基于科学史渗透科学本质教育的教学实践

周茜

摘要 以“细胞膜的流动镶嵌模型”的探究教学为例，探索渗透科学本质教育的教学策略，指出科学史学习是渗透科学本质教育，落实生物学学科核心素养的重要途径。

关键词 科学本质教育 教学策略 生物核心素养

中图分类号 G633.91

文献标志码 B

1科学本质与科学本质教育

将科学本质作为科学教育的内容和目标之一，是一些发达国家极力提倡的，也是国际科学课程改革的趋势。美国的《新一代科学教育标准》对“科学本质”的教育提出了明确要求。《新一代科学教育标准》对科学本质的论述是：科学研究使用多种方法;科学知识基于经验证据;科学知识是开放的，可以修正;科学模型、规律、机制和理论能够解释自然现象;科学是一种认识方式;科学知识呈现了自然系统的有序性和一致性;科学是人类的尝试与努力。《面向全体美国人的科学》则从科学世界观、科学探究活动和科学事业3个方面对科学的本质进行了阐述。《科学教育的原则和大概念》一书也给出了关于科学的3个大概念，即科学认为每一种现象都具有一个或多个原因;科学上给出的解释、理论和模型都是在特定的时期内与事实最为吻合的;科学的应用经常会对伦理、社会、经济和政治产生影响。

近年来，随着课程改革的不断深化，科学本质教育在我国中小学科学教育中也日益得到关注。对科学本质的理解已成为学生科学素养的重要组成。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称新课标）指出：高中生物学课程是自然科学课程，学生在学习该课程中不仅要获得诸如细胞、遗传、进化等生物学方面的知识，还应该学习一些“关于自然科学的知识”。在科学教育领域，“关于自然科学的知识”也被称为“科学本质”。在高中生物教学中渗透科学本质教育已成为一线教师积极开展课堂教学改革，落实核心素养的新课题。“细胞膜的流动镶嵌模型”是1972年桑格和尼克森提出的。模型的建立历经几十年几代科学家的不断探索。其间，有基于细胞膜透性实验的化学分析，有基于成像技术运用的逻辑推理与建模。笔者在教授“细胞膜的结构模型”一节时，尝试渗透科学本质教育。

2渗透科学本质教育的教学策略

2.1基于事实的科学论证

科学是要求逻辑的。碎片式的事实无法帮助学生形成严密的逻辑思维。教师需要梳理科学史中相关的科学事实，选择模型建构过程中的关键事实，提出膜结构建构过程中需要解决的3个核心问题。即，膜的化学组成是什么？膜分子的分布特点如何？膜是静止的还是流动的？并引导学生运用已有的或提供的相关知识，开展论证。

针对“膜的化学组成”，教师选择了“1895年的欧文顿细胞膜物质通透性实验”和“20世纪初的红细胞膜成分化学分析实验”两个实验资料。针对高一学生没有相关有机化学的背景知识，教师同时介绍了“相似相溶”的化学原理。在此基础上，指导学生根据事实得出推论，并解释形成推论的理由。科学知识仅仅靠推论是没有说服力的，还需要对推论进行验证。教师适时要求学生根据已有知识提出验证的方案。由此，学生获得膜主要是由脂质和蛋白质组成，脂质主要是磷脂分子。科学论证的过程是批判质疑的过程，也是辩论和认同的过程。在论证过程，学生理解了“科学研究使用多种方法”“科学工作依赖观察和推论”，也认同了“科学知识可能随着研究的深入而改变”。

针对“膜是静止的，还是流动的”的讨论时，教师首先组织持两个不同观点的学生进行辩论，要求学生基于事实进行思考。学生提出了变形虫的摄食与运动行为、精卵融合及细胞的生长等现象，在辩论过程中，达成共识：细胞膜应该是流动的。当然，学生认为只有现象不足以证实膜的流动性，还需要实验证明。在这样的任务驱动下，教师提供了“荧光标记人鼠细胞融合实验”，指导学生结合相关问题。例如，科学家是如何给膜蛋白进行标记的？标记了膜上的什么分子？运用了什么原理？实验现象是怎样的？根据实验现象，可以得出什么结论？紧接着，教师补充介绍了“朗姆瓦的磷脂分子实验”，帮助学生了解膜的基本骨架磷脂双分子层的运动方式。学生从而理解膜的流动性是磷脂分子和部分蛋白质分子运动体现的。

2.2基于推论的科学建模

建模是科学研究的方法之一。学生的建模活动既是体验“像科学家一样探究”的过程，也是评价学生对事实的抽象和知识的理解的方法。如何指导学生科学建模，避免只有模仿，没有思维的“伪建模”？这就要求教师既要给予知识和方法的支持，也要给学生独立思考与建模的时间和空间，鼓励学生勇于尝试，大胆质疑，积极合作与交流。

本节课设计了2个建模活动。

1建构膜的基本骨架。教师首先介绍磷脂分子的结构，分析磷脂分子的双亲性质，并提前准备磷脂分子模型，如图1所示。接着，提供“1925年荷兰科学家的红细胞膜脂质展层实验”，并要求学生以红细胞为例，小组合作共同完成磷脂分子层的排列模型。在小组讨论过程中，教师启发学生分析细胞膜内外侧所处的真實环境。学生基于推论和磷脂分子的化学特性及细胞膜所处环境，自主建模，如图2所示。

2构建膜蛋白质的分布模型。教师提供“1959年罗伯特森的电镜观察实验”和“20世纪60年代细胞膜冰冻蚀刻后电镜观察图”两个资料，组织学生根据事实提出模型、交流思想。在思维碰撞的过程中，学生体验到扫描技术的发展为人类认识科学提供了可靠的证据;同时，认识到蛋白质分布的不对称性，蛋白质分子或镶于或嵌入或贯穿于磷脂双分子层。学生利用教师提供的蛋白质模型完成建模，如图3所示。

在建模活动中，学生理解了“科学是多学科共同研究发展的，技术发明推动科学不断发展”，认同“科学是需要证据的”“科学是逻辑和想像的融合”等科学本质。

2.3基于模型的科学解释

科学是对现象的研究，科学模型、规律、机制和理论能够解释自然现象。解释现象的过程可以帮助学生更加深入地理解模型。教师在学生建模后，又演示了两个实验现象：

1植物细胞质壁分离和复原现象实验;

2小鼠肝细胞在体外培养一段时间后，培养液中的氨基酸、葡萄糖和尿素含量发生明显变化的现象。

师生共同讨论分析现象产生的原因，认识到“细胞膜可以控制物质的进出”，进而结合膜结构模型对其进行合理的解释。学生从而理解膜的选择透过性与膜蛋白质有密切关系。紧接着，教师提出：根据磷脂双分子层内部的疏水性，你认为水可以快速自由地通过细胞膜吗？在学生产生思维冲突时，教师介绍了水通道蛋白的发现，帮助学生进一步理解膜蛋白的特定功能。

3渗透科学本质教育的实践思考

3.1科学史学习是渗透科学本质教育的重要载体

科学史是从时间维度概述科学发展的历程。科学史本身就证实了科学是不断发展的。对于生物科学而言，任何一个大概念的形成都是基于一个个科学实验，进行逻辑判断，质疑批判，不断改进修正而发展起来的，如光合作用的过程、生长素的促进作用以及DNA是主要的遗传物质。学生在学习这些生物大概念的发现史的同时，必然形成了“科学工作依赖观察和推论”“科学工作采用基于实证的范式”“科学是创造性的工作”“科学工作中要高度关注主观因素的影响”等关于科学的知识。

3.2科学本质教育是落实生物学学科核心素养的重要内容

新课标指出：生物学学科核心素养是学生在解决真实情境中的生物学问题时所表现出来的必备品格、关键能力和价值观念。生物学学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。那么，如何在生物课堂中有效落实生物学学科核心素养？科学本质教育是生物课堂的教学内容，也是教学途径。《面向全体美国人的科学》中阐述的科学哲学观“世界是可被认知的;科学理念是会变化的;科学知识的持久性;科学不能为所有问题提供完整答案”，本身就是生命观念的一部分。学生在学习细胞膜结构模型、光合作用的发现史和生长素的发现史的过程中，也逐步形成了结构与功能观、物质与能量观、稳态与平衡观等生命观念。

当学生像科学家一样，基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等方法，探究细胞膜结构模型、光合作用的过程等大概念时，也培养了科学思维和科学探究能力。不仅如此，科学史中还蕴含着科学家尊重科学事实的严谨的科学态度和执着探究的精神。科学家对科学孜孜以求，不懈追求，用科学造福人类，创造美好生活的理想信念就是社会责任的重要体现。

对科学本质的理解是学生科学素养重要组成部分，科学史学习是渗透科学本质教育的重要载体，也是落实生物学学科核心素养的必然选择。

参考文献：

[1]美國国家研究理事会科学数学及技术教育中心.新一代科学教育标准[M].北京：科学普及出版社，2004.

[2]温·哈伦.韦钰译.科学教育的原则和大概念[M].北京：科学普及出版社，2011：26.

[3]中华人民共和国教育部.普通高中生物课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017：61.

[4]美国科学促进会.面向全体美国人的科学[M].北京：科学普及出版社，2001：4.