科学教育视野下显微镜教学价值的重审:暗视野显微镜

　　摘要　在科学教育的视角下，探讨中小学显微镜教学对于培养学生科学素养、提高科学实验技能中发挥的综合性作用，并提出相关教学建议。 　　关键词　显微镜　科学教育　实验教学
　　中图分类号　G633.91　文献标识码　B
　　
　　综观中小学理科课程可知，显微镜原理与操作的教学地位及其特殊，具有不可替代的教育价值，主要体现在以下三个方面。
　　
　　1　仪器操作教学的首选载体
　　
　　这是显微镜教学的本体价值。由于价格低廉、结构简单、使用安全、维护简便等原因，在中小学阶段，显微镜是目前唯一的、能够做到学生人手一台的实验仪器。其他仪器，如生物学科的PCR仪、恒温培养箱等，虽然技术先进，却价格不菲，一般每个实验室只配备1～2台(甚至不配备)，无法让每一名学生都得到充分的练习操作的机会，或如化学当中的各种实验装置，虽然价格低廉，却都是由各种玻璃器皿组装而成，不属于实验仪器的范畴、过于简单，教学的有效性大打折扣。更毋需提及电泳仪、灭菌器、离心机等存在安全隐患的实验仪器，无论教师还是学生，大多对其望而却步。在目前这样一个“教学载体一元化”的情况下，教师就必须充分利用显微镜教学的时间，不但要把显微镜本身的操作技巧教好、教会，还要深刻挖掘其教育内涵，站在概念教学的高度，将显微镜教学抽象到普遍的、仪器使用技术的层面，让学生在学会使用显微镜以后，对于其他的、未使用过的仪器，也能够在很短的时间内熟悉、熟练。亦即，显微镜教学不但要完成技术素养的任务，还要完成科学素养的任务；在让学生“学会使用”的同时，还要“学会学习”。
　　
　　就显微镜部件的材质而言，显微镜可以分为光学部分(各种透镜、反射镜)和机械部分(各操作部位)两大部分；而就功能而言，又可分为观察、调节和辅助三个部分。故可用表1来展示融合了以上两种分类依据的、显微镜各个部件的分类。
　　在中学阶段，学生不需要深入透彻地了解仪器的细部构造，但将各部分视为“黑箱”，模块化地了解某种仪器以至任何事物的概貌，确实是一种学习能力与习惯的体现。这样一种由具体事实中提取概念，再以概念为指导认识新事物的过程，也是学生受用终身的学习方法。
　　
　　2　科学研究方法的重要代表。
　　
　　显微镜是人们观察和认识微观世界的重要工具，这一点在科学、尤其在生物学当中尤为突出。随着人们认识世界的水平逐渐深入，肉眼的、直观的感知，已经体现出明显的缺点。出于对事物本质组成及属性认知的渴望，人们研究并制造了显微镜。
　　在小学阶段，显微镜大多还是被用来观察“细微”的事物，如花粉粒、蝴蝶翅膀、番茄果肉等。这些观察大多还是为了激发学生认识自然、认识微观世界的兴趣，并且“细微”的定义也并不准确，还没有以细胞、组织、器官等严格的生物尺度划分来界定观察的对象。但是，从酸奶为什么会酸、人为什么会感冒、饭前便后为什么要洗手等一系列的小故事当中，学生已经能够建立这样一个概念：即显微镜是观察微观世界的重要工具，人类的生存与发展离不开它。
　　整个中学阶段，这样的小故事、以及由此建构的关于显微镜技术重要性的概念比比皆是、不断深化，所不同的只是更加规范化、更加深入。如初中阶段，开始观察洋葱表皮、人体口腔上皮细胞，开始观察小肠绒毛以及金鱼尾部的毛细血管。这些都不是简单的观察，而是对细胞、组织、器官乃至个体的、生命不同研究层次的认识。又如，在高中阶段开始观察DNA及RNA的分布，观察叶绿体、线粒体的形态。这不但将显微镜观察深入到了亚细胞水平，而且这类实验有一个共性：对样品的处理。亦即，认识微观世界，只有显微镜是不够的，还要对样品进行特殊的处理，如染色、烘干等。在这一点上，其实高中阶段的显微镜技术与高校中的电子显微镜、荧光显微镜的原理是相通的，都是观察介质(光线或粒子流)与样品本身相互协调的问题。只有将这样的“相通之处”指出来，学生才可能整体把握人类的技术设计思想，从而产生创造力，显微镜作为科学教育的载体才有现实意义。然而，这样一个开启创造力源泉、领悟科学技术实质的契机，并没有被大多数教师所珍惜。其道理不言而喻：教师们普遍关注显微镜所显示的实验现象――现实一些说，就是教材上的、用于考试的知识。对于知识背后的思想，尚待挖掘。
　　
　　3　学科知识融合的典型范例
　　
　　显微镜应用于生物，却是依靠基础的数理思想设计的。在中学阶段，生物课上讲显微镜，物理课上也讲显微镜，那么二者的教育教学价值有何异同?可否相辅相成?最简单地，能不能在物理课上偏重于显微镜的成像原理(几何光学原理)，而在生物课上偏重于应用(显微观察)?这样的问题越来越凸现，无论哪个学科的教师，都无法回避。因为在科学教育理念逐渐深入人心的今天，分科教学即使仍将长期存在，但每一学科的教师也不能指望单一学科能解决其教学中的所有问题。学生越来越“难对付”――在中学阶段，他们既懂生物，又懂物理――在一定的层次上，他们是全才，而教师是偏才。为什么向上推动载玻片，在视野中看到的却是样品向下移动?作为生物教师，只知道现象是不够的，如果不能用几何光学的成像原理给以解释，很容易就会被学生难倒。像这样学科交叉与融合的例子比比皆是。如眼的构造(生物与物理)、蛋白质(生物与化学)、环境保护(生物、化学、地理、物理)。最大程度地激发学生们的科学潜质是各个学科综合作用的结果，而学生将来解决科研、生产生活中的实际问题，更要依靠综合科学素养。显而易见，科学教育是学生科学素养发展的内在要求，但首先是对教师专业发展的时代性挑战。
　　但学科融合却远远不止知识的融合。比如通用技术，寻找技术设计的理想载体是目前通用技术教师所关注的问题。教科书上的自行车、板凳，或过于复杂、或过于简单，尚不完全适合于中学教学。笔者认为，在目前通用技术课程发展的“初级阶段”，既然没有找到技术设计的最佳载体，也就不必强求――不妨允许载体的“多元化”――从其他学科当中寻找一系列的载体。
　　比如，可以设计造型美观小巧、带开关的移动灯――单从物理或技术设计的角度上看，这个“工程”过于简单，没有任何教学价值――但如果考虑到这个移动灯是为了代替中小学显微镜中自然光源(即双面反光镜)而设计的、简易便携的电光源，意义就大不相同了。这样的一个简单改进，能够大大方便显微镜教学，甚至提高显微镜的档次，实为技术设计应用于具体学科领域的典范。由此还可以想见：能否将单目镜改为双目镜?能否加载一个可调节焦距的光学转接口，从而用自己的数码相机、手机就能进行显微拍摄?积少成多，就形成了一个“教学显微镜升级工具包”。单目、自然光源的显微镜，通过技术设计，变成了双目、电光源的高档显微镜，教学价值之大，成就感之大，不言而喻。
　　事实上，从小学到中学，各个学科都有很多关于模型建构的实验课程，如细胞模型、DNA模型、蛋白质表达动态模型等。还有实验装置的改进，如过氧化钠与二氧化碳反应生成氧气的装置、雷雨天气生成硝酸的模拟实验装置等。将通用技术的思想融入各个学科当中，无处不科学，无处不技术，也是科学教育精神之所在。
　　任何一个知识点、一个技能，分科教学是起点，学科融合是归宿。显微镜教学如此，任何教学内容都如此。大多数中学生，在其将来的生活与工作当中是不会用到多少生物学知识与技能的。是否能记住显微镜的结构，是否知道动植物细胞的区别，是否能说出人体骨骼的组成，这些具体的生物学课程内容，不会对他们提高生活质量、增长工作经验产生显著影n向。对于生物教师而言，要时刻考虑一个问题：我们最终能给学生什么?教师给学生的最大财富，应该是以提高科学素养为目标的、生物学科的基本观念，以及由这些观念所提炼的、指导任何行为的哲学思想。例如，学生们可以甚至说应该忘记显微镜的结构(具体的生物学知识)，但他们记住了任何物体、任何系统、以至任何事物都是有结构、有层次的，而且特定的结构与层次都对应于相应的功能或职能。这样，在他们遇到任何新鲜事物、任何问题的时候，都能够由表及里、循序渐进地分析、了解以至解决。从一个个细小的知识点当中渗透具有普遍意义的世界观与方法论，以具体的学科问题的解决为例教给学生解决任何问题的方法，使其终身受益，这是生物教师的理想目标。