新课程改革2015年第7/8期
日本教材中有关生长素发现的经典实验分析
章
青
江苏省苏州实验中学（215011）湖南省长沙市第一中学（410005）
进行的实验，结果证明了胚芽鞘尖端产生的“影响”确实可以通过琼脂片传递给下部。
向光弯曲光
光
胚芽鞘
切除胚芽鞘尖端
不弯曲
杨型会
生物科学史是生物科学的重要组成部分，是生物科学家研究成果与思维方法的精髓，是对生物科学的发生和发展过程的高度提炼。生物学史所提供的生物科学知识，揭示了在生物科学的发展中，生物学家对研究方法的完善过程，以及科学发展的不断深化过程，并以无形的力量影响我们的情感、态度和价值观。从生物科学史引入生物学教材以来，随着教材的不断改版，生物科学史在教材中的比重不断增加。但教材在处理科学史的时候选取的经典实验是否具有代表性，是否能够体现科学思维方法，是值得我们研究的。日本现行高中生物教材在处理科学史知识时与中国某些教材有区别，值得我们参考。下面笔者以生长素发现的科学史内容来说明。
一、日本教材中生长素发现过程的相关实验日本教材在有关生长素的发现内容中，选取了几个代表性的经典实验，有些实验与中国某些教材相同，但有的实验有区别。
图1实验图图2实验图
尖端套上不不弯曲透光小帽光
光
尖端套上向光透光小帽弯曲
图3
实验图
图4
实验图
1．达尔文的实验。19世纪末，达尔文用燕麦胚芽鞘进行了下列实验（其中图1与图2在中国教材中也常见，但图3与图4的实验是中国教材没有的。在
该实验中给尖端遮光与照光的处理值得我们借鉴）：一组尖端套上不透光小帽遮光，对照实验是尖端套上透光小帽，一段时间后，遮光组直立生长，照光组弯向光源生长。显然，这种处理更加符合对照实验的原则，处理的部位相同，只是照光条件不同。
图5
实验图
光
图6
实验图
琼脂块
2．詹森的实验。1913年詹森（B.Jensen ）实验，詹森在实验中用琼脂片、云母片进行实验。图5、图6、图7是用云母片进行的一组3个实验，实验说明云
母片可以阻止尖端产生的“影响”向下运输，也可以阻止尖端产生的“影响”横向运输。图8是用琼脂片仍不容忽视，需要实践者有更大的勇气和更多的智慧。化学课程教学研究永远只有进行时, 需要各层级研究人员的全力参与和通力合作，需要不断提升学习研究的针对性，使研究科学、人文、有效并具有实
图7
实验图图8实验图
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
践的可操作性。要多一些研究前的理性思考和实践后的反思，使研究始终把握理念准确、方法科学和有高效能的正确目标方向，以不断开启课程改革新常态下化学教育、教学研究的新篇章。
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2015年第7/8期
SHIYANJIAOXUEYUYIQI
新课程改革
3．拜尔的实验。1914年拜尔（A.Paal ）实验证明，
胚芽鞘的弯曲生长是由其顶尖产生的物质在下端不均匀分布造成的，这与中国教材中的实验相同。
而现行中国教材中的处理方法是用处理尖端与尖端下部的对照，这样，就没有排除尖端套上小帽本身是否影响生长素的产生或运输，也不符合单一变量原则，缺少说服力。
4．温特的实验。1926年温特（F.went ）用胚芽鞘与琼脂片进行了相关实验。图9实验是将放过胚芽鞘
尖端的琼脂块，放在切除尖端的胚芽鞘的一侧，结果向另一侧弯曲生长，说明胚芽鞘的尖端确实产生了某种物质，并从尖端运输到下部，能促使胚芽鞘下面某些部分的生长。图10所示的实验是胚芽鞘尖端数目与胚芽鞘弯曲度的实验。图11所示实验表明生长素浓度与弯曲度的关系，该实验表明在一定范围内，胚芽鞘的弯曲度与生长素浓度成正比。温特认为这可能是和动物激素类似的物质，并把这种物质命名为生长素。
2．增加了云母片处理实验。荷兰植物学家詹
森进一步研究达尔文父子所提出的化学信号假说。他在尖端与其下部之间插入了一小片明胶，使两者的细胞不能接触，但化学物质可以扩散过去，结果发生正常的向光弯曲。假如用云母片代替明胶片，则不能发生向光弯曲。这些实验支持了化学信号的假说。
詹森的实验应用了云母片处理胚芽鞘，这样，就可以通过阻止生长素的运输来反证生长素的运输方向。将云母片插入胚芽鞘尖端向光侧结果向光弯曲，将云母片插入胚芽鞘尖端背光侧，结果向背光侧弯曲，将云母片插入胚芽鞘尖端的中央，即使单方向光照结果也直立生长，从而证明了尖端产生的“影响”需要向下运输与横向运输。这样，就可以进一步解释向光性的原因，即尖端产生的物质在单侧光照射下
琼脂块
图9实验图
弯曲角度
向背光侧转移，并且向下运输到尖端的下部，促进尖端下部的生长。他的一个精巧之处就是采用了云母片来处理胚芽鞘，他的作法是，在胚芽鞘背光面插入一云母片，便没有向光性发生；但如果在受光面插人云母片，向光性弯曲就仍然会发生。实验证明了这种刺激是从胚芽鞘的背光一面传递下去的，并且能够通过伤口传递。
然而，现有中国教材由于没有云母片处理实验，仅有切去胚芽鞘尖端和使用琼脂片后导致胚芽鞘尖端弯曲的一组对照实验示意图，去尖端与不去尖端构成对照、放置琼脂片与不放置琼脂片构成对照，一个对照实验存在两个变量，明显违背对照实验的单一变量原则，同时，由于“断章取义”导致逻辑关系链的断裂，不能准确反映詹森当年的实验过程及推论，导致一线教师在教学实践中很难把握实验结果与胚芽鞘尖端产生的“影响”可以通过琼脂片传递给下部的这一结论。中国教材的这种处理明显是偏颇的。
琼脂块
图10
20°弯曲角度
实验图
10°
00.10.20.30.4
生长素浓度/mg·L -1
3．增加了生长素浓度与胚芽鞘弯曲度实验。温
特利用了不同数量胚芽鞘尖端放在琼脂块上进行胚芽弯曲度实验，在该实验中是用不同数目的胚芽鞘尖端放在琼脂块上，然后用放过尖端的琼脂块放在切除尖端的胚芽鞘的一侧，测定胚芽鞘弯曲度，从而确定在一定范围内随着生长素浓度升高弯曲度加大，从而证明了尖端产生的生长素确实能够促进生长，并且促进生长的作用与生长素浓度有关。当然，
图11实验图象
二、对日本教材中几个实验的分析
1．遵循单一变量原则。在达尔文的向光性实验
中，采用了不透光的小帽与透光的小帽进行实验，这就充分体现了对照实验的单一变量原则，并且无关变量控制到位。同样是尖端部位的处理，完全排除了无关变量的影响，更为科学合理。·14·
新课程改革
在该实验中生长素浓度不会过高，因为所用琼脂块中的生长素是来自胚芽鞘尖端的扩散，在一块琼脂块上放一个尖端、两个尖端进行实验，虽然两个尖端放在一个琼脂块上的生长素浓度比放一个尖端的浓度高，但由于尖端不能重叠，只能单层放置，其浓度不会超过正常胚芽鞘中的生长素浓度。
三、日本教材中的实验给我们的启示
2015年第7/8期
介质继续发挥功能，同样可以通过云母片阻止某种物质的通过；拜尔的演绎推理是如果胚芽鞘的尖端真的能产生某种物质，它的分布不均匀造成胚芽鞘的弯曲生长；温特的演绎推理是如果胚芽鞘真的能产生某种物质，这种物质就能够转移到琼脂块中，继续发挥促进生长的作用，并且在一定范围内生长素浓度越高促进生长的作用越强，弯曲度越大。他们分别应用了云母片实验与胚芽鞘弯曲度实验，检验了自己的演绎推理，证明了他们的演绎与推理是正确的，最终证明达尔文假说的正确性。日本教材中的实验是严格按照假说—演绎的方法设计的，实验设计与假说密切相关，从而使整个研究过程科学严谨。
1. 重视科学观察与实验的结合。科学观察是指
在自然界中，人类对自然现象进行摄取、描述和记载的一种科学研究手段。人们在很久以前，就观察到了植物的向光性，如向日葵，但人们没有将观察现象与实验探索结合起来，人们对植物向光性这种现象没有对其发生的条件、机理等进行深入研究，直到1880年，达尔文根据观察到的实验现象设计了一个严谨的实验来探究其中的奥秘。实验通过控制无关变量，设置对照组和实验组，研究自变量与因变量间的关系，从而更有利于揭示自然规律，并且可以重复进行探究。达尔文实验的精妙之处在于严格控制了无关变量，在实验中设置了单一变量。达尔文在实验中设置了对照组和实验组，创造性地控制胚芽鞘生长的条件，如尖端套上透光与不透光小帽，从而揭示胚芽鞘向光性与其尖端是否有单侧光照射有关。
3. 重视实验设计的科学性。所谓实验设计的科
学性，是指实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料选择要合理，实验过程设计要严谨，整个设计过程的确定都不能偏离生物学基本原理以及科学实验的基本原则。实验过程要符合客观规律，过程设计必须科学，符合逻辑性。日本教材中的生长素发现实验，从达尔文实验的假说开始，到后来的科学家在不断探索尖端的“影响”是什么？是如何传递的？作用是什么？整个实验设计一环扣一环，如詹森实验中的云母片处理胚芽鞘，只有这样，才能确定“影响”是从背光侧向下运输的。同样，在达尔文实验中，一个尖端遮光，一个在尖端下面遮光，显然不符合单变量原则。温特实验中将不同浓度的生长素进行胚芽弯曲度实验，从而证明了不同浓度生长素促进生长的效果不同，这也是一种定量分析，使得结果更可靠。由此看出，这里的实验结论都是用实验来说明的，而不只是停留在假说上。而在中国教材中没有通过实验证明就说单侧光照射使“影响”向背光侧转移，这是对科学史经典实验的断章取义，这样做不是用实验来证明，而是随心所欲，有违科学性。
从达尔文首先对植物向光性进行科学实验开始，到生长素的分离与鉴定，植物生长素的发现经历了60多年的历程。学习生长素的发现史，我们不能仅仅停留在对经典实验的逐一分析上，而是要以科学方法为主线，引导学生去质疑、思考、探究和创造。笔者认为，日本教材较为完整地反映了生长素的发现过程，而且逻辑关系更为严谨，学生使用这样的教材收获会更大。我们如果能够结合中国教材中的实验让学生分析其中的不足之处，提出合理的设想，然后再介绍日本教材中的相关实验，就不仅能使生长素发现史的学习更加科学，而且能够提高学生的科学探究能力。
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2．重视逻辑推理的严密性。即指按照预先设定，
对某种现象进行的解释，根据已知的科学事实和科学原理，对所研究的自然现象及其规律性提出推测和说明，而且数据经过详细的分类、归纳与分析，得到一个暂时性且可以被接受的解释。任何一种科学理论在未得到实验确证之前表现为假设学说或假说。达尔文根据实验现象提出“胚芽鞘的尖端不仅具有感光作用，而且能够产生某种物质，在单侧光照射下向背光侧转移，并从顶端向其下部运输，造成背光面比向光面生长快，而出现向光弯曲生长现象”的假说。这个假说是达尔文对胚芽鞘向光性实验的解释，同时对其他科学家的研究起到了导向作用。詹森、拜尔、温特等学者都是依据这一假说作为研究方向，从不同的角度验证了达尔文的这个假说是正确的。
演绎又称演绎推理，是指人们以一定的反映客观规律的理论认识为依据，从服从该认识的已知部分推知事物未知部分的思维方法，演绎法是认识“隐性”知识的方法。在科学研究中，演绎法常常与假说法共同使用，称为假说—演绎法。生长素的发现过程实际上就是应用了假说—演绎法，达尔文根据植物向光性实验提出了假说，詹森的演绎推理是如果胚芽鞘的尖端真的能产生某种物质，该物质就可以透过琼脂
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日本教材中有关生长素发现的经典实验分析
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江苏省苏州实验中学（215011）湖南省长沙市第一中学（410005）
进行的实验，结果证明了胚芽鞘尖端产生的“影响”确实可以通过琼脂片传递给下部。
向光弯曲光
光
胚芽鞘
切除胚芽鞘尖端
不弯曲
杨型会
生物科学史是生物科学的重要组成部分，是生物科学家研究成果与思维方法的精髓，是对生物科学的发生和发展过程的高度提炼。生物学史所提供的生物科学知识，揭示了在生物科学的发展中，生物学家对研究方法的完善过程，以及科学发展的不断深化过程，并以无形的力量影响我们的情感、态度和价值观。从生物科学史引入生物学教材以来，随着教材的不断改版，生物科学史在教材中的比重不断增加。但教材在处理科学史的时候选取的经典实验是否具有代表性，是否能够体现科学思维方法，是值得我们研究的。日本现行高中生物教材在处理科学史知识时与中国某些教材有区别，值得我们参考。下面笔者以生长素发现的科学史内容来说明。
一、日本教材中生长素发现过程的相关实验日本教材在有关生长素的发现内容中，选取了几个代表性的经典实验，有些实验与中国某些教材相同，但有的实验有区别。
图1实验图图2实验图
尖端套上不不弯曲透光小帽光
光
尖端套上向光透光小帽弯曲
图3
实验图
图4
实验图
1．达尔文的实验。19世纪末，达尔文用燕麦胚芽鞘进行了下列实验（其中图1与图2在中国教材中也常见，但图3与图4的实验是中国教材没有的。在
该实验中给尖端遮光与照光的处理值得我们借鉴）：一组尖端套上不透光小帽遮光，对照实验是尖端套上透光小帽，一段时间后，遮光组直立生长，照光组弯向光源生长。显然，这种处理更加符合对照实验的原则，处理的部位相同，只是照光条件不同。
图5
实验图
光
图6
实验图
琼脂块
2．詹森的实验。1913年詹森（B.Jensen ）实验，詹森在实验中用琼脂片、云母片进行实验。图5、图6、图7是用云母片进行的一组3个实验，实验说明云
母片可以阻止尖端产生的“影响”向下运输，也可以阻止尖端产生的“影响”横向运输。图8是用琼脂片仍不容忽视，需要实践者有更大的勇气和更多的智慧。化学课程教学研究永远只有进行时, 需要各层级研究人员的全力参与和通力合作，需要不断提升学习研究的针对性，使研究科学、人文、有效并具有实
图7
实验图图8实验图
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
践的可操作性。要多一些研究前的理性思考和实践后的反思，使研究始终把握理念准确、方法科学和有高效能的正确目标方向，以不断开启课程改革新常态下化学教育、教学研究的新篇章。
·13·
2015年第7/8期
SHIYANJIAOXUEYUYIQI
新课程改革
3．拜尔的实验。1914年拜尔（A.Paal ）实验证明，
胚芽鞘的弯曲生长是由其顶尖产生的物质在下端不均匀分布造成的，这与中国教材中的实验相同。
而现行中国教材中的处理方法是用处理尖端与尖端下部的对照，这样，就没有排除尖端套上小帽本身是否影响生长素的产生或运输，也不符合单一变量原则，缺少说服力。
4．温特的实验。1926年温特（F.went ）用胚芽鞘与琼脂片进行了相关实验。图9实验是将放过胚芽鞘
尖端的琼脂块，放在切除尖端的胚芽鞘的一侧，结果向另一侧弯曲生长，说明胚芽鞘的尖端确实产生了某种物质，并从尖端运输到下部，能促使胚芽鞘下面某些部分的生长。图10所示的实验是胚芽鞘尖端数目与胚芽鞘弯曲度的实验。图11所示实验表明生长素浓度与弯曲度的关系，该实验表明在一定范围内，胚芽鞘的弯曲度与生长素浓度成正比。温特认为这可能是和动物激素类似的物质，并把这种物质命名为生长素。
2．增加了云母片处理实验。荷兰植物学家詹
森进一步研究达尔文父子所提出的化学信号假说。他在尖端与其下部之间插入了一小片明胶，使两者的细胞不能接触，但化学物质可以扩散过去，结果发生正常的向光弯曲。假如用云母片代替明胶片，则不能发生向光弯曲。这些实验支持了化学信号的假说。
詹森的实验应用了云母片处理胚芽鞘，这样，就可以通过阻止生长素的运输来反证生长素的运输方向。将云母片插入胚芽鞘尖端向光侧结果向光弯曲，将云母片插入胚芽鞘尖端背光侧，结果向背光侧弯曲，将云母片插入胚芽鞘尖端的中央，即使单方向光照结果也直立生长，从而证明了尖端产生的“影响”需要向下运输与横向运输。这样，就可以进一步解释向光性的原因，即尖端产生的物质在单侧光照射下
琼脂块
图9实验图
弯曲角度
向背光侧转移，并且向下运输到尖端的下部，促进尖端下部的生长。他的一个精巧之处就是采用了云母片来处理胚芽鞘，他的作法是，在胚芽鞘背光面插入一云母片，便没有向光性发生；但如果在受光面插人云母片，向光性弯曲就仍然会发生。实验证明了这种刺激是从胚芽鞘的背光一面传递下去的，并且能够通过伤口传递。
然而，现有中国教材由于没有云母片处理实验，仅有切去胚芽鞘尖端和使用琼脂片后导致胚芽鞘尖端弯曲的一组对照实验示意图，去尖端与不去尖端构成对照、放置琼脂片与不放置琼脂片构成对照，一个对照实验存在两个变量，明显违背对照实验的单一变量原则，同时，由于“断章取义”导致逻辑关系链的断裂，不能准确反映詹森当年的实验过程及推论，导致一线教师在教学实践中很难把握实验结果与胚芽鞘尖端产生的“影响”可以通过琼脂片传递给下部的这一结论。中国教材的这种处理明显是偏颇的。
琼脂块
图10
20°弯曲角度
实验图
10°
00.10.20.30.4
生长素浓度/mg·L -1
3．增加了生长素浓度与胚芽鞘弯曲度实验。温
特利用了不同数量胚芽鞘尖端放在琼脂块上进行胚芽弯曲度实验，在该实验中是用不同数目的胚芽鞘尖端放在琼脂块上，然后用放过尖端的琼脂块放在切除尖端的胚芽鞘的一侧，测定胚芽鞘弯曲度，从而确定在一定范围内随着生长素浓度升高弯曲度加大，从而证明了尖端产生的生长素确实能够促进生长，并且促进生长的作用与生长素浓度有关。当然，
图11实验图象
二、对日本教材中几个实验的分析
1．遵循单一变量原则。在达尔文的向光性实验
中，采用了不透光的小帽与透光的小帽进行实验，这就充分体现了对照实验的单一变量原则，并且无关变量控制到位。同样是尖端部位的处理，完全排除了无关变量的影响，更为科学合理。·14·
新课程改革
在该实验中生长素浓度不会过高，因为所用琼脂块中的生长素是来自胚芽鞘尖端的扩散，在一块琼脂块上放一个尖端、两个尖端进行实验，虽然两个尖端放在一个琼脂块上的生长素浓度比放一个尖端的浓度高，但由于尖端不能重叠，只能单层放置，其浓度不会超过正常胚芽鞘中的生长素浓度。
三、日本教材中的实验给我们的启示
2015年第7/8期
介质继续发挥功能，同样可以通过云母片阻止某种物质的通过；拜尔的演绎推理是如果胚芽鞘的尖端真的能产生某种物质，它的分布不均匀造成胚芽鞘的弯曲生长；温特的演绎推理是如果胚芽鞘真的能产生某种物质，这种物质就能够转移到琼脂块中，继续发挥促进生长的作用，并且在一定范围内生长素浓度越高促进生长的作用越强，弯曲度越大。他们分别应用了云母片实验与胚芽鞘弯曲度实验，检验了自己的演绎推理，证明了他们的演绎与推理是正确的，最终证明达尔文假说的正确性。日本教材中的实验是严格按照假说—演绎的方法设计的，实验设计与假说密切相关，从而使整个研究过程科学严谨。
1. 重视科学观察与实验的结合。科学观察是指
在自然界中，人类对自然现象进行摄取、描述和记载的一种科学研究手段。人们在很久以前，就观察到了植物的向光性，如向日葵，但人们没有将观察现象与实验探索结合起来，人们对植物向光性这种现象没有对其发生的条件、机理等进行深入研究，直到1880年，达尔文根据观察到的实验现象设计了一个严谨的实验来探究其中的奥秘。实验通过控制无关变量，设置对照组和实验组，研究自变量与因变量间的关系，从而更有利于揭示自然规律，并且可以重复进行探究。达尔文实验的精妙之处在于严格控制了无关变量，在实验中设置了单一变量。达尔文在实验中设置了对照组和实验组，创造性地控制胚芽鞘生长的条件，如尖端套上透光与不透光小帽，从而揭示胚芽鞘向光性与其尖端是否有单侧光照射有关。
3. 重视实验设计的科学性。所谓实验设计的科
学性，是指实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料选择要合理，实验过程设计要严谨，整个设计过程的确定都不能偏离生物学基本原理以及科学实验的基本原则。实验过程要符合客观规律，过程设计必须科学，符合逻辑性。日本教材中的生长素发现实验，从达尔文实验的假说开始，到后来的科学家在不断探索尖端的“影响”是什么？是如何传递的？作用是什么？整个实验设计一环扣一环，如詹森实验中的云母片处理胚芽鞘，只有这样，才能确定“影响”是从背光侧向下运输的。同样，在达尔文实验中，一个尖端遮光，一个在尖端下面遮光，显然不符合单变量原则。温特实验中将不同浓度的生长素进行胚芽弯曲度实验，从而证明了不同浓度生长素促进生长的效果不同，这也是一种定量分析，使得结果更可靠。由此看出，这里的实验结论都是用实验来说明的，而不只是停留在假说上。而在中国教材中没有通过实验证明就说单侧光照射使“影响”向背光侧转移，这是对科学史经典实验的断章取义，这样做不是用实验来证明，而是随心所欲，有违科学性。
从达尔文首先对植物向光性进行科学实验开始，到生长素的分离与鉴定，植物生长素的发现经历了60多年的历程。学习生长素的发现史，我们不能仅仅停留在对经典实验的逐一分析上，而是要以科学方法为主线，引导学生去质疑、思考、探究和创造。笔者认为，日本教材较为完整地反映了生长素的发现过程，而且逻辑关系更为严谨，学生使用这样的教材收获会更大。我们如果能够结合中国教材中的实验让学生分析其中的不足之处，提出合理的设想，然后再介绍日本教材中的相关实验，就不仅能使生长素发现史的学习更加科学，而且能够提高学生的科学探究能力。
·15·
2．重视逻辑推理的严密性。即指按照预先设定，
对某种现象进行的解释，根据已知的科学事实和科学原理，对所研究的自然现象及其规律性提出推测和说明，而且数据经过详细的分类、归纳与分析，得到一个暂时性且可以被接受的解释。任何一种科学理论在未得到实验确证之前表现为假设学说或假说。达尔文根据实验现象提出“胚芽鞘的尖端不仅具有感光作用，而且能够产生某种物质，在单侧光照射下向背光侧转移，并从顶端向其下部运输，造成背光面比向光面生长快，而出现向光弯曲生长现象”的假说。这个假说是达尔文对胚芽鞘向光性实验的解释，同时对其他科学家的研究起到了导向作用。詹森、拜尔、温特等学者都是依据这一假说作为研究方向，从不同的角度验证了达尔文的这个假说是正确的。
演绎又称演绎推理，是指人们以一定的反映客观规律的理论认识为依据，从服从该认识的已知部分推知事物未知部分的思维方法，演绎法是认识“隐性”知识的方法。在科学研究中，演绎法常常与假说法共同使用，称为假说—演绎法。生长素的发现过程实际上就是应用了假说—演绎法，达尔文根据植物向光性实验提出了假说，詹森的演绎推理是如果胚芽鞘的尖端真的能产生某种物质，该物质就可以透过琼脂