例析科学史在培养科学探究能力中的应用

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　　【摘 要】在生物教学中，有丰富的科学史素材。本文以科学史教学为例，阐述了如何启发引导学生提出问题、作出假設、像科学家那样分析问题，设计实验、得出结论，从而提高学生科学探究能力。
　　【关键词】生物学教学；科学史；科学探究
　　【中图分类号】G633.91 【文献标识码】A
　　【文章编号】2095-3089（2019）02-0018-01
　　俗话说：“授之以鱼不如授之以渔”，学生课堂中学习到的知识是有限的，而科学的发展日新月异。社会需要的是能独立获取知识、解决实际问题的创新性人才。对于学生来说重要的是学会方法。学会科学探究方法比知识的掌握有更深远的意义。
　　新《课程标准》提出生物学科核心素养，在课程目标中提出学生要掌握科学探究的思路和方法，形成科学思维习惯[1][2]。科学探究能力的培养是生物教学工作中的重点。本文将从提出科学问题、做出假设、设计实验、分析实验结果四个方面，阐述如何在科学史的教学过程中培养学生的科学探索能力。
　　一、身临其境，提出问题
　　“授人以渔不如授人以欲”。和方法相比，探究欲望更为重要。兴趣是最好的老师，发现问题、提出问题是进行科学探究的第一步，有了问题才有探究的兴趣和动力。在科学史的学习中，引导学生体会科学家在各阶段遇到的各种问题，像科学家一样去思考，提高学生提出科学问题的能力。
　　例如在《酶的本质》教学中，通过感受问题情境，体会科学家是如何通过现象观察到本质，并提出问题的。展示19世纪酿酒业面临的普遍问题，酿出的葡萄酒为什么会变酸？探究这一问题的着眼点是什么？引发学生关注酿酒的过程。明确酿酒的过程就是糖类通过发酵变成酒精。接下来我们应该探索什么呢？学生各抒己见，集思广益，发现问题：糖类是怎么变成酒精的呢？是简单地化学过程，还是与生命活动有关系？教师展示巴斯德（L.Pasteur）实验，提出问题：巴斯德和李比希（J.V.Liebig）结论是什么？你支持谁的观点？如何论证？学生思考小组讨论，然后展示毕希纳（E.Buchne）的实验。提出问题：得到酿酶之后我们又遇到了什么问题？学生思考提出，继续探索。
　　将学生置身于科学家的研究背景之中，去发现问题，感受科学家的探索历程，在教学中引导学生像科学家一样去思考、提出问题，从而学会凝练出科学问题的方法。
　　二、合理推测，作出假设
　　培养科学探究能力过程中，作出假设是重要一环。科学史中“提出假说”这一环节与其对应，在学习中强调提出假说需要实验与观察作为前提，还需要严谨的推理和大胆的想象。假说不等于结论，要通过观察与实验进一步验证和完善。
　　例如在学习对生物膜结构的探索历程中，关于细胞膜的结构，科学家提出许多假说和模型，在教学过程中可以贯穿“提出假说”，使学生感受科学家是如何提出假说的。首先展示欧文顿的实验，教师提出疑问：欧文顿（E.Overton）对膜成分进行提取与分析了吗？使学生得出欧文顿是依据相似相溶的原理推导出的，这只是对膜成分的猜想。教师提出疑问：那欧文顿是随便乱说的吗？使学生明白假说的提出要有实验和观察的依据，不可主观臆断。教师再提出疑问：提出的假说是否一定成立呢？是否要进行验证呢？介绍20世纪初科学家对膜成分进行了化学分析，使学生明确假说需要通过观察与实验进一步验证与完善。在本材料的学习中已经贯穿了“提出假说”的整个过程。教师继续提出下一材料，并提出：两位荷兰科学家并没有在显微镜下观察到细胞膜的结构，而是通过实验得出的，所以这也是一个假说。提出疑问：为什么可以得出脂质分子排列为连续的两层呢？有没有可能是不规则排列呢？难道两位科学家是随意猜测的？使学生也产生疑问。然后教师提出磷脂分子的结构，并启发学生根据磷脂分子的特点及细胞膜所处位置，分析磷脂双分子层如何排列并图示磷脂分子的排列方式。学生通过动手操作，已经明白结论是如何得出的，所以两位科学家提出的假说也是有科学依据的，这与脂质分子的结构有关。本材料的学习使学生在此明确假说的提出应有科学依据。
　　学生模拟科学家的猜想，然后对照科学家们的假说，进行对比，从而在课堂教学中使学生掌握作出假设的方法。
　　三、分析对比，设计实验
　　在科学探究历史长河中，既有成功案例，又有失败案例。实验是否成功主要取决于两方面：实验选材和过程设计。引导学生分析案例成功或失败的原因，体会科学的严谨性；动手设计，对比科学家的实验自我评价，学会设计实验。
　　1.实验选材。
　　选择实验材料是设计实验的第一步，也是关键性的一步，材料选对了等于实验成功了一半。在学习《孟德尔的豌豆杂交实验（一）》时，首先对孟德尔（G.J.Mendel）进行简要介绍，展示他选用的植物材料：山柳菊、玉米、豌豆等，所有试验材料中，豌豆的杂交试验最为成功。提出疑问：为什么用豌豆做遗传实验容易取得成功？带着疑问进行分析，并在分析原因过程中让学生明白选材的重要性。在学习《基因在染色体上》时，再次提出疑问：如果你是摩尔根（T.H.Morgan），你会选择什么材料呢？并介绍不同昆虫让学生进行选择。并在之后的探究实验中让学生自主选材并提出合理性，通过实践，学会选材。
　　2.设计实验过程。
　　在高中阶段的实验中主要用到的实验方法是控制变量法，而这种方法也是科学家们进行实验探究常用方法之一。实验方法体现在实验过程之中，究竟该如何设计，应该注意些什么？这在科学史中都有体现。在学习《生长素的发现过程》时，首先提出达尔文（C.Darwin）的实验目的：探究植物的向光性与植物的哪一部位有关。如果你是达尔文你会选择什么植物？如何设计实验？如何设置对照，控制无关变量呢？以小组合作的方式探究设计，学生展示，教师评价，然后展示达尔文的实验图，学生对照自己的设计与达尔文的设计，在相互评价与交流中学会控制变量的方法，并学会设计实验。在学生设计实验过程，学生不仅学习如何设计实验，也体会到实验设计的严谨性。再比如，在《光合作用的探索历程》一节中，科学家普利斯特利（J.Priestley）通过实验验证了植物可以更新“浑浊的空气”，而有人重复试验时，却得到相反的结果，认为植物也能使空气变“浑浊”。为什么会出现这种结果呢？利普斯特利在设计实验时忽略了什么？如果是你，如何设计实验证明光在植物更新空气中的作用？学生通过分析发现：实验设计小小的失误，就会造成实验的失败。感受到控制无关变量的重要性的同时，设计改进实验，在实践中学会方法。 　　四、严谨推论，分析结果
　　对于相同的实验结果，不同知识背景的人可能有不同的结论。准确分析实验结果是科学探究能力的重要组成部分。丰富的知识储备和严谨的推理缺一不可。
　　例如在《一对相对性状的杂交试验》中，孟德尔没有停留在对实验现象的观察与描述上，而是对实验结果进行数量统计。在观察和统计分析的基础上，果断地摒弃了前人融合遗传的观点，通过严谨的推理和大胆的想象，对分离现象的原因做出了合理的解释，并对解释进行验证，从而提出分离定律[3]。正是因为有统计学的知识基础，孟德尔才能对实验结果进行合理分析。在教学过程中，采用讲授法，带领学生分析实验结果，使学生体会孟德尔解释的合理性，学会孟德尔分析数据的方法；提倡各学科知识的迁移，发展综合能力。
　　又如在《促胰液素的发现》教学中，采用合作探究法。首先教师出示19世纪人们对胰液分泌的认识：认为胰腺分泌胰液只是在盐酸刺激下的神经调节过程。然后给出沃泰默（Wertherimer）做的三组实验：
　　学生小组分析，得出实验结论，认为胰腺分泌胰液不仅有激素调节也有神经调节。教师对学生的结论提出肯定与鼓励，然后提出沃泰默对结果的解释，提出问题：你同意他的解释吗？指出由于沃泰默的墨守成规不知变通，使他失去了發现真理的机会。
　　介绍斯他林和贝利斯大胆做出的另一种假设：胰腺分泌胰液的过程也有化学调节。提出问题：如何对斯他林与贝利斯的假设进行验证呢？学生利用控制变量法设计实验，并与科学家进行的实验对比，进而得出实验结论：胰液的分泌是小肠粘膜分泌的化学物质调节的结果。[4]学生阅读“巴普洛夫的感慨”，分析斯他林和贝利斯取得成功的原因，体会到真理往往掌握在少数人手中，对实验结果的分析要科学严谨，不可僵化迷信，要有大胆的质疑精神和丰富的想象力。通过训练，学会分析实验结果的方法。
　　总之，在教学过程中，教师要充分利用科学史资源，运用多种形式，采取合适的方法，培养学生的科学探究能力。课堂中引导学生像科学家一样去思考、提出问题；严谨推理，大胆想象，作出假设；通过分析具体案例，让学生自己动手动脑，学会设计实验；从而培养学生知识迁移的意识及敢于质疑的精神。
　　参考文献
　　[1]中华人民共和国.普通高中生物学课程标准（2017年版）[M].人民教育出版社，2018：4.
　　[2]中华人民共和国教育部.《普通高中生物学课程标准》[M].北京：人民教育出版社，2017.
　　[3]张建尚.假说及其教学策略[J].中学生物学，2007，23（8）：17-18.
　　[4]毕诗秀.充分挖掘科学史教育价值 提高学生生物科学素养[J].生物学通报，2015，50（8）：28-32.
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