基于虛擬實驗的生物科學史教育

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）強調(diào)，教師引導學生學習生物科學史，能使其沿著科學家的探索道路，理解科學本質(zhì)和科學研究的思路與方法，領悟科學家精神。然而，受實驗材料的特殊性、操作的復雜度以及安全風險等因素影響，一些經(jīng)典實驗難以在課堂教學中重現(xiàn)，限制了科學史教育的深入發(fā)展。如何突破？教師可以利用信息技術重現(xiàn)科學家的探究實驗，讓學生親歷探究過程，深化對科學原理與方法的理解。以“植物生長素的發(fā)現(xiàn)過程”為例，筆者整合多位科學家的經(jīng)典實驗，構建任務鏈群，應用虛擬實驗等技術，設計沉浸式教學方案，優(yōu)化生物科學史教育并創(chuàng)新實施路徑，以有效提升學生的科學思維與探究能力。一、虛擬實驗助力科學史教育的意義開展生物科學史教育對于理解科學的本質(zhì)和科研的思路方法，弘揚科學家精神，是很有意義的。生物科學史是提高學生生物學核心素養(yǎng)的良好載體：不僅展現(xiàn)了科學家探索生命現(xiàn)象及規(guī)律的接續(xù)奮斗，為學生學習探究方法提供了典范，而且蘊含了科學研究與發(fā)展的科學本質(zhì)知識[1]。然而，一些經(jīng)典科學實驗由于存在實驗材料特殊、技術要求過高、操作難度過大、實驗周期過長、損耗成本過高以及安全風險等問題而難以在中學重現(xiàn)，這無疑限制了生物科學史教育價值的充分發(fā)揮。教師借助虛擬實驗開展生物科學史教育，能夠很好地解決以上問題。師生開展虛擬實驗，往往不需要普通意義上的實驗儀器和材料，而是利用虛擬的仿真平臺及其相關技術和信息化環(huán)境，更注重實驗操作的交互性和實驗結果的仿真性。教師借助虛擬實驗開展科學史教育，既能避免某些實驗因環(huán)境和技術因素受限，模仿呈現(xiàn)真實的實驗操作過程和實驗現(xiàn)象[2]，又省卻了繁多的實驗準備及操作工作。不像傳統(tǒng)實驗對時空條件有要求，虛擬實驗可騰出空間讓學生感悟科學原理和方法，剖析科學史中蘊含的科學內(nèi)涵和人文價值。筆者以“植物生長素的發(fā)現(xiàn)過程”為例，探索運用NOBOOK虛擬實驗（以下簡稱“NB實驗”）、希沃白板開展科學史教育的基本策略與實施路徑。二、虛擬實驗輔助科學史教育的思路（一）教學目標的確立教師運用虛擬實驗開展科學史教育，不但要著眼于科學結論的得出和對科學原理的理解，還要利用虛擬實驗的優(yōu)勢充分挖掘科學史背后蘊含的科學本質(zhì)和科學方法，以真實豐富的實驗情境和全面充足的時空條件賦能學生核心素養(yǎng)發(fā)展。植物生長素是較早被人類發(fā)現(xiàn)的激素。人類發(fā)現(xiàn)生長素經(jīng)歷了半個多世紀的歷程，得益于幾代科學家的研究和努力。本課例，筆者從中選擇了多個經(jīng)典實驗，經(jīng)過刪減與整合，既能呈現(xiàn)科學家發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的清晰思路，又能完整地體現(xiàn)科學研究的一般過程與方法特點，有助于課堂教學中虛擬實驗的深入開展。由此確定本課教學目標：①借助NB實驗跟隨科學家逐步發(fā)現(xiàn)植物生長素的研究腳步，發(fā)展“提出問題、重視實證、合理想象”的科學思維，領悟科研與發(fā)展的科學本質(zhì)觀念；②利用希沃白板、課堂助手的克隆和傳屏等功能，設計實驗探究“單側光引發(fā)植物生長素不均勻分布的內(nèi)在機制”，發(fā)展“設計實驗方案、預期實驗結果、基于證據(jù)符合邏輯地得出結論”的探究能力和思維水平，初步了解光照與植物生長素在植物生命活動調(diào)節(jié)中的作用，建立生命信息觀念。（二）教學思路教師開展科學史教育要以科學原理的發(fā)現(xiàn)歷程為主線，挖掘和梳理不同研究實驗的內(nèi)在關聯(lián)，構建循序漸進、環(huán)環(huán)相扣的任務鏈群，借助虛擬實驗呈現(xiàn)逼真的場景，引領學生追隨科學家的腳步，體驗經(jīng)典實驗的精巧設計與科學探究的過程方法，培育邏輯嚴密、證據(jù)支持的科學思維和追求真理的科學精神，揭示科學研究的本質(zhì)特征。筆者根據(jù)學生實際情況設計單元目標，確定“任務驅(qū)動，技術支持”的教學策略（如圖1）。①任務驅(qū)動：遵循“提出問題—追尋歷史—解釋現(xiàn)象—探索未知”的認知規(guī)律設計教學環(huán)節(jié)，確定“植物為什么會彎曲向光源生長—植物胚芽鞘的感光部位在哪里—尖端產(chǎn)生的‘影響’如何傳遞—‘影響’在尖端下段如何發(fā)揮作用—這種‘影響’是什么—植物生長素的化學本質(zhì)是什么—植物向光性的內(nèi)在機制是什么”的任務鏈群，有序組織課堂教學活動，鋪設學生追隨達爾文和溫特等科學家研究腳步的思維路徑，引導他們探尋植物生長素的發(fā)現(xiàn)過程、化學本質(zhì)等，最終揭示植物向光性的原因。②技術支持：利用NB實驗資源模擬多位科學家的研究實驗，讓學生沉浸體驗實驗過程、直觀觀察實驗現(xiàn)象、分析實驗結果；應用希沃白板和課堂助手，創(chuàng)設探究單側光影響植物生長素分布的實驗場景，使得教學過程聚焦在嚴密設計實驗和尋找證據(jù)支持等能力的培育上。三、運用虛擬實驗實施科學史教育（一）創(chuàng)設生活情境，引入學習主題人類社會對科學概念的深入了解，始于科學家對日常生活現(xiàn)象的接續(xù)研究，植物生長素的發(fā)現(xiàn)亦然。筆者播放在不同方向單側光照射下菜豆幼苗生長方向改變的視頻，借助延時拍攝、加速播放的視頻效果，直觀集中地展現(xiàn)了植物向光生長的現(xiàn)象，以此聯(lián)結學生生活經(jīng)驗引出本節(jié)的學習內(nèi)容。這樣具有更好的表現(xiàn)力和沖擊性，有利于激發(fā)學生的求知欲和對日常現(xiàn)象的思考?？茖W發(fā)現(xiàn)往往是從對日?，F(xiàn)象的追問和求索而開啟的。筆者依次設問“這是什么現(xiàn)象，能列舉出生活中其他的類似現(xiàn)象嗎？植物為何朝向光源生長，了解其內(nèi)在機制嗎？”引入本節(jié)教學主題。（二）任務引領教學，追隨科學腳步【任務一】探究植物胚芽鞘的感光部位。人們很早就對植物向光性開展了研究，其中起到奠基作用的是達爾文開展的胚芽鞘感光實驗。筆者根據(jù)NB實驗中達爾文實驗的操作提醒“用刀片縱切胚芽鞘”，展示胚芽鞘的縱切結構示意圖，讓學生觀察并簡要說明對胚芽鞘的認識。筆者作補充說明后開展感光實驗：在NB實驗界面，引導學生對四組胚芽鞘分別拖動不透明小帽罩上尖端、拖動透明小帽罩上尖端、拖動不透明薄膜罩住尖端下部以及拖動刀片切除尖端，還有一組胚芽鞘不做處理，再拖動“太陽”圖塊調(diào)整單側光位置。學生觀察各組胚芽鞘的處理方法及生長情況，并觀摩教師的操作演示，為后續(xù)自主操作奠定基礎。筆者連續(xù)設問，引導學生分析該實驗的科學方法及結論：①用不透光的錫箔紙遮蓋胚芽鞘尖端或其下段的目的是什么？②觀察和比較實驗結果，胚芽鞘感受單側光刺激的是哪部分？彎曲生長的又是哪部分？③為什么胚芽鞘感光部位在尖端、彎曲生長在下段？達爾文是如何解釋這一現(xiàn)象的？如此，筆者連續(xù)進行支架式設問，引導學生在NB實驗逼真操作體驗的基礎上進行不同組別實驗結果的直觀比較，讓學生在掌握實驗結論的同時體會對照實驗、科學實證的思維方法?！救蝿斩克伎技舛水a(chǎn)生的“影響”是如何傳遞的。達爾文推斷的這種“影響”是否存在？如存在，它是如何由尖端向下傳遞的呢？鮑森·詹森的實驗證實這種影響存在。在閱讀教材、了解鮑森·詹森實驗的基礎上，學生在NB實驗界面上進行對鮑森·詹森實驗的改進操作。與鮑森·詹森實驗相比，該NB實驗增加了放置云母片的實驗組，這有利于與瓊脂片組形成對照。這種顯化對照實驗的操作設計，更有利于學生培養(yǎng)實驗設計思維和實驗探究能力?；诖?，筆者設問“該實驗告訴我們‘影響’的傳遞有什么特點，又是如何證實‘影響’的存在的”引導學生對該實驗進行剖析，以進一步顯化實驗中蘊含的對照方法?！救蝿杖刻骄俊坝绊憽痹诩舛讼露稳绾伟l(fā)揮作用。胚芽鞘尖端產(chǎn)生的“影響”如何使伸長區(qū)兩側不均勻生長呢？學生在NB實驗界面上重復拜爾的實驗操作。學生基于實驗操作和直觀的實驗結果，簡要分析后得出結論，即“影響”分布不均勻?qū)е屡哐壳噬L不均勻。筆者追問“拜爾實驗在怎樣的環(huán)境中進行？為什么？”提醒學生聯(lián)系達爾文感光實驗進行比較分析。相較于教材中示意圖，NB界面能讓學生直觀地感知拜爾實驗條件的變化，更有利于引導學生剖析拜爾對實驗變量的控制，以保障實驗設計的科學性?！救蝿账摹刻骄俊坝绊憽钡膶嵸|(zhì)。1926年，荷蘭科學家溫特設計并進行的實驗揭示了真相。學生在NB實驗平臺上重溫溫特的實驗操作。相較于教材上生硬的文字描述和單一的圖片，該NB實驗直觀動態(tài)演示了實驗操作的流程，并呈現(xiàn)了瓊脂塊在不同位置的多組對照，可以讓學生充分深入地感受溫特實驗的精妙之處。在此基礎上，筆者適當拓展，引導學生進一步分析“溫特提取到具體的化學物質(zhì)了嗎？那他是怎樣做出推斷的？”學生在問題驅(qū)動下認真分析操作過程及結果，梳理溫特實驗的思路，為實驗結論的得出尋找證據(jù)。筆者進行歸納和思維點撥，表明這一結論的得出，既需要以事實為依據(jù)進行嚴密的邏輯推理，又需要一定的想象力。教師開展虛擬實驗創(chuàng)設逼真場景能激發(fā)學生像科學家一樣思考問題，而恰當引導則能促發(fā)學生遵循實驗思路深入剖析實驗設計，有利于培養(yǎng)學生邏輯嚴密和證據(jù)支持的科學思維核心素養(yǎng)?！救蝿瘴濉拷沂局参锷L素的化學本質(zhì)。溫特不但證實了“影響”確是一種化學物質(zhì)，而且根據(jù)它與動物激素的類似之處將其命名為植物生長素。但他并不知道它為何物。在學生閱讀教材相關內(nèi)容的基礎上，筆者在希沃白板上展示吲哚乙酸、胰島素和甲狀腺激素等動物激素的化學結構圖片，提問“植物生長素與動物激素的化學本質(zhì)相同嗎”讓學生比較植物生長素和動物激素的本質(zhì)區(qū)別，進一步了解動植物激素的差異。（三）解釋生活現(xiàn)象，歸納科學概念筆者讓學生綜合以上研究成果，對胚芽鞘的向光性進行解釋，然后利用希沃白板的動畫功能直觀、動態(tài)地為學生演示胚芽鞘尖端受單側光照射后植物生長素的運輸過程和分布特點，以及下段伸長區(qū)背光側和向光側的生長區(qū)別，完整全面呈現(xiàn)胚芽鞘向光彎曲生長的微觀機理與宏觀結果。基于動畫演示，筆者適時歸納植物生長素在調(diào)節(jié)植物生長中的特點，適當補充其他植物激素，引導學生歸納出植物激素的概念。植物生長素作用過程的動畫演示為其特點的歸納提供了具象支持，也為植物激素概念的歸納提供了實例支架。（四）設計探究實驗，感知科學本質(zhì)虛擬實驗、媒體演示等為課堂教學騰出了充裕時間，為教師拓展深化教學內(nèi)容提供了更大便利。對于植物向光性的內(nèi)在機理，教師可在詢問學生疑惑之處的基礎上，甄別、選擇其中有一定探究價值且便于實驗驗證的問題，要求學生參與實驗設計，以檢測并進一步應用在經(jīng)典科學實驗中習得的實驗設計方法。例如，某學生提問：“單側光照射如何導致植物生長素不均勻分布呢？”筆者要求學生分析原因：可能是單側光導致向光側的植物生長素分解；也可能是單側光導致植物生長素向背光側運輸……基于以上假說，學生設計實驗加以驗證。以往教師常讓學生以文字表述實驗設計思路，而文字描述更多呈現(xiàn)的是終結性的結果，雖有利于檢測學生實驗設計能力，但不利于培育實驗設計能力。為了突顯實驗設計的問題實質(zhì)和對照方法，筆者利用希沃白板的克隆、拖動等功能，提供代表不同材料、條件及結果的圖塊，要求學生拖動這些圖塊組合實驗裝置（如圖2）、呈現(xiàn)設計思路并展示預期結果。在此基礎上，再要求學生完整清晰地敘述實驗設計思路，并說出可能的結果及對應的結論。這種利用圖塊組裝實驗裝置、呈現(xiàn)實驗思路的方法，為抽象的實驗設計提供了具象的參照，有利于引導學生在實驗設計之初把握設計思路的關鍵要點和對照方法。同時，交互式電子白板上圖塊的拖動組合比紙筆繪圖和紙片拼湊更加便捷，有利于課堂時間更聚焦在有教育價值的教學活動的組織與實施上。四、虛擬實驗教學成效與反思教師應用虛擬實驗開展科學史教育成效顯著：一方面為學生創(chuàng)設了生動逼真的實驗場景，有利于學生親歷科學家實驗過程；另一方面，改變了單一的講授和演示教學模式，通過轉變師生行為重