当生物科学史遇见数字化，美好的事情发生了（内附精彩微课）| 生物专题

From: 张锋中小学数字化教学 2019-11-23

当前，基于信息技术的教学活动已经从“计算机辅助教学”走向了“信息技术与学科教学深度融合”。大数据、智能化日益影响着基础教育领域的教学行为。真正的数字化学习并不是简单地使教学内容和教学方式与信息技术浅层整合，而应该使教学内容和形式与信息技术深度融合，促进教学质量提升。

一、科学史教学与数字化结合的可行性

01 . 数字化学习方式将被学生广泛接受

数字化教学对基础教育的影响必定是深远的，最主要的标志之一就是“学习者主权变革”：在数字化的教学环境下，学生被动接受式的学习已经不能适合新教学的需求，教师也不再只是教材的演绎者和知识的传播者。从自我发展需要出发，自主选择、规划学习内容，自由选择学习时间、方式，是数字化学习的特性。这种数字化学习的方式逐渐被学生接受。

学生可以通过包括课前诊断在内的各种手段了解自己的学习现状，同时通过完成一系列的进阶任务，实现自我评价和自我知识更新，这也有助于自身的深度学习。教师的作用则是作为学生学习的导师，分析学生的需求，设计教学内容和教学方式，切实降低学生学习负荷，把更多的时间和精力转移到对学生做有针对性和倾向性的指导上，实现以“导”代“教”。

数字化教学正在促进教学从“以教师为中心”向“以学生为中心”转型，并重新定义师生关系。笔者尝试过“翻转课堂”并做了调查，发现有82%的高二学生喜欢翻转课堂这样的教学模式，其中有78%的学生认为其在教育领域有较好的发展前景。

02 . 科学史教学需要教学内容的数字化

虽然数字化学习在形式上被学生广泛接受，但教师还需要对教学内容进行深刻反思：什么样的内容适合在数字化的环境中教学，什么样的内容适合传统情感交流式的教学。这些都是需要教师破解的重要课题。

科学史教学长期处于隐性状态。受教材使用和教学习惯的影响，科学史教学常常用来激发学生的学习兴趣或用于教学过程中的资料分析，处于“润物细无声”的状态，教师无法有效挖掘并获得科学史料中构建科学概念的完整信息链。当然，很多时候教师也没有合适的媒介和平台去挖掘和呈现科学史的相关线索。数字化教学为突破这一教学瓶颈提供了可能。

教师利用数字化教学手段，可以实现对信息内容的深度挖掘、整合，拓展教学内容，及时构建并分享教学资源。

03 . 科学史教学促进学生科学思维发展

科学思维是高中学生核心素养中非常重要的内容，而理解了科学概念并不能代表已经形成了科学思维。更多的时候，学生缺乏对科学本质的深刻理解，而加强科学史教学的目的在于，希望教师在教学中凸显科学概念形成的曲折过程，让学生经历科学家曾经经历的科学探究和科学论证的主要过程和重要事件，并经过归纳概括、模型建模、科学探究和科学论证等训练，发展其科学思维。教师不能让这些内容一直都是隐性的，不能仅让学生自己去领悟，而应该利用数字化的手段让学生能够感知和感受到，这也是科学实践中非常重要的内容。

二、制约科学史教学资源数字化的因素

01 . 教材篇幅限制科学史的讲述

教材作为教学活动的重要工具，是学校教育教学工作的核心资源。学习活动是学生与教材“对话”的过程，要拉近教材与教学目标的距离，就要求教师对教材进行研究、解释、补充和完善，为“对话”过程和知识的建构提供支持。若想有效突破教材的篇幅和知识深度的限制，特别是对于科学史的相关内容的教学，教师需要对教材内容进行适当处理，根据教学实际进行适当补充或拓展。

利用数字化的教学资源能够弥补教师在拓展教学内容时的种种不足，诸如讲述时间过长、史料篇幅太大、信息来源不可靠等。网络化的分享机制能够帮助教师获取相关的教学资源，甚至可以通过学生参与科学史教学的资料收集和讲述过程，采取翻转课堂的教学方式，让学生时时学习、处处学习。

02 . 师生对科学史料的分析能力亟待提升

促进学生科学思维等高阶思维发展，需要教师对教学进行精细化的设计并让学生自主探究学习。教师对科学史料的分析与提炼能力不仅直接影响教学质量，而且影响学生科学思维的发展。目前，科学史教学现状不容乐观，教师将科学史与课程、教学内容分离，无法充分挖掘科学史内容。此外，教师开展科学教育的态度不够积极，能力储备也不够??这种局面迫切需要改变。

我们应将生物科学史作为课程与教学内容融合的有机体，这样不仅可以锻炼学生在科学史料的信息收集和处理方面的能力，以及探究和分析的能力，培养学生的推理、归纳能力以及逻辑思维和创造力，还能使学生养成不畏艰险、持之以恒的科学精神。

03 . 数字化资源“分享开放”的特征亟待凸显

数字化不仅仅是网络化和电子化，更是分享机制和开放精神的体现。大数据、智能化的时代已经来临，学校该如何优化学科教学以应对时代变革？这是摆在每个教育教学工作者面前的首要问题。与其说科学史教学需要这样的分享与开放机制，不如说所有的教学活动，包括教学内容、形式、工具等都需要具有开放和分享的特征。教师应该在教学中鼓励学生参与教学资源的构建。例如，在科学史教学中，我们就鼓励学生参与制作基于科学史的微课，并要求他们合作学习，尝试对科学史上重大的科学发现进行猜想和论证，寻找科学发展中至关重要的蛛丝马迹。

三、科学史数字化教学的有效策略及案例分析

01 . 以数字化还原科学史实验

“通过神经系统的调节”一节为高中生物学必修三的重要内容。对于“神经调节的过程”这样比较晦涩难懂的知识，学生很难有直观的认识，只能死记硬背。我们可以用科学史增加该节课内容的趣味性和逻辑性，将科学史的实验以数字化的形式呈现，循序渐进地让学生理解科学理论。在教学实践中，我们已将神经调节发现史中的三个经典实验录制成微课（点击看微课“神经调节大事记”）。

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1780年，意大利的解剖学家伽伐尼在做青蛙解剖实验时，无意中把手术刀接触到暴露在外面的青蛙腿部神经，蛙腿瞬间发生了强直的痉挛，旁边的起电机上也放出了火花。经过了11年反复实验，他发现兴奋传导实际上是一种生物电现象。伽伐尼发现了“生物电”。

1939年，英国的两位科学家赫胥黎和霍奇金发现枪乌贼的巨大神经纤维轴突直径可达1毫米，被插入微小的电极后而不见损坏。他们将研究结论公之于众，展现了一个电信号在神经细胞中的旅程，并阐明了神经兴奋的机理。1963年，这两位科学家凭此获得了诺贝尔奖。

1844年，德国的一位生理学家缪勒断言神经传导速度与光速接近，无法测量。然而，6年之后，他的学生德国的生理学家和物理学家——时年31岁的亥姆霍兹设计了一个简单的实验，成功地测出了神经传导速度。

教师讲解科学史的经典实验，能够帮助学生建立一定的感性认知，但不足以引发学生深刻理解。为了促进学生科学思维发展，需要对科学史实验进行数字化处理，还原科学史实验，体现科学本质。

配合微课，我们让学生用锌铜弓去刺激蛙的坐骨神经，让他们通过视频观看神经标本及其受刺激后的反应，学习神经实验方法。在介绍生物电的过程中，我们将坐骨神经连接专用的神经盒，以点击鼠标产生声音的方式输入刺激信号，同时将信号传输至电脑，用微电流感受器和生物电感受器两种传感器来呈现信号的变化。我们使用物理的微电流感受器以最小的量程来测量，其结果用表盘显示。我们用生物电感受器显示电位变化，观察峰电位以及数值变化。只要鼠标点击刺激坐骨神经标本，我们就可以直观地看到腓肠肌收缩。与此同时，两个传感器都记录了结果：物理微电流感受器表盘发生两次反向偏转，生物电感受器记录纵坐标两侧到了峰值电位（点击看微课“微电流感受器”）。我们用直观的影像以及数据呈现抽象、难理解的知识，让学生从机械背诵转到真正去理解，理解科学的含义，提升科学思维能力。

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02 . 可视化科学史翻转教学

“DNA是主要遗传物质”是高中生物学必修二的重要内容。这节课是以科学史为主线，核心是对遗传物质发现的过程进行分析，最终得出DNA是主要遗传物质的结论，但是教材中的内容并没有完整地还原科学史上的论证过程。我们用翻转教学的形式让学生查阅资料、制作微课，了解科学史上的争论，让他们感受到科学发展的曲折性和科学知识的暂定性、建构性。

课前学生参与制作两个微课视频：一个是“遗传物质的争论”（讨论遗传物质是蛋白质还是DNA，讲解这部分扩展内容的目的是帮助学生理解遗传物质的特性）；另一个是“噬菌体的‘自我介绍’”（将噬菌体拟人化，以第一人称讲解噬菌体的结构和繁殖方式，意在导入知识，增强课程趣味性）。

课前，我们将知识要点、观看视频的网址、练习题等学习任务单给学生，让他们使用教材进行预习，在云端进行讨论并完成课前练习，观看科学史视频。同时，我们还鼓励学有余力的学生组成学习小组制作科学史微课（点击看微课“DNA是主要遗传物质”）。

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课堂上，结合教材教学解决一些个性化的问题。通过问卷星网络平台，收集学生的共性问题。课堂上教师把问题列出来讲解，让学生在课前云端学习的基础上，先进行小组内的问题讨论，再进行小组之间的交流，突破难点，如有必要教师最后进行补充。分析的重点落在：提出肺炎双球菌的进阶实验是否需要加入DNA酶，噬菌体侵染实验的标记方法以及上清液和沉淀物的标记是如何来的，噬菌体侵染实验子代噬菌体标记状况。在解决这些重点和难点问题的过程中，教学的有效性得以提高。我们以科学史概念为主线，实现了教学目标。难点解决后随即在课堂上进行进阶训练：学生以手机为媒介登录教师提供的进阶练习的网址进行练习。后台直接统计出答题数据，教师找出共性问题加以讲解，让学生进行深入的概念学习，特别是让学生真正理解“DNA是主要遗传物质”。

四、讨论

01 . 数字化资源应用对学生学习客观负荷的影响

对于热衷参与数字化学习的学生而言，尽管数字化资源的发掘和应用不会存在太大的精神负担，但其在学生短暂而又紧迫的高中学习生涯中，无疑会增加了他们的客观负荷。在参与数字化学习的过程中，学生需要更多地学习跨学科核心概念并提高学习力。因此，学习客观负荷转化较好的学生能够在学习上更上一层楼，而转化能力稍弱的学生对生物学学习的兴趣会明显降低，以致学习力下降。

所以在进行数字化科学史教学的过程中，我们急需有一套科学的量表来了解和解释学生的学习客观负荷，以便我们及时调整教学行为。

02 . 数字化后的科学史内容应易于整合和拆分

科学的发展由于其暂定性和建构性的特点，导致很多的科学研究和发现之间存在着或多或少的关联。近400年生物科学的迅猛发展得益于数学、物理、化学等学科的发展，也得益于生物学家的不懈努力。前人的研究成果常常是后人进一步论证和探究的基础，因此科学发展具有一定的脉络。数字化资源是需要不断补充和完善的，笔者建议将这些科学史的数字化资源积件化，进行合理整合或拆分，甚至可以让学生从积件库中寻找自己所需要的科学史料，分析科学发展的过程。这也是帮助学生形成科学思维的重要途径。

(作者系福建省普通教育教学研究室教研员)

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