(fā)探索欲望。

②提出觀點(diǎn)：學(xué)生以“頭腦風(fēng)暴”的方式，對前一階段的問題提出自己的觀點(diǎn)，并用相應(yīng)的證據(jù)進(jìn)行論證，由此培養(yǎng)批判性思維。在這個(gè)過程中，教師應(yīng)保持自由開放的態(tài)度，鼓勵(lì)學(xué)生大膽猜想，充分發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。

③學(xué)習(xí)歷史：教師以說書人的口吻，將早期科學(xué)家們的探索故事、觀點(diǎn)和論據(jù)娓娓道來，為課堂已有的觀點(diǎn)增添“新的聲音”。在講述中，還可以輔以信息化手段再現(xiàn)科學(xué)史素材，增強(qiáng)歷史沉浸感。

④設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生對各個(gè)觀點(diǎn)、論據(jù)進(jìn)行深入分析、評價(jià)，選擇其中最為合理的觀點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)時(shí)科技水平，選用合適的材料、儀器設(shè)備，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并在與“同行們”的相互協(xié)助下，不斷改進(jìn)完善。

⑤虛擬實(shí)驗(yàn)：學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺完成實(shí)驗(yàn)操作、現(xiàn)象觀察、結(jié)果記錄等探究活動(dòng)，結(jié)合已有的知識，反思虛擬實(shí)驗(yàn)的過程和現(xiàn)象，抽象概括形成對事物的初步認(rèn)識。

⑥討論交流：學(xué)生以小組為單位，結(jié)合已有的知識和經(jīng)驗(yàn)，對探究結(jié)論展開討論，交流自己的看法，并從討論中發(fā)現(xiàn)需要進(jìn)一步深入探究的問題，再次開展②—⑤的新一輪虛擬實(shí)驗(yàn)探究，以此循環(huán)往復(fù)。學(xué)生在“實(shí)踐-認(rèn)知”體驗(yàn)式學(xué)習(xí)循環(huán)模式中漫步生物科學(xué)史，依次體驗(yàn)各位科學(xué)家們的探究過程，逐步構(gòu)建、完善科學(xué)理論，體會科學(xué)發(fā)展的艱苦曲折。

⑦總結(jié)評價(jià)：學(xué)生以時(shí)間軸的形式對科學(xué)史梳理總結(jié)，分享自身的收獲和感悟，從而認(rèn)識到科學(xué)是在不斷發(fā)展的，以外顯的形式深化對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識。同時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合歷史背景，以正確態(tài)度評價(jià)科學(xué)家的成果，將理性科學(xué)本質(zhì)觀、歷史觀遷移運(yùn)用到日常生活中。

在上述教學(xué)流程中，學(xué)生將置身于科學(xué)史的問題情境中，利用虛擬實(shí)驗(yàn)像科學(xué)家們那樣思考、探索，從而獲得對科學(xué)本質(zhì)各層面內(nèi)涵的理解與發(fā)展。在這個(gè)過程中，學(xué)生既是客體的知識呈現(xiàn)者，也是對客體知識驗(yàn)證加工的組織者。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)、觀察、討論交流等方式解決問題，并在反思探究過程和結(jié)論的過程中逐步建構(gòu)科學(xué)知識，提升問題解決和探究能力，感受科學(xué)家“大膽猜想，小心求證”的科學(xué)態(tài)度，實(shí)現(xiàn)“以行促知、以行激情”，從而促進(jìn)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成。教師則主要起著監(jiān)控、組織、指導(dǎo)的作用，以促使學(xué)生有效進(jìn)行知識的意義建構(gòu)。

4 教學(xué)案例——“植物生長素”

NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)平臺（以下簡稱NB虛擬實(shí)驗(yàn)）是一款采用3D虛擬技術(shù)開發(fā)的教學(xué)軟件，具有仿真度高、課程資源豐富、操作便捷等特點(diǎn)。本研究運(yùn)用NB虛擬實(shí)驗(yàn)，以2019年人教版高中生物學(xué)《選擇性必修1·穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》第五章第一節(jié)“植物生長素（第一課時(shí)）”為例，具體的教學(xué)案例如下：

（1）教師演示現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生提出觀點(diǎn)。教師展示一棵彎曲生長的桑苗，并介紹桑苗的生長環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生思考：①什么環(huán)境因素導(dǎo)致桑苗形態(tài)改變？②桑苗生長方向改變的部位在哪里？③這種改變可能是由植物哪個(gè)部位引起的？學(xué)生尋找導(dǎo)致桑苗形態(tài)變化的環(huán)境因素，并帶著問題對桑苗自主觀察，發(fā)現(xiàn)彎曲生長的部位。教師展示實(shí)物，讓學(xué)生體驗(yàn)與達(dá)爾文相似的發(fā)現(xiàn)過程。接著以問題串的形式，引導(dǎo)學(xué)生提出自己的觀點(diǎn)或假設(shè)，激發(fā)探究欲望。

（2）學(xué)生學(xué)習(xí)歷史，虛擬實(shí)驗(yàn)。教師講述達(dá)爾文在航船中發(fā)現(xiàn)植物向光性的歷史小故事，結(jié)合植物彎曲部位的觀察結(jié)果，引出實(shí)驗(yàn)材料（金絲雀虉草的胚芽鞘）。學(xué)生結(jié)合先前的思考，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)入NB虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行達(dá)爾文的實(shí)驗(yàn)，觀察現(xiàn)象，完成實(shí)驗(yàn)小報(bào)告，得出結(jié)論。教師營造歷史社會背景，利用虛擬實(shí)驗(yàn)的虛擬性和交互性，讓學(xué)生將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)付諸于實(shí)踐，獲得直接經(jīng)驗(yàn)，并在撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告過程中評價(jià)、反思，形成理性認(rèn)識。

（3）學(xué)生討論交流，提出問題。教師組織學(xué)生對虛擬實(shí)驗(yàn)的探究討論交流，引導(dǎo)學(xué)生思考達(dá)爾文的結(jié)論中的“影響”是如何發(fā)揮作用的。學(xué)生討論交流，在達(dá)爾文實(shí)驗(yàn)結(jié)論的基礎(chǔ)上，提出問題“尖端產(chǎn)生‘影響’的方式是什么？”，并做出合理假設(shè)。學(xué)生在討論中發(fā)現(xiàn)達(dá)爾文的解釋并不能夠揭示植物向光性的本質(zhì)原因，從而開始新一輪虛擬實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，提升科學(xué)探究能力。

（4）學(xué)生層層深入地開展虛擬探究。教師要把握好4個(gè)實(shí)驗(yàn)之間的聯(lián)系（達(dá)爾文的實(shí)驗(yàn)是鮑森·詹森、拜耳實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)；溫特的實(shí)驗(yàn)是鮑森·詹森、拜爾實(shí)驗(yàn)的綜合），引導(dǎo)學(xué)生不斷提出新的問題，開展新一輪的虛擬實(shí)驗(yàn)探究，重演歷史。在教師的引領(lǐng)下，學(xué)生不斷地在前人實(shí)驗(yàn)結(jié)論的基礎(chǔ)上提出問題，循環(huán)“學(xué)習(xí)歷史-設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)-虛擬實(shí)驗(yàn)-討論交流”的虛擬探究過程，層層深入，沿著鮑森·詹森、拜耳、溫特的探索道路前進(jìn)。教師化身為生長素發(fā)現(xiàn)史的引領(lǐng)者，帶領(lǐng)學(xué)生在“師生互動(dòng)、人機(jī)互動(dòng)、生生互動(dòng)”的三維互動(dòng)情境下逐步探索，在“實(shí)踐-認(rèn)知”的循環(huán)中體驗(yàn)科學(xué)知識的產(chǎn)生過程。

（5）教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)，評價(jià)深化本質(zhì)。教師用時(shí)間軸的圖表形式展示生長素發(fā)現(xiàn)史，讓學(xué)生談?wù)勗谔骄窟^程中的感悟。學(xué)生分享感悟，并能結(jié)合歷史背景對科學(xué)家們給予合理評價(jià)。教師以外顯的形式深化科學(xué)本質(zhì)觀，引導(dǎo)學(xué)生正確看待歷史人物，并遷移運(yùn)用于生活。

5 總結(jié)與反思

《中國教育現(xiàn)代化2035》明確提出要“加快信息化時(shí)代教育的變革”。虛擬實(shí)驗(yàn)作為信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合的成果，能夠有效創(chuàng)造出一個(gè)重演生物科學(xué)史的虛擬空間，讓學(xué)生沉浸其中，在“實(shí)踐-認(rèn)知”體驗(yàn)式學(xué)習(xí)循環(huán)中認(rèn)識到科學(xué)知識是在不斷發(fā)展的，深化對科學(xué)本質(zhì)的理解。在該教學(xué)流程的實(shí)施過程中，教師要注意以下幾點(diǎn)：①要對科學(xué)史的內(nèi)容有深刻認(rèn)識，將科學(xué)史與生物學(xué)知識學(xué)習(xí)有機(jī)融合，利用科學(xué)史幫助學(xué)生逐步建構(gòu)科學(xué)概念，并以顯性和隱性相結(jié)合的方式深化科學(xué)本質(zhì)。②在學(xué)生探究的過程中，教師要充分發(fā)揮主導(dǎo)作用，從“觀眾”這一角色中跳出來，成為學(xué)生探究活動(dòng)的參與者、共謀者，積極觀察各組成員的表現(xiàn)，反饋求助信息，引領(lǐng)學(xué)生自我反思，提升終身學(xué)習(xí)的能力。③要尋找與科學(xué)史相應(yīng)的優(yōu)質(zhì)虛擬實(shí)驗(yàn)資源，為學(xué)生提供一定的自由操作空間，滿足其探究需求。