利用生物科學(xué)史組織探究性教學(xué)

——以“植物生長素的發(fā)現(xiàn)”為例

文 | 合肥市第九中學(xué) 王嵐

生物科學(xué)史蘊(yùn)含豐富的教學(xué)資源。一方面，重溫科學(xué)史可以再現(xiàn)核心概念逐步形成、在修正中發(fā)展的過程，促進(jìn)學(xué)生深入理解核心概念的內(nèi)涵和外延；另一方面，科學(xué)史能將我們帶回到發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的真實(shí)情境中，體驗(yàn)科學(xué)探究的過程和方法。

高中生物必修三模塊第三章第一節(jié)“植物生長素的發(fā)現(xiàn)”，蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)史資料，再現(xiàn)了人類首次發(fā)現(xiàn)植物激素的過程。本節(jié)的教學(xué)可以充分發(fā)揮科學(xué)史的作用，帶領(lǐng)學(xué)生沿著科學(xué)家的足跡，追尋生物學(xué)概念的形成發(fā)展歷程，學(xué)習(xí)探究方法，感悟科學(xué)精神。

課堂教學(xué)過程

1、引入環(huán)節(jié)

生長素的發(fā)現(xiàn)是從研究向光性開始的，本節(jié)的教學(xué)也從植物的向光性展開。

教師播放蘿卜幼苗向光彎曲生長的視頻，引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象提出問題。36秒的視頻，展示了幼苗彎向光源方向生長的動(dòng)態(tài)過程，有效激發(fā)學(xué)生的好奇心。學(xué)生們踴躍提出自己的疑問，如：幼苗如何知道單側(cè)光的方向？什么部位發(fā)生彎曲？彎曲的機(jī)制是什么？有學(xué)生問：“如果沒有單側(cè)光，甚至沒有光，還會(huì)彎曲嗎？”問題一出，不少同學(xué)表示：“這還用問嗎，當(dāng)然不彎曲?！苯處熥叩教釂柕膶W(xué)生身邊，贊許地拍拍他的肩膀：“問得好，單側(cè)光是外因，幼苗彎曲生長真的離不開這個(gè)外因嗎？”教師的點(diǎn)撥引發(fā)同學(xué)們新的思考，也為學(xué)習(xí)拜爾黑暗條件下的實(shí)驗(yàn)做好鋪墊。

2、達(dá)爾文的工作

教師介紹達(dá)爾文選擇的實(shí)驗(yàn)材料——金絲雀虉草的胚芽鞘，引導(dǎo)學(xué)生分析這一材料的優(yōu)越性。教師介紹達(dá)爾文的相關(guān)研究過程。達(dá)爾文通過觀察，明確彎曲部位是尖端下方的伸長區(qū)。達(dá)爾文運(yùn)用排除法進(jìn)行研究，制造某個(gè)部位缺席，去觀察系統(tǒng)的反應(yīng)。他發(fā)現(xiàn)切除尖端，下方伸長區(qū)就不發(fā)生彎曲。引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出結(jié)論。

關(guān)于感光部位在哪里的疑問，由學(xué)生來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。學(xué)生通過討論，形成了與科學(xué)家基本一致的實(shí)驗(yàn)思路。能夠與科學(xué)家的設(shè)計(jì)不謀而合，學(xué)生們感到興奮不已。

教師帶領(lǐng)學(xué)生對達(dá)爾文的工作進(jìn)行小結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)核心問題——感光部位在尖端，但彎曲部位在尖端下方，可見尖端對下方伸長區(qū)產(chǎn)生了影響。教師點(diǎn)撥：這種影響具有關(guān)鍵性的意義，它既傳遞了單側(cè)光的信息，又調(diào)節(jié)了伸長區(qū)的生長。對向光性的研究深入到了對植物生命活動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制的探索。

這種影響是什么呢？達(dá)爾文的假說是：這種影響很可能是尖端產(chǎn)生了某種物質(zhì)，運(yùn)輸?shù)较路缴扉L區(qū)起作用。雖然達(dá)爾文未對假說進(jìn)行充分驗(yàn)證，但是他的假說像一座燈塔照亮了后人的探究之路。

3、詹森的工作

詹森用假說演繹的方法對達(dá)爾文的假說進(jìn)行了驗(yàn)證。教師帶領(lǐng)學(xué)生重溫假說演繹的一般過程：提出假說→進(jìn)行演繹（預(yù)測現(xiàn)象）→實(shí)驗(yàn)和觀察→得出結(jié)論。

教師引導(dǎo)學(xué)生深入思考達(dá)爾文的假說，展開演繹過程：如果達(dá)爾文的假說是正確的，那么尖端的影響向下傳遞的關(guān)鍵就在于物質(zhì)運(yùn)輸，尖端與下方伸長區(qū)之間的結(jié)構(gòu)聯(lián)系則并不重要。如果我們把尖端與下方的結(jié)構(gòu)聯(lián)系切斷、隔開，只要物質(zhì)能向下運(yùn)輸，影響就能夠進(jìn)行傳遞。

選擇什么材料，才能既將尖端與下方隔開，又不影響物質(zhì)向下運(yùn)輸呢？教師簡要介紹詹森選擇的材料——瓊脂。

引導(dǎo)學(xué)生闡述演繹過程：用瓊脂把尖端和下方隔開。如果達(dá)爾文的假說是正確的，那么可以預(yù)測尖端產(chǎn)生的影響能透過瓊脂向下傳遞。

介紹詹森實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。帶領(lǐng)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：初步證明達(dá)爾文的假說是正確的。

4、拜爾的工作

教師設(shè)問：單側(cè)光是彎曲生長不可或缺的條件嗎？展示拜爾實(shí)驗(yàn)的示意圖。引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、思考實(shí)驗(yàn)結(jié)論。點(diǎn)撥：為了更好地認(rèn)識拜爾的實(shí)驗(yàn)，我們可以對詹森和拜爾的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較。

學(xué)生分析比較得出結(jié)論。相同點(diǎn)有：詹森和拜爾的實(shí)驗(yàn)在操作上都切斷了尖端與下方的結(jié)構(gòu)聯(lián)系，結(jié)果都出現(xiàn)了彎曲生長。詹森實(shí)驗(yàn)?zāi)艿贸黾舛擞绊懣梢酝高^瓊脂塊進(jìn)行傳遞的結(jié)論，拜爾實(shí)驗(yàn)得出尖端影響可以跨過切口進(jìn)行傳遞的結(jié)論。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都初步證明了達(dá)爾文的假說。

不同點(diǎn)是彎曲生長的原因不同。詹森實(shí)驗(yàn)中彎曲的原因是單側(cè)光。拜爾實(shí)驗(yàn)則排除單側(cè)光這種外因的影響，進(jìn)而研究彎曲生長的內(nèi)因，從而揭示生命現(xiàn)象更本質(zhì)的規(guī)律。分析拜爾的實(shí)驗(yàn)可知生長的內(nèi)因是尖端的影響在下方分布不均從而造成彎曲生長。

5、溫特的工作

教師帶領(lǐng)學(xué)生嘗試用達(dá)爾文的假說去解釋拜爾的實(shí)驗(yàn)。尖端放偏導(dǎo)致其產(chǎn)生的物質(zhì)在下方伸長區(qū)分布不均，造成彎曲生長。彎曲的關(guān)鍵在于物質(zhì)分布不均。

引導(dǎo)學(xué)生對達(dá)爾文的假說進(jìn)行新的演繹。如果達(dá)爾文的假說是正確的，那么可以預(yù)見，只要尖端產(chǎn)生的物質(zhì)在下方分布不均就能造成彎曲生長，而尖端的結(jié)構(gòu)本身并不重要。

教師設(shè)問：如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)？學(xué)生討論回答：提取尖端產(chǎn)生的相關(guān)物質(zhì)，放在切除尖端的胚芽鞘一側(cè)，置于黑暗中培養(yǎng)。

教師介紹，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，無法對尖端產(chǎn)生的物質(zhì)進(jìn)行提取。溫特解決了難題，他的思路是：分離不成，可以用載體把物質(zhì)轉(zhuǎn)移出來。教師介紹溫特的實(shí)驗(yàn)處理。組織學(xué)生討論設(shè)計(jì)對照實(shí)驗(yàn)來排除瓊脂的影響。

展示溫特實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，學(xué)生分析得出結(jié)論：溫特的實(shí)驗(yàn)擺脫了尖端的結(jié)構(gòu)，徹底證明了達(dá)爾文的假說，即尖端產(chǎn)生一種物質(zhì)向下運(yùn)輸，在下方伸長區(qū)起作用造成彎曲生長。

介紹生長素的命名以及郭葛等人的分離鑒定工作。至此，生長素成為被人類認(rèn)識的第一種植物激素，“植物激素調(diào)節(jié)”的核心概念得以初步建立。

師生總結(jié)：從1880年達(dá)爾文拉開生長素研究的序幕到生長素得以分離和鑒定，歷時(shí)半個(gè)多世紀(jì)。凝聚了來自不同國家的多位科學(xué)家的智慧。每一位科學(xué)家可能都是前進(jìn)了一個(gè)小步，眾多的一小步最終匯成科研進(jìn)展的一大步。

課例分析評價(jià)

在教授經(jīng)典實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師避免了平鋪直敘的講解，而是充分運(yùn)用科學(xué)史的情境，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣思考，親歷假說演繹的過程，體驗(yàn)科學(xué)研究的方法和精神。學(xué)生不僅學(xué)到關(guān)于經(jīng)典實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果的知識，還能理解科學(xué)家是如何經(jīng)過深思熟慮，在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)。達(dá)爾文、詹森、拜爾和溫特的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)不是孤立存在的，它們具有內(nèi)在的邏輯關(guān)系。通過科學(xué)史背景的鋪墊，學(xué)生能深切體會(huì)到科學(xué)家們在前人工作的基礎(chǔ)上尋求突破，逐步接近現(xiàn)象背后的本質(zhì)規(guī)律。

本節(jié)教學(xué)圍繞“植物激素調(diào)節(jié)”這一生物學(xué)概念展開，教學(xué)環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣。學(xué)生緊密圍繞“尖端的影響是什么”這一中心問題，展開思考和討論，逐步得出結(jié)論：這種影響是一種物質(zhì)，在尖端產(chǎn)生，運(yùn)輸?shù)较路缴扉L區(qū)，對生長起調(diào)節(jié)作用；它是一種植物激素——生長素。在這個(gè)過程中，學(xué)生對于“植物激素調(diào)節(jié)”這一概念形成了非常深刻的印象。運(yùn)用科學(xué)史探尋生物學(xué)概念的建立過程，有效促進(jìn)了學(xué)生對生物學(xué)概念的理解和把握。

在孩子們的心中，“植物激素調(diào)節(jié)”不再是毫無感情色彩的科學(xué)名詞，而是凝聚著多位科學(xué)家不懈探索的智慧結(jié)晶，這對于他們深入理解生物學(xué)概念、增強(qiáng)對生物學(xué)科的熱愛、提高生物學(xué)素養(yǎng)都是大有裨益的。