“科学史之魅”校本拓展课程的开发与实践

2022-02-16孔庆仪

教学月刊·中学版（教学参考） 2022年2期

孔庆仪

摘要：在科学学科中利用科学史进行教学，能帮助学生理解科学的批判性和统一性，理解科学的社会角色和人文意义。但基础课程中科学史的教与学存在一定的脱节，科学史的教学内容如同蜻蜓点水，这不利于学生可持续地习得知识，进而形成整体性的认知。因此，教师应在拓展课程中设计并拓展科学史教学，围绕立德树人这一育人目标，融入科学家的思维过程、实验方法等，为学生铺设支架，帮助其在归纳分析、对比求证中整合思维、完善结论、迁移应用，进而提升其科学素养。

关键词：科学史;校本拓展课程;基础课程;科学实验;光合作用

一、基础课程中科学史的教与学存在一定的脱节

（一）教材引发即止

浙教版义务教育教科书《科学》八年级下册第3章第6节《光合作用》，以光合作用的原理、光合作用的条件和产物、光合作用的原料、光合作用和呼吸作用的相互关系为主线，在“阅读”板块中提供科学史材料“亚里士多德的猜想”和“海尔蒙特柳树实验”，这有利于拓展教师与学生的知识面。但限于篇幅，教材中涉及的科学史材料是不连续的片段。在基础课程中，科学史的教学内容如同蜻蜓点水，因此在拓展课程中设计并拓展科学史教学，利于学生可持续地习得知识，进而形成整体性的认知。

（二）教师点到为止

笔者听了8节教研组内和校际间的《光合作用》课。大多数教师对“植物制造淀粉的实验”进行了深入的探究，得出了光合作用需要光照、产物中含有淀粉这个结论。但由于天气、场地、时间等原因，实验往往以视频的形式呈现，以致学生习得的知识基本上是灌输性的。此外，教师往往为了追求讲授知识的进度，省略了经典的发现史过程，如只对海尔蒙特实验作粗略的讲解等。实际上，教师应注重对科学史拓展课程的开发，挖掘出科学家在研究中运用思维解决问题的过程和方法。

（三）学生浅尝辄止

前期调查统计还表明，学生对科学史的关注度基本上以科学家的趣闻逸事为主。对植物光合作用实验为什么选择天竺葵和金鱼藻作为实验材料，学生没有作过多的思考，也没有从科学本质问题上进行分析。在应试教育大环境下，虽然有课标的要求和教材的呈现，但科学史学习还是只能成为一道看上去很美的摆设。

（四）应用戛然而止

学生在学习“光合作用”时，只是根据教材中所给定的天竺葵实验和金鱼藻光合作用实验，得出了光合作用的表达式。这种灌输式的教学方式，忽略了光合作用发现的整个历史演变过程。所以一旦碰到以科学史为情境且相对灵活的试题，学生往往就会束手无策。

例1 （2019年杭州中考题）在研究植物光合作用的实验中，某研究小组在密封的容器A中充入足量的含有同位素14C的14CO2。随着时间的推移，他们发现该植物的不同器官相继出现了同位素14C（图略），据此回答：一段时间后，研究小组在容器A外的空气中发现了14CO2，请运用所学的知识解释这一现象。

学生常见的答题错误有：分子不停地做无规则运动;含14C的CO2溶于水通过蒸腾作用从气孔出去;含14C的CO2通过光合作用进入植物体内，这些CO2运输到叶子，从气孔逸出。由此可见，学生对光合作用科学史演变过程的认知比较肤浅，很难用比较准确的、科学的语言回答这类问题。

二、“科学史之魅”校本拓展课程的设计与实施案例

吴国盛教授在其《科学的历程》一书中明确指出科学史的作用有以下三点：一是科学史有助于科学教学;二是科学史有助于理解科学的批判性和统一性;三是科学史有助于理解科学的社会角色和人文意义。但是，教材中并没有提及萨克斯做检验淀粉的实验经过，也没有提到英格豪斯实验的对照实验思想，更没有深入探究光合作用的材料、原料、条件及产物是如何得出的，这显然不利于培养学生的科学思维。

教师应重视对科学史的教学，要把科学家的思维过程、实验方法、实验设计及其改进等融入科学史拓展课教学之中，并围绕立德树人这一育人目标，着力优化现有的基础课程结构，在时间轴上横向延伸，在知识面上纵向拓展，加深学生的认知水平与整体观。如此，也有助于拓展学生的视野，提高学生的科学思维能力，培养学生的批判性思维，提升学生的科学素养[1]。以下笔者以“光合作用发现史”的教学为例，阐述“科学史之魅”校本课程的设计与实施。

环节一：铺设支架，整合思维

拓展课程的设计要充分利用学生的已有认知，不能一味地追求课程的深度与广度，而忽视了学生在基础课程中的知识目标。笔者出示相关史料，引导学生展开论辩，从直接经验到过滤干扰信息，从观察总结经验到定量实验得出结论。笔者还在学生的认知过程中铺设思维支架，引导学生从“光合作用发现史”中逐渐认清科学的本质。

史料1：2300多年前，亚里士多德猜想：植物是从土壤中吸收养料长大的，因为在肥沃的土壤中植物长得快些。

史料2：17世纪中期，海尔蒙特做了柳树实验，他把 2.3千克的柳枝栽培在装有 90.8千克土壤的木桶里，并只用雨水浇灌。5年后，他发现柳树增加了76.7千克，而泥土烘干后的质量为90.7千克，只减少了 0.1 千克。

笔者提问，引导学生思辨。

问题1：亚里士多德的猜想是基于肥沃与不肥沃的土壤上生长的植物的对比，你认为他的观点有什么可取之处？还有什么不足之处？

设计意图：在科学史的学习当中，亚里士多德已经成为错误的代名词，很多科学史料都以他作为反面的典型，但在2300多年前，他是古希腊的一个传奇人物，具有多方面的成就，且对当时和后世均有极大的影响。因此，我们需要教给学生继承与批判的思想。我们还要告知学生，古人往往是在长期观察并积累了很多经验之后，再归纳总结自然界的現象，这样的方式难免会有缺陷，但随着科学的进步，这种缺陷可以通过越来越先进的科学实验手段来进行弥补。

问题2：海尔蒙特实验收集这些数据证明了什么？这个实验有什么不足之处？

设计意图：海尔蒙特采用了定量实验方法，比定性观察实验更有说服力。同时，该实验可让学生懂得科学实验需要持之以恒的精神。该实验证明了水是光合作用的原料，所以植物的生长离不开水。但是土壤中减少的0.1千克物质，海尔蒙特没有进行深入的研究。

显然，在学生的前概念当中，植物的生长需要水、CO2和无机盐，这些原料都是必不可少的。但是就通过光合作用合成有机物这个关键点来说，无机盐的作用相对来说比较小。因此，笔者设计有层次性的问题，引导学生的思维渐进发展，让他们在问题的争辩中整合思维，去除干扰性较强的前概念负迁移。

环节二：归纳分析，对比求证

笔者先提供科学史上两个科学家先后做的五个经典实验史料，引导学生对比分析，从实验材料改进的优点、实验装置的共同点等方面加以归纳，培养学生的聚合思维与逆向思维，进而逐步揭示光合作用的隐性知识。

史料3：1773年，普利斯特利做了三个经典的光照实验。

①他把一支点燃的蜡烛和一只小白鼠分别放到密闭的玻璃罩里，蜡烛不久熄灭，小白鼠很快也死了。

②他把一盆植物和一支点燃的蜡烛一起放到一个密闭的相同玻璃罩内，发现植物能较长时间存活，蜡烛也没有很快熄灭。

③他又把一盆植物和一只小白鼠一同放到相同玻璃罩里，发现植物和小白鼠都能够正常地较长时间活着。

得出结论：植物能够更新由于蜡烛燃烧或动物呼吸而变得污浊了的空气。

史料4：1779年夏天，英国科学家英格豪斯做了两组经典实验。

①在光照下，用漏斗把新鲜水草扣在装满水的大烧杯里，再用装满水的试管收集产生的气体。然后与没有光照进行对比试验，结果相同装置中很长时间没有看到小气泡产生。英格豪斯还验证了收集的气体为氧气。

②他又用了近3个月的时间，选择不同的植物反复进行了总计500多次实验，终于找到了好空气与坏空气互变的关键原因是“光”。

得出结论：在光照下，植物会把坏空气变成好空气，没有光的时候则相反。

然后，笔者引导学生从实验现象、实验结论、实验优缺点进行对比分析。

设计意图：普利斯特利实验缺少空白对照，实验结果说服力不强，应将点燃的蜡烛和小鼠分别单独置于玻璃罩内，作为空白对照;也没有明确植物更新的气体的成分。英格豪斯实验则明确了气体的成分，而且通过大量的实验事实，归纳得出了实验的结论，更具科学性，也体现了科学家一丝不苟的科学精神。从实验材料的选取来看，英格豪斯选用水藻作为实验材料，使得实验现象更加明显。

教师应根据拓展课程立德树人的育人目标，挖掘科学史中隐含的道理，让学生懂得：许多科学结论，是科学家经过长期观察、实验，再进行归纳与分析后得出的。此外，设置对照实验可使实验结论更有说服力。学生在对比的过程中分析比较各实验的优缺点，能更好地理解光合作用发现过程中所经历的比较复杂的实验设计。

环节三：巧妙转换，完善结论

随着科学技术的进步与认知结构的完善，许多科学结论被修正与完善，科学知识体系日渐趋近事物的真相[2]。从19世纪到20世纪，人们对光合作用产生的部位在叶片的什么地方、产物淀粉的检验是怎样通过碘液加以转换的、光合作用产生的氧气到底是从哪一种物质转化而来的等问题进行了不懈的探究。科学家通过巧妙的实验设计，使实验结论日趋完善。

史料5：1864年，德国科学家萨克斯做了如下实验。

把绿植放在暗处数小时进行饥饿处理，然后把叶片的一部分暴露在光下，另一部分遮光。经过一段时间后，用碘液处理叶片，结果遮光的部分无变化，而光照的部分呈蓝色。

实验证明：绿色植物在光照下能够合成淀粉等物质。

史料6：1880年，德国科学家恩吉尔曼利用水绵进行了光合作用的实验。

①把载有水绵和好氧细菌的临时装片放在没有空气的黑暗环境中，然后用极细的光束照射水绵。通过显微镜观察，发现好氧细菌只集中在叶绿体被光照到的部位附近。

②如果上述临时装片完全暴露在阳光下，好氧细菌则集中在叶绿体所有受光部位的周围。

实验证明：植物光合作用的场所是叶绿体，条件是光。

史料7：1939年，美国科学家鲁宾和卡门利用氧的同位素18O分别标记H2O和CO2，使它们分别成为H218O和C18O2。第一组向植物提供H2O和C18O2，第二组向同种植物提供H218O和CO2。在其他条件都相同的情况下，他们分析了两组实验释放的氧气。结果表明，第一组释放的氧气全部是O2，第二组释放的氧气全部是18O2。

实验证明：光合作用释放的氧气来自于水。

设计意图：转换法是将不容易测量的量通过一定的转化方法来进行定量测量。如氧气的多少，可以用好氧细菌集中的密度测量[3]。若在萨克斯实验的基础上进行设计与改进，还能设计光合作用需要水的实验。这些实验史料可以让学生深切认识到：在科学的道路上，追求科学本质需要一个渐进的发现过程。

然后，笔者引导学生将“光合作用发现史”的时间节点和经典实验进行整合，从光合作用的原料、条件、产物和相互转化的关系等方面进行归类总结，将单一知识点串联成一条知识主线，最终形成光合作用的知识体系，并以思维导图的形式呈现（如图1），完善学生的脑图。

环节四：迁移应用，提升素养

基于科学史的科学拓展课程的开发，最终要回归基础课程，也就是回归到真实情境下的试题研究中来。随着以考试为主的评价体系发生变革，近几年以科学史为背景的试题，都要求让学生用逻辑、推理以及基于证据的思维方式来理解科学本质。

例2 （2020年金华中考题）到19世纪末，经几代科学家对光合作用的不断探索，得到结论：光合作用反应物是H2O和CO2，产物是O2和有机物。为了探究产物O2中的O元素来源，科学兴趣小组从元素守恒的角度进行了猜想。猜想一：O2全部來源于CO2;猜想二：O2全部来自于H2O;猜想三：O2同时来源于两者。为了求证，他们查阅资料如下。

资料1 19世纪末，科学家普遍认为气体之间更容易转化，认为CO2在光的作用下被分解成CO和O2，所以O2来自于同为气体的CO2。

资料2 1937年，英国化学家希尔通过实验发现：离体叶绿体在光照条件下使水分解，释放出O2，并還原电子受体。

资料3 1939年，已经发现了氧的同位素。美国科学家鲁宾、卡门利用18O标记的H218O和C18O2分别培养小球藻，光照相同时间后，检测甲、乙两试管中产生的氧气是否含18O，如图（略）所示。

根据所学知识，结合资料回答下列问题：

（1）资料2的实验结论（填“支持”或“不支持”）资料1的观点;

（2）根据资料3的实验结果，分析可得猜想成立。

为了让学生在拓展课程中增加对科学史情境的真实感、亲近感，在教学中，教师可有机串联以科学史为命题情境的中考试题，既注重知识逻辑性，又重视学生的个人经验和心理特点，把学生对生活中科学现象的认识与掌握科学知识结合起来，从而提升学生的科学素养。

三、“科学史之魅”校本拓展课的评价

在校本课程实施中，我们对基于科学史的校本拓展课程侧重进行量化评分：整体从科学探究与交流、科学态度与责任、科学观念与应用、科学思维与创新四个维度进行量化，满分10分。实际评价中，以教师评价为主，以学生自评为辅，重视学生的个性表现（如表1）。

综上，基于科学史的校本拓展课程设计，注重学生的生活经验，兼具趣味性、启发性和生活性，可以使学生在学习的过程中体验科学史的魅力，习得科学探究的能力。教师再辅以恰当的评价机制，激励学生大胆探究，成为真正的学习主体，就能真正促进科学核心素养的落地。

参考文献：

[1]王耀村.初中科学教学关键问题指导[M].北京：高等教育出版社，2016：33.