“科學(xué)史之魅”校本拓展課程的開發(fā)與實(shí)踐

孔慶儀

摘? ? 要：在科學(xué)學(xué)科中利用科學(xué)史進(jìn)行教學(xué)，能幫助學(xué)生理解科學(xué)的批判性和統(tǒng)一性，理解科學(xué)的社會(huì)角色和人文意義。但基礎(chǔ)課程中科學(xué)史的教與學(xué)存在一定的脫節(jié)，科學(xué)史的教學(xué)內(nèi)容如同蜻蜓點(diǎn)水，這不利于學(xué)生可持續(xù)地習(xí)得知識(shí)，進(jìn)而形成整體性的認(rèn)知。因此，教師應(yīng)在拓展課程中設(shè)計(jì)并拓展科學(xué)史教學(xué)，圍繞立德樹人這一育人目標(biāo)，融入科學(xué)家的思維過程、實(shí)驗(yàn)方法等，為學(xué)生鋪設(shè)支架，幫助其在歸納分析、對(duì)比求證中整合思維、完善結(jié)論、遷移應(yīng)用，進(jìn)而提升其科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)史;校本拓展課程;基礎(chǔ)課程;科學(xué)實(shí)驗(yàn);光合作用

一、基礎(chǔ)課程中科學(xué)史的教與學(xué)存在一定的脫節(jié)

（一）教材引發(fā)即止

浙教版義務(wù)教育教科書《科學(xué)》八年級(jí)下冊(cè)第3章第6節(jié)《光合作用》，以光合作用的原理、光合作用的條件和產(chǎn)物、光合作用的原料、光合作用和呼吸作用的相互關(guān)系為主線，在“閱讀”板塊中提供科學(xué)史材料“亞里士多德的猜想”和“海爾蒙特柳樹實(shí)驗(yàn)”，這有利于拓展教師與學(xué)生的知識(shí)面。但限于篇幅，教材中涉及的科學(xué)史材料是不連續(xù)的片段。在基礎(chǔ)課程中，科學(xué)史的教學(xué)內(nèi)容如同蜻蜓點(diǎn)水，因此在拓展課程中設(shè)計(jì)并拓展科學(xué)史教學(xué)，利于學(xué)生可持續(xù)地習(xí)得知識(shí)，進(jìn)而形成整體性的認(rèn)知。

（二）教師點(diǎn)到為止

筆者聽了8節(jié)教研組內(nèi)和校際間的《光合作用》課。大多數(shù)教師對(duì)“植物制造淀粉的實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行了深入的探究，得出了光合作用需要光照、產(chǎn)物中含有淀粉這個(gè)結(jié)論。但由于天氣、場(chǎng)地、時(shí)間等原因，實(shí)驗(yàn)往往以視頻的形式呈現(xiàn)，以致學(xué)生習(xí)得的知識(shí)基本上是灌輸性的。此外，教師往往為了追求講授知識(shí)的進(jìn)度，省略了經(jīng)典的發(fā)現(xiàn)史過程，如只對(duì)海爾蒙特實(shí)驗(yàn)作粗略的講解等。實(shí)際上，教師應(yīng)注重對(duì)科學(xué)史拓展課程的開發(fā)，挖掘出科學(xué)家在研究中運(yùn)用思維解決問題的過程和方法。

（三）學(xué)生淺嘗輒止

前期調(diào)查統(tǒng)計(jì)還表明，學(xué)生對(duì)科學(xué)史的關(guān)注度基本上以科學(xué)家的趣聞逸事為主。對(duì)植物光合作用實(shí)驗(yàn)為什么選擇天竺葵和金魚藻作為實(shí)驗(yàn)材料，學(xué)生沒有作過多的思考，也沒有從科學(xué)本質(zhì)問題上進(jìn)行分析。在應(yīng)試教育大環(huán)境下，雖然有課標(biāo)的要求和教材的呈現(xiàn)，但科學(xué)史學(xué)習(xí)還是只能成為一道看上去很美的擺設(shè)。

（四）應(yīng)用戛然而止

學(xué)生在學(xué)習(xí)“光合作用”時(shí)，只是根據(jù)教材中所給定的天竺葵實(shí)驗(yàn)和金魚藻光合作用實(shí)驗(yàn)，得出了光合作用的表達(dá)式。這種灌輸式的教學(xué)方式，忽略了光合作用發(fā)現(xiàn)的整個(gè)歷史演變過程。所以一旦碰到以科學(xué)史為情境且相對(duì)靈活的試題，學(xué)生往往就會(huì)束手無策。

例1? ?（2019年杭州中考題）在研究植物光合作用的實(shí)驗(yàn)中，某研究小組在密封的容器A中充入足量的含有同位素14C的14CO2。隨著時(shí)間的推移，他們發(fā)現(xiàn)該植物的不同器官相繼出現(xiàn)了同位素14C（圖略），據(jù)此回答：一段時(shí)間后，研究小組在容器A外的空氣中發(fā)現(xiàn)了14CO2，請(qǐng)運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)解釋這一現(xiàn)象。

學(xué)生常見的答題錯(cuò)誤有：分子不停地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng);含14C的CO2溶于水通過蒸騰作用從氣孔出去;含14C的CO2通過光合作用進(jìn)入植物體內(nèi)，這些CO2運(yùn)輸?shù)饺~子，從氣孔逸出。由此可見，學(xué)生對(duì)光合作用科學(xué)史演變過程的認(rèn)知比較膚淺，很難用比較準(zhǔn)確的、科學(xué)的語言回答這類問題。

二、“科學(xué)史之魅”校本拓展課程的設(shè)計(jì)與實(shí)施案例

吳國盛教授在其《科學(xué)的歷程》一書中明確指出科學(xué)史的作用有以下三點(diǎn)：一是科學(xué)史有助于科學(xué)教學(xué);二是科學(xué)史有助于理解科學(xué)的批判性和統(tǒng)一性;三是科學(xué)史有助于理解科學(xué)的社會(huì)角色和人文意義。但是，教材中并沒有提及薩克斯做檢驗(yàn)淀粉的實(shí)驗(yàn)經(jīng)過，也沒有提到英格豪斯實(shí)驗(yàn)的對(duì)照實(shí)驗(yàn)思想，更沒有深入探究光合作用的材料、原料、條件及產(chǎn)物是如何得出的，這顯然不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

教師應(yīng)重視對(duì)科學(xué)史的教學(xué)，要把科學(xué)家的思維過程、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及其改進(jìn)等融入科學(xué)史拓展課教學(xué)之中，并圍繞立德樹人這一育人目標(biāo)，著力優(yōu)化現(xiàn)有的基礎(chǔ)課程結(jié)構(gòu)，在時(shí)間軸上橫向延伸，在知識(shí)面上縱向拓展，加深學(xué)生的認(rèn)知水平與整體觀。如此，也有助于拓展學(xué)生的視野，提高學(xué)生的科學(xué)思維能力，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)[1]。以下筆者以“光合作用發(fā)現(xiàn)史”的教學(xué)為例，闡述“科學(xué)史之魅”校本課程的設(shè)計(jì)與實(shí)施。

環(huán)節(jié)一：鋪設(shè)支架，整合思維

拓展課程的設(shè)計(jì)要充分利用學(xué)生的已有認(rèn)知，不能一味地追求課程的深度與廣度，而忽視了學(xué)生在基礎(chǔ)課程中的知識(shí)目標(biāo)。筆者出示相關(guān)史料，引導(dǎo)學(xué)生展開論辯，從直接經(jīng)驗(yàn)到過濾干擾信息，從觀察總結(jié)經(jīng)驗(yàn)到定量實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論。筆者還在學(xué)生的認(rèn)知過程中鋪設(shè)思維支架，引導(dǎo)學(xué)生從“光合作用發(fā)現(xiàn)史”中逐漸認(rèn)清科學(xué)的本質(zhì)。

史料1：2300多年前，亞里士多德猜想：植物是從土壤中吸收養(yǎng)料長大的，因?yàn)樵诜饰值耐寥乐兄参镩L得快些。

史料2：17世紀(jì)中期，海爾蒙特做了柳樹實(shí)驗(yàn)，他把 2.3千克的柳枝栽培在裝有 90.8千克土壤的木桶里，并只用雨水澆灌。5年后，他發(fā)現(xiàn)柳樹增加了76.7千克，而泥土烘干后的質(zhì)量為90.7千克，只減少了 0.1 千克。

筆者提問，引導(dǎo)學(xué)生思辨。

問題1：亞里士多德的猜想是基于肥沃與不肥沃的土壤上生長的植物的對(duì)比，你認(rèn)為他的觀點(diǎn)有什么可取之處？還有什么不足之處？

設(shè)計(jì)意圖：在科學(xué)史的學(xué)習(xí)當(dāng)中，亞里士多德已經(jīng)成為錯(cuò)誤的代名詞，很多科學(xué)史料都以他作為反面的典型，但在2300多年前，他是古希臘的一個(gè)傳奇人物，具有多方面的成就，且對(duì)當(dāng)時(shí)和后世均有極大的影響。因此，我們需要教給學(xué)生繼承與批判的思想。我們還要告知學(xué)生，古人往往是在長期觀察并積累了很多經(jīng)驗(yàn)之后，再歸納總結(jié)自然界的現(xiàn)象，這樣的方式難免會(huì)有缺陷，但隨著科學(xué)的進(jìn)步，這種缺陷可以通過越來越先進(jìn)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段來進(jìn)行彌補(bǔ)。

問題2：海爾蒙特實(shí)驗(yàn)收集這些數(shù)據(jù)證明了什么？這個(gè)實(shí)驗(yàn)有什么不足之處？

設(shè)計(jì)意圖：海爾蒙特采用了定量實(shí)驗(yàn)方法，比定性觀察實(shí)驗(yàn)更有說服力。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)可讓學(xué)生懂得科學(xué)實(shí)驗(yàn)需要持之以恒的精神。該實(shí)驗(yàn)證明了水是光合作用的原料，所以植物的生長離不開水。但是土壤中減少的0.1千克物質(zhì)，海爾蒙特沒有進(jìn)行深入的研究。

顯然，在學(xué)生的前概念當(dāng)中，植物的生長需要水、CO2和無機(jī)鹽，這些原料都是必不可少的。但是就通過光合作用合成有機(jī)物這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)來說，無機(jī)鹽的作用相對(duì)來說比較小。因此，筆者設(shè)計(jì)有層次性的問題，引導(dǎo)學(xué)生的思維漸進(jìn)發(fā)展，讓他們?cè)趩栴}的爭(zhēng)辯中整合思維，去除干擾性較強(qiáng)的前概念負(fù)遷移。

環(huán)節(jié)二：歸納分析，對(duì)比求證

筆者先提供科學(xué)史上兩個(gè)科學(xué)家先后做的五個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)史料，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比分析，從實(shí)驗(yàn)材料改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)裝置的共同點(diǎn)等方面加以歸納，培養(yǎng)學(xué)生的聚合思維與逆向思維，進(jìn)而逐步揭示光合作用的隱性知識(shí)。

史料3：1773年，普利斯特利做了三個(gè)經(jīng)典的光照實(shí)驗(yàn)。

①他把一支點(diǎn)燃的蠟燭和一只小白鼠分別放到密閉的玻璃罩里，蠟燭不久熄滅，小白鼠很快也死了。

②他把一盆植物和一支點(diǎn)燃的蠟燭一起放到一個(gè)密閉的相同玻璃罩內(nèi)，發(fā)現(xiàn)植物能較長時(shí)間存活，蠟燭也沒有很快熄滅。

③他又把一盆植物和一只小白鼠一同放到相同玻璃罩里，發(fā)現(xiàn)植物和小白鼠都能夠正常地較長時(shí)間活著。

得出結(jié)論：植物能夠更新由于蠟燭燃燒或動(dòng)物呼吸而變得污濁了的空氣。

史料4：1779年夏天，英國科學(xué)家英格豪斯做了兩組經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。

①在光照下，用漏斗把新鮮水草扣在裝滿水的大燒杯里，再用裝滿水的試管收集產(chǎn)生的氣體。然后與沒有光照進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果相同裝置中很長時(shí)間沒有看到小氣泡產(chǎn)生。英格豪斯還驗(yàn)證了收集的氣體為氧氣。

②他又用了近3個(gè)月的時(shí)間，選擇不同的植物反復(fù)進(jìn)行了總計(jì)500多次實(shí)驗(yàn)，終于找到了好空氣與壞空氣互變的關(guān)鍵原因是“光”。

得出結(jié)論：在光照下，植物會(huì)把壞空氣變成好空氣，沒有光的時(shí)候則相反。

然后，筆者引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)論、實(shí)驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。

設(shè)計(jì)意圖：普利斯特利實(shí)驗(yàn)缺少空白對(duì)照，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說服力不強(qiáng)，應(yīng)將點(diǎn)燃的蠟燭和小鼠分別單獨(dú)置于玻璃罩內(nèi)，作為空白對(duì)照;也沒有明確植物更新的氣體的成分。英格豪斯實(shí)驗(yàn)則明確了氣體的成分，而且通過大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，歸納得出了實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，更具科學(xué)性，也體現(xiàn)了科學(xué)家一絲不茍的科學(xué)精神。從實(shí)驗(yàn)材料的選取來看，英格豪斯選用水藻作為實(shí)驗(yàn)材料，使得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯。

教師應(yīng)根據(jù)拓展課程立德樹人的育人目標(biāo)，挖掘科學(xué)史中隱含的道理，讓學(xué)生懂得：許多科學(xué)結(jié)論，是科學(xué)家經(jīng)過長期觀察、實(shí)驗(yàn)，再進(jìn)行歸納與分析后得出的。此外，設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)可使實(shí)驗(yàn)結(jié)論更有說服力。學(xué)生在對(duì)比的過程中分析比較各實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，能更好地理解光合作用發(fā)現(xiàn)過程中所經(jīng)歷的比較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

環(huán)節(jié)三：巧妙轉(zhuǎn)換，完善結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與認(rèn)知結(jié)構(gòu)的完善，許多科學(xué)結(jié)論被修正與完善，科學(xué)知識(shí)體系日漸趨近事物的真相[2]。從19世紀(jì)到20世紀(jì)，人們對(duì)光合作用產(chǎn)生的部位在葉片的什么地方、產(chǎn)物淀粉的檢驗(yàn)是怎樣通過碘液加以轉(zhuǎn)換的、光合作用產(chǎn)生的氧氣到底是從哪一種物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來的等問題進(jìn)行了不懈的探究?？茖W(xué)家通過巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)論日趨完善。

史料5：1864年，德國科學(xué)家薩克斯做了如下實(shí)驗(yàn)。

把綠植放在暗處數(shù)小時(shí)進(jìn)行饑餓處理，然后把葉片的一部分暴露在光下，另一部分遮光。經(jīng)過一段時(shí)間后，用碘液處理葉片，結(jié)果遮光的部分無變化，而光照的部分呈藍(lán)色。

實(shí)驗(yàn)證明：綠色植物在光照下能夠合成淀粉等物質(zhì)。

史料6：1880年，德國科學(xué)家恩吉爾曼利用水綿進(jìn)行了光合作用的實(shí)驗(yàn)。

①把載有水綿和好氧細(xì)菌的臨時(shí)裝片放在沒有空氣的黑暗環(huán)境中，然后用極細(xì)的光束照射水綿。通過顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)好氧細(xì)菌只集中在葉綠體被光照到的部位附近。

②如果上述臨時(shí)裝片完全暴露在陽光下，好氧細(xì)菌則集中在葉綠體所有受光部位的周圍。

實(shí)驗(yàn)證明：植物光合作用的場(chǎng)所是葉綠體，條件是光。

史料7：1939年，美國科學(xué)家魯賓和卡門利用氧的同位素18O分別標(biāo)記H2O和CO2，使它們分別成為H218O和C18O2。第一組向植物提供H2O和C18O2，第二組向同種植物提供H218O和CO2。在其他條件都相同的情況下，他們分析了兩組實(shí)驗(yàn)釋放的氧氣。結(jié)果表明，第一組釋放的氧氣全部是O2，第二組釋放的氧氣全部是18O2。

實(shí)驗(yàn)證明：光合作用釋放的氧氣來自于水。

設(shè)計(jì)意圖：轉(zhuǎn)換法是將不容易測(cè)量的量通過一定的轉(zhuǎn)化方法來進(jìn)行定量測(cè)量。如氧氣的多少，可以用好氧細(xì)菌集中的密度測(cè)量[3]。若在薩克斯實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)與改進(jìn)，還能設(shè)計(jì)光合作用需要水的實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)史料可以讓學(xué)生深切認(rèn)識(shí)到：在科學(xué)的道路上，追求科學(xué)本質(zhì)需要一個(gè)漸進(jìn)的發(fā)現(xiàn)過程。

然后，筆者引導(dǎo)學(xué)生將“光合作用發(fā)現(xiàn)史”的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和經(jīng)典實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整合，從光合作用的原料、條件、產(chǎn)物和相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系等方面進(jìn)行歸類總結(jié)，將單一知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)成一條知識(shí)主線，最終形成光合作用的知識(shí)體系，并以思維導(dǎo)圖的形式呈現(xiàn)（如圖1），完善學(xué)生的腦圖。

環(huán)節(jié)四：遷移應(yīng)用，提升素養(yǎng)

基于科學(xué)史的科學(xué)拓展課程的開發(fā)，最終要回歸基礎(chǔ)課程，也就是回歸到真實(shí)情境下的試題研究中來。隨著以考試為主的評(píng)價(jià)體系發(fā)生變革，近幾年以科學(xué)史為背景的試題，都要求讓學(xué)生用邏輯、推理以及基于證據(jù)的思維方式來理解科學(xué)本質(zhì)。

例2? ?（2020年金華中考題）到19世紀(jì)末，經(jīng)幾代科學(xué)家對(duì)光合作用的不斷探索，得到結(jié)論：光合作用反應(yīng)物是H2O和CO2，產(chǎn)物是O2和有機(jī)物。為了探究產(chǎn)物O2中的O元素來源，科學(xué)興趣小組從元素守恒的角度進(jìn)行了猜想。猜想一：O2全部來源于CO2;猜想二：O2全部來自于H2O;猜想三：O2同時(shí)來源于兩者。為了求證，他們查閱資料如下。

資料1? ?19世紀(jì)末，科學(xué)家普遍認(rèn)為氣體之間更容易轉(zhuǎn)化，認(rèn)為CO2在光的作用下被分解成CO和O2，所以O(shè)2來自于同為氣體的CO2。

資料2? 1937年，英國化學(xué)家希爾通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：離體葉綠體在光照條件下使水分解，釋放出O2，并還原電子受體。

資料3? ?1939年，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了氧的同位素。美國科學(xué)家魯賓、卡門利用18O標(biāo)記的H218O和C18O2分別培養(yǎng)小球藻，光照相同時(shí)間后，檢測(cè)甲、乙兩試管中產(chǎn)生的氧氣是否含18O，如圖（略）所示。

根據(jù)所學(xué)知識(shí)，結(jié)合資料回答下列問題：

（1）資料2的實(shí)驗(yàn)結(jié)論? ? ? ?（填“支持”或“不支持”）資料1的觀點(diǎn);

（2）根據(jù)資料3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析可得猜想? ? ? ?成立。

為了讓學(xué)生在拓展課程中增加對(duì)科學(xué)史情境的真實(shí)感、親近感，在教學(xué)中，教師可有機(jī)串聯(lián)以科學(xué)史為命題情境的中考試題，既注重知識(shí)邏輯性，又重視學(xué)生的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和心理特點(diǎn)，把學(xué)生對(duì)生活中科學(xué)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)與掌握科學(xué)知識(shí)結(jié)合起來，從而提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

三、“科學(xué)史之魅”校本拓展課的評(píng)價(jià)

在校本課程實(shí)施中，我們對(duì)基于科學(xué)史的校本拓展課程側(cè)重進(jìn)行量化評(píng)分：整體從科學(xué)探究與交流、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任、科學(xué)觀念與應(yīng)用、科學(xué)思維與創(chuàng)新四個(gè)維度進(jìn)行量化，滿分10分。實(shí)際評(píng)價(jià)中，以教師評(píng)價(jià)為主，以學(xué)生自評(píng)為輔，重視學(xué)生的個(gè)性表現(xiàn)（如表1）。

綜上，基于科學(xué)史的校本拓展課程設(shè)計(jì)，注重學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，兼具趣味性、啟發(fā)性和生活性，可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中體驗(yàn)科學(xué)史的魅力，習(xí)得科學(xué)探究的能力。教師再輔以恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)機(jī)制，激勵(lì)學(xué)生大膽探究，成為真正的學(xué)習(xí)主體，就能真正促進(jìn)科學(xué)核心素養(yǎng)的落地。

參考文獻(xiàn)：

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