利用科学史培养学生生物学学科核心素养的探究

（上海师范大学教育学院 上海 200234）

生物学经历了漫长的发展历史，生物科学知识的产生是一个过程，且是不断变化发展的。这是生物科学的本质特点之一。生物学科学史记录了科学家在生物科学产生和发展中不断探索的过程，展示了科学家进行创造性劳动的经过和成果，以及他们进行科学探索的思维过程和方法。因此，生物学科学史教学的内容除了科学知识，还应包含科学家的科学态度和人文精神。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中明确提出要重视生物学科学史的学习。把生物学科学史融入高中生物教材和课堂教学中，不仅可以让学生了解科学家的探索过程，理解科学的本质。并且，学生通过学习生物学科学史，从而掌握蕴含其中的科学研究方法和思维，在潜移默化中提高科学探究能力，培养创新意识和不畏艰难的探索精神。

因此，深入挖掘高中生物教材中科学史这一宝贵教育资源的价值，对高中生物课程与教学的进一步改革和发展具有重要的启发和借鉴意义。下面对高中生物学教材中科学史在培养学生的生物学学科核心素养方面的价值进行简要的探讨。

1 生物科学史的教育价值

1.1 体会概念的形成过程，加深对知识的理解，培养生命观念

生命观念是指人们能够对观察到的生命现象或事件进行解释的品格和能力。在高中生物学中具体表现为结构与功能观、物质与能量观、稳态与平衡观、进化与适应观等。高中生物学教材中有很多概念是以定论的形式出现的，以学生现有的知识水平很难真正理解这些概念的内涵和外延。而生物学科学史记录着一些概念的形成过程，可以启发学生的思维，使学生随科学家一起思考，亲自见证概念的产生过程，从而体会到概念的本质，加深对知识的理解，而不仅仅是一个需要死记硬背的结果。在此基础上，学生形成生命观念，为日后工作或生活中解释生命现象、探索生命规律打下基础。

例如，在学习“酶的化学本质”时，教师介绍介绍酶研究的科学史，描述科学家对酶本质的探索过程，使学生加深对“酶的本质”的理解，即“酶是活细胞所产生的具有催化作用的有机物，并且大多数的酶是蛋白质，少数是RNA”的理解。这样，学生不需要死记酶的概念，而是通过教材呈现的科学家探究之路，经历了类似科学研究的过程，从中不断发现问题、解决问题、得出结论，并不断修正、完善结论。在这个过程中，学生经历了由知识的接受者到知识探索者的角色转变，从而理解了“绝大多数酶是蛋白质，而少部分酶是RNA”的事实。学生通过科学史探索概念的发展过程，更好地掌握概念的实质，更深刻地理解概念的内涵与外延，初步形成“结构与功能相适应”的生命观念；同时，也能认识到生物学概念的最终形成不是一蹴而就的，而是在探索中不断发展和完善的。

1.2 引导学生进入探究情境，激发学习兴趣，发展科学思维

科学思维贯穿于科学本质学习的全过程，是一种基于证据和逻辑推理的思维方式。兴趣是学生学习的动力和源泉。布鲁纳认为，学生应该用自己的头脑主动获取知识，而不是做一个被动的信息接收者。学生只有对知识的获取充满兴趣，才能在学习中由被动转变为主动。科学史是优秀科学家充满智慧的探索和发现过程。教师再现生物学科学史，为学生创设科学探索的真实情境，让学生跟随科学家的步伐一起发现问题，让学生进行推理得出假说，并鼓励学生提出质疑，师生共同探讨，对观点进行辩驳，最后得出相关主张。整个过程中，师生进行激烈的思维碰撞，学生的批判与质疑、归纳与总结、演绎与推理等科学思维方法都得到充分的呈现与发展。教师要激发学生思考，给学生创造继续探究的机会，以满足学生解决问题、理解并掌握相关概念和原理的兴趣。

例如，学习“免疫调节”时，教师呈现人类与天花病的抗争史以及器官移植的研究历程，使学生感受到病人被病痛折磨的痛苦，唤起学生的同情心，从而使学生对“如何使人类免于天花病毒的折磨”和“降低器官移植的排异反应”等与人类息息相关的问题产生探究兴趣，对人体的免疫调节产生极大的探索欲望。继而，学生尝试针对疑问思考解决的措施，根据科学家的实验过程解释问题，分析并寻找结论，甚至可以根据现有的知识做出自己的假设。再如，具有很强故事性的植物生长素发现历程可吸引学生随着达尔文、詹森、拜尔、温特等科学家进行的胚芽鞘向光弯曲及相关改良实验一步步得出结论并提出新的问题，最终揭开生长素的迷纱。这些科学家也正是凭借着对生命现象的强烈好奇心和探究兴趣，才共同完成了植物生长素发现史的“接力赛”。他们从问题提出到进行假设、验证实验以及结果的分析等都渗透着科学思维。因此，学生通过分析研究历程中的各个环节，可以提升科学思维。

1.3 体悟探究历程，掌握科学探究的方法，提高科学探索能力

科学探究是一种基于观察、设计实验等的综合能力，渗透着科学态度和科学精神。其核心内涵主要包括提出问题、自主设计实验方案、收集并记录数据、小组合作讨论交流、得出相关结论。《课程标准》重点强调要培养学生自主探究的能力，在掌握生物知识的同时，习得一些科学的探究方法和思维方式，对于学生今后的生物学习及其他科目的学习都大有裨益。科学的研究方法是认识自然以及获取科学知识的重要程序或过程，生物学科学史揭示了科学家在进行探究活动时思考和解决问题的思想历程和方法。这无疑可以帮助学生掌握科学的研究方法并在以后的学习和探索中应用，提高学生的探索能力。

例如，在学习“DNA是主要的遗传物质”时，教材选取在遗传物质探索历程中具有里程碑式意义的重要实验来让学生亲历探索之路，包括格里菲斯和艾弗里的肺炎链球菌的转化实验、赫尔希和蔡斯的噬菌体侵染大肠杆菌的实验，引导学生与科学家一起发现问题、提出假设、设计实验、预测实验结果，指示学生科学的探究过程。他们对实验材料的选择、实验变量的控制等都让学生置身于实验探究的全过程，使学生在了解科学史的同时，掌握科学的思路和科学的方法。这些是进行独立探索的必备技能。

1.4 学习科学家的可贵品质，塑造科学精神，培养社会责任感

社会责任是指学生基于对生物科学的认识，能参与到个人与社会事务的讨论中，能对其作出理性的解释和判断，并有尝试解决生产生活中的生物学问题的担当和能力。科学史中科学家具有的可贵的品质和精神是进行科学探索必不可少、值得学生学习的。其中，敢于质疑权威、不畏艰苦、严谨求实的态度和精神在进行科学研究时尤为重要。生物学科学史让学生追寻科学家探索的曲折历程，以史为镜，从中逐渐领悟到做研究要敢于否定和批判，敢于提出自己创造性的观点，而不是人云亦云。同时，科学研究也不是拍着脑袋想问题，在经历一次次实验的失败后，仍要坚韧不拔，用严谨的态度和科学的方法不断探索。科学史可以促进学生学习科学家百折不挠、追求真理的探索精神，树立回报社会、保护环境等社会责任感。

摩尔根在发现基因连锁和交换这一规律之前，孟德尔的两大遗传规律已经作为生物遗传的“金科玉律”。然而，摩尔根在发现自己所做的实验并没有取得与孟德尔的豌豆杂交实验相似的实验结果时，并没有就此放弃或自我怀疑，而是对孟德尔遗传规律的适用性提出了质疑，认为还存在未被发现的规律。于是，他利用果蝇做了大量的实验，充分发挥自己的想象力，经过严谨的实验设计，得到了基因位于染色体上并呈直线排列的实验证据，从而得出了不同于孟德尔两大遗传定律的第三定律——基因连锁和交换定律。这一规律的获得离不开摩尔根的质疑精神，同样离不开科学家面对实验时严谨的科学态度和锲而不舍、为追求真理而探索的科学精神。

2 生物科学史教学策略

高中生物学教材中的生物学科学史蕴含着极大的教育价值。教师应该在教学中选取合适的材料、运用恰当的手段，让学生身临其境般地感受和领悟科学探索的过程，学习科学家的思维方法和科学方法，形成一定的生命观念和社会责任，从而提升生物学学科核心素养。然而，在实际的教学实践中，科学史的教学存在很多问题，使得科学史的教育价值无法充分挖掘出来，不能真正发挥科学史培养学生学科核心素养的育人价值。主要存在的问题有：①教师思想上不重视科学史的教学价值，从而在课堂教学中很少渗透科学史的内容。②教师获取科学史内容的途径单一，对材料的筛选过于盲目，无法对科学史进行合理的取舍和安排。③教师进行科学史教学的方法单一，以“平铺直叙式”的直接讲授为主，使学生觉得索然无味，无法达到培养目标。

教师只有认同科学史的价值，才能落实其在生物教学中的重要地位。下面以高中生物教科书中具体的科学史内容教学设计为例，探讨运用生物科学史培养学生学科核心素养的方法。

2.1 还原科学史内容，提炼重要概念，渗透生命观念

教师直接向学生展示重要概念的界定；学生在没有对该知识的直观体验的情况下，概念对学生来说无疑是“晦涩难懂”的，从而阻碍学生生命观念的形成。在高中生物学教学中，教师可以利用生物学科学史有目的地让学生关注生命观念，从中提炼出重要的概念，在理解生物学相关知识的基础上，形成生命观念，使其对生命本质有更加科学、系统的认识。

例如，在进行“物质的跨膜运输方式”这一章节的教学时，教师可以借助视频资料和实验模式图依次呈现水分子穿过半透膜的自由扩散过程、科学家分离出了水通道蛋白，从而证实了以前的推测“可能有特殊的输送水的通道”。这样呈现科学家发现水通道蛋白的过程，学生可以发现：在这个历程中，科学家通常发现一种现象，而后做出合理的推测，并为证实该推测寻找实现该现象的结构。接着，教师再逐步引导学生归纳总结出自由扩散、协助扩散等重要概念的涵义和特征，促进学生树立一种“生物功能的完成需要相应物质结构支持”的观点，即结构与功能观。

2.2 再现探究历程，巧设疑问，发展科学思维

生物科学史中的每一项研究发现、每一个实验结果的得出，都是经过科学家们不断地观察、质疑、推理、思考的过程。因此，教师在生物学科学史尤其是有关实验的教学中，要引导学生运用批判性思维去分析科学家的实验过程，及时引导学生提出质疑并做出猜想。在此过程中，教师可采用分组的形式，引导小组成员提出问题，做出猜想，利用已有的知识经验解决问题，从而培养学生的科学思维能力。

例如，在学习“光合作用发现史”时，教师可以展示萨克斯的实验，引导学生根据萨克斯提出的实验假设，思考其实验过程中采用的实验方法的目的。并提出问题：为什么要将选用的叶片事先进行黑暗处理一昼夜？叶片如何进行遮光处理？实验变量是什么？用酒精处理叶片的目的是什么？根据用碘液检验，可推测出萨克斯实验的假设是什么?这些问题可以有效地推动学生的学习进程，并以此帮助学生运用已有的知识和逻辑进行思考或论证，尝试对实验现象和结论做出解释，培养他们的批判质疑能力和科学思维。

2.3 关注科学史探究方法，安排实验活动，提升科学探究能力

实验是生物学得以建立的基础，是进行科学研究和取得一系列研究成果的的重要方法和手段之一。因此，生物学实验是生物科学的重要组成部分，在生物学教学中应给予足够的重视。科学史资料中蕴含有大量的实验探究活动，教师可以带领学生亲身体会科学家如何提出问题、作出假设、设计实验方案、收集实验数据、得出实验结论等，使学生从中学习科学探究的方法，提高其科学探究能力。

例如，在学习“生长素的发现过程”的时候，教师可应用几位科学家发现生长素的经典实验，引导学生进行科学探究：先向学生介绍达尔文的胚芽鞘向光弯曲实验，对实验现象进行分析，作出自己的假设；在此基础上，学生分组讨论、分析詹森和拜尔的琼脂片插入实验的目的和意义；接着，学生分组自主完成温特的实验设计，教师可以在此过程中强调实验设计的原则和注意事项，并对温特的实验过程提出改进的建议。这部分的科学史教学过程不仅让学生了解了生长素的发现历程，还在学生自主参与的过程中深化了学生对向光性原理的理解，使学生学到了科学探究的方法，从而提升了科学探究能力。

2.4 拓展学习材料，感悟科学家精神，承担社会责任

生物学科学史描绘着人类科学家探索生命的起源、发现生命规律、促进社会的进步和生物技术的发展等过程。教师通过科学史的教学，能够帮助学生辨别科学和迷信，并对个人生活及社会生活中的相关事务做出理性的判断与解释，对科学家的质疑和不懈奋斗有敬佩之心，珍惜生命的来之不易，能自觉保护生态环境、关爱生命，并积极参与社会实践，承担相应的社会责任。

例如，在“器官移植所面临的问题”这一科学史的教学时，教科书中展示了器官移植面临的问题和困境。但是，这些资料简短且缺乏前沿性。此时，教师可以展示一些器官移植病人或患处的图片以及一些成功病例的视频资料，甚至是一些因找不到匹配的供体而悄然逝去病人的案例。学生在此过程中体会到生物科学的进步给生命延续提供的机会，也意识到目前生物学发展的局限和生命的珍贵，从而理性地看待器官移植问题。另外，教师还可以要求学生在课后分组搜集资料，关注器官移植技术的发展动态，培养学生的社会责任。