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基于虚拟实验的生物科学史教育

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课标”）强调，教师引导学生学习生物科学史，能使其沿着科学家的探索道路，理解科学本质和科学研究的思路与方法，领悟科学家精神。然而，受实验材料的特殊性、操作的复杂度以及安全风险等因素影响，一些经典实验难以在课堂教学中重现，限制了科学史教育的深入发展。如何突破？教师可以利用信息技术重现科学家的探究实验，让学生亲历探究过程，深化对科学原理与方法的理解。以“植物生长素的发现过程”为例，笔者整合多位科学家的经典实验，构建任务链群，应用虚拟实验等技术，设计沉浸式教学方案，优化生物科学史教育并创新实施路径，以有效提升学生的科学思维与探究能力。

一、虚拟实验助力科学史教育的意义

开展生物科学史教育对于理解科学的本质和科研的思路方法，弘扬科学家精神，是很有意义的。生物科学史是提高学生生物学核心素养的良好载体：不仅展现了科学家探索生命现象及规律的接续奋斗，为学生学习探究方法提供了典范，而且蕴含了科学研究与发展的科学本质知识[1]。然而，一些经典科学实验由于存在实验材料特殊、技术要求过高、操作难度过大、实验周期过长、损耗成本过高以及安全风险等问题而难以在中学重现，这无疑限制了生物科学史教育价值的充分发挥。教师借助虚拟实验开展生物科学史教育，能够很好地解决以上问题。师生开展虚拟实验，往往不需要普通意义上的实验仪器和材料，而是利用虚拟的仿真平台及其相关技术和信息化环境，更注重实验操作的交互性和实验结果的仿真性。教师借助虚拟实验开展科学史教育，既能避免某些实验因环境和技术因素受限，模仿呈现真实的实验操作过程和实验现象[2]，又省却了繁多的实验准备及操作工作。不像传统实验对时空条件有要求，虚拟实验可腾出空间让学生感悟科学原理和方法，剖析科学史中蕴含的科学内涵和人文价值。笔者以“植物生长素的发现过程”为例，探索运用NOBOOK虚拟实验（以下简称“NB实验”）、希沃白板开展科学史教育的基本策略与实施路径。

二、虚拟实验辅助科学史教育的思路

（一）教学目标的确立

教师运用虚拟实验开展科学史教育，不但要着眼于科学结论的得出和对科学原理的理解，还要利用虚拟实验的优势充分挖掘科学史背后蕴含的科学本质和科学方法，以真实丰富的实验情境和全面充足的时空条件赋能学生核心素养发展。植物生长素是较早被人类发现的激素。人类发现生长素经历了半个多世纪的历程，得益于几代科学家的研究和努力。本课例，笔者从中选择了多个经典实验，经过删减与整合，既能呈现科学家发现问题、解决问题的清晰思路，又能完整地体现科学研究的一般过程与方法特点，有助于课堂教学中虚拟实验的深入开展。由此确定本课教学目标：①借助NB实验跟随科学家逐步发现植物生长素的研究脚步，发展“提出问题、重视实证、合理想象”的科学思维，领悟科研与发展的科学本质观念；②利用希沃白板、课堂助手的克隆和传屏等功能，设计实验探究“单侧光引发植物生长素不均匀分布的内在机制”，发展“设计实验方案、预期实验结果、基于证据符合逻辑地得出结论”的探究能力和思维水平，初步了解光照与植物生长素在植物生命活动调节中的作用，建立生命信息观念。

（二）教学思路

教师开展科学史教育要以科学原理的发现历程为主线，挖掘和梳理不同研究实验的内在关联，构建循序渐进、环环相扣的任务链群，借助虚拟实验呈现逼真的场景，引领学生追随科学家的脚步，体验经典实验的精巧设计与科学探究的过程方法，培育逻辑严密、证据支持的科学思维和追求真理的科学精神，揭示科学研究的本质特征。

笔者根据学生实际情况设计单元目标，确定“任务驱动，技术支持”的教学策略（如图1）。①任务驱动：遵循“提出问题—追寻历史—解释现象—探索未知”的认知规律设计教学环节，确定“植物为什么会弯曲向光源生长—植物胚芽鞘的感光部位在哪里—尖端产生的‘影响’如何传递—‘影响’在尖端下段如何发挥作用—这种‘影响’是什么—植物生长素的化学本质是什么—植物向光性的内在机制是什么”的任务链群，有序组织课堂教学活动，铺设学生追随达尔文和温特等科学家研究脚步的思维路径，引导他们探寻植物生长素的发现过程、化学本质等，最终揭示植物向光性的原因。②技术支持：利用NB实验资源模拟多位科学家的研究实验，让学生沉浸体验实验过程、直观观察实验现象、分析实验结果；应用希沃白板和课堂助手，创设探究单侧光影响植物生长素分布的实验场景，使得教学过程聚焦在严密设计实验和寻找证据支持等能力的培育上。

三、运用虚拟实验实施科学史教育

（一）创设生活情境，引入学习主题

人类社会对科学概念的深入了解，始于科学家对日常生活现象的接续研究，植物生长素的发现亦然。笔者播放在不同方向单侧光照射下菜豆幼苗生长方向改变的视频，借助延时拍摄、加速播放的视频效果，直观集中地展现了植物向光生长的现象，