依托科学史培养科学思维

陈卫东

摘要：科学家提出探究问题、设计实验方案、分析实验结果、得出实验推论等过程，蕴含着科学研究的一般方法，从科学史中开掘出来并在教学中合理使用，有利于培养学生的科学思维。《植物生长素的发现》一课，围绕科学家发现植物生长素的科学史展开，着重凸显“归纳与概括”“模型与建模”“质疑与反思”等科学研究方法，以培养学生的科学思维。

关键词：科学史 科学思维 归纳与概括 模型与建模 质疑与反思

“科学思维”是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》要求学生“应该在学习过程中逐步发展科学思维，如能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题。”

人教版高中生物选择性必修1《稳态与调节》模块中《植物生长素》一节，编入了达尔文、鲍森·詹森、拜耳、温特等科学家的探索实验，呈现了植物生长素发现的科学史，其中蕴含丰富的科学思维培养的资源。对此，笔者开设了《植物生长素的发现》一课，再现科学家的研究历程，强调科学研究方法，着力培养学生的科学思维。

一、教学设计

明确本节课的教学目标为：概述植物生长素的发现过程;体验发现生长素的过程和方法;评价实验设计和结论，培养科学思维。教学重点是生长素的发现过程。教学难点是生长素的产生、运输和分布以及科学实验设计的严谨性分析。以下为具体的教学过程：

（一）生长素的发现过程

1.向光性现象导入。

出示长时间放置在窗台上不移动的盆栽植物图片，提出问题：这株植物在生长方向上有什么特点？ （预设：向光性）然后，引导学生归纳出向光性的定义。

过渡：人们对向光性现象“熟视无睹”，而达尔文做了个有心人，提出了“为什么”。

介绍达尔文研究金丝雀虉草向光性的背景资料：

1831年毕业于剑桥大学后，达尔文在其导师亨斯洛的推荐下，以“博物学家”的身份参加了英国海军“小猎犬号”舰环绕世界的科学考察航行。达尔文在随“小猎犬号”环球旅行时，随身带了几只鸟，为了喂养这些鸟，又在船舱中种了一种叫草芦的草。船舱很暗，只有窗户会透射进阳光。达尔文注意到，草的幼苗向着窗户的方向弯曲、生长。后来，达尔文着手开展了一系列的实验来研究向光性问题，并在1880年出版的《植物的运动力》一书中总结了这些实验结果。

提出问题：达尔文的研究工作对我们有什么启示？预设：处处留心皆学问;科学研究需要有敏锐的观察力。

2.达尔文实验的分析。

过渡：科学重视实证，我们来看看达尔文做了什么样的实验。

出示实验过程图示（如图1），引导学生讨论、交流实验的操作过程和结果。

学生陈述问题的答案后，再提出新的问题：实验中遮盖胚芽鞘的尖端及尖端下部的目的是什么？预设：为了分析这些部位与向光生长的相关性;这运用的是实验设计中的排除法，采用了对照试验中的“减法原理”。

提出问题：胚芽鞘感受单侧光刺激的是哪一部分？ （预设：胚芽鞘的尖端）弯曲生长的又是哪一部分？（预设：尖端下部）感受光刺激的部位和向光弯曲的不是同一部位，达尔文怎样解释这一现象的？ （预设：单侧光照射使胚芽鞘的尖端产生某种刺激，当这种刺激传递到下部的伸长区时，会造成背光面比向光面生长得快，因而出现向光性弯曲）

3.鲍森·詹森、拜尔、温特实验的分析。

过渡：达尔文的推论中还有哪些内容尚未得到证实？胚芽鞘尖端向下传递的刺激是什么？后人为解决这些问题继续探究。

出示三个实验过程图示（如图2—下页图4），让学生小组分别讨论其中的一个实验，要求在讨论中解答以下问题：

（1）这三个实验是围绕什么具体问题展开的？

预设：这三个实验围绕三个递进的问题“刺激能不能传递？”“刺激传递的效果是什么？”“刺激可不可能是一种化学物质？”展开。

（2）实验是如何设计的？实验现象是什么？从实验可得出什么结论？

预设：胚芽鞘尖端产生的刺激可以透过琼脂片传递给下部;胚芽鞘弯曲生长，是因为尖端产生的刺激在其下部分布不均匀造成的;造成弯曲的刺激是一种化学物质，温特命名为生长素。

4.解释向光性的成因。

师生共同以“倒叙”方式来分析：背光侧比向光侧生長得快→背光侧比向光侧生长素分布得多→单侧光照射的影响。学生讨论，解释向光性的成因。

提出问题：植物的向光性生长有没有其他的可能原因呢？预设：植物弯向光源生长会不会是向光侧的生长素被单侧光照射后分解了？会不会是抑制物质分布不均匀造成的？

提出问题：如何证明你的推测？学生说出实验验证的设计思路。

让学生列举生长素的种类，并得出植物激素的概念。

（二）归纳生物科学研究的基本方法

1.思想方法。

提出问题：四位科学家科学研究的基本环节是怎样的？预设：观察现象→提出问题→进行实验→合理推论→提出假说→实验验证→得出结论。师生共同概括出生物科学研究的基本方法是“假说—演绎法”。

2.实验设计方法。

预设：达尔文的实验设计中用到了排除法;温特的实验设计中体现了单因子变量原则的对照法。

3.实验操作方法。

提出问题：怎样检出胚芽鞘向光生长过程中的弯曲部位？预设：可以在幼苗上画平行横线，横线不平行的部位就是弯曲部位;加竖直参照物，幼苗生长方向与参照物出现夹角的部位就是弯曲部位。

引导归纳：科学研究需要哪些优良品质？

（三）生长素的合成、运输与分布

提出阅读问题：（1）植物生长素的合成部位有哪些？（2）生长素是如何进行极性运输的？（3）生长素是否可以进行非极性运输？（4）怎样理解植物的形态学上端、形态学下端？（5）生长素在不同的组织、器官中的分布有何特点？学生带着问题阅读课本后，师生共同归类基础知识。

（四）评价实验设计和结论

演示生长素转移方向实验的设计步骤，学生评价并完善实验的设计。

二、几点思考

科学家提出探究问题、设计实验方案、分析实验结果、得出实验推论等过程，蕴含着科学研究的一般方法，从科学史中开掘出来并在教学中合理使用，有利于培养学生的科学思维。本节课的教学，围绕科学家发现植物生长素的科学史展开，着重凸显“归纳与概括”“模型与建模”“质疑与反思”等科学研究方法，以培养学生的科学思维。

（一）归纳与概括

“归纳”的基本释义是归拢并使有条理;由一系列具体的事实概括出一般原理。“概括”是形成概念的一种思维过程和方法，即从思想中把某些具有一些相同属性事物中抽取出来的本质属性，推广到具有这些属性的一切事物，从而形成关于这类事物的普遍概念。本课例中，设计了对学生归纳概括能力的训练，主要是形成“归因归纳”“论证归纳”的基本方法。其一，引导学生寻找探究问题与实验现象之间的因果关系，开展“归因归纳”。比如，达尔文实验中，通过对胚芽鞘尖端或尖端下部遮光，相应的实验现象是“不向光生长”及“向光生长”，归纳出植物向光生长与胚芽的尖端有关的结论。其二，引导学生针对问题解决，收集实验证据，开展“论证归纳”。学习植物生长素发现的科学史，学生可以发现，不同年代的多位科学家在探索植物向光性成因的道路上，是承前启后式的，前人的疑难问题就是后人探究的“触发点”。设计问题串，铺就一条问题“暗线”，让学生循着科学家研究的足迹“按图索骥”，解决问题。围绕总览性问题——“植物为什么向光生长”，学生论证解决一系列问题：植物感受光刺激的部位是什么？单侧光照射后植物是否向尖端下部传递了某种刺激？这种刺激是不是一种物质？这种物质是否可以传递？向光性的形成机理是什么？环环相扣的问题的解决，可以让学生掌握“论证归纳”的基本方法，进而不断提升归纳与概括能力。

（二）模型与建模

人教版高中生物教材給“模型”下了这样的定义：人们为了某种特定的目的而对认识对象所做的一种简化的、概括性的描述，是认识和阐明生命活动规律、原理的重要方法之一，其形式主要包括物理模型、概念模型和数学模型。“建模”就是建立模型，是为了理解事物而对事物做出的一种抽象的无歧义的书面描述。本设计中，引导学生建构两种模型。一是在实验设计中，建构自变量与因变量相关性模型。比如，达尔文探究植物向光性的关联部位，他在实验设计中分别对胚芽鞘尖端和尖端下部遮光。为什么会这样来设计自变量呢？教师引导学生分析“感受光源的是什么部位”“发生弯曲的是什么部位”。这样，学生就容易理解为什么设置对照试验时，要对尖端或尖端下部遮光。这是实验设计中，自变量与因变量的合理关联。二是在实验设计中，把握自变量控制中的“加法原理”和“减法原理”。比如，鲍森·詹森设计的对照实验中，与常态生长的植物幼苗相比，切除对照组的胚芽尖端就是采用了“减法原理”，在胚芽尖端与尖端下部插入琼脂片就是采用了“加法原理”。对照实验中，与常态相比，通过增加（或减少）某种影响因素来改变自变量的设置，进而观察因变量的变化，可以论证我们的假设，证实或证伪某种假说。

（三）质疑与反思

批判性是思维活动中独立发现和批判的程度，是科学思维的重要组成部分。有良好批判性思维品质的人能对别人或自己的观点进行反思、提出质疑，能对生物学问题开展科学分析与评价，做出理性判断。生物科学史等内容的教学中，学生在质疑权威的过程中、在学习行为自我反思中，可以培养思维的批判性。比如，本教学设计中，教师引导学生归纳向光性的成因：由于单侧光的照射，胚芽尖端的生长素发生横向运输，移向背光侧，再纵向运输，聚集到尖端下部的背光侧，使其生长快于向光侧，造成植物幼苗向光生长。这种解释的基本出发点是生长素的移动。然后，通过一个开放性问题“植物的向光性生长有没有其他的可能原因”引发学生的批判性思考。对于学生可能不成熟的想法，教师一定要加以保护和引导。比较合适的做法是，顺着学生的理性判断，师生再做一次“合理”的解释。学生思维活跃起来，还会从日常生活中发现像龙爪槐一样倒长的特例。如是，逐渐养成良好的自我反思习惯，让思维活动更具主动性、分析性、策略性、独立性，减少盲从性、狭隘性。

参考文献：

[1] 谭永平.再论“用教材教”——发展高中生科学思维的视角[J].生物学教学，2020（9）.