浅谈高中生物科学史教学中学生探究能力培养的实践

程锐创

摘 要 《普通高中生物课程标准》倡导“探究性学习”的基本理念，在能力目标上提出了“发展科学探究能力”，要求“注重生物科学史的学习”。高中生物科学史中的经典实验是培养学生探究能力的典范，把科学史教学和培养学生探究能力结合在一起，帮助学生掌握生物科学的产生，理解科学的本质，对于学生系统地掌握生物学的研究方法、启迪思维是非常有利的。

關键词 高中生物科学史 探究能力 培养

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

《普通高中生物课程标准（实验）解读》将生物科学史描述为：“以生物科学产生和发展的过程为轮廓，以科学发展历程中带有重大转折作用的课题及事件为主线，用详实的资料论述科学家们的创造性劳动，生动地描述他们进行科学探索的思维过程和方法，同时也对生物学发展的逻辑和社会历史背景等重大问题进行评论。”新课程标准提出倡导探究性学习的理念，我们把探究过程与生物科学史相互整合，不仅让学生理解科学的产生过程，而且有利于学生系统地掌握生物学的研究方法。通过学习生物科学史，使学生了解科学家的探索过程，掌握科学研究的思维。在学习生物科学史的基础上培养学生的科学探究能力，进而发展学生的创新精神和创新意识。

1 高中生物科学史教学中探究能力培养的现状

1.1 新旧高中生物教材中生物科学史内容比较分析

1.1.1 《普通高中生物课程标准》（以下简称《标准》）对科学史要求的强化

与《教学大纲》比较，《标准》在知识目标要求和教学建议部分对生物科学史作了“点名”要求，《标准》中被列入具体内容标准的科学史增加为10个，而且由了解水平上升为理解、应用、经历、反应水平。同时要求对于《标准》中没有列出的其他生物科学史实也应注意引用。

1.1.2 生物科学史是数量增加

新课标教材在旧教材的基础上增加了内容，由38个增至50个。教师还可以根据教学实际的需要作适当的补充，对于某些极少涉及科学史的章节应该有计划、有针对性的呈现。

1.1.3 生物科学史的形式更加多样化

旧教材中多以课内小段文字、“课外读”的形式呈现；新课标教材中除课程基本内容外，还有科学家访谈、资料分析、科学前沿、科学史话、科学家的故事、科学·技术·社会、拓展视野、科技探索之路等形式的呈现。

1.2 生物科学史教学中探究能力培养存在的问题

1.2.1 教师对生物科学史的教学价值认识有待提高

教师对生物科学史的教学价值普遍认可，但在教学中，大多只是将其单纯地作为历史资料，用于吸引学生的注意力，激发学习兴趣，对其他深层次的价值认识不够。生物科学史在呈现历史的同时，还蕴含着丰富的科学知识、科学方法和科学人文精神，能够让学生探究知识产生的过程、帮助学生认识科学的本质、理解概念和学习方法，提高学生的人文素养和科学素养。因此，教师应该积极主动地去挖掘科学史的价值，冲破原有的局限，从而确保生物科学史教学的有效开展。

1.2.2 生物教师的精力及能力的限制

传统教育中所培养的大部分教师知识结构单一，缺乏科学探究的经验。部分教师对生物科学史知识的了解和掌握仅限于课内教材，或者通过网络临时补充些，没有真正思考科学史如何对教学起作用，因此教师对其知识的储备不足导致生物科学史的教学无法深入，从而影响学生探究能力的培养效果。许多教师在应试教育的重压下，为完成教学任务，忽视学生探究能力的培养。这些因素都可导致教师在学生探究能力培养中教学设计不当，指导不利，点拨不到，严重影响了探究教学的有效开展。

1.2.3 课程改革与高考的矛盾冲突 虽然素质教育的观点早已深入人心，但考试成绩仍是主要关注点。而探究能力的培养对素质的提高却是一个需长期积累才能逐渐显现的过程，绝大多数学生虽然在科学探究思维、创新与实践能力等方面会有提高，但却不一定在考分上得到“立竿见影”的效果。虽然科学史已经在高考中有所体现，但科学史内容的教学仍是浅尝辄止。

1.2.4 学生需要一定的适应期

学生多年在灌输的环境下学习，习惯于做大量的课外练习，以练代学，不注重动手能力的培养，不注重对知识的理解、综合和运用，更少有创新思维，创新能力的培养。探究能力的提升在刚开始时难度偏大，需要一定的适应时期。

教师在生物科学史教学中培养学生的探究能力，不仅能使学生学习生物学理论知识，同时有助于引导学生体验探究过程，领会科学探究需要一丝不苟的科学态度、严谨的思维方式、科学的实验设计，以及坚持不懈的科学精神。

2 高中生物科学史教学中探究能力培养的一般模式

新课程理念倡导科学探究学习，主张学生通过探究活动主动地学习科学方法，获取科学知识，生物学探究的一般程序：提出问题——作出假设——制定实验计划——实施实验计划（验证假设）——记录——资料和信息处理——得出结论——表达和交流——进一步提出问题。每一个环节又包含多种方法，如提出问题中包括观察、质疑等；制定计划包括材料选择、方案设计等；得出结论包括判断、归纳、推理等。科学探究是一个复杂的、不断发展进步的过程。

在生物科学史教学中提倡探究教学，就是要引导学生主动发现问题、解决问题，亲身体验。将生物科学史学习与探究能力培养结合起来需要教师进行精心设计，图1为生物科学史与探究学习有机结合的一般过程。

但是教师也不能为了探究而探究，那只会成为“形式上的探究”，因此要根据教学内容的不同、教学目标的不同，结合学生已有的知识水平层次、教师的个人教学风格等，采用多样化的探究能力培养模式，同时可以有重点、有针对性的进行个别环节的探究。

3 高中生物科学史教学中探究能力培养的实践

3.1 利用生物科学史导入，激发学生探究兴趣

兴趣是学习的原动力，学生有了兴趣，才能积极主动地探索知识，追寻真理发现的过程。在课堂教学中适时地引入生物科学史，可以使学生消除“高不可攀”的心理，降低其认识起点，充分激发学生的好奇心理，激发学生的探究兴趣，达到良好的教学效果。

【例1】 在“孟德尔的豌豆杂交实验”教学中导入孟德尔的生平、杂交实验等的简介，体现生物科学史激发学生探究兴趣的作用。

如：“八年耕耘源于对科学的痴迷，一畦畦豌豆蕴藏遗传的秘密。实验设计开辟了研究的新路，数学统计揭示出遗传的规律。”教师以此开始，指导学生阅读教材，初步认识孟德尔（由教材中的诗引入，将学生的注意力集中到孟德爾身上，激发学生对孟德尔本人及其事迹的好奇，同时达成情感、态度与价值观目标）。

师：孟德尔（1822-1884）其实只是一个默默无闻的奥地利修道士，为什么他能发现遗传的基本规律而闻名于世？孟德尔是个喜欢学习的“穷学生”，因家境贫寒，21岁成为了修道士。曾经到维也纳大学进修自然科学和数学，这为他之后的研究奠定了一定的知识基础。在科学研究中，他观察非常细致、态度严谨，而且善于记录

学生在了解孟德尔的生活背景后，发现一个默默无闻的修道士，竟然可以做一般人做不到的事情，体会到原来科学发现离我们这么近，只要有心，人人都可以有所作为。同时介绍孟德尔擅长数学，为遗传比例的得出埋下伏笔。

师：孟德尔在修道院的小园地里开始了长达8年的豌豆实验。他选择不同的豌豆品种进行实验，如高茎或矮茎、种子圆滑或皱缩等。在种植过程中，对豌豆不同代的性状和数目进行了细致入微的观察、计数和分析。为什么选择豌豆作为实验材料？

学生仔细观察豌豆花的结构，讨论分析，得出豌豆适宜实验的特点。在此过程中，学生的观察、分析能力得到了锻炼。

师：孟德尔种了8年的豌豆，究竟做了什么实验呢？（教师展示一对相对性状的杂交实验过程，强调孟德尔做了大量的实验，记录了21 000棵豌豆的实验结果，并对结果进行统计分析，因此数据是完全可靠的）① 为什么子一代全部表现为高茎？矮茎性状消失了吗？② 子二代中高茎与矮茎表现为3∶1是偶然的吗？③ 为什么先进行一对相对性状的遗传实验，不同时进行多对相对性状的杂交实验？

教师引导学生思考这些问题，分析实验的要点，促使学生理解相关概念。教师由问题串展开，自然而然地过渡到“3∶1”的分析。通过讨论分析，学生的思维能力得到提高。

师：历经8个寒暑的辛勤劳作，记录了无数的实验数据，孟德尔将数学统计方法运用于生物学，同时开创了假说一演绎法，最终发现了遗传学的基本规律。1865年，他在布鲁恩科学协会的会议厅，宣读了自己的研究论文，可惜没人能够理解。在孟德尔逝世16年后，他的研究成果终于为世人所了解。为了纪念孟德尔的贡献，人们将分离、自由组合定律分别称为“孟德尔第一定律”“孟德尔第二定律”，其也被尊称为“遗传学之父”。

通过史实介绍，学生认识到科学研究方法在实验探究中的重要性，好的方法是科学发现的捷径。同时认识到生物科学知识、理论、真理的发现都不是一蹴而就的，都需要历经艰辛才能获得，因此应该尊重知识，珍惜知识。

3.2 利用生物科学史引导质疑，激发假设欲望

科学研究始于问题，通过思考、分析所遇到现象产生的原因或规律，然后合理假设。在学生探究能力培养过程中，教师应该引导学生观察分析实验现象，大胆质疑，激发学生提出科学合理假设的欲望。

【例2】 “植物生长素的发现”的教学重点是生长素的发现过程，教材根据科学家的实验顺序阐述生长素的发现过程。教学中，教师应以科学发现中的研究方法为主线，采用探究的教学方式，培养学生的探究能力，激发学生的探究欲望，体会科学发现过程，领悟科学探究方法。

当教师播放“观察黑暗条件和单侧光照下胚芽鞘的生长情况”的动画，引导学生得出“胚芽鞘向光性生长与单侧光有关”的结论。继续播放“切除尖端和保留尖端的胚芽鞘在单侧光照下的生长情况”实验的动画，引导学生得出“胚芽鞘生长与尖端有关”的结论。再追问这些结论是否真正解决了问题？同学们有没有其他疑问产生？教师鼓励学生从疑问中作出假设。

学生假设：尖端产生某种物质促使生长；胚芽鞘的生长部位是尖端；胚芽鞘的生长部位是尖端下部；胚芽鞘感光部位是尖端……

然后，学生通过观察实验“放过胚芽鞘尖端的琼脂与未放过尖端的琼脂分别在切去尖端的胚芽鞘上的生长情况”和“观察保留尖端的胚芽鞘生长情况以及沾过胚芽鞘尖端的琼脂放在切去尖端的胚芽鞘上的生长情况”，来检验假设，解决矛盾。在这个过程中矛盾叠生，问题起伏，教师利用生物科学史材料以及适当的引导，促使学生大胆质疑，激发假设欲望。

合理假设往往是创新的萌芽和开始，也可能是一种科学的创举和发现。教学中，教师应着重培养和训练学生的假想推断能力，把学生的思维引入一个自由开阔而又有着丰富内涵的探究空间，拓宽学生的探究路径和思维视野，让学生能够而且善于突发奇想。

在学习过程中，学生不仅要掌握发现问题、作出假设的技巧，而且要感受科学探究的魅力。科学是不断发展的，不应囿于原有的理论，而是应该大胆质疑，挑战权威，才能有所创新。

3.3 利用生物科学史分析实验，体验探究乐趣

生物科学史中蕴含实验方法、思考方式、探究过程及实验结论，学生可以根据科学史进行思维探究与分析，体验科学家探究的乐趣。

【例3】 怎样才能改变以往阅读教材实验材料，背诵实验结论或利用学案，结合教材中的填空等索然无味的课堂呢（以“生物膜流动镶嵌模型”为例）？教师应该利用教材中的生物科学史，并且在教材的基础上丰富生物膜流动镶嵌模型的探究过程（如增加电子显微镜的知识），提高学生探究乐趣的同时，达到培养学生探究能力的目的。

师：欧文顿用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行上万次的实验，发现细胞膜对不同物质的通透性不一样，凡是可以溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入细胞，展示图片（补充相关知识背景：相似相溶原理）。

学生观察探究并分析欧文顿的实验现象，依据实验现象，学生作出推理：细胞膜的组成成分中含有脂质。

教师介绍细胞膜能被蛋白酶分解。依据实验现象，学生作出推理：还有蛋白质。

结合两个实验，学生小组得出结论：生物膜主要由脂质和蛋白质组成。

在上万次的实验后才得出生物膜的组成成分中有脂质，学生领会到科学实验是非常严谨的，很多实验都需要反复操作才能得出结论。在学习过程中，学生分析现象，讨论推理，体验探究过程和体验科学研究的一般思路：由成分分析进入结构分析，起到过渡的作用。

教师指导学生阅读磷脂分子的资料，提出问题：① 如果将磷脂分子放入水槽中，磷脂分子在“空气一水”界面上有幾种可能的排布方式？试着画简图并解释？② 在什么情况下，把单层磷脂分子按入水中时，既不浮起也不沉底？试着画出磷脂分子的排布并解释？③ 生物膜中，磷脂分子最有可能的排布？原因是什么？是单层还是双层？（补充背景知识：红细胞膜中的脂质单分子层是红细胞表面积的两倍）依此得出相关结论。

教师展示罗伯特森的细胞膜电镜照片，补充电子显微镜的工作原理（电子显微镜通过入射电子与蛋白质和磷脂碰撞产生不同散射度，从而形成不同影像。蛋白质密度高，影像呈黑色，磷脂密度低，影像发亮）。教师提出问题：① 蛋白质分子与磷脂双分子层存在什么样的位置关系？② 推测罗伯特森的模型？

在此基础上，学生小组合作，分析资料，处理、整合实验数据，大胆推理和想象，探究蛋白质在磷脂双分子层中的排布情况，推理得到罗伯特森的生物膜模型：“蛋白质—脂质—蛋白质”三层结构。

学生分析实验过程和结果，进行演绎推理。虽然学生无法亲自实验，但是通过学习科学家探究细胞膜模型的历程，由资料进行模型构建，同样可以加深对细胞膜模型的理解。

师：罗伯特森把“蛋白质—脂质—蛋白质”模型描述为静态的统一结构，这能否与生物膜的生理功能相适应？（展示变形虫的变形运动，白细胞吞噬细菌过程等）。

学生根据科学资料，分析静态模型的缺陷，得出结论：静态模型无法解释细胞膜的某些功能，细胞膜应该是动态的结构而不是静止的。

教师介绍人—鼠细胞融合实验资料，提出问题：根据该资料你能进一步得出什么结论？

学生在资料中寻找实验证据，推理得出结论：细胞膜具有流动性。最后，水到渠成的明确流动镶嵌模型的基本内容。

在无法真实操作科学史的探究实验时，教师按照科学发现过程逐步展现实验。学生通过分析推理，循着科学家的探究思路，犹如抽丝剥茧般将知识呈现。这样学生不仅加深了对知识的理解，培养了实验分析能力，领会了科学探究的一般方法，还体会到科学探究的艰辛及科学探究的创新性，真正体验探究乐趣。