例談基于生物科學史與模型 建構培養學生科學探究素養

李菊芳 朱俊

摘要 通過具體的案例，分析探討了如何通過基于生物科學史和借助模型與建模來培養學生的科學探究素養，并且小結了運用科學史和建模進行探究式教學的大致流程，以期待將科學探究素養的培育落實到實處。

關鍵詞 生物科學史 模型建構 科學探究素養

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

縱觀近年來課改，發展學生核心素養成為目前高中階段課程改革的重要目標。生物學學科核心素養是中國學生核心素養的重要組成部分，是指學生在接受生物學教育過程中逐步形成的適應個人終生發展和社會發展所需的必備品格和關鍵能力，包括生命觀念、科學思維、社會責任和科學探究。其中科學探究是指能夠發現現實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及結果的交流與討論的能力?？茖W探究是研究生命科學的最基本方法，也是未來公民在創新型社會中從事生產和生活應具備的能力。生物學教師如何在教學中開展科學探究活動，發展學生科學探究素養？這是新形勢下面臨的重要挑戰。筆者結合自己教學實踐，談一談如何在教學過程中基于生物科學史與模型建構培養學生科學探究素養。

1 基于科學史，體驗科學探究歷程

科學是一個發展的過程，生物學課程包含豐富的科學史材料，這是組織探究式教學的優質資源，對于學生掌握探究方法、提高探究技能具有重要價值。為了讓學生通過體驗知識的發生和發展過程，更好理解科學探究的本質，教師可對科學史資料進行了適當的重組和加工，為學生創設一個“知識再發生”的探究情境。例如，在必修1“細胞核——系統的控制中心”一節，人教版教材中有多則科學家探究細胞核功能的科學史料。為了還原科學發生的本真，讓學生親歷科學探究歷程，筆者以教材中的科學史料4為例，先介紹傘藻的結構，再根據史料改編成科學探究實驗。

1.1 創設情境，提出問題

提出問題是科學探究的起點，教師應營造和諧活潑的課堂氛圍，創設有利于生成問題的真實情境。教師展示菊花形帽和傘形帽的2種傘藻圖片，提出問題：萬事皆有因，萬般皆有果，對于傘藻細胞而言，“帽”的形狀是由柄，還是由假根決定？從而誘發學生敢于、樂于、善于提出有價值的問題。

1.2 討論可能，作出假設

教師要求學生分組討論有哪些可能的假設。學生通過討論大概提出如下幾種可能性。假設1：由柄決定;假設2：由假根決定;假設3：由柄和假根共同決定;假設4：由傘藻生存的環境決定……

作出假設是科學探究的技能之一，涉及嚴謹的推理和大膽的想象等思維方式。教師要善于鼓勵學生大膽想象和推理，培養學生思維的靈活性和開放性，并要求以嚴謹的推理演繹提高假設的科學性和驗證的可行性，通過系統的訓練對學生作出假設的技能加以鞏固。

1.3 規劃實驗，設計方案

先由學生小組討論實驗設計方案（傘藻的嫁接實驗），再由學生代表闡述設計思路，小組之間互評，教師給予引導，各組學生再完善設計方案。

設計實驗方案是科學探究的主要環節，經典實驗中蘊藏著豐富的科學思想和巧妙方法，教師要善于引導、培養學生實驗設計的能力。

1.4 分析實驗，預測結果

小組討論，根據自己提出的假設提出合理的結果預測并且學會用如果……則……的句式描述：

如果A且B，則帽形由柄決定;

如果A且B，則帽形由假根決定;

如果A且B，則帽形由柄和假根共同決定。

1.5 回歸史實，重現結果

學生自主完成實驗方案并作出結果預測后，教師再呈現科學家做的經典實驗，展示實驗的真實結果，帶領學生分析經典實驗的思路、原理和步驟，使學生領悟其中蘊含的科學精神和研究方法，通過對比反思自己的實驗方案。在此過程中，學生既總結自己設計的嚴謹巧妙之處，獲得科學探究的成就感，也發現自身的不足加以改進。

1.6 深入探究，深化實驗

教師繼續通過設問引發學生思考：假根決定“帽”的形狀，是細胞核還是細胞質起主要作用，如何證明？通過繼續探究培養學生嚴謹的思維和科學探究技能。最后，學生通過實驗探究得出了細胞核控制性狀的遺傳的結論。

筆者總結了利用科學史進行探究式教學的大致流程，如圖1所示。

2 借助模型與建模，感悟科學探究思維

《普通高中生物學課程標準（2017版）》（以下簡稱課標）提出要讓學生能夠運用模型與建模方法探討生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題。模型建構法通常是運用身邊材料工具等構建、推演或運用數學方法和文字圖像等加以描述、概括的一種活動。高中的生物學模型可以分為物理模型、數學模型和概念模型3類，其中物理模型是指以實物或圖畫的形式直觀地表達實際對象的形態結構或三維結構或發生過程。運用模型建構可以讓抽象的知識變得更加具體形象，是學生理解和掌握生物學核心概念的重要方法。因此，充分挖掘模型建構探究活動是培育學生科學探究素養的良好途徑。

下面借助物理模型建模，展示科學探究思維培育過程（以人教版必修2減數分裂中染色體的行為變化模型建構部分內容為例）。

2.1 創設相關情境，鋪墊探究問題

教師呈現科學史：1883年，比利時細胞學家比奈登觀察到，馬蛔蟲的受精卵中有兩對染色體，精子和卵細胞中的染色體只有兩條。教師要求學生思考馬蛔蟲的受精卵和精子、卵細胞中染色體數目和形態特點的區別。

2.2 教師發揮主導，提出探究問題

教師提出問題：減數分裂怎樣進行，才能使原始生殖細胞中兩兩相同的染色體分離，而且染色體數目減半？

2.3 借助模型材料，提出模型假設

學生利用教師提供的模型建構材料，即兩種不同顏色的扭扭棒若干（兩種顏色一種代表來自父方的染色體，一種代表來自母方的染色體）。學生每四人為一小組合作探究。學生先互相討論，再利用提供的材料動手構建可能的減數分裂過程模型，小組代表再上臺展講每組的模型假設。學生的假設主要有兩種：

①染色體不復制，細胞分裂1次;

②染色體復制1次，細胞分裂2次。

其中第二種假設占主要?；谟薪z分裂前概念的學習，多數學生認為減數分裂間期也要經歷有絲分裂間期類似的染色體復制過程。在教師的提示下，學生結合科學史材料分析：1890年奧斯卡·赫特維奇經過實驗觀察證實了染色體只有經過復制才能啟動分裂，并且減數分裂過程包含兩次連續的分裂。學生從而得到更多的證據支撐，并主要根據第二種假設構建模型進行合作探究活動。

從第二種假設模型建構中，又從學生展示的模型中選取最多的兩種結果交流展示，如圖2、圖3所示。

2.4 尋找真實證據，驗證假設真偽

教師提問：究竟哪種模型假設是正確的呢，如何來驗證假說？學生首先想到的是通過實驗觀察驗證。教師肯定學生的實證思維，然后通過展示蝗蟲精母細胞減數分裂固定裝片的照片和百合花藥減數分裂過程圖的照片，鼓勵學生深入發掘證據。學生找到了減數第二次分裂前期染色體的形態圖，發現著絲點并沒有分裂，細胞內不含同源染色體，由此推測模型假設2更具有說服力。

該過程同時對于沒有開展真實實驗的學生也是非常有意義的。教師引導學生通過各種方式去尋找證據，通過質疑、辯駁，促使學生產生思維的碰撞，或者推翻不合理假設，或者完善認可合理的假設，這一過程可以提升學生獲取信息和對信息進行處理的能力，能促進學生理解科學概念、科學本質及提高自身的科學思維和合作探究能力。

2.5 突破主觀概念，修正完善模型

學生基于模型假設2對模型進行修正。有不少學生囿于有絲分裂前概念，在構建減數第一次分裂的前期和中期模型時，染色體的行為類似于有絲分裂前期和中期。這時，教師不要急于對學生的模型進行評論，而是及時展示史料：1903年，美國遺傳學家薩頓通過對蝗蟲精子形成過程中染色體變化研究，深刻地闡述了“遺傳的染色體理論”。他得出了“同源染色體在減數分裂時，以配對的形式聯合，再彼此分離”的結論。然后，再提出問題：如何完善減數分裂過程中染色體模型？

教師引導學生沿著知識發現的過程繼續思考，運用已有知識自我構建新知識，幫助學生在不斷的思維沖突中逐漸修正完善模型，最后再構建出減數分裂這個核心概念。

通過以上案例分析，筆者小結了利用物理模型進行探究式教學的一般流程：

創設探究的問題情境→提出探究問題→借助建模，提出模型假設→尋找證據，驗證假設→修正、完善模型→構建核心概念。

3 反思與討論

課標指出，生物學課程期待學生主動參與學習過程，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據、檢驗假設和發現規律等過程中習得生物學知識，養成科學思維的習慣，形成積極的科學態度。高中階段生物學課程是科學領域的重要學科課程之一，既要求學生獲得基礎的生物學知識，又要讓學生領悟生物學家在研究過程中解決問題的思路和方法。

3.1 借助模型與建模，感悟科學探究思維的反思

在模型制作活動中，學生需要運用已有知識進行假設、模擬、實驗、觀察、對比及歸納、演繹，將復雜事物進行簡化，將抽象概念形象化、具體化。通過合作探究，不同學生對于相同事物所構建的模型可能不同。在思維碰撞下，學生的科學思維、創新精神和探究能力均得到提高。

3.2 基于科學史，體驗科學探究歷程的反思

利用生物科學史開展教學時，教師可以借助有趣的史實還原科學發現的本真過程，讓學生體驗知識的發生、發展過程，體會科學家解決問題的過程和研究思路，感悟科學精神和科學態度，從而更好地理解科學探究的本質，提升自身生物學核心素養。教師平時應多閱讀科學史相關資料，準確把握科學史發展的脈絡，深入領略科學史中蘊含的人文精神和科學方法，以便自如地對教材涉及的科學史內容加以運用、拓展或適當加工重組，以此能更好地發揮科學史的教育價值。

參考文獻：

[1]王永勝等.生物學核心概念的發展——高中生物新課程的科學史[M].北京：人民教育出版社，2007：43-44.

[2]朱止威，趙占良.普通高中課程標準實驗教科書·生物·必修2.遺傳與進化教師教學用書[M].北京：人民教育出版社，2007：46-56.

[3]殷海洋.生物模型構建課例分析：以“生物學科模型的建構專題”教學為例[J].中學生物教學，2018（ 1-2）：143-144.

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