基于虚拟实验的生物科学史教育

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课标”）强调，教师引导学生学习生物科学史，能使其沿着科学家的探索道路，理解科学本质和科学研究的思路与方法，领悟科学家精神。然而，受实验材料的特殊性、操作的复杂度以及安全风险等因素影响，一些经典实验难以在课堂教学中重现，限制了科学史教育的深入发展。如何突破？教师可以利用信息技术重现科学家的探究实验，让学生亲历探究过程，深化对科学原理与方法的理解。以“植物生长素的发现过程”为例，笔者整合多位科学家的经典实验，构建任务链群，应用虚拟实验等技术，设计沉浸式教学方案，优化生物科学史教育并创新实施路径，以有效提升学生的科学思维与探究能力。一、虚拟实验助力科学史教育的意义开展生物科学史教育对于理解科学的本质和科研的思路方法，弘扬科学家精神，是很有意义的。生物科学史是提高学生生物学核心素养的良好载体：不仅展现了科学家探索生命现象及规律的接续奋斗，为学生学习探究方法提供了典范，而且蕴含了科学研究与发展的科学本质知识[1]。然而，一些经典科学实验由于存在实验材料特殊、技术要求过高、操作难度过大、实验周期过长、损耗成本过高以及安全风险等问题而难以在中学重现，这无疑限制了生物科学史教育价值的充分发挥。教师借助虚拟实验开展生物科学史教育，能够很好地解决以上问题。师生开展虚拟实验，往往不需要普通意义上的实验仪器和材料，而是利用虚拟的仿真平台及其相关技术和信息化环境，更注重实验操作的交互性和实验结果的仿真性。教师借助虚拟实验开展科学史教育，既能避免某些实验因环境和技术因素受限，模仿呈现真实的实验操作过程和实验现象[2]，又省却了繁多的实验准备及操作工作。不像传统实验对时空条件有要求，虚拟实验可腾出空间让学生感悟科学原理和方法，剖析科学史中蕴含的科学内涵和人文价值。笔者以“植物生长素的发现过程”为例，探索运用NOBOOK虚拟实验（以下简称“NB实验”）、希沃白板开展科学史教育的基本策略与实施路径。二、虚拟实验辅助科学史教育的思路（一）教学目标的确立教师运用虚拟实验开展科学史教育，不但要着眼于科学结论的得出和对科学原理的理解，还要利用虚拟实验的优势充分挖掘科学史背后蕴含的科学本质和科学方法，以真实丰富的实验情境和全面充足的时空条件赋能学生核心素养发展。植物生长素是较早被人类发现的激素。人类发现生长素经历了半个多世纪的历程，得益于几代科学家的研究和努力。本课例，笔者从中选择了多个经典实验，经过删减与整合，既能呈现科学家发现问题、解决问题的清晰思路，又能完整地体现科学研究的一般过程与方法特点，有助于课堂教学中虚拟实验的深入开展。由此确定本课教学目标：①借助NB实验跟随科学家逐步发现植物生长素的研究脚步，发展“提出问题、重视实证、合理想象”的科学思维，领悟科研与发展的科学本质观念；②利用希沃白板、课堂助手的克隆和传屏等功能，设计实验探究“单侧光引发植物生长素不均匀分布的内在机制”，发展“设计实验方案、预期实验结果、基于证据符合逻辑地得出结论”的探究能力和思维水平，初步了解光照与植物生长素在植物生命活动调节中的作用，建立生命信息观念。（二）教学思路教师开展科学史教育要以科学原理的发现历程为主线，挖掘和梳理不同研究实验的内在关联，构建循序渐进、环环相扣的任务链群，借助虚拟实验呈现逼真的场景，引领学生追随科学家的脚步，体验经典实验的精巧设计与科学探究的过程方法，培育逻辑严密、证据支持的科学思维和追求真理的科学精神，揭示科学研究的本质特征。笔者根据学生实际情况设计单元目标，确定“任务驱动，技术支持”的教学策略（如图1）。①任务驱动：遵循“提出问题—追寻历史—解释现象—探索未知”的认知规律设计教学环节，确定“植物为什么会弯曲向光源生长—植物胚芽鞘的感光部位在哪里—尖端产生的‘影响’如何传递—‘影响’在尖端下段如何发挥作用—这种‘影响’是什么—植物生长素的化学本质是什么—植物向光性的内在机制是什么”的任务链群，有序组织课堂教学活动，铺设学生追随达尔文和温特等科学家研究脚步的思维路径，引导他们探寻植物生长素的发现过程、化学本质等，最终揭示植物向光性的原因。②技术支持：利用NB实验资源模拟多位科学家的研究实验，让学生沉浸体验实验过程、直观观察实验现象、分析实验结果；应用希沃白板和课堂助手，创设探究单侧光影响植物生长素分布的实验场景，使得教学过程聚焦在严密设计实验和寻找证据支持等能力的培育上。三、运用虚拟实验实施科学史教育（一）创设生活情境，引入学习主题人类社会对科学概念的深入了解，始于科学家对日常生活现象的接续研究，植物生长素的发现亦然。笔者播放在不同方向单侧光照射下菜豆幼苗生长方向改变的视频，借助延时拍摄、加速播放的视频效果，直观集中地展现了植物向光生长的现象，以此联结学生生活经验引出本节的学习内容。这样具有更好的表现力和冲击性，有利于激发学生的求知欲和对日常现象的思考。科学发现往往是从对日常现象的追问和求索而开启的。笔者依次设问“这是什么现象，能列举出生活中其他的类似现象吗？植物为何朝向光源生长，了解其内在机制吗？”引入本节教学主题。（二）任务引领教学，追随科学脚步【任务一】探究植物胚芽鞘的感光部位。人们很早就对植物向光性开展了研究，其中起到奠基作用的是达尔文开展的胚芽鞘感光实验。笔者根据NB实验中达尔文实验的操作提醒“用刀片纵切胚芽鞘”，展示胚芽鞘的纵切结构示意图，让学生观察并简要说明对胚芽鞘的认识。笔者作补充说明后开展感光实验：在NB实验界面，引导学生对四组胚芽鞘分别拖动不透明小帽罩上尖端、拖动透明小帽罩上尖端、拖动不透明薄膜罩住尖端下部以及拖动刀片切除尖端，还有一组胚芽鞘不做处理，再拖动“太阳”图块调整单侧光位置。学生观察各组胚芽鞘的处理方法及生长情况，并观摩教师的操作演示，为后续自主操作奠定基础。笔者连续设问，引导学生分析该实验的科学方法及结论：①用不透光的锡箔纸遮盖胚芽鞘尖端或其下段的目的是什么？②观察和比较实验结果，胚芽鞘感受单侧光刺激的是哪部分？弯曲生长的又是哪部分？③为什么胚芽鞘感光部位在尖端、弯曲生长在下段？达尔文是如何解释这一现象的？如此，笔者连续进行支架式设问，引导学生在NB实验逼真操作体验的基础上进行不同组别实验结果的直观比较，让学生在掌握实验结论的同时体会对照实验、科学实证的思维方法。【任务二】思考尖端产生的“影响”是如何传递的。达尔文推断的这种“影响”是否存在？如存在，它是如何由尖端向下传递的呢？鲍森·詹森的实验证实这种影响存在。在阅读教材、了解鲍森·詹森实验的基础上，学生在NB实验界面上进行对鲍森·詹森实验的改进操作。与鲍森·詹森实验相比，该NB实验增加了放置云母片的实验组，这有利于与琼脂片组形成对照。这种显化对照实验的操作设计，更有利于学生培养实验设计思维和实验探究能力。基于此，笔者设问“该实验告诉我们‘影响’的传递有什么特点，又是如何证实‘影响’的存在的”引导学生对该实验进行剖析，以进一步显化实验中蕴含的对照方法。【任务三】探究“影响”在尖端下段如何发挥作用。胚芽鞘尖端产生的“影响”如何使伸长区两侧不均匀生长呢？学生在NB实验界面上重复拜尔的实验操作。学生基于实验操作和直观的实验结果，简要分析后得出结论，即“影响”分布不均匀导致胚芽鞘生长不均匀。笔者追问“拜尔实验在怎样的环境中进行？为什么？”提醒学生联系达尔文感光实验进行比较分析。相较于教材中示意图，NB界面能让学生直观地感知拜尔实验条件的变化，更有利于引导学生剖析拜尔对实验变量的控制，以保障实验设计的科学性。【任务四】探究“影响”的实质。1926年，荷兰科学家温特设计并进行的实验揭示了真相。学生在NB实验平台上重温温特的实验操作。相较于教材上生硬的文字描述和单一的图片，该NB实验直观动态演示了实验操作的流程，并呈现了琼脂块在不同位置的多组对照，可以让学生充分深入地感受温特实验的精妙之处。在此基础上，笔者适当拓展，引导学生进一步分析“温特提取到具体的化学物质了吗？那他是怎样做出推断的？”学生在问题驱动下认真分析操作过程及结果，梳理温特实验的思路，为实验结论的得出寻找证据。笔者进行归纳和思维点拨，表明这一结论的得出，既需要以事实为依据进行严密的逻辑推理，又需要一定的想象力。教师开展虚拟实验创设逼真场景能激发学生像科学家一样思考问题，而恰当引导则能促发学生遵循实验思路深入剖析实验设计，有利于培养学生逻辑严密和证据支持的科学思维核心素养。【任务五】揭示植物生长素的化学本质。温特不但证实了“影响”确是一种化学物质，而且根据它与动物激素的类似之处将其命名为植物生长素。但他并不知道它为何物。在学生阅读教材相关内容的基础上，笔者在希沃白板上展示吲哚乙酸、胰岛素和甲状腺激素等动物激素的化学结构图片，提问“植物生长素与动物激素的化学本质相同吗”让学生比较植物生长素和动物激素的本质区别，进一步了解动植物激素的差异。（三）解释生活现象，归纳科学概念笔者让学生综合以上研究成果，对胚芽鞘的向光性进行解释，然后利用希沃白板的动画功能直观、动态地为学生演示胚芽鞘尖端受单侧光照射后植物生长素的运输过程和分布特点，以及下段伸长区背光侧和向光侧的生长区别，完整全面呈现胚芽鞘向光弯曲生长的微观机理与宏观结果。基于动画演示，笔者适时归纳植物生长素在调节植物生长中的特点，适当补充其他植物激素，引导学生归纳出植物激素的概念。植物生长素作用过程的动画演示为其特点的归纳提供了具象支持，也为植物激素概念的归纳提供了实例支架。（四）设计探究实验，感知科学本质虚拟实验、媒体演示等为课堂教学腾出了充裕时间，为教师拓展深化教学内容提供了更大便利。对于植物向光性的内在机理，教师可在询问学生疑惑之处的基础上，甄别、选择其中有一定探究价值且便于实验验证的问题，要求学生参与实验设计，以检测并进一步应用在经典科学实验中习得的实验设计方法。例如，某学生提问：“单侧光照射如何导致植物生长素不均匀分布呢？”笔者要求学生分析原因：可能是单侧光导致向光侧的植物生长素分解；也可能是单侧光导致植物生长素向背光侧运输……基于以上假说，学生设计实验加以验证。以往教师常让学生以文字表述实验设计思路，而文字描述更多呈现的是终结性的结果，虽有利于检测学生实验设计能力，但不利于培育实验设计能力。为了突显实验设计的问题实质和对照方法，笔者利用希沃白板的克隆、拖动等功能，提供代表不同材料、条件及结果的图块，要求学生拖动这些图块组合实验装置（如图2）、呈现设计思路并展示预期结果。在此基础上，再要求学生完整清晰地叙述实验设计思路，并说出可能的结果及对应的结论。这种利用图块组装实验装置、呈现实验思路的方法，为抽象的实验设计提供了具象的参照，有利于引导学生在实验设计之初把握设计思路的关键要点和对照方法。同时，交互式电子白板上图块的拖动组合比纸笔绘图和纸片拼凑更加便捷，有利于课堂时间更聚焦在有教育价值的教学活动的组织与实施上。四、虚拟实验教学成效与反思教师应用虚拟实验开展科学史教育成效显著：一方面为学生创设了生动逼真的实验场景，有利于学生亲历科学家实验过程；另一方面，改变了单一的讲授和演示教学模式，通过转变师生行为重