基于科學史料的初中生物學教學實踐

摘 要：中學生物學教學要充分利用科學史料培養學生的生物學學科核心素養。本文以“斗嘴的達爾文雀”作為主線情境，通過“引入科學史料，創設主線情境”“演繹科學史料，模擬實驗探究”“分析科學史料，深挖思維邏輯”“闡釋科學史料，培育科學精神”四個環節培養學生的科學思維。

關鍵詞：科學史料；模擬實驗；科學思維

文章編號：1003-7586（2024）09-0014-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

生物科學史全面地記錄了人類對生命奧秘的不斷探索和發現，這段歷史不僅見證了生物學由淺入深、由表及里的發展過程，還折射出科學家在探究過程中的科學思維、科學態度及科學精神。教師在教學實踐過程中，應合理制定教學目標，充分挖掘生物科學史的教育價值，通過模擬實驗等教學方式，實現教學目標，從而有效培養學生的生物學學科核心素養。

“生物進化的原因”是蘇科版義務教育教科書《生物學·八年級·下冊》（以下簡稱“教材”）第23章第3節的內容。通過學習該內容，學生可以從生物學的視角，深入理解生命活動的進程與規律，進而全面認識生物界的構成及其發展變化。然而在教學實踐中，學生對于“自然選擇”“適者生存”等抽象概念缺乏深入理解，甚至存在誤解，導致教學難度增加。

基于此，本文對教材課程資源進行二次開發，借鑒達爾文的科學探索路徑，以“斗嘴的達爾文雀”作為主線情境，聚焦生物進化原因的發現歷程，通過模擬實驗和數據分析，幫助學生突破認知障礙，深入理解“自然選擇學說”的核心理論。學生在積極參與和體驗式學習中，逐步構建起“進化與適應”的生命觀念，進而發展學生的生物學學科核心素養。

1 引入科學史料，創設主線情境

教材設置的“原雞進化”和“樺尺蠖體色變化”兩個相互獨立的情境，學生需要頻繁切換思維，導致其難以在情境中進行深入分析與思考。

鑒于此，筆者以加拉帕格斯群島上觀察到的“達爾文雀”作為案例，以“斗嘴的達爾文雀”創設主線情境貫穿整節課的教學內容，將各個知識點融入主線情境，旨在幫助學生構建邏輯清晰、層次分明的認知框架，提升學生核心素養。圍繞主線情境，教師設計一系列層層深入的子情境，以情境串聯設計教學環節，激發學生的學習興趣，引導學生深入地探究實踐，最終促進學生學科概念的形成。

教師以精心設計的主線情境為引導，讓學生能夠更加全面、深入地認識科學知識的應用與實踐，從而更好地領悟生物學的內在價值與深遠意義。一方面，教師以“勇地雀喙的變化”“干旱對勇地雀喙的影響”“大嘴地雀對勇地雀喙的影響”“多種多樣的達爾文雀”為情境線索，串聯生物多樣性及生物進化等知識點；另一方面，教師以“達爾文雀的喙是如何進化的”“加拉帕格斯群島上的達爾文雀是如何進化的”“地球上生物多樣性是如何形成的”等遞進問題串深入教學，并結合模擬實驗、數據分析、類比推理和歸納總結等思維方法，有效提升學生的科學素養，發展其批判性思維與創新實踐能力。本節課的主線設計思路如圖1所示。

2 演繹科學史料，模擬實驗探究

義務教育階段的生物學課程注重學生的探究和實踐，鑒于物種進化是一種涉及多個性狀同時演變的復雜過程，本文將課堂探究實踐聚焦于勇地雀喙的形態這一具體性狀的進化上，簡化學習過程、降低理解難度。學生通過深入探究喙的具體進化機制，進而理解其他性狀的進化規律，最終理解物種進化理論。這種由點到面、循序漸進的教學方法，有助于學生更加系統、全面地認識生物進化。然而，由于研究對象及其身處的環境難以獲取和重現，在課堂上模擬科學家的探索過程存在一定的困難，因此，當實驗受到時間或空間的限制時，教師需要依據研究目標和對象，合理設計模擬實驗。

教師展示實驗中所使用的主要材料，包括不同型號的鑷子、黃豆以及桂圓等。為確保學生對實驗目的與實驗步驟具有清晰的認識，教師提出以下問題：本模擬實驗的變量是什么？實驗中所使用的材料分別模擬什么研究要素？如何有效控制取食時間，以確保實驗數據的準確性？如果受到環境影響，食物發生了改變，勇地雀的喙可能會產生怎樣變化？學生通過對上述問題進行討論，深入理解實驗原理，為接下來的實驗操作與數據分析奠定基礎。

經過學生分組討論，確定本實驗的核心變量為勇地雀喙的形狀。實驗中，學生使用大、小兩種開口的鑷子分別模擬大喙和小喙的勇地雀，而不同的種子和果實則作為勇地雀的食物來源。為確保實驗數據的科學性和準確性，師生共同制訂了以下模擬實驗方案：①學生模擬三次取食過程，每次模擬代表一代的基因傳遞過程。在第一代實驗中，每組將有兩名學生使用大、小開口的鑷子（分別代表大喙和小喙）作為親鳥，其余學生將扮演親鳥的后代。②教師播放的“鳥鳴聲”將作為每次“取食”活動的開始和結束標志。當鳥鳴聲響起時，學生需使用相應的鑷子將培養皿中的食物（黃豆或桂圓）放入紙杯中。③為了模擬勇地雀在自然環境中的生存壓力，親代勇地雀在生存過程中必須至少取得20粒黃豆或5粒桂圓，方可有資格生存并繁殖后代。④對于取食數量未達到要求的學生，將被視為淘汰，而達到要求的學生能夠讓組內其他同學繼續進行實驗。以上方案旨在通過模擬實驗，深入探究勇地雀喙的形狀變化對其生存和繁殖的影響。教師通過引導學生進行嚴謹的實驗設計、精確的結果記錄，幫助學生得出更為理性、客觀的結論。實驗中數據記錄如表1所示。

3 分析科學史料，深挖思維邏輯

科學史料不僅可以幫助學生回溯歷史、理解科學發展過程，更可以讓學生深入理解科學家的思維邏輯和科學創造過程。科學家的思維邏輯，往往隱藏在實驗設計、數據分析、理論構建等各個環節中。因此，在教學實踐中，教師需要引導學生仔細分析科學線索，逐步還原科學家的研究過程，進而理解科學研究是從問題出發，通過邏輯推理和實驗驗證，最終得出科學結論的探究過程。

教師在引導學生填寫表格的同時，出示以下思考題引導學生相互討論：①早期的勇地雀在生存和繁衍過程中會產生具有不同喙型的后代，其原因是什么？②當以黃豆（小型種子）為食時，第三代幸存數量最多的是哪種喙型的勇地雀？若幸存的勇地雀可繼續繁殖其種群數量會發生什么變化？此現象說明什么？③模擬實驗中，限定時間與食物數量模擬了自然界中的什么情境？這說明了什么生物學原理？④當環境發生變化，只能以桂圓（大型種子）為食時，第三代幸存數量最多的是哪種喙型的勇地雀？說明環境在生物進化過程中起什么作用？

教師展示相關資料，并引導學生依據問題支架進行邏輯推理與論證。學生嘗試運用自然選擇學說來解釋勇地雀的進化方向，以深化對生物進化理論的理解。通過對資料的分析與整理，學生交流并達成共識：①勇地雀在生存和繁衍的過程中會產生具有不同喙型的后代，這是遺傳變異的結果，可遺傳的變異是生物進化的基礎；②在生活空間、所需食物充裕的情況下，第四代的起始數量為16只，第五代則高達32只，說明生物本身具有過度繁殖的傾向，這是生物進化的前提；③模擬實驗中，以限定時間和食物數量模擬自然界中的種間競爭與種內競爭，生存競爭是生物進化的動力；④在激烈的生存競爭中，具有有利變異的個體能生存下來并繁殖后代，而具有不利變異的個體則逐漸被淘汰。

在對問題進行思考的基礎上，學生跟隨達爾文的思維邏輯，逐步構建以“過度繁殖”“生存競爭”“遺傳變異”和“適者生存”為主要內容的自然選擇學說（見圖2）。通過對科學史料的深入剖析和對自身思維邏輯的細致挖掘，學生不僅可以更好地理解科學的發展歷程，還可以從中汲取靈感，啟發自身的科學思維和創新能力。

4 闡釋科學史料，培育科學精神

科學史料是記錄科學發展歷程的重要載體，其中蘊含著科學家嚴謹理性的探索歷程和不懈求真的實踐態度。在評價反饋中，教師可以補充相應的科學史料作為子情境幫助學生鞏固和發展生物學學科核心素養。教師在引導學生解決各種子情境中的復雜現象和高階問題時，鼓勵其運用科學思維和科學方法進行分析，通過合理有效的解釋和客觀公正的評估，得出客觀、可驗證、可重復的普適性解釋。

學生得出以自然選擇學說為核心的生物進化理論后，教師繼續提供子情境：島上豐富的食物資源吸引了大嘴地雀來此地棲息。大嘴地雀與勇地雀的食性相同，但體型更大，碩大的鳥喙在取食時優勢更為突出。教師提問：如果這種情況一直持續下去，勇地雀的喙會發生怎樣的變化？學生繼續深入探究，推測出兩種可能：一是與之前情境的發展趨勢相似，大喙勇地雀更有競爭性，在取得繁殖優勢后帶動整個勇地雀種群的鳥喙尺寸增加；二是可能與之前情境發展完全相反，隨著大嘴地雀在島上的繁殖，勇地雀的生存空間受到了明顯的擠壓，只能重新選擇小種子作為食物來源，因此鳥喙尺寸也開始逐漸變小。

經過討論后，教師出示相關數據：勇地雀的種群數量已經由原先的約1 300只銳減至150只，其鳥喙尺寸也逐漸變小；與此同時，大嘴地雀的種群數量也從約250只下降到了幾十只。學生通過這些數據得知，在這場激烈的食物競爭中，許多勇地雀因食物短缺而未能幸存。

5 總結

教師通過拓展科學史料、闡釋科學史料等方式，培養學生嚴謹、穩重、理性的科學品質，幫助學生更好地理解和踐行科學精神。同時在教學中，教師應該補充達爾文自然選擇學說的局限性。盡管達爾文觀察到了生物的遺傳和變異現象，但他未能揭示變異的本質。此外，自然選擇學說主張物種形成是一個漸進的過程，卻難以解釋物種大爆發現象。教師以此鼓勵學生繼續深入探究，為現代進化學說的發展與完善貢獻自己的智慧與力量。