基于虛擬實(shí)驗(yàn)的生物科學(xué)史教育

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標(biāo)”）強(qiáng)調(diào)，教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)生物科學(xué)史，能使其沿著科學(xué)家的探索道路，理解科學(xué)本質(zhì)和科學(xué)研究的思路與方法，領(lǐng)悟科學(xué)家精神。然而，受實(shí)驗(yàn)材料的特殊性、操作的復(fù)雜度以及安全風(fēng)險等因素影響，一些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)難以在課堂教學(xué)中重現(xiàn)，限制了科學(xué)史教育的深入發(fā)展。如何突破？教師可以利用信息技術(shù)重現(xiàn)科學(xué)家的探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生親歷探究過程，深化對科學(xué)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(xué)家的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建任務(wù)鏈群，應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)等技術(shù)，設(shè)計(jì)沉浸式教學(xué)方案，優(yōu)化生物科學(xué)史教育并創(chuàng)新實(shí)施路徑，以有效提升學(xué)生的科學(xué)思維與探究能力。一、虛擬實(shí)驗(yàn)助力科學(xué)史教育的意義開展生物科學(xué)史教育對于理解科學(xué)的本質(zhì)和科研的思路方法，弘揚(yáng)科學(xué)家精神，是很有意義的。生物科學(xué)史是提高學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的良好載體：不僅展現(xiàn)了科學(xué)家探索生命現(xiàn)象及規(guī)律的接續(xù)奮斗，為學(xué)生學(xué)習(xí)探究方法提供了典范，而且蘊(yùn)含了科學(xué)研究與發(fā)展的科學(xué)本質(zhì)知識[1]。然而，一些經(jīng)典科學(xué)實(shí)驗(yàn)由于存在實(shí)驗(yàn)材料特殊、技術(shù)要求過高、操作難度過大、實(shí)驗(yàn)周期過長、損耗成本過高以及安全風(fēng)險等問題而難以在中學(xué)重現(xiàn)，這無疑限制了生物科學(xué)史教育價值的充分發(fā)揮。教師借助虛擬實(shí)驗(yàn)開展生物科學(xué)史教育，能夠很好地解決以上問題。師生開展虛擬實(shí)驗(yàn)，往往不需要普通意義上的實(shí)驗(yàn)儀器和材料，而是利用虛擬的仿真平臺及其相關(guān)技術(shù)和信息化環(huán)境，更注重實(shí)驗(yàn)操作的交互性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仿真性。教師借助虛擬實(shí)驗(yàn)開展科學(xué)史教育，既能避免某些實(shí)驗(yàn)因環(huán)境和技術(shù)因素受限，模仿呈現(xiàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作過程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[2]，又省卻了繁多的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及操作工作。不像傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對時空條件有要求，虛擬實(shí)驗(yàn)可騰出空間讓學(xué)生感悟科學(xué)原理和方法，剖析科學(xué)史中蘊(yùn)含的科學(xué)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(yùn)用NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)（以下簡稱“NB實(shí)驗(yàn)”）、希沃白板開展科學(xué)史教育的基本策略與實(shí)施路徑。二、虛擬實(shí)驗(yàn)輔助科學(xué)史教育的思路（一）教學(xué)目標(biāo)的確立教師運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)開展科學(xué)史教育，不但要著眼于科學(xué)結(jié)論的得出和對科學(xué)原理的理解，還要利用虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢充分挖掘科學(xué)史背后蘊(yùn)含的科學(xué)本質(zhì)和科學(xué)方法，以真實(shí)豐富的實(shí)驗(yàn)情境和全面充足的時空條件賦能學(xué)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(jì)的歷程，得益于幾代科學(xué)家的研究和努力。本課例，筆者從中選擇了多個經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過刪減與整合，既能呈現(xiàn)科學(xué)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(xué)研究的一般過程與方法特點(diǎn)，有助于課堂教學(xué)中虛擬實(shí)驗(yàn)的深入開展。由此確定本課教學(xué)目標(biāo)：①借助NB實(shí)驗(yàn)跟隨科學(xué)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(shí)證、合理想象”的科學(xué)思維，領(lǐng)悟科研與發(fā)展的科學(xué)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(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究“單側(cè)光引發(fā)植物生長素不均勻分布的內(nèi)在機(jī)制”，發(fā)展“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果、基于證據(jù)符合邏輯地得出結(jié)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(xué)思路教師開展科學(xué)史教育要以科學(xué)原理的發(fā)現(xiàn)歷程為主線，挖掘和梳理不同研究實(shí)驗(yàn)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，構(gòu)建循序漸進(jìn)、環(huán)環(huán)相扣的任務(wù)鏈群，借助虛擬實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)逼真的場景，引領(lǐng)學(xué)生追隨科學(xué)家的腳步，體驗(yàn)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的精巧設(shè)計(jì)與科學(xué)探究的過程方法，培育邏輯嚴(yán)密、證據(jù)支持的科學(xué)思維和追求真理的科學(xué)精神，揭示科學(xué)研究的本質(zhì)特征。筆者根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況設(shè)計(jì)單元目標(biāo)，確定“任務(wù)驅(qū)動，技術(shù)支持”的教學(xué)策略（如圖1）。①任務(wù)驅(qū)動：遵循“提出問題—追尋歷史—解釋現(xiàn)象—探索未知”的認(rèn)知規(guī)律設(shè)計(jì)教學(xué)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(xué)本質(zhì)是什么—植物向光性的內(nèi)在機(jī)制是什么”的任務(wù)鏈群，有序組織課堂教學(xué)活動，鋪設(shè)學(xué)生追隨達(dá)爾文和溫特等科學(xué)家研究腳步的思維路徑，引導(dǎo)他們探尋植物生長素的發(fā)現(xiàn)過程、化學(xué)本質(zhì)等，最終揭示植物向光性的原因。②技術(shù)支持：利用NB實(shí)驗(yàn)資源模擬多位科學(xué)家的研究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生沉浸體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程、直觀觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果；應(yīng)用希沃白板和課堂助手，創(chuàng)設(shè)探究單側(cè)光影響植物生長素分布的實(shí)驗(yàn)場景，使得教學(xué)過程聚焦在嚴(yán)密設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和尋找證據(jù)支持等能力的培育上。三、運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)施科學(xué)史教育（一）創(chuàng)設(shè)生活情境，引入學(xué)習(xí)主題人類社會對科學(xué)概念的深入了解，始于科學(xué)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(cè)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(jié)學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)引出本節(jié)的學(xué)習(xí)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(xué)生的求知欲和對日?，F(xiàn)象的思考?？茖W(xué)發(fā)現(xiàn)往往是從對日常現(xiàn)象的追問和求索而開啟的。筆者依次設(shè)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(jī)制嗎？”引入本節(jié)教學(xué)主題。（二）任務(wù)引領(lǐng)教學(xué)，追隨科學(xué)腳步【任務(wù)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(dá)爾文開展的胚芽鞘感光實(shí)驗(yàn)。筆者根據(jù)NB實(shí)驗(yàn)中達(dá)爾文實(shí)驗(yàn)的操作提醒“用刀片縱切胚芽鞘”，展示胚芽鞘的縱切結(jié)構(gòu)示意圖，讓學(xué)生觀察并簡要說明對胚芽鞘的認(rèn)識。筆者作補(bǔ)充說明后開展感光實(shí)驗(yàn)：在NB實(shí)驗(yàn)界面，引導(dǎo)學(xué)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(cè)光位置。學(xué)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(chǔ)。筆者連續(xù)設(shè)問，引導(dǎo)學(xué)生分析該實(shí)驗(yàn)的科學(xué)方法及結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，胚芽鞘感受單側(cè)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(dá)爾文是如何解釋這一現(xiàn)象的？如此，筆者連續(xù)進(jìn)行支架式設(shè)問，引導(dǎo)學(xué)生在NB實(shí)驗(yàn)逼真操作體驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行不同組別實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀比較，讓學(xué)生在掌握實(shí)驗(yàn)結(jié)論的同時體會對照實(shí)驗(yàn)、科學(xué)實(shí)證的思維方法。【任務(wù)二】思考尖端產(chǎn)生的“影響”是如何傳遞的。達(dá)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(shí)驗(yàn)證實(shí)這種影響存在。在閱讀教材、了解鮑森·詹森實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，學(xué)生在NB實(shí)驗(yàn)界面上進(jìn)行對鮑森·詹森實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)操作。與鮑森·詹森實(shí)驗(yàn)相比，該NB實(shí)驗(yàn)增加了放置云母片的實(shí)驗(yàn)組，這有利于與瓊脂片組形成對照。這種顯化對照實(shí)驗(yàn)的操作設(shè)計(jì)，更有利于學(xué)生培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思維和實(shí)驗(yàn)探究能力?；诖?，筆者設(shè)問“該實(shí)驗(yàn)告訴我們‘影響’的傳遞有什么特點(diǎn)，又是如何證實(shí)‘影響’的存在的”引導(dǎo)學(xué)生對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行剖析，以進(jìn)一步顯化實(shí)驗(yàn)中蘊(yùn)含的對照方法。【任務(wù)三】探究“影響”在尖端下段如何發(fā)揮作用。胚芽鞘尖端產(chǎn)生的“影響”如何使伸長區(qū)兩側(cè)不均勻生長呢？學(xué)生在NB實(shí)驗(yàn)界面上重復(fù)拜爾的實(shí)驗(yàn)操作。學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)操作和直觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，簡要分析后得出結(jié)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(shí)驗(yàn)在怎樣的環(huán)境中進(jìn)行？為什么？”提醒學(xué)生聯(lián)系達(dá)爾文感光實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較分析。相較于教材中示意圖，NB界面能讓學(xué)生直觀地感知拜爾實(shí)驗(yàn)條件的變化，更有利于引導(dǎo)學(xué)生剖析拜爾對實(shí)驗(yàn)變量的控制，以保障實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性?！救蝿?wù)四】探究“影響”的實(shí)質(zhì)。1926年，荷蘭科學(xué)家溫特設(shè)計(jì)并進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)揭示了真相。學(xué)生在NB實(shí)驗(yàn)平臺上重溫溫特的實(shí)驗(yàn)操作。相較于教材上生硬的文字描述和單一的圖片，該NB實(shí)驗(yàn)直觀動態(tài)演示了實(shí)驗(yàn)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(xué)生充分深入地感受溫特實(shí)驗(yàn)的精妙之處。在此基礎(chǔ)上，筆者適當(dāng)拓展，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析“溫特提取到具體的化學(xué)物質(zhì)了嗎？那他是怎樣做出推斷的？”學(xué)生在問題驅(qū)動下認(rèn)真分析操作過程及結(jié)果，梳理溫特實(shí)驗(yàn)的思路，為實(shí)驗(yàn)結(jié)論的得出尋找證據(jù)。筆者進(jìn)行歸納和思維點(diǎn)撥，表明這一結(jié)論的得出，既需要以事實(shí)為依據(jù)進(jìn)行嚴(yán)密的邏輯推理，又需要一定的想象力。教師開展虛擬實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)逼真場景能激發(fā)學(xué)生像科學(xué)家一樣思考問題，而恰當(dāng)引導(dǎo)則能促發(fā)學(xué)生遵循實(shí)驗(yàn)思路深入剖析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，有利于培養(yǎng)學(xué)生邏輯嚴(yán)密和證據(jù)支持的科學(xué)思維核心素養(yǎng)?！救蝿?wù)五】揭示植物生長素的化學(xué)本質(zhì)。溫特不但證實(shí)了“影響”確是一種化學(xué)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(xué)生閱讀教材相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)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(xué)結(jié)構(gòu)圖片，提問“植物生長素與動物激素的化學(xué)本質(zhì)相同嗎”讓學(xué)生比較植物生長素和動物激素的本質(zhì)區(qū)別，進(jìn)一步了解動植物激素的差異。（三）解釋生活現(xiàn)象，歸納科學(xué)概念筆者讓學(xué)生綜合以上研究成果，對胚芽鞘的向光性進(jìn)行解釋，然后利用希沃白板的動畫功能直觀、動態(tài)地為學(xué)生演示胚芽鞘尖端受單側(cè)光照射后植物生長素的運(yùn)輸過程和分布特點(diǎn)，以及下段伸長區(qū)背光側(cè)和向光側(cè)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(jī)理與宏觀結(jié)果?；趧赢嬔菔?，筆者適時歸納植物生長素在調(diào)節(jié)植物生長中的特點(diǎn)，適當(dāng)補(bǔ)充其他植物激素，引導(dǎo)學(xué)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(diǎn)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(shí)例支架。（四）設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，感知科學(xué)本質(zhì)虛擬實(shí)驗(yàn)、媒體演示等為課堂教學(xué)騰出了充裕時間，為教師拓展深化教學(xué)內(nèi)容提供了更大便利。對于植物向光性的內(nèi)在機(jī)理，教師可在詢問學(xué)生疑惑之處的基礎(chǔ)上，甄別、選擇其中有一定探究價值且便于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的問題，要求學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以檢測并進(jìn)一步應(yīng)用在經(jīng)典科學(xué)實(shí)驗(yàn)中習(xí)得的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。例如，某學(xué)生提問：“單側(cè)光照射如何導(dǎo)致植物生長素不均勻分布呢？”筆者要求學(xué)生分析原因：可能是單側(cè)光導(dǎo)致向光側(cè)的植物生長素分解；也可能是單側(cè)光導(dǎo)致植物生長素向背光側(cè)運(yùn)輸……基于以上假說，學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。以往教師常讓學(xué)生以文字表述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，而文字描述更多呈現(xiàn)的是終結(jié)性的結(jié)果，雖有利于檢測學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，但不利于培育實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。為了突顯實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的問題實(shí)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(jié)果的圖塊，要求學(xué)生拖動這些圖塊組合實(shí)驗(yàn)裝置（如圖2）、呈現(xiàn)設(shè)計(jì)思路并展示預(yù)期結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，再要求學(xué)生完整清晰地敘述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，并說出可能的結(jié)果及對應(yīng)的結(jié)論。這種利用圖塊組裝實(shí)驗(yàn)裝置、呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)思路的方法，為抽象的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了具象的參照，有利于引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)之初把握設(shè)計(jì)思路的關(guān)鍵要點(diǎn)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(xué)活動的組織與實(shí)施上。四、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效與反思教師應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)開展科學(xué)史教育成效顯著：一方面為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了生動逼真的實(shí)驗(yàn)場景，有利于學(xué)生親歷科學(xué)家實(shí)驗(yàn)過程；另一方面，改變了單一的講授和演示教學(xué)模式，通過轉(zhuǎn)變師生行為重