陳衛(wèi)東
摘要:科學家提出探究問題、設計實驗方案、分析實驗結(jié)果、得出實驗推論等過程,蘊含著科學研究的一般方法,從科學史中開掘出來并在教學中合理使用,有利于培養(yǎng)學生的科學思維。《植物生長素的發(fā)現(xiàn)》一課,圍繞科學家發(fā)現(xiàn)植物生長素的科學史展開,著重凸顯“歸納與概括”“模型與建?!薄百|(zhì)疑與反思”等科學研究方法,以培養(yǎng)學生的科學思維。
關鍵詞:科學史 科學思維 歸納與概括 模型與建模 質(zhì)疑與反思
“科學思維”是指尊重事實和證據(jù),崇尚嚴謹和務實的求知態(tài)度,運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。《普通高中生物學課程標準(2017年版)》要求學生“應該在學習過程中逐步發(fā)展科學思維,如能夠基于生物學事實和證據(jù)運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法,探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律,審視或論證生物學社會議題?!?/p>
人教版高中生物選擇性必修1《穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》模塊中《植物生長素》一節(jié),編入了達爾文、鮑森·詹森、拜耳、溫特等科學家的探索實驗,呈現(xiàn)了植物生長素發(fā)現(xiàn)的科學史,其中蘊含豐富的科學思維培養(yǎng)的資源。對此,筆者開設了《植物生長素的發(fā)現(xiàn)》一課,再現(xiàn)科學家的研究歷程,強調(diào)科學研究方法,著力培養(yǎng)學生的科學思維。
一、教學設計
明確本節(jié)課的教學目標為:概述植物生長素的發(fā)現(xiàn)過程;體驗發(fā)現(xiàn)生長素的過程和方法;評價實驗設計和結(jié)論,培養(yǎng)科學思維。教學重點是生長素的發(fā)現(xiàn)過程。教學難點是生長素的產(chǎn)生、運輸和分布以及科學實驗設計的嚴謹性分析。以下為具體的教學過程:
(一)生長素的發(fā)現(xiàn)過程
1.向光性現(xiàn)象導入。
出示長時間放置在窗臺上不移動的盆栽植物圖片,提出問題:這株植物在生長方向上有什么特點? (預設:向光性)然后,引導學生歸納出向光性的定義。
過渡:人們對向光性現(xiàn)象“熟視無睹”,而達爾文做了個有心人,提出了“為什么”。
介紹達爾文研究金絲雀虉草向光性的背景資料:
1831年畢業(yè)于劍橋大學后,達爾文在其導師亨斯洛的推薦下,以“博物學家”的身份參加了英國海軍“小獵犬號”艦環(huán)繞世界的科學考察航行。達爾文在隨“小獵犬號”環(huán)球旅行時,隨身帶了幾只鳥,為了喂養(yǎng)這些鳥,又在船艙中種了一種叫草蘆的草。船艙很暗,只有窗戶會透射進陽光。達爾文注意到,草的幼苗向著窗戶的方向彎曲、生長。后來,達爾文著手開展了一系列的實驗來研究向光性問題,并在1880年出版的《植物的運動力》一書中總結(jié)了這些實驗結(jié)果。
提出問題:達爾文的研究工作對我們有什么啟示?預設:處處留心皆學問;科學研究需要有敏銳的觀察力。
2.達爾文實驗的分析。
過渡:科學重視實證,我們來看看達爾文做了什么樣的實驗。
出示實驗過程圖示(如圖1),引導學生討論、交流實驗的操作過程和結(jié)果。
學生陳述問題的答案后,再提出新的問題:實驗中遮蓋胚芽鞘的尖端及尖端下部的目的是什么?預設:為了分析這些部位與向光生長的相關性;這運用的是實驗設計中的排除法,采用了對照試驗中的“減法原理”。
提出問題:胚芽鞘感受單側(cè)光刺激的是哪一部分? (預設:胚芽鞘的尖端)彎曲生長的又是哪一部分?(預設:尖端下部)感受光刺激的部位和向光彎曲的不是同一部位,達爾文怎樣解釋這一現(xiàn)象的? (預設:單側(cè)光照射使胚芽鞘的尖端產(chǎn)生某種刺激,當這種刺激傳遞到下部的伸長區(qū)時,會造成背光面比向光面生長得快,因而出現(xiàn)向光性彎曲)
3.鮑森·詹森、拜爾、溫特實驗的分析。
過渡:達爾文的推論中還有哪些內(nèi)容尚未得到證實?胚芽鞘尖端向下傳遞的刺激是什么?后人為解決這些問題繼續(xù)探究。
出示三個實驗過程圖示(如圖2—下頁圖4),讓學生小組分別討論其中的一個實驗,要求在討論中解答以下問題:
(1)這三個實驗是圍繞什么具體問題展開的?
預設:這三個實驗圍繞三個遞進的問題“刺激能不能傳遞?”“刺激傳遞的效果是什么?”“刺激可不可能是一種化學物質(zhì)?”展開。
(2)實驗是如何設計的?實驗現(xiàn)象是什么?從實驗可得出什么結(jié)論?
預設:胚芽鞘尖端產(chǎn)生的刺激可以透過瓊脂片傳遞給下部;胚芽鞘彎曲生長,是因為尖端產(chǎn)生的刺激在其下部分布不均勻造成的;造成彎曲的刺激是一種化學物質(zhì),溫特命名為生長素。
4.解釋向光性的成因。
師生共同以“倒敘”方式來分析:背光側(cè)比向光側(cè)生長得快→背光側(cè)比向光側(cè)生長素分布得多→單側(cè)光照射的影響。學生討論,解釋向光性的成因。
提出問題:植物的向光性生長有沒有其他的可能原因呢?預設:植物彎向光源生長會不會是向光側(cè)的生長素被單側(cè)光照射后分解了?會不會是抑制物質(zhì)分布不均勻造成的?
提出問題:如何證明你的推測?學生說出實驗驗證的設計思路。
讓學生列舉生長素的種類,并得出植物激素的概念。
(二)歸納生物科學研究的基本方法
1.思想方法。
提出問題:四位科學家科學研究的基本環(huán)節(jié)是怎樣的?預設:觀察現(xiàn)象→提出問題→進行實驗→合理推論→提出假說→實驗驗證→得出結(jié)論。師生共同概括出生物科學研究的基本方法是“假說—演繹法”。
2.實驗設計方法。
預設:達爾文的實驗設計中用到了排除法;溫特的實驗設計中體現(xiàn)了單因子變量原則的對照法。
3.實驗操作方法。
提出問題:怎樣檢出胚芽鞘向光生長過程中的彎曲部位?預設:可以在幼苗上畫平行橫線,橫線不平行的部位就是彎曲部位;加豎直參照物,幼苗生長方向與參照物出現(xiàn)夾角的部位就是彎曲部位。
引導歸納:科學研究需要哪些優(yōu)良品質(zhì)?
(三)生長素的合成、運輸與分布
提出閱讀問題:(1)植物生長素的合成部位有哪些?(2)生長素是如何進行極性運輸?shù)???)生長素是否可以進行非極性運輸?(4)怎樣理解植物的形態(tài)學上端、形態(tài)學下端?(5)生長素在不同的組織、器官中的分布有何特點?學生帶著問題閱讀課本后,師生共同歸類基礎知識。
(四)評價實驗設計和結(jié)論
演示生長素轉(zhuǎn)移方向?qū)嶒灥脑O計步驟,學生評價并完善實驗的設計。
二、幾點思考
科學家提出探究問題、設計實驗方案、分析實驗結(jié)果、得出實驗推論等過程,蘊含著科學研究的一般方法,從科學史中開掘出來并在教學中合理使用,有利于培養(yǎng)學生的科學思維。本節(jié)課的教學,圍繞科學家發(fā)現(xiàn)植物生長素的科學史展開,著重凸顯“歸納與概括”“模型與建模”“質(zhì)疑與反思”等科學研究方法,以培養(yǎng)學生的科學思維。
(一)歸納與概括
“歸納”的基本釋義是歸攏并使有條理;由一系列具體的事實概括出一般原理?!案爬ā笔切纬筛拍畹囊环N思維過程和方法,即從思想中把某些具有一些相同屬性事物中抽取出來的本質(zhì)屬性,推廣到具有這些屬性的一切事物,從而形成關于這類事物的普遍概念。本課例中,設計了對學生歸納概括能力的訓練,主要是形成“歸因歸納”“論證歸納”的基本方法。其一,引導學生尋找探究問題與實驗現(xiàn)象之間的因果關系,開展“歸因歸納”。比如,達爾文實驗中,通過對胚芽鞘尖端或尖端下部遮光,相應的實驗現(xiàn)象是“不向光生長”及“向光生長”,歸納出植物向光生長與胚芽的尖端有關的結(jié)論。其二,引導學生針對問題解決,收集實驗證據(jù),開展“論證歸納”。學習植物生長素發(fā)現(xiàn)的科學史,學生可以發(fā)現(xiàn),不同年代的多位科學家在探索植物向光性成因的道路上,是承前啟后式的,前人的疑難問題就是后人探究的“觸發(fā)點”。設計問題串,鋪就一條問題“暗線”,讓學生循著科學家研究的足跡“按圖索驥”,解決問題。圍繞總覽性問題——“植物為什么向光生長”,學生論證解決一系列問題:植物感受光刺激的部位是什么?單側(cè)光照射后植物是否向尖端下部傳遞了某種刺激?這種刺激是不是一種物質(zhì)?這種物質(zhì)是否可以傳遞?向光性的形成機理是什么?環(huán)環(huán)相扣的問題的解決,可以讓學生掌握“論證歸納”的基本方法,進而不斷提升歸納與概括能力。
(二)模型與建模
人教版高中生物教材給“模型”下了這樣的定義:人們?yōu)榱四撤N特定的目的而對認識對象所做的一種簡化的、概括性的描述,是認識和闡明生命活動規(guī)律、原理的重要方法之一,其形式主要包括物理模型、概念模型和數(shù)學模型?!敖!本褪墙⒛P?,是為了理解事物而對事物做出的一種抽象的無歧義的書面描述。本設計中,引導學生建構(gòu)兩種模型。一是在實驗設計中,建構(gòu)自變量與因變量相關性模型。比如,達爾文探究植物向光性的關聯(lián)部位,他在實驗設計中分別對胚芽鞘尖端和尖端下部遮光。為什么會這樣來設計自變量呢?教師引導學生分析“感受光源的是什么部位”“發(fā)生彎曲的是什么部位”。這樣,學生就容易理解為什么設置對照試驗時,要對尖端或尖端下部遮光。這是實驗設計中,自變量與因變量的合理關聯(lián)。二是在實驗設計中,把握自變量控制中的“加法原理”和“減法原理”。比如,鮑森·詹森設計的對照實驗中,與常態(tài)生長的植物幼苗相比,切除對照組的胚芽尖端就是采用了“減法原理”,在胚芽尖端與尖端下部插入瓊脂片就是采用了“加法原理”。對照實驗中,與常態(tài)相比,通過增加(或減少)某種影響因素來改變自變量的設置,進而觀察因變量的變化,可以論證我們的假設,證實或證偽某種假說。
(三)質(zhì)疑與反思
批判性是思維活動中獨立發(fā)現(xiàn)和批判的程度,是科學思維的重要組成部分。有良好批判性思維品質(zhì)的人能對別人或自己的觀點進行反思、提出質(zhì)疑,能對生物學問題開展科學分析與評價,做出理性判斷。生物科學史等內(nèi)容的教學中,學生在質(zhì)疑權(quán)威的過程中、在學習行為自我反思中,可以培養(yǎng)思維的批判性。比如,本教學設計中,教師引導學生歸納向光性的成因:由于單側(cè)光的照射,胚芽尖端的生長素發(fā)生橫向運輸,移向背光側(cè),再縱向運輸,聚集到尖端下部的背光側(cè),使其生長快于向光側(cè),造成植物幼苗向光生長。這種解釋的基本出發(fā)點是生長素的移動。然后,通過一個開放性問題“植物的向光性生長有沒有其他的可能原因”引發(fā)學生的批判性思考。對于學生可能不成熟的想法,教師一定要加以保護和引導。比較合適的做法是,順著學生的理性判斷,師生再做一次“合理”的解釋。學生思維活躍起來,還會從日常生活中發(fā)現(xiàn)像龍爪槐一樣倒長的特例。如是,逐漸養(yǎng)成良好的自我反思習慣,讓思維活動更具主動性、分析性、策略性、獨立性,減少盲從性、狹隘性。
參考文獻:
[1] 譚永平.再論“用教材教”——發(fā)展高中生科學思維的視角[J].生物學教學,2020(9).