例析科學史在培養科學探究能力中的應用

郭曉明 李妹芳

【摘 要】在生物教學中，有豐富的科學史素材。本文以科學史教學為例，闡述了如何啟發引導學生提出問題、作出假設、像科學家那樣分析問題，設計實驗、得出結論，從而提高學生科學探究能力。

【關鍵詞】生物學教學；科學史；科學探究

【中圖分類號】G633.91 【文獻標識碼】A

【文章編號】2095-3089（2019）02-0018-01

俗話說：“授之以魚不如授之以漁”，學生課堂中學習到的知識是有限的，而科學的發展日新月異。社會需要的是能獨立獲取知識、解決實際問題的創新性人才。對于學生來說重要的是學會方法。學會科學探究方法比知識的掌握有更深遠的意義。

新《課程標準》提出生物學科核心素養，在課程目標中提出學生要掌握科學探究的思路和方法，形成科學思維習慣[1][2]?？茖W探究能力的培養是生物教學工作中的重點。本文將從提出科學問題、做出假設、設計實驗、分析實驗結果四個方面，闡述如何在科學史的教學過程中培養學生的科學探索能力。

一、身臨其境，提出問題

“授人以漁不如授人以欲”。和方法相比，探究欲望更為重要。興趣是最好的老師，發現問題、提出問題是進行科學探究的第一步，有了問題才有探究的興趣和動力。在科學史的學習中，引導學生體會科學家在各階段遇到的各種問題，像科學家一樣去思考，提高學生提出科學問題的能力。

例如在《酶的本質》教學中，通過感受問題情境，體會科學家是如何通過現象觀察到本質，并提出問題的。展示19世紀釀酒業面臨的普遍問題，釀出的葡萄酒為什么會變酸？探究這一問題的著眼點是什么？引發學生關注釀酒的過程。明確釀酒的過程就是糖類通過發酵變成酒精。接下來我們應該探索什么呢？學生各抒己見，集思廣益，發現問題：糖類是怎么變成酒精的呢？是簡單地化學過程，還是與生命活動有關系？教師展示巴斯德（L.Pasteur）實驗，提出問題：巴斯德和李比希（J.V.Liebig）結論是什么？你支持誰的觀點？如何論證？學生思考小組討論，然后展示畢希納（E.Buchne）的實驗。提出問題：得到釀酶之后我們又遇到了什么問題？學生思考提出，繼續探索。

將學生置身于科學家的研究背景之中，去發現問題，感受科學家的探索歷程，在教學中引導學生像科學家一樣去思考、提出問題，從而學會凝練出科學問題的方法。

二、合理推測，作出假設

培養科學探究能力過程中，作出假設是重要一環?？茖W史中“提出假說”這一環節與其對應，在學習中強調提出假說需要實驗與觀察作為前提，還需要嚴謹的推理和大膽的想象。假說不等于結論，要通過觀察與實驗進一步驗證和完善。

例如在學習對生物膜結構的探索歷程中，關于細胞膜的結構，科學家提出許多假說和模型，在教學過程中可以貫穿“提出假說”，使學生感受科學家是如何提出假說的。首先展示歐文頓的實驗，教師提出疑問：歐文頓（E.Overton）對膜成分進行提取與分析了嗎？使學生得出歐文頓是依據相似相溶的原理推導出的，這只是對膜成分的猜想。教師提出疑問：那歐文頓是隨便亂說的嗎？使學生明白假說的提出要有實驗和觀察的依據，不可主觀臆斷。教師再提出疑問：提出的假說是否一定成立呢？是否要進行驗證呢？介紹20世紀初科學家對膜成分進行了化學分析，使學生明確假說需要通過觀察與實驗進一步驗證與完善。在本材料的學習中已經貫穿了“提出假說”的整個過程。教師繼續提出下一材料，并提出：兩位荷蘭科學家并沒有在顯微鏡下觀察到細胞膜的結構，而是通過實驗得出的，所以這也是一個假說。提出疑問：為什么可以得出脂質分子排列為連續的兩層呢？有沒有可能是不規則排列呢？難道兩位科學家是隨意猜測的？使學生也產生疑問。然后教師提出磷脂分子的結構，并啟發學生根據磷脂分子的特點及細胞膜所處位置，分析磷脂雙分子層如何排列并圖示磷脂分子的排列方式。學生通過動手操作，已經明白結論是如何得出的，所以兩位科學家提出的假說也是有科學依據的，這與脂質分子的結構有關。本材料的學習使學生在此明確假說的提出應有科學依據。

學生模擬科學家的猜想，然后對照科學家們的假說，進行對比，從而在課堂教學中使學生掌握作出假設的方法。

三、分析對比，設計實驗

在科學探究歷史長河中，既有成功案例，又有失敗案例。實驗是否成功主要取決于兩方面：實驗選材和過程設計。引導學生分析案例成功或失敗的原因，體會科學的嚴謹性；動手設計，對比科學家的實驗自我評價，學會設計實驗。

1.實驗選材。

選擇實驗材料是設計實驗的第一步，也是關鍵性的一步，材料選對了等于實驗成功了一半。在學習《孟德爾的豌豆雜交實驗（一）》時，首先對孟德爾（G.J.Mendel）進行簡要介紹，展示他選用的植物材料：山柳菊、玉米、豌豆等，所有試驗材料中，豌豆的雜交試驗最為成功。提出疑問：為什么用豌豆做遺傳實驗容易取得成功？帶著疑問進行分析，并在分析原因過程中讓學生明白選材的重要性。在學習《基因在染色體上》時，再次提出疑問：如果你是摩爾根（T.H.Morgan），你會選擇什么材料呢？并介紹不同昆蟲讓學生進行選擇。并在之后的探究實驗中讓學生自主選材并提出合理性，通過實踐，學會選材。

2.設計實驗過程。

在高中階段的實驗中主要用到的實驗方法是控制變量法，而這種方法也是科學家們進行實驗探究常用方法之一。實驗方法體現在實驗過程之中，究竟該如何設計，應該注意些什么？這在科學史中都有體現。在學習《生長素的發現過程》時，首先提出達爾文（C.Darwin）的實驗目的：探究植物的向光性與植物的哪一部位有關。如果你是達爾文你會選擇什么植物？如何設計實驗？如何設置對照，控制無關變量呢？以小組合作的方式探究設計，學生展示，教師評價，然后展示達爾文的實驗圖，學生對照自己的設計與達爾文的設計，在相互評價與交流中學會控制變量的方法，并學會設計實驗。在學生設計實驗過程，學生不僅學習如何設計實驗，也體會到實驗設計的嚴謹性。再比如，在《光合作用的探索歷程》一節中，科學家普利斯特利（J.Priestley）通過實驗驗證了植物可以更新“渾濁的空氣”，而有人重復試驗時，卻得到相反的結果，認為植物也能使空氣變“渾濁”。為什么會出現這種結果呢？利普斯特利在設計實驗時忽略了什么？如果是你，如何設計實驗證明光在植物更新空氣中的作用？學生通過分析發現：實驗設計小小的失誤，就會造成實驗的失敗。感受到控制無關變量的重要性的同時，設計改進實驗，在實踐中學會方法。

四、嚴謹推論，分析結果

對于相同的實驗結果，不同知識背景的人可能有不同的結論。準確分析實驗結果是科學探究能力的重要組成部分。豐富的知識儲備和嚴謹的推理缺一不可。

例如在《一對相對性狀的雜交試驗》中，孟德爾沒有停留在對實驗現象的觀察與描述上，而是對實驗結果進行數量統計。在觀察和統計分析的基礎上，果斷地摒棄了前人融合遺傳的觀點，通過嚴謹的推理和大膽的想象，對分離現象的原因做出了合理的解釋，并對解釋進行驗證，從而提出分離定律[3]。正是因為有統計學的知識基礎，孟德爾才能對實驗結果進行合理分析。在教學過程中，采用講授法，帶領學生分析實驗結果，使學生體會孟德爾解釋的合理性，學會孟德爾分析數據的方法；提倡各學科知識的遷移，發展綜合能力。

又如在《促胰液素的發現》教學中，采用合作探究法。首先教師出示19世紀人們對胰液分泌的認識：認為胰腺分泌胰液只是在鹽酸刺激下的神經調節過程。然后給出沃泰默（Wertherimer）做的三組實驗：

學生小組分析，得出實驗結論，認為胰腺分泌胰液不僅有激素調節也有神經調節。教師對學生的結論提出肯定與鼓勵，然后提出沃泰默對結果的解釋，提出問題：你同意他的解釋嗎？指出由于沃泰默的墨守成規不知變通，使他失去了發現真理的機會。

介紹斯他林和貝利斯大膽做出的另一種假設：胰腺分泌胰液的過程也有化學調節。提出問題：如何對斯他林與貝利斯的假設進行驗證呢？學生利用控制變量法設計實驗，并與科學家進行的實驗對比，進而得出實驗結論：胰液的分泌是小腸粘膜分泌的化學物質調節的結果。[4]學生閱讀“巴普洛夫的感慨”，分析斯他林和貝利斯取得成功的原因，體會到真理往往掌握在少數人手中，對實驗結果的分析要科學嚴謹，不可僵化迷信，要有大膽的質疑精神和豐富的想象力。通過訓練，學會分析實驗結果的方法。

總之，在教學過程中，教師要充分利用科學史資源，運用多種形式，采取合適的方法，培養學生的科學探究能力。課堂中引導學生像科學家一樣去思考、提出問題；嚴謹推理，大膽想象，作出假設；通過分析具體案例，讓學生自己動手動腦，學會設計實驗；從而培養學生知識遷移的意識及敢于質疑的精神。

參考文獻

[1]中華人民共和國.普通高中生物學課程標準（2017年版）[M].人民教育出版社，2018：4.

[2]中華人民共和國教育部.《普通高中生物學課程標準》[M].北京：人民教育出版社，2017.

[3]張建尚.假說及其教學策略[J].中學生物學，2007，23（8）：17-18.

[4]畢詩秀.充分挖掘科學史教育價值 提高學生生物科學素養[J].生物學通報，2015，50（8）：28-32.