李菊芳 朱俊

摘要 通過具體的案例，分析探討了如何通過基于生物科學(xué)史和借助模型與建模來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)，并且小結(jié)了運(yùn)用科學(xué)史和建模進(jìn)行探究式教學(xué)的大致流程，以期待將科學(xué)探究素養(yǎng)的培育落實(shí)到實(shí)處。

關(guān)鍵詞 生物科學(xué)史 模型建構(gòu) 科學(xué)探究素養(yǎng)

中圖分類號 G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

縱觀近年來課改，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)成為目前高中階段課程改革的重要目標(biāo)。生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是中國學(xué)生核心素養(yǎng)的重要組成部分，是指學(xué)生在接受生物學(xué)教育過程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終生發(fā)展和社會發(fā)展所需的必備品格和關(guān)鍵能力，包括生命觀念、科學(xué)思維、社會責(zé)任和科學(xué)探究。其中科學(xué)探究是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的生物學(xué)問題，針對特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及結(jié)果的交流與討論的能力。科學(xué)探究是研究生命科學(xué)的最基本方法，也是未來公民在創(chuàng)新型社會中從事生產(chǎn)和生活應(yīng)具備的能力。生物學(xué)教師如何在教學(xué)中開展科學(xué)探究活動，發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)？這是新形勢下面臨的重要挑戰(zhàn)。筆者結(jié)合自己教學(xué)實(shí)踐，談一談如何在教學(xué)過程中基于生物科學(xué)史與模型建構(gòu)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)。

1 基于科學(xué)史，體驗(yàn)科學(xué)探究歷程

科學(xué)是一個(gè)發(fā)展的過程，生物學(xué)課程包含豐富的科學(xué)史材料，這是組織探究式教學(xué)的優(yōu)質(zhì)資源，對于學(xué)生掌握探究方法、提高探究技能具有重要價(jià)值。為了讓學(xué)生通過體驗(yàn)知識的發(fā)生和發(fā)展過程，更好理解科學(xué)探究的本質(zhì)，教師可對科學(xué)史資料進(jìn)行了適當(dāng)?shù)闹亟M和加工，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)“知識再發(fā)生”的探究情境。例如，在必修1“細(xì)胞核——系統(tǒng)的控制中心”一節(jié)，人教版教材中有多則科學(xué)家探究細(xì)胞核功能的科學(xué)史料。為了還原科學(xué)發(fā)生的本真，讓學(xué)生親歷科學(xué)探究歷程，筆者以教材中的科學(xué)史料4為例，先介紹傘藻的結(jié)構(gòu)，再根據(jù)史料改編成科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)。

1.1 創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

提出問題是科學(xué)探究的起點(diǎn)，教師應(yīng)營造和諧活潑的課堂氛圍，創(chuàng)設(shè)有利于生成問題的真實(shí)情境。教師展示菊花形帽和傘形帽的2種傘藻圖片，提出問題：萬事皆有因，萬般皆有果，對于傘藻細(xì)胞而言，“帽”的形狀是由柄，還是由假根決定？從而誘發(fā)學(xué)生敢于、樂于、善于提出有價(jià)值的問題。

1.2 討論可能，作出假設(shè)

教師要求學(xué)生分組討論有哪些可能的假設(shè)。學(xué)生通過討論大概提出如下幾種可能性。假設(shè)1：由柄決定;假設(shè)2：由假根決定;假設(shè)3：由柄和假根共同決定;假設(shè)4：由傘藻生存的環(huán)境決定……

作出假設(shè)是科學(xué)探究的技能之一，涉及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评砗痛竽懙南胂蟮人季S方式。教師要善于鼓勵(lì)學(xué)生大膽想象和推理，培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活性和開放性，并要求以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评硌堇[提高假設(shè)的科學(xué)性和驗(yàn)證的可行性，通過系統(tǒng)的訓(xùn)練對學(xué)生作出假設(shè)的技能加以鞏固。

1.3 規(guī)劃實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)方案

先由學(xué)生小組討論實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案（傘藻的嫁接實(shí)驗(yàn)），再由學(xué)生代表闡述設(shè)計(jì)思路，小組之間互評，教師給予引導(dǎo)，各組學(xué)生再完善設(shè)計(jì)方案。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案是科學(xué)探究的主要環(huán)節(jié)，經(jīng)典實(shí)驗(yàn)中蘊(yùn)藏著豐富的科學(xué)思想和巧妙方法，教師要善于引導(dǎo)、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力。

1.4 分析實(shí)驗(yàn)，預(yù)測結(jié)果

小組討論，根據(jù)自己提出的假設(shè)提出合理的結(jié)果預(yù)測并且學(xué)會用如果……則……的句式描述：

如果A且B，則帽形由柄決定;

如果A且B，則帽形由假根決定;

如果A且B，則帽形由柄和假根共同決定。

1.5 回歸史實(shí)，重現(xiàn)結(jié)果

學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)方案并作出結(jié)果預(yù)測后，教師再呈現(xiàn)科學(xué)家做的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，展示實(shí)驗(yàn)的真實(shí)結(jié)果，帶領(lǐng)學(xué)生分析經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的思路、原理和步驟，使學(xué)生領(lǐng)悟其中蘊(yùn)含的科學(xué)精神和研究方法，通過對比反思自己的實(shí)驗(yàn)方案。在此過程中，學(xué)生既總結(jié)自己設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)巧妙之處，獲得科學(xué)探究的成就感，也發(fā)現(xiàn)自身的不足加以改進(jìn)。

1.6 深入探究，深化實(shí)驗(yàn)

教師繼續(xù)通過設(shè)問引發(fā)學(xué)生思考：假根決定“帽”的形狀，是細(xì)胞核還是細(xì)胞質(zhì)起主要作用，如何證明？通過繼續(xù)探究培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S和科學(xué)探究技能。最后，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究得出了細(xì)胞核控制性狀的遺傳的結(jié)論。

筆者總結(jié)了利用科學(xué)史進(jìn)行探究式教學(xué)的大致流程，如圖1所示。

2 借助模型與建模，感悟科學(xué)探究思維

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》（以下簡稱課標(biāo)）提出要讓學(xué)生能夠運(yùn)用模型與建模方法探討生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會議題。模型建構(gòu)法通常是運(yùn)用身邊材料工具等構(gòu)建、推演或運(yùn)用數(shù)學(xué)方法和文字圖像等加以描述、概括的一種活動。高中的生物學(xué)模型可以分為物理模型、數(shù)學(xué)模型和概念模型3類，其中物理模型是指以實(shí)物或圖畫的形式直觀地表達(dá)實(shí)際對象的形態(tài)結(jié)構(gòu)或三維結(jié)構(gòu)或發(fā)生過程。運(yùn)用模型建構(gòu)可以讓抽象的知識變得更加具體形象，是學(xué)生理解和掌握生物學(xué)核心概念的重要方法。因此，充分挖掘模型建構(gòu)探究活動是培育學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的良好途徑。

下面借助物理模型建模，展示科學(xué)探究思維培育過程（以人教版必修2減數(shù)分裂中染色體的行為變化模型建構(gòu)部分內(nèi)容為例）。

2.1 創(chuàng)設(shè)相關(guān)情境，鋪墊探究問題

教師呈現(xiàn)科學(xué)史：1883年，比利時(shí)細(xì)胞學(xué)家比奈登觀察到，馬蛔蟲的受精卵中有兩對染色體，精子和卵細(xì)胞中的染色體只有兩條。教師要求學(xué)生思考馬蛔蟲的受精卵和精子、卵細(xì)胞中染色體數(shù)目和形態(tài)特點(diǎn)的區(qū)別。

2.2 教師發(fā)揮主導(dǎo)，提出探究問題

教師提出問題：減數(shù)分裂怎樣進(jìn)行，才能使原始生殖細(xì)胞中兩兩相同的染色體分離，而且染色體數(shù)目減半？

2.3 借助模型材料，提出模型假設(shè)

學(xué)生利用教師提供的模型建構(gòu)材料，即兩種不同顏色的扭扭棒若干（兩種顏色一種代表來自父方的染色體，一種代表來自母方的染色體）。學(xué)生每四人為一小組合作探究。學(xué)生先互相討論，再利用提供的材料動手構(gòu)建可能的減數(shù)分裂過程模型，小組代表再上臺展講每組的模型假設(shè)。學(xué)生的假設(shè)主要有兩種：

①染色體不復(fù)制，細(xì)胞分裂1次;

②染色體復(fù)制1次，細(xì)胞分裂2次。

其中第二種假設(shè)占主要?；谟薪z分裂前概念的學(xué)習(xí)，多數(shù)學(xué)生認(rèn)為減數(shù)分裂間期也要經(jīng)歷有絲分裂間期類似的染色體復(fù)制過程。在教師的提示下，學(xué)生結(jié)合科學(xué)史材料分析：1890年奧斯卡·赫特維奇經(jīng)過實(shí)驗(yàn)觀察證實(shí)了染色體只有經(jīng)過復(fù)制才能啟動分裂，并且減數(shù)分裂過程包含兩次連續(xù)的分裂。學(xué)生從而得到更多的證據(jù)支撐，并主要根據(jù)第二種假設(shè)構(gòu)建模型進(jìn)行合作探究活動。

從第二種假設(shè)模型建構(gòu)中，又從學(xué)生展示的模型中選取最多的兩種結(jié)果交流展示，如圖2、圖3所示。

2.4 尋找真實(shí)證據(jù)，驗(yàn)證假設(shè)真?zhèn)?/p>

教師提問：究竟哪種模型假設(shè)是正確的呢，如何來驗(yàn)證假說？學(xué)生首先想到的是通過實(shí)驗(yàn)觀察驗(yàn)證。教師肯定學(xué)生的實(shí)證思維，然后通過展示蝗蟲精母細(xì)胞減數(shù)分裂固定裝片的照片和百合花藥減數(shù)分裂過程圖的照片，鼓勵(lì)學(xué)生深入發(fā)掘證據(jù)。學(xué)生找到了減數(shù)第二次分裂前期染色體的形態(tài)圖，發(fā)現(xiàn)著絲點(diǎn)并沒有分裂，細(xì)胞內(nèi)不含同源染色體，由此推測模型假設(shè)2更具有說服力。

該過程同時(shí)對于沒有開展真實(shí)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生也是非常有意義的。教師引導(dǎo)學(xué)生通過各種方式去尋找證據(jù)，通過質(zhì)疑、辯駁，促使學(xué)生產(chǎn)生思維的碰撞，或者推翻不合理假設(shè)，或者完善認(rèn)可合理的假設(shè)，這一過程可以提升學(xué)生獲取信息和對信息進(jìn)行處理的能力，能促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)概念、科學(xué)本質(zhì)及提高自身的科學(xué)思維和合作探究能力。

2.5 突破主觀概念，修正完善模型

學(xué)生基于模型假設(shè)2對模型進(jìn)行修正。有不少學(xué)生囿于有絲分裂前概念，在構(gòu)建減數(shù)第一次分裂的前期和中期模型時(shí)，染色體的行為類似于有絲分裂前期和中期。這時(shí)，教師不要急于對學(xué)生的模型進(jìn)行評論，而是及時(shí)展示史料：1903年，美國遺傳學(xué)家薩頓通過對蝗蟲精子形成過程中染色體變化研究，深刻地闡述了“遺傳的染色體理論”。他得出了“同源染色體在減數(shù)分裂時(shí)，以配對的形式聯(lián)合，再彼此分離”的結(jié)論。然后，再提出問題：如何完善減數(shù)分裂過程中染色體模型？

教師引導(dǎo)學(xué)生沿著知識發(fā)現(xiàn)的過程繼續(xù)思考，運(yùn)用已有知識自我構(gòu)建新知識，幫助學(xué)生在不斷的思維沖突中逐漸修正完善模型，最后再構(gòu)建出減數(shù)分裂這個(gè)核心概念。

通過以上案例分析，筆者小結(jié)了利用物理模型進(jìn)行探究式教學(xué)的一般流程：

創(chuàng)設(shè)探究的問題情境→提出探究問題→借助建模，提出模型假設(shè)→尋找證據(jù)，驗(yàn)證假設(shè)→修正、完善模型→構(gòu)建核心概念。

3 反思與討論

課標(biāo)指出，生物學(xué)課程期待學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)過程，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據(jù)、檢驗(yàn)假設(shè)和發(fā)現(xiàn)規(guī)律等過程中習(xí)得生物學(xué)知識，養(yǎng)成科學(xué)思維的習(xí)慣，形成積極的科學(xué)態(tài)度。高中階段生物學(xué)課程是科學(xué)領(lǐng)域的重要學(xué)科課程之一，既要求學(xué)生獲得基礎(chǔ)的生物學(xué)知識，又要讓學(xué)生領(lǐng)悟生物學(xué)家在研究過程中解決問題的思路和方法。

3.1 借助模型與建模，感悟科學(xué)探究思維的反思

在模型制作活動中，學(xué)生需要運(yùn)用已有知識進(jìn)行假設(shè)、模擬、實(shí)驗(yàn)、觀察、對比及歸納、演繹，將復(fù)雜事物進(jìn)行簡化，將抽象概念形象化、具體化。通過合作探究，不同學(xué)生對于相同事物所構(gòu)建的模型可能不同。在思維碰撞下，學(xué)生的科學(xué)思維、創(chuàng)新精神和探究能力均得到提高。

3.2 基于科學(xué)史，體驗(yàn)科學(xué)探究歷程的反思

利用生物科學(xué)史開展教學(xué)時(shí)，教師可以借助有趣的史實(shí)還原科學(xué)發(fā)現(xiàn)的本真過程，讓學(xué)生體驗(yàn)知識的發(fā)生、發(fā)展過程，體會科學(xué)家解決問題的過程和研究思路，感悟科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度，從而更好地理解科學(xué)探究的本質(zhì)，提升自身生物學(xué)核心素養(yǎng)。教師平時(shí)應(yīng)多閱讀科學(xué)史相關(guān)資料，準(zhǔn)確把握科學(xué)史發(fā)展的脈絡(luò)，深入領(lǐng)略科學(xué)史中蘊(yùn)含的人文精神和科學(xué)方法，以便自如地對教材涉及的科學(xué)史內(nèi)容加以運(yùn)用、拓展或適當(dāng)加工重組，以此能更好地發(fā)揮科學(xué)史的教育價(jià)值。

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