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采用实验分析法复习高中生物科学史的教学研究

发表时间：2020/7/29 来源：《中小学教育》2020年6月1期作者：詹楚平

[导读] 高中生物科学史绚丽多彩。从实验分析的角度复习高中生物科学史，可从分析实验的基本要素、分析实验结果与结论以及其关联性、梳理科学史的发展脉络、分析实验设计的严谨性与巧妙之处等方面着手。在高中生物科学史教学中采用实验分析的方法有助于学生深入地理解科学实验的构思和所要解决的问题，有利于提高学生的生物学核心素养。

詹楚平广州市第六十五中学广东广州 510450
【摘要】高中生物科学史绚丽多彩。从实验分析的角度复习高中生物科学史，可从分析实验的基本要素、分析实验结果与结论以及其关联性、梳理科学史的发展脉络、分析实验设计的严谨性与巧妙之处等方面着手。在高中生物科学史教学中采用实验分析的方法有助于学生深入地理解科学实验的构思和所要解决的问题，有利于提高学生的生物学核心素养。
【关键词】实验分析、科学史、高中生物
中图分类号：G688.2 文献标识码：A 文章编号：ISSN1001-2982（2020）06.1--02

        高中生物科学史是一部绚烂多彩的生命科学发展史，每个科学实验既相对独立，又与其他有关的科学实验一起承担起生命科学史中某个重要的科学使命。从实验分析的角度去研究每段科学史和每个科学实验，可以让学生从科学思维、科学探究的视角重新审视每一个实验，从而更加清晰地理解每个科学实验的设计思路和构想，深入理解实验的背景和原理，更好地从整体上把握每个科学实验所要解决的主要问题，并感悟科学家们在科学探索中的匠心独运与科学精神。
        1高中生物科学史实验分析的主要内容
        1.1分析实验变量：自变量、因变量、无关变量分别是什么？
        1.2分析实验分组：实验组、对照组分别是什么？设置是否合理？
        1.3分析实验流程是否合理？
        1.4分析实验操作是否合理？
        1.5分析实验结果与实验结论?实验结果与实验结论之间的联系是怎么样的？
        1.6分析实验的严谨性与实验设计的巧妙之处？
        2采用实验分析法复习高中生物科学史对学生产生的积极影响
        2.1分析实验的基本组成或要素，有利于从整体上理解实验的基本思路和构想
        对达尔文向光性实验变量的分析：
        实验是如何分组的？第1组为对照组，第2、3、4组为实验组。
        实验的自变量是什么？第1组与第2组形成对照，自变量是有无胚芽鞘尖端；第1组、第3组与第4组也形成对照，自变量是遮光部位的不同（用于证明感光部位在哪里）。
        实验的因变量是什么？胚芽鞘的生长情况（是否生长、是否弯曲）。
        无关变量又是什么？主要的无关变量有单侧光照的方向与强度、光照时间、所选胚芽鞘的长势相同等。
        实验结论到底是什么？第1组和第2组实验说明没有尖端的胚芽鞘不能生长，而第1组与第3组、第4组实验的结果说明，如果尖端没有受到单侧光刺激，胚芽鞘只能直立生长。综合以上实验得出的结论是：胚芽鞘向光弯曲生长与尖端有关，尖端是感受光刺激的部位；或者说胚芽鞘向光弯曲生长与尖端感受光刺激有关。
        实验操作是否合理？有学者参考日本教材中的相关内容后认为，第3组的对照组应该是尖端罩住透明帽子才是合适的对照组，否则对照组除了没有光照之外，同时处理也不一样（没有帽子的接触）[1]。
        2.2引导学生分析实验结果与实验结论之间的关系，深入理解实验的背景和内在联系
        达尔文向光性实验中最具有争议性的内容是本实验的结论。教师可以引导学生讨论：达尔文根据实验提出，胚芽鞘尖端受单侧光刺激后，就向下面的伸长区传递某种“影响”，造成伸长区背光面比向光面生长快，因而使胚芽鞘出现向光性弯曲。这到底是不是达尔文真正的实验结论？
        仔细分析达尔文的向光性实验，我们只能得出“胚芽鞘向光弯曲生长与尖端感受光刺激有关”这一结论。而由于达尔文细心地观察发现，胚芽鞘感受光照刺激的部位在尖端，而弯曲生长的部位却是在尖端下部的伸长区，因此推测，胚芽鞘尖端在感受单侧光刺激后，向下“传递”某种影响，使得下部的伸长区背光侧生长快于向光侧，因而出现了向光性弯曲生长。这仅仅是对实验结果的一种大胆的推测，缺乏实验证据的支持。另有作者认为，分析达尔文实验可得出关键性结论，即单侧光照射使胚芽鞘尖端产生某种“刺激”[2]。本文认为，胚芽鞘尖端受到单侧光刺激后向下传递某种影响这一观点本身尚属于一种推论，而且“产生”一词更加要慎用。

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因为按照这一观点，学生会认为，“刺激”的产生是源于单侧光的刺激，没有单侧光就没有“刺激”，而实际上这种刺激也就是生长素，即便没有光照作用尖端也可以产生，单侧光只是使这种“影响”在下部发生不均匀分布罢了。可见，人教版教材中关于达尔文向光性实验推论的表述明显更加的严谨。
        引导学生分析实验结果与结论之间的关联性，可帮助学生更好的理解实验的内在联系、原理和实验背景。比如在赫尔希和蔡斯噬菌体侵染细菌的实验中，通过同位素标记法证明噬菌体侵染大肠杆菌时，32P标记的一组实验放射性主要存在于沉淀物中，而35S标记的一组实验放射性主要存在于上清液中，由此说明噬菌体侵染大肠杆菌时，DNA进入大肠杆菌中，而蛋白质外壳留在细菌外面。而实验的结论是，DNA是噬菌体的遗传物质。由此可以引导学生分析，结果与结论之间是如何联系起来的？同时可以再问，为什么不能证明蛋白质不是遗传物质？原因是什么？
        2.3引导学生从生命科学史的发展脉络来理解每个实验所要解决的科学问题
        近现代每个历史时期的生命科学研究的主题是不一样，同样，在每一段生命科学史中不同科学实验所承担的使命也不一样。从科学史的发展脉络来分析一系列相关性实验，可以使学生深刻地理解每个实验所要解决的主要问题以及每个实验在科学史中所处的地位。以生长素的发现历程为例，不同实验所解决的问题分别如下：
        达尔文实验：胚芽鞘向光性弯曲生长与尖端感受光刺激有关。推测尖端受到光刺激后向下传递某种“影响”，引起下部的伸长区发生弯曲生长；
        詹森实验：这种影响可以透过琼脂块往下传递；
        拜尔实验：胚芽鞘的弯曲生长是这种影响在下部的不均匀分布造成的；
        温特的实验：胚芽鞘尖端确实产生了一种物质，这种物质在下部的不均匀分布造成了胚芽鞘的弯曲生长，并把这种物质命名为生长素。
        其他实验：人们通过多种途径提取、分离出生长素，探明其化学本质。
        分析科学实验的发展脉络不仅可以理清每个实验所要解决的科学问题，还有利于促进学生深入理解教材中的核心概念和时代主题。比如《DNA是主要的遗传物质》一节中的一系列实验所要解决的问题分别是：
        格里菲斯实验：加热杀死的S型细菌中含有“转化因子”；
        艾弗里实验：DNA是转化因子（遗传物质），蛋白质等物质不是；
        赫尔希与蔡斯实验：进一步证明DNA是（噬菌体的）遗传物质；
        烟草花叶病毒实验：RNA是烟草花叶病毒的遗传物质。
        因为绝大多数生物的遗传物质是DNA，只有少数生物的遗传物质是RNA，因此说DNA是主要的遗传物质。通过对以上实验的分析和发展脉络的梳理，学生能更好的理解整节课所围绕的核心概念——“DNA是主要的遗传物质”。
        2.4揣摩科学史的巧妙之处，体会科学家在科研上的匠心独运与科学精神
        在高中生物科学史中不乏设计巧妙的科学实验，细细揣摩其中的巧妙之处，也是学习上的一大乐事，更能慢慢体会科学家们在科学研究过程中的全情投入与奇思妙想。比如拜尔实验的巧妙之处：在黑暗中进行，胚芽鞘也能发生弯曲生长。可以引导学生思考没有光照为什么会发生弯曲生长？说明其他实验中的光照的作用是什么？又比如赫尔希和蔡斯噬菌体侵染细菌实验中的巧妙之处：利用噬菌体侵染细菌时DNA进入细菌中而蛋白质外壳留在外面的天然过程，将DNA和蛋白质分离出来，再借助同位素标记法证明DNA是噬菌体的遗传物质。如果赫尔希和蔡斯当时并不清楚噬菌体侵染细菌的过程，也许生物科学史就得改写了。
        3采用实验分析法分析实验，有利于提高学生的生物学核心素养
        高中生物科学史蕴含着大量的科学、人文素材，通过学习科学史不仅可以促进学生形成正确的生命观念，还有利于培养学生的科学思维、科学探究等学科素养，同时科学家们敢于质疑、勇于实证、乐于探究、严谨治学的科学作风和科学精神也在学习过程中慢慢地渗透在学生的人生观和价值观之中，并最终影响了学生，有利于培养学生崇尚科学、追求实证的社会责任感。其次，采用实验分析法分析实验，有利于提高学生的实验分析能力，提高学生在高考中的实验探究类题型的应试能力，有利于提高学生的学业成绩。
参考文献
[1]章青,杨型会.日本教材中有关生长素发现的经典实验分析，实验教学与仪器[J]，2015（7/8）：13-15
[2]桑格格,周艳华，芦荣胜.基于高中生物学学科核心素养的教学设计，中学生物教学[J]，2019（10）：56-57
作者简介
詹楚平（1981—），男，广东惠来人，大学本科，广州市第六十五中学教师，一级教师。
基金项目
广州市白云区教育研究院白云区教育科研2019年度小型课题“基于核心素养的高中生物科学史教学模式的研究”（2019XKT176）。