科学史在初中生物课堂教学中的应用与研究-初中-生物学-论文

科学史在初中生物课堂教学中的应用与研究翟慧敏西安铁一中滨河学校摘要：生物学科学史是初中生物中的一项重要组成，在初中开展生物科学史教学不仅仅是教育改革——新课标的重要方向，更符合当前社会对于人才的需求。生物科学史教学对于培养学生的自主探究意识起到了积极的推动作用，增强了生物的趣味性，调动与发展学生们的科学思维，有利于提升学科核心素养。关键词：初中生物生物科学史教学现状对策生物学属于一门对生物活动规律与生命现象进行研究的学科，其不仅涉及到了各个层次生物结构、行为与功能，还包含了生物与周围环境的关系。在中学生物的教学过程中，需要紧跟生物学的发展需求，将经典的生物学理论知识传递给学生，并引导学生进行研究与体验，体验科学家的思维与研究、推理的过程。进一步发现生物现象蕴藏的规律。生物科学史就是一代一代科学家研究的历史，每一个重大理论的突破，都有一定的现实意义。生物学的特点决定了生物科学史的教学，并为提升学生的探究能力提供良好的载体。一、初中生物科学史教学的现状1.1教学模式的长期延续在初中生物科学史的教学过程中，长期的模式化教学与应试教育理念，在一定程度上加重了学生的作业负担，也影响了师生教学方式与学习方式的选择。教师在实践的过程中，更加强调基本技能与基础知识，忽视了引导学生掌握科学化的方法，更加注重理论知识的教学与知识目标的达成，没有引导学生进行实践。教师对待生物教材的内容，一般都做不到认真的研究与打磨，对教材中科学史的安排与课堂内容不能进行有效的结合。科学史是教育工作者将科学知识的精华提炼出来，呈现给大多数学生的仅仅是经过加工后的逻辑条理，具有科学性、趣味性。如果教师仅仅是照本宣科，没有情感态度价值观的引导与渲染，导致学生仅仅能够接受到规范的生物科学知识，使得学生丧失了锻炼自身认知能力的机会。学生在单一枯燥的教学模式背景下，对生物科学史的兴趣不足，也无法达成预期的效果。1.2对科学史的定位不同大部分教师认为生物科学史教学有助于学生核心素养的培养、综合能力的发展。如科学史的趣味性可以创造良好的课堂范围以引起学生的注意，加强学生学习的主动性；科学家的探究过程可以很好的启迪学生进行科学探究，学生在生物科学史教学过程中提升自身科学探究能力、创新能力；生物科学史事件所呈现的艰苦奋斗的科学精神、严谨的科学态度有利于学生科学思维、社会责任的形成。但是也有个别教师认为生物教学要以学生的成绩为主，科学史对考试的意义不大，生物科学史教学作为教学策略在课堂中的实际应用性不强。1.3实施生物科学史教学的阻碍部分教师表明在实际课堂中涉及史例的教学内容一般都会提及这一科学历史，但并不会进行展开教学。主要原因是教学内容较多而教学时间有限，升学考试的题目难度逐渐加大，灵活性高，而科学史内容在试题中占比不高，加上升学率、分数论等原因，课堂时间多用于讲授已有知识点和巩固加强科学理论知识。年轻的教师和笔者谈到自己曾经在生物学课堂上运用科学史创设新的教学模式，但是由于该教学模式需要学生主动参与到教学活动中，自己班级管理能力不佳致使教学效果不好。1.4生物科学史与考题在出题时，教师们提到偶尔会出到生物科学史相关题目，但是在整体试卷中分数占比低于5%，主要是为了保证学生的成绩，以防大型考试会涉及该内容。大部分与科学史内容有关的题目都是选择题，给出研究结论或者是称号，让同学们选择对应的科学家，比如“下列哪个科学家证明了微生物的存在”、“下列哪个科学家被称为微生物学之父”。考察比较简单，同时更多涉及的是国外的科学家，所以在出题时更是少之又少。二、初中生物科学史教学的优化对策2.1创设生动的问题情境教师在初中生物科学史教学过程中，需要采用创设问题情境的方式，将生物科学史的内容系统化，激发学生的探究欲望，还能够使学生理解更多的科学知识。采用科学化的方式，建立自身的知识体系，创设良好的教学情景，在教师的引导背景下，将重心放在特定的情景中，引导学生发现问题，像科学家一样进行思考。在生物科学史教学过程中，为了吸引学生的注意，需要根据教学内容，创建不同的问题情境。例如，在上课之前，教师可以把“问题探究”教学方式应用其中，通过问题探究导入教学内容，这些内容可以为科研前沿专栏、日常生活现象等，并且这些材料具有一定的悬念性，教师可以根据教学内容引导学生探索背后的含义，充分利用多媒体技术进行展现，给学生营造一个充满生机的教学情境，调动学生参与积极性，发生思维和获得新知的碰撞。2.2重视生物科学史的重要价值在生物科学史中，包含了诸多科学理论知识，这些理论均是在诸多科学家的交流和争论下形成，并且这些争论不但具有火药味，其处理过程更为繁琐。这些历史在争议过程中可以情景再现，让学生体会科学家在探究过程中不懈努力、坚定的信念以及孜孜不倦的探究精神等等。既能够有效调动学生参与积极性，激发学生求知欲望，同时学习科学家的精神。例如，在学习《基因的显性和隐性》中，介绍孟德尔的研究过程以及材料的特点，播放孟德尔的生平经历以及做豌豆的实验过程，有助于理解孟德尔的对豌豆实验作出的解释，学生随着问题进行深入探究，获取效果必然强于教师枯燥的说教。2.3小组合作探究学习小组合作学习作为初中生物科学史背景下探究式教学中重要形式之一。在教学过程中，需要结合教学任务和要求进行小组教学，这就要求教师的指令要明确、问题要清晰易懂，并且在小组讨论时及时给予指导。在构建主义理论中，每个学生的经验和文化背景都有所不同，所以其组建的经验方式也就存在差异，理解结果也大不相同。在小组的团体中，学生可以分别发表自己的观点，互相分享中，对知识有新的认识。并且，学生在日常生活中形成的部分前科学概念会暴露出来，如果安排学生独立思考，这些概念将无法进行改变，不能在现有经验下同化和整合成新的知识。概念界定与理论基础生物科学史不仅见证了生物学的发生、发展历程，也承载着生物科学知识理论及知识体系的形成过程，反映了人类对生命现象和生命活动规律的认识，阐明了生物学科的发展演变规律。生物科学史所包含的内容不仅仅停留在知识的理论层面，科学家探究历程中的研究方法、科学思维、科学态度等也是生物学科学史所要传达的重要内容。本文中对生物学科学史的定义包括以下几个方面：第一，生物学理论知识、概念体系的形成过程；第二，生物学相关科学方法、能力的发展过程；第三，科学思维的演变过程；第四，探索过程中所表现出来的科学态度、责任意识的体感过程。四、生物学科学素养《义务教育生物学课程标准》对生物科学素养的界定是：“生物学课程要培养的核心素养，主要是指学生通过本课程学习而逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力，是生物学课程育人价值的集中体现。通过对课程标准中生物学科学素养定义的解读，可以从中提取到与初中生物科学素养相关的生物学知识、科学探究能力、科学问题思维、科学态度责任这四个关键词。在此基础上本研究将初中生的生物学科学素养的可操作性内涵定义为：学生在完成初中生物学课程之后，能发现并提出问题、作出科学假设、设计科学的实验方案，解决问题的科学思维以及对生活中相关的生物科学知识有基本的了解和掌握，并具备解释和验证自然现象的能力以及在一系列社会生活情境中的科学态度品格。五、生物科学史教学生物科学史教学是指在教学过程中，教师合理运用科学史内容作为教学手段进行教学的方式。这里的运用不包括在课堂中简单的介绍某位科学家的科研结论，而是具体的利用“科学家小故事”导入吸引学生学习兴趣或以科学家探索知识为主线穿插整个课堂等方式。生物科学史教学使学生通过梳理和掌握生物学发展历程，了解科学理论的形成和发展过程，掌握科学探索过程中的科学家运用的基本实验方法与原则，感受科学的严谨性、创新性、务实性。总之，有效的生物科学史教学可以提高学生的科学素养。六、基于生物学科学素养下实践科学史教学的设计6.1利用生物科学史进行生物科学知识的学习在初中生物课堂中融入生物科学史内容进行教学，其教学目标首先应定位于帮助学生理解或解释生物学相关事件和现象。科学史料内容较多，教师因此可以利用生物科学史教学围绕着初中生物学重要概念：“生物体的构造层次”“生物与环境”等进行教学设计，能有效地助推学生对于知识的深化理解和迁移应用。因此生物科学史教学可以让学生更准确地理解生物学概念，并伴随着科学家发现研究理论过程以大概念为框架建立生物学知识体系。6.2利用生物科学史发展学生的科学探究能力生物学是建立在实践探究的基础之上，科学探究活动离不开学生必备的良好科学探究能力，具体还要包括探究实验的方法、原则等[44]。在生命科学史教学中，教师可以从科学史中适当地选择并组织材料，在使学生能够体验和理解知识的演变过程中，从而让学生掌握生物学家在科研道路上解决问题时运用到的科学方法和原则，还能通过观摩科学史中的实验提高学生的动手实践能力。因此，在教授生命知识时，教师利用科学史教学还能挖掘学生潜力，从而实现加强学生科学探究能力的教学目标。6.3利用生物科学史培养学生的科学问题思维科学素养是科学的载体，科学处于不断探究过程中，而问题意识是科学探究的重要起点，即问题意识是“发现”生物学中生命现象、规律的重要途径。生物科学史中科研故事大多都从探讨生命现象开始，生物教师可以合理运用教科书作为素材，分析教学内容，让学生对科学知识演变过程充满兴趣进而潜移默化地培养学生对自然环境的观察力。因此生物科学史教学可以激发学生对生物学的求知欲，让学生在亲身体验科学家探索知识过程中培养问题意识并想要解答问题。6.4利用生物科学史树立学生的科学态度责任科学精神是实现素质教育的基础，巩筑科学精神需得基于事例的实施引领、理性的分析和英雄榜样的激励等，不能仅凭传统教条化的讲授教学。科学责任意识转换基于行为体会，在生物学教材中有大量的科学史教学案例与“科学探索故事”均是构建科学态度责任的良好素材。通过生物科学史教学中科学家探索科学的过程，让学生经历一个“变化”的历程，使学生感受到的是科学家实事求是、献身科学、尊重事实和证据等的人格品质，进而能从中领悟到科学的真谛。因此运用生物科学史教学能有效地促进学生“品德”和“情感”方面的发展，可以培养学生的科学社会责任意识和严谨的科学精神。6.5第二节初中生物教材中科学史内容分布为使生物科学史教学更具针对性和可操作性，根据相关文件，作者介绍了人教版初中四本教材中的科学史（以开展科学研究的过程为主线，具体描述一个或多个科学家探索某个生物科学问题的过程，描述现象、物质、规律等重大科学发现的过程）进行量化梳理，旨在了解教材中科学史资料编排特点方便应用于生物科学史教学。生物科学史内容在人教版初中生物教材中所属单元位置具体整理如下表（表4-1）。表4科学史内容分布1.1.3《生物圈是最大的生态系统》模拟生物圈基地——生物圈Ⅱ号2.1.3《动物细细胞》细胞学说2.1.4《细胞的生活》多莉羊的克隆2.2.1《细胞的分裂》癌细胞3.5.1《光合作用》光合作用探究历程4.1.2《人的生殖》“试管婴儿之父”体外受精技4.4.1《流动的组织——血液》干细胞和造血干细胞研究4.4.3《输送血液的泵——心脏》血液循环的发现4.4.4《输血与血型》红细胞凝集现象4.5《人体内废物的排出》血液透析与器官（肾）移植手术4.6.4《激素调节》胰岛素的发现4.6.4《激素调节》结晶牛胰岛素的合成5.2.2《先天性行为和学习行为》动物行为学家的新装备5.2.3《社会行为》研究黑猩猩的行为5.4.2《细菌》细菌的发现5.4.4《细菌和真菌的作用》以菌治虫5.4.5《人类对细菌和真菌的利用》“超级细菌”近在咫尺5.5《病毒》病毒的发现6.1.2《从种到界》林奈与双名法7.1.1《植物的生殖》植物组织培养7.2.2《基因在亲子代间的传递》减数分裂的发现7.2.3《基因的显性和隐性》中国21世纪“基因世纪”7.2.3《基因的显性和隐性》孟德尔豌豆杂交实验7.2.4《人的性别遗传》性染色体的发现7.2.5《生物的变异》袁隆平与杂交水稻7.3.1《地球上生命的起源》米勒模拟原始地球7.3.1《地球上生命的起源》探索地球以外的生命7.3.3《生物进化的原因》达尔文进化论8.1.1《传染病及其预防》人类与传染病的斗争8.2《用药与急救》李时珍与《本草纲目》初中阶段的生物学课程的第一、二、三、六和八单元主要介绍生物的特征与环境、生物细胞结构、绿色植物、生物分类和保护、健康生活，这些单元中的科学史内容主要是为提高学生的学习兴趣服务的。第四单元讲解了生物圈中的人，包括人体的九大系统，主要让学生了解人体结构和功能，其中涉及到的科学史内容用于帮助理解科学知识。第五单元的内容包括动物和微生物，主要是让学生了解不同的群体，设计都科学史应用于讨论科学探索过程中的科学态度和科学精神。第七单元主要学习生物圈中生命的延续，根据《课程标准》本单元还有培养学生生物多样性是生物进化结果的生命观念，学习遗传育种在生产践中的实际应用。该模块的内容涉及科学研究的诸多领域，因此科学史最多，这些科学史内容大多“生物技术与社会发展的关系”形式存在，以此为学生提供深入理解生物学在生活和社会发展中的应用。通过对科学史在教材中的梳理，了解到在初中生物学教科书中科学史编排的用途，科学史描述科学探究过程、讲述科学方法、渗透科学责任意识。科学史内容不仅有助于加强学生对科学理论的重视，还可以使学生更加系统深刻地记住科学研究过程从而学会科学探究方法，弘扬科学精神。从科学史内容所属单元位置和数量的分布来看，大致合理，可以合理运用生物科学史史料丰富教学内容，帮助学生培养生物学科学素养。七、生物科学史教学设计案例蔡旺庆等学者将自主探究教学模式的操作程序分为四个阶段：第一阶段：创设情境，明确目标。这一阶段主要是提高学生兴趣，激发问题意识。第二阶段：分析问题，自主探究。在这个阶段学生在教师的指导下分析问题，自主探究，初步建构概念。第三阶段：巩固深化，内化提高。这个阶段主要是教师对学生的新概念进行刺激反馈，达到学生对知识的内化。第四阶段：总结回顾，反思提升。在这个阶段学生总结所学的知识，并在教师的引导下思考在解决问题的过程所用的科学方法，从而促进科学素养的发展。笔者将生物科学史教学融入此自主探究教学模式，结合调查访谈过程中一线教师的教学经验教学设计案例如下：基因的显性与隐性教学设计（第一课时）课标要求：举例说出生物的性状是由基因控制的。即生物的一对相对性状是分别由一对基因控制的，显性基因控制显性性状，隐性基因控制隐性性状。本节课对于学生的认知较为抽象，因此需要借助已学习的知识进行新知识的建构。教材分析：第一章《生物的生殖和发育》是从宏观角度对生命个体的生殖和发育过程进行阐述，第二章内容《生物的遗传与变异》是从微观角度——基因水平对生物的遗传与变异现象进行探讨。因此本章内容较为抽象，教师上课时需要借助相关的实物或者模型化抽象为具体，理解生物遗传与变异的内在原因。本节内容是对前两节内容《基因控制生物的性状》与《基因在亲子代间的传递》的综合与深入，是本章内容的难点，因此需要教师充分利用前面学习过的知识，使学生明确体细胞中（染色体—DNA——基因）是成对存在的，父母通过卵细胞与精子仅将其中的一个基因传给受精卵，故而最后形成的受精卵具有双亲的遗传性状。本节课的知识也为学生学习第二课时《禁止近亲结婚》的原理与意义埋下铺垫，即第一课时是师生跟随孟德尔的科学史研究共同探索性状在遗传中存在的规律，第二课时是对其与我们生活密切相关方面的应用——禁止近亲结婚。这样学生对基因的显性与隐性会有更为深刻的理解。在课堂引入中通过对学生进行引导和设疑，调动学生求知的积极性。学情分析：学生通过对前两节内容的学习，已经知道基因与生物个体性状之间的关系，也明确了亲代如何将基因传递给子代的过程。那么学生现存的认知冲突就是亲代的基因（如A，a）传递给子代之后，基因（Aa）该如何控制生物个体的性状呢？课本的第三节《基因的显性与隐性》恰好帮助学生解决了这一疑惑，即学生的认知冲突与教材的内在逻辑存在一致性。因此在进行本节课教学时教师要将旧知与新知识之间联系起来，搭建桥梁。教学目标：知识目标：1、举例说出显性性状和隐性性状、显性基因和隐性基因。2、阐明近亲结婚的内涵。能力目标：1、通过模拟孟德尔豌豆杂交实验的过程，尝试对生物体的相对性状进行判断。2、通过模拟孟德尔解释豌豆实验的过程，描述控制相对性状的一对基因的传递特点。尝试运用科学的方法（遗传学中的定律）解释或者预测生活中的遗传现象（如禁止近亲结婚）。3、尝试运用基因的显性与隐性知识解释近亲结婚的危害。情感态度价值观：1、认同孟德尔实验取得成功的原因离不开材料——豌豆的选择、单一变量分析法、坚定的毅力以及对多次实验结果的处理和统计能力，增强实事求是的科学态度即学会用科学方法解释生命科学的问题认同近亲结婚会给家人或者社会带来极大的危害，认同优生优育。教学重点：1、尝试判断基因的隐性与显性，相对性状中的显性性状与隐性性状。2、举例说出基因的显性与隐性。教学难点：1、尝试判断基因的隐性与显性，相对性状中的显性性状与隐性性状。2、说明近亲结婚的危害；教学方法：小组合作探究法、讲授法、生物科学史法；学习方法：学生是课堂的主体，因此课堂的发生和发展由他们做主。这节课学生采取的学习方法主要是：（1）小组合作探究法；（2）生命科学史法，追寻科学家的踪迹探索基因的遗传规律；（3）归纳法和分析法（4）识图——推理法。教学安排：2个课时（仅展示一个课时）教学过程：本节课的整个授课过程是按照以下的教学思路进行教学设计：课堂导入设疑——师生共同探究解决方法——用科学、严谨的方法解决最初的问题——解释或预测其他的遗传现象（遗传规律的应用）。孟德尔对遗传规律的发现位于世界百大发现史之其科学态度与科学方法值得我们后辈进行学习和借鉴，因此本节课是师生共同沿着科学家的足迹进行遗传规律的发现与探索。最后用已经得到实验验证的遗传定律解决课堂中遇到的最初的问题，实现知识的迁移与应用。教学特点：运用生命科学史法，沿着科学家的足迹，对问题进行思考与探索，学生学习科学的探究方法和严谨的思维，进行情感态度价值观的熏陶。教学环节教学活动设计意图教师活动学生活动导入：问题情境的设置（2min）播放视频，生动的展现孟德尔的生平（3min）孟德尔成功的原因合作探究讨论（3min）合作探究讨论（5min）实验验证得出结论教师总结能卷舌（假设基因组成为AA）的父亲与（假设基因组成为aa）的母亲，他们的基因是如何传递给子代的呢？请在图中填出基因，并在右图的细胞中填出基因和相对应的名称。推测：子代能否卷舌？真正解决这个问题的学者是伟大的遗传学家孟德尔。孟德尔是如何解决这一遗传问题的呢？我们一起跟随科学家的脚步来探索基因的奥秘。——播放《孟德尔的生平》除了孟德尔之外，还有很多的科学家对遗传规律都进行了探究，为什么只有他取得了成功？请同学们阅读课本P33，了解孟德尔的豌豆杂交实验。教师总结：材料的巧妙选择——豌豆；特点：自花传粉、闭花受粉2、精心设计实验方法—单一变量分析法特点：相对性状易于区分3、精确的统计分析、坚持不懈的实践研究阅读课本P34孟德尔的豌豆杂交实验，写出孟德尔的实验过程。识图读取信息，完成《学习指导》的❶：孟德尔种豌豆发现了什么神奇的现象呢？同时介绍自交、杂交、纯合与杂合的概念。现在假设你是孟德尔，阅读P34-P35页孟德尔提出的相关解释（1~4），尝试对种豌豆中出现的实验现象进行解释。思考：1.纯种高茎豌豆和矮茎豌豆的基因组成是什么？子一代的基因组成和性状表现分别是什么？如何判别显性性状和隐性性状？2.高茎豌豆与矮茎豌豆杂交，子代表现出高茎性状，是否有可能是控制矮茎的基因没有传递给子代？教师对孟德尔的豌豆实验进行总结与归纳：这一观点是正确的吗？观点只有得到观察、实验的支持与论证，才会成为科学的理论。孟德尔选取杂种高茎豌豆、纯种矮茎豌豆进行杂交，按照他提出的观点，实验结果是什么？请用流程图表示出来。孟德尔将两种豌豆的种子种植下去，发现子一代与它预想的实验结果完全一致，验证了他的观点，并提出了基因分离定律。大量的科学实验证明孟德尔的解释是正确的。用孟德尔的学说解释问题：思考：能卷舌的父亲和能卷舌的母亲，其后代的基因组成可能有哪些情况？学生依据学习过的基因在亲代与子代之间的传递规律知识，尝试完成图片。学生推测：后代卷舌；不卷舌；部分卷舌或者部分不卷舌三种情况。对孟德尔的生平与研究充满好奇心。阅读课本，寻找孟德尔取得成功的奥秘。材料：八年时间、多种植物的杂交实验，热爱自然科学与数学。阅读课本P34，认真观察孟德尔的豌豆杂交实验过程，辨认两次杂交实验出现的不同结果。完成《学习指导》的❶（已另附页）推理实验过程，完成《学习指导》的❷（已另附页）学生回答：纯种高茎豌豆基因组成为D；纯种矮茎豌豆基因组成为dd。当Dd同时存在时表现出的是高茎性状。故而D为显性基因，d为隐性基因。其中子二代中的性状表现有矮茎也有高茎豌豆，表明矮茎中d并没有丢失，而是并传递了下来。相对性状的判断：具有相对性状的两个纯种个体杂交时，子一代表现出来的性状，叫做显性性状。学生：后代预测会出现高茎豌豆与矮茎豌豆，且比例为1:1。最初提出的问题：孩子表现的性状应该均为卷舌。后代会表现出两种性状：卷舌与不卷舌。本节课较为抽象，回顾旧知识有助于学生对新概念的建构。课堂设置悬疑，引人入胜学生认同问题的解决需要有严谨的科学态度与科学方法。体验孟德尔成功的原因。实验设计的严谨性对获得准确结果的重要性。以及豌豆在自然不受干扰的情况下是纯合的。识图，描述孟德尔的实验过程，提升从图中读取信息的能力。依据孟德尔的科学思维，对出现的自然现象进行解释。其实是模拟高中生物学习的假说——演绎法。在完成思考的过程中，对孟德尔的遗传规律进行理解与应用。大量的解释需要经过实验的验证才更具有说服力。孟德尔的四条解释是正确且可以应用于实际的。用所学知识对现实问题进行解决。对所学知识的一次再应用，易于将知识理解与吸收。第三节基因的显性和隐性——《第一课时学习指导》翟慧敏思考：能卷舌的人与不能卷舌的人结婚，后代表现出来的性状是卷舌还是不卷舌呢？问题的解决需要靠严谨的实验进行探究与验证。孟德尔的豌豆杂交实验解决了这个问题。孟德尔的豌豆杂交实验：实验材料：豌豆；观察的性状：高茎和矮茎.特征：自花传粉，自然状态下都是纯种。提示：X为交配的意思。子一代是指父方与母方交配产生的第一代；子二代指父方与母方交配产生的第二代。❶孟德尔的豌豆杂交实验过程：♀(母方)♂(父方)亲代：_______X_______