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王岚——合肥市第九中学

利用生物科学史组织探究性教学

——以“植物生长素的发现”为例

文 | 合肥市第九中学 王岚

生物科学史蕴含丰富的教学资源。一方面,重温科学史可以再现核心概念逐步形成、在修正中发展的过程,促进学生深入理解核心概念的内涵和外延;另一方面,科学史能将我们带回到发现问题、解决问题的真实情境中,体验科学探究的过程和方法。

高中生物必修三模块第三章第一节“植物生长素的发现”,蕴含着丰富的科学史资料,再现了人类首次发现植物激素的过程。本节的教学可以充分发挥科学史的作用,带领学生沿着科学家的足迹,追寻生物学概念的形成发展历程,学习探究方法,感悟科学精神。

课堂教学过程

1、引入环节

生长素的发现是从研究向光性开始的,本节的教学也从植物的向光性展开。

教师播放萝卜幼苗向光弯曲生长的视频,引导学生观察现象提出问题。36秒的视频,展示了幼苗弯向光源方向生长的动态过程,有效激发学生的好奇心。学生们踊跃提出自己的疑问,如:幼苗如何知道单侧光的方向?什么部位发生弯曲?弯曲的机制是什么?有学生问:“如果没有单侧光,甚至没有光,还会弯曲吗?”问题一出,不少同学表示:“这还用问吗,当然不弯曲。”教师走到提问的学生身边,赞许地拍拍他的肩膀:“问得好,单侧光是外因,幼苗弯曲生长真的离不开这个外因吗?”教师的点拨引发同学们新的思考,也为学习拜尔黑暗条件下的实验做好铺垫。

2、达尔文的工作

教师介绍达尔文选择的实验材料——金丝雀虉草的胚芽鞘,引导学生分析这一材料的优越性。教师介绍达尔文的相关研究过程。达尔文通过观察,明确弯曲部位是尖端下方的伸长区。达尔文运用排除法进行研究,制造某个部位缺席,去观察系统的反应。他发现切除尖端,下方伸长区就不发生弯曲。引导学生分析实验现象,得出结论。

关于感光部位在哪里的疑问,由学生来设计实验进行探究。学生通过讨论,形成了与科学家基本一致的实验思路。能够与科学家的设计不谋而合,学生们感到兴奋不已。

教师带领学生对达尔文的工作进行小结,引导学生发现核心问题——感光部位在尖端,但弯曲部位在尖端下方,可见尖端对下方伸长区产生了影响。教师点拨:这种影响具有关键性的意义,它既传递了单侧光的信息,又调节了伸长区的生长。对向光性的研究深入到了对植物生命活动调节机制的探索。

这种影响是什么呢?达尔文的假说是:这种影响很可能是尖端产生了某种物质,运输到下方伸长区起作用。虽然达尔文未对假说进行充分验证,但是他的假说像一座灯塔照亮了后人的探究之路。

3、詹森的工作

詹森用假说演绎的方法对达尔文的假说进行了验证。教师带领学生重温假说演绎的一般过程:提出假说→进行演绎(预测现象)→实验和观察→得出结论。

教师引导学生深入思考达尔文的假说,展开演绎过程:如果达尔文的假说是正确的,那么尖端的影响向下传递的关键就在于物质运输,尖端与下方伸长区之间的结构联系则并不重要。如果我们把尖端与下方的结构联系切断、隔开,只要物质能向下运输,影响就能够进行传递。

选择什么材料,才能既将尖端与下方隔开,又不影响物质向下运输呢?教师简要介绍詹森选择的材料——琼脂。

引导学生阐述演绎过程:用琼脂把尖端和下方隔开。如果达尔文的假说是正确的,那么可以预测尖端产生的影响能透过琼脂向下传递。

介绍詹森实验的结果。带领学生分析实验得出结论:初步证明达尔文的假说是正确的。

4、拜尔的工作

教师设问:单侧光是弯曲生长不可或缺的条件吗?展示拜尔实验的示意图。引导学生仔细观察实验现象、思考实验结论。点拨:为了更好地认识拜尔的实验,我们可以对詹森和拜尔的实验进行比较。

学生分析比较得出结论。相同点有:詹森和拜尔的实验在操作上都切断了尖端与下方的结构联系,结果都出现了弯曲生长。詹森实验能得出尖端影响可以透过琼脂块进行传递的结论,拜尔实验得出尖端影响可以跨过切口进行传递的结论。两个实验都初步证明了达尔文的假说。

不同点是弯曲生长的原因不同。詹森实验中弯曲的原因是单侧光。拜尔实验则排除单侧光这种外因的影响,进而研究弯曲生长的内因,从而揭示生命现象更本质的规律。分析拜尔的实验可知生长的内因是尖端的影响在下方分布不均从而造成弯曲生长。

5、温特的工作

教师带领学生尝试用达尔文的假说去解释拜尔的实验。尖端放偏导致其产生的物质在下方伸长区分布不均,造成弯曲生长。弯曲的关键在于物质分布不均。

引导学生对达尔文的假说进行新的演绎。如果达尔文的假说是正确的,那么可以预见,只要尖端产生的物质在下方分布不均就能造成弯曲生长,而尖端的结构本身并不重要。

教师设问:如何进行实验?学生讨论回答:提取尖端产生的相关物质,放在切除尖端的胚芽鞘一侧,置于黑暗中培养。

教师介绍,限于当时的技术水平,无法对尖端产生的物质进行提取。温特解决了难题,他的思路是:分离不成,可以用载体把物质转移出来。教师介绍温特的实验处理。组织学生讨论设计对照实验来排除琼脂的影响。

展示温特实验的结果,学生分析得出结论:温特的实验摆脱了尖端的结构,彻底证明了达尔文的假说,即尖端产生一种物质向下运输,在下方伸长区起作用造成弯曲生长。

介绍生长素的命名以及郭葛等人的分离鉴定工作。至此,生长素成为被人类认识的第一种植物激素,“植物激素调节”的核心概念得以初步建立。

师生总结:从1880年达尔文拉开生长素研究的序幕到生长素得以分离和鉴定,历时半个多世纪。凝聚了来自不同国家的多位科学家的智慧。每一位科学家可能都是前进了一个小步,众多的一小步最终汇成科研进展的一大步。

课例分析评价

在教授经典实验时,教师避免了平铺直叙的讲解,而是充分运用科学史的情境,引导学生像科学家一样思考,亲历假说演绎的过程,体验科学研究的方法和精神。学生不仅学到关于经典实验过程和结果的知识,还能理解科学家是如何经过深思熟虑,在总结前人工作的基础上,进行创造性的设计。达尔文、詹森、拜尔和温特的经典实验不是孤立存在的,它们具有内在的逻辑关系。通过科学史背景的铺垫,学生能深切体会到科学家们在前人工作的基础上寻求突破,逐步接近现象背后的本质规律。

本节教学围绕“植物激素调节”这一生物学概念展开,教学环节环环相扣。学生紧密围绕“尖端的影响是什么”这一中心问题,展开思考和讨论,逐步得出结论:这种影响是一种物质,在尖端产生,运输到下方伸长区,对生长起调节作用;它是一种植物激素——生长素。在这个过程中,学生对于“植物激素调节”这一概念形成了非常深刻的印象。运用科学史探寻生物学概念的建立过程,有效促进了学生对生物学概念的理解和把握。

在孩子们的心中,“植物激素调节”不再是毫无感情色彩的科学名词,而是凝聚着多位科学家不懈探索的智慧结晶,这对于他们深入理解生物学概念、增强对生物学科的热爱、提高生物学素养都是大有裨益的。


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