精心设计科学史课堂提升学生的核心素养*

2019-02-15 12:40许东升

生物学通报 2019年6期

许东升

（南京师范大学附属中学江苏南京 210003）

生命科学是一门研究生命现象和生命活动规律的学科。生命科学的发展大体经过3 个阶段。初级阶段是人们在长期的生产实践中积累的关于动、植物和人类自身生长、发育和繁殖等方面的相关知识，属于生命科学建立的奠基阶段。第2 阶段是人们对生命的研究从观察走向实验研究，同时也催生了生命科学分支学科的出现。例如，18世纪以后的细胞学说、进化论、遗传学等学说的建立，标志着现代生命科学创立和学科的分支发展期。第3 阶段是随着先进的实验仪器的发明、实验思想的进步及方法的创新，科学研究深入到了分子水平。DNA 双螺旋结构的发现、中心法则的创立、人类基因组计划的完成等，分子生物学的建立成为了20世纪生命科学发展的伟大成就。经过许多科学家的艰辛努力，建立了一个内容丰富、体系庞大的当代生命科学。生命科学史是一部集生物学学科知识、科学思想、研究方法、科学精神等于一体的发展史。

生命科学史中翔实的资料记录了科学家艰辛的创造性劳动，生动地描述他们进行科学探索的思维过程和实验方法等，同时也对生物学发展过程中的思维逻辑和重大发现作出评价。它是一门充满活力的自然科学，是培养学生科学素养的生动教材［1］。在高中生物学课堂教学中高度重视生命科学史的教育，提升学生的核心素养是值得每位生物学教师关注的课题。

1 引导学生走进实验室，培养探究质疑的精神

生物学是一门实验性科学，生物学中大量的概念、定律及理论都是科学家经过多次实验获得的。实验的设计与开展是发现知识和规律的重要手段。例如细胞膜的化学组成、结构及其特点；细胞学说的创立；酶的发现；光合作用的生理过程的研究及DNA 是遗传物质等。这些发现无不是科学家在实验室经过无数次的重复实验获得的，实验过程中又会不断发现问题，螺旋式提出问题并继续实验从而获得真知，可见实验的重要性。带领学生走进实验室只是手段，更重要的是激发学生的好奇心，质疑精神，引导学生像科学家一样提出问题并通过设计和开展实验进行研究。几乎每一个重大的生物学成就都源于生物学家提出的一系列的好问题，提出好问题比解决问题更重要。例如，单克隆抗体技术的发明就源于英国科学家米尔斯坦和德国科学家科勒在探究如何通过培养效应B细胞获得更多量的抗体过程中提出的设想，他们在前人工作的基础上，提出了“能否借用癌细胞无限增殖的特点带动效应B 细胞扩增？”的问题正因为他们大胆地提出了这一前瞻性问题，并经过不懈努力攻克重重难关，最终让单克隆抗体的制备成为可能，为此获得了1984年诺贝尔生理学或医学奖。青霉素的发现是弗莱明在实验室中从现象到疑问，再从实验到获得成功的经典案例。这些科研成果为医学的发展作出了重大贡献。

带领学生走进实验室，引导他们像科学家一样大胆猜想并尝试设计与实施实验。教师对学生产生的有价值的想法进行指导，并提供相应的条件让学生动手操作，无论成功与失败，对学生来说都会有收获。例如，在探究温度对酶活性的影响中，有的学生对教学中设计的实验步骤提出疑问：实验步骤中最后用碘液检测反应物是否存在作为判断依据，能否改为先将碘液和淀粉混合，再通过实验观察每组实验中蓝色消失的情况以判断酶的作用。这个问题提得非常好，可见课堂上学生是积极思维的，该问题本可以在课堂上讨论解决，但让学生走进实验室自行设计实验进行验证，最后的答案是否定的。实验发现由于高温会使碘液挥发，从而不能得出科学的结论。学生的想法在实验中得到了证实，兴奋之情溢于言表，对所学知识的理解更加深刻。其实，教材中的科学史材料，也可以让学生走进实验室通过实验开展教学，让学生真正做到像科学家一样开展实验，例如扬·英根豪斯探究光合作用必需有光的实验，萨克斯研究光合作用产物是淀粉的实验等，通过实验能更好地培养学生的质疑精神、积极思维的习惯及提升动手能力。

2 还原科学发现的本真，理解知识形成的过程

科学史中渗透着科学家探索与发现生命现象及规律的严谨的逻辑思维，科学家的思维方式与逻辑推理过程应是科学史教学的重点。一方面，它可帮助学生了解所学知识的形成过程及其本质，另一方面，也让学生了解科学家在面对困难时是如何改变探索思路最后获得成功，树立不盲从于权威并勇于质疑的精神。

例如，在DNA 是遗传物质的发现过程中，格里菲思的肺炎双球菌体内转化实验应是引导学生像科学家一样推理思辨的经典史料。实验结论S型细菌中可能存在着某种转化因子是格里菲思经过严谨的逻辑推理而确定的。最初的分析有多种可能：S 型菌的出现可能是R 型菌基因突变的结果；可能是S 型菌加热杀死不彻底的残留体起死回生的结果；也可能是S 型菌中某种物质进入R型菌体内导致的。根本原因是什么？引导学生分析思辨如下：如果是R 型菌基因突变的结果，则第4组实验中应只有部分小鼠死亡，因为基因突变具有低频性。如果是S 型菌加热杀死不彻底，将第3组实验中加热杀死的菌液分成若干等份，分别注射到多只小鼠体内，实验结果也应该是只有部分小鼠死亡，这些推理与原实验结论都不吻合。最可能的原因应是死亡的S 型菌中可能存在某种转化因子。他的团队没有研究出来转化因子是什么，给出的结论也只能是一种猜测。虽然没有得到最终结论，但它给后人的研究指明了方向。如果教学中只是将格里菲思的实验结论告知学生，学生就不能体会到像科学家一样严谨的推理和思辨的乐趣，课堂显得平淡无趣。教学中，教师对经典的史料进行精心设计，在提供经典史料及数据的基础上，引导学生猜想、思辨，最好能设计并重演原始实验。这样的课堂生动有趣，学生的思维被激活，气氛活跃，有些学生还会提出更深刻的问题引起大家的讨论，从而真正达到培养能力和理解真知的目的。精心设计的科学史教学能帮助学生形成遇到问题会积极思维、推理判断、提出问题的好习惯。DNA 分子研究史中的艾弗里、蔡斯、赫尔希等科学家对DNA 是遗传物质的研究素材，沃森、克里克提出DNA 分子的双螺旋结构，布伦纳与克里克证明遗传密码是并不重叠、无逗点的三联体的推理过程等都巧妙得让人惊叹，以及尼仑伯格团队破译密码子等，研究和思辨过程都充满了严谨的逻辑性和科学性。教学中教师充分还原这些科学史素材的本真，引导学生像科学家一样思辨，体会到科学家在研究过程中的智慧，理解了科学知识的实质，从而提升学生的核心素养。

3 学习科学探究的方法，养成理性思维的品格

任何一个生命活动规律的发现和完善与科学的思想方法及先进的实验手段的运用是分不开的，从某种程度上说科学的研究思想与方法是科研的精髓。

例如，人们对生物膜模型的建立虽然艰辛而漫长，但应是先进的思想方法与技术手段的革新而获得成功的经典案例。到1895年，欧文顿已经用500 多种化学物质对植物细胞膜的通透性进行了上万次的试验，发现凡是可溶性脂质比不溶于脂质的物质更容易进入细胞，于是他提出膜由脂质组成的假说；1925年，荷兰生物学家歌特与格仑德尔将哺乳动物成熟红细胞的膜提取出来漂于水面，发现铺开的表面积是红细胞表面积的2 倍，于是发现细胞膜具有双分子层结构；20世纪30年代，电子显微镜的发明加快了人们对膜的认识，人们可直观地观察到膜有2 层磷脂分子；1953年，丹尼尔和戴维森提出单位膜的空间结构模型；1959年，罗伯特森用电镜观察到了细胞膜暗-亮-暗3 层结构，结合其他科学家的科研成果，提出了生物膜的“单位膜”模型；1970年，埃迪登用红色和绿色荧光素分别标记人和小鼠细胞膜表面蛋白质，并进行融合培养，提出了膜具有一定的流动性；随着研究技术的进步，科学家又采用冰冻蚀刻技术将膜撕开，使2 层磷脂分开，暴露出膜的真面目；直到1972年，桑格和尼克森在单位膜模型的基础上提出了膜的“流动镶嵌模型”，强调了膜的流动和膜蛋白质分子的不对称性，并为多数科学家所接受［3］。在对生物膜的认识过程中，科学研究的思维方法、实验手段及实验仪器的改进对科研成功都起着至关重要的作用。

在生命科学史中，这样的案例举不胜举。孟德尔和摩尔根分别采用假说-演绎法发现了三大遗传学定律和得出了基因位于染色体上的重大结论；萨顿用类比法提出了基因和染色体成平行关系的观点；鲁宾和卡门、卡尔文、蔡斯和赫尔希等通过同位素标记法研究生物体内的生理变化；沃森、克里克通过建模的方法提出了DNA 分子的完美的双螺旋结构；美国生态学家林德曼通过定量分析法对天然赛达伯格湖的能量流动进行研究发现能量流动的特点及其传递效率；1983年，美国生物学家穆利斯发明的PCR 技术推动了基因工程的发展；1985年，伍德发明的自动测序仪极大提高了人类基因组测序速率；1996年，文特尔和伍德通过改进方法，并综合运用超级计算机、生物信息学和生物技术学等，提前4年完成了人类基因组测序计划。

在科学研究的道路上，科学研究的思想方法和先进技术手段的应用是推动科学进步的催化剂。教学中教师传授的不仅是知识，更重要的是要教会学生学习科学家科学研究时的思维方式和寻找新的科研手段进行研究的过程。在科学史的教学中，让学生掌握相关的生物学知识的同时学会科学家开展科学研究的一般方法。对于教材中的史料实验，有条件的学校，可让学生走进实验室，亲历实验过程；也可在课堂中提供相关素材，学生通过设计实验、分析实验、评价实验等多方面开展训练，真正参与科学探究，培养理性思维能力和学科素养。

4 认识科学发展的艰辛，树立科学的世界观

在生命科学史的发展过程中，每一项重大科研都漫长而艰辛，其成果都展示了科学家在探究知识的过程中观点的碰撞和论争，科研思想、实验对象、实验方法选择方面的求同存异，呈现了科学家的科学态度、合作精神和科学的世界观。

例如，对光合作用生理过程的研究凝结着科学家艰辛的劳动，没有坚忍不拔的毅力和不畏艰险的精神是不可能成功的。从对光合作用初步的了解到深入研究，直到生理机制揭示的历史过程就是植物生理学产生和发展的历史。从范·海尔蒙特通过5年的实验提出了植物的生长需要水；普利斯特莱发现植物可以更新空气；杨·英根豪斯通过500 多次实验发现绿色植物更新空气必需有光；梅耶提出绿色植物可将光能转化为化学能储存起来；萨克斯通过“气泡法”测定植物光合作用强度及用“半叶法”证明光合作用产生淀粉；恩吉尔曼证明光合作用场所是叶绿体；直到20世纪30年代以后，鲁宾、卡门、卡尔文等用同位素标记法探究光合作用过程中物质变化的生理过程。可见对光合作用的研究是多位科学家共同努力的结果。其实直至今天，人们尚未完全揭开光合作用的全部面纱。再如孟德尔用了8年时间进行植物体杂交实验，其实验过程中工作量之大无人知晓，但他一直默默无闻地工作着，顽强的毅力和坚持不懈的精神让他获得了成功，在他去世16年后他的研究成果才得到其他科学家的证实。沃森和克里克的DNA 分子双螺旋结构模型的构建被视为遗传学史上具有划时代意义的里程碑，但查哥夫、鲍林、威尔金斯和富兰克林等人的研究成果也为DNA 分子双螺旋结构模型建立作出了贡献。“中心法则”的修正与完善过程，“生长素”的发现过程前后大约经历了80年等，这些生物学中的成果都充满了科研团队的汗水，可见科学的发展是艰辛和无止境的［3］。

由此可让学生体会到科学的发展是一个不断发现、不断修正而致知的过程。在生命科学发展的历史长河中，每个知识的形成都是科学团队共同努力的结果，每阶段的研究都是对以前的理论提出的挑战与补充，这是一种进步，众多科学家研究的小进步汇成了科学前进的一大步。同时，科学研究过程有时也会走弯路，也可能会犯错误，历史会作出实事求是、客观的评价。其实，人类对自然科学的研究始终在路上，这也正是科学研究中一种美的所在。

5 丰富科学史课堂形式，提升史料的教育价值

课程标准明确指出，高中生物学教学中要求注重科学史的学习，培养学生的生物科学素养。生命科学史教学中忌只强调结果性的教学，忽略概念、定律和理论形成的过程性讲解，导致学生对知识形成的认识不够深刻；或只讲故事性的生命科学史以吸引学生兴趣，不深入讲解研究的思想和方法，导致学生的科学思维能力得不到应有提升。如何有效发挥生命科学史在中学生物学教学中的功能，教师应因地制宜，充分利用相关素材科学设计课堂教学过程。让学生课外查阅相关资料进行学习；采用角色扮演，课堂表演汇报等形式进行学习；最有效的方法当属带学生走进实验室重演科学史实验过程。教师也可筛选教材中最有价值的史料素材通过微视频、图片等多种媒体将原科学实验的设计、实验方法、操作过程、实验数据呈现于课堂，精心设计问题引导学生进行思维、分析、甚至产生认知冲突，再经过逻辑推理，最后厘清事件发生的过程，从而掌握相关知识本质。科学史应是教师深度挖掘并进行探究性学习，激发学习兴趣和提升理性思维能力的重要素材。