例析生命科學史在教學實踐中的巧妙整合

車未艾

科學史的內(nèi)容是人類精神的資源寶庫，進行科學史教育，可以更好地促進學生對科學本質(zhì)的把握，促進學生科學素質(zhì)的提高。著名科學史家薩頓指出，科學史不應只是對發(fā)現(xiàn)的描述，“它的目標就是解釋科學精神的發(fā)展，解釋人類對真理的反映的歷史，真理被逐步發(fā)現(xiàn)的歷史以及人們的思想從黑暗和偏見中逐漸獲得解放的歷史、而應在科學史中發(fā)現(xiàn)那些永恒的內(nèi)容”。生命科學史在新課程教學實踐中有以下兩種整合方式。

1在教學實踐中將生物科學史與科學探究整合

科學探究的理念提出是基于舊的教育理念下，過分注重知識的傳遞，忽視了學生能力的構(gòu)建以及舊的教育模式不能達到全面提高科學素養(yǎng)的目的而提出的。目前，我國的科學教育界正經(jīng)歷從強調(diào)科學為知識體系轉(zhuǎn)向強調(diào)科學的探究和時間，希望通過探究來達到培養(yǎng)科學素養(yǎng)、科學技能和了解科學本質(zhì)。生物史是展示生物發(fā)展的歷程和對科學家進行科學探究的過程以及生物思想的發(fā)展，所以生物學史在引導學生進行探究方面有著天然的優(yōu)勢。在此僅以“生物膜的流動鑲嵌模型”一節(jié)的教學探究活動為例。

首先教師根據(jù)問題探討提出問題：在制作真核細胞三維結(jié)構(gòu)模型的活動中，某小組同學分別用三種材料做細胞膜：塑料袋、普通布和彈力布。根據(jù)結(jié)構(gòu)與功能相適應的觀點分析：用哪種材料做細胞膜，更適于體現(xiàn)細胞膜的能力?根據(jù)前面學過的細胞膜和生物膜都是選擇透過性膜的觀點，教師引導學生充分討論，激發(fā)學生興趣。如果像舊版教材中直接將細胞膜流動鑲嵌模型的內(nèi)容告訴學生，學生會感到模型抽象難懂，極易走向死記硬背的老路。教師可以將科學家的實驗以資料的形式呈現(xiàn)給學生，引導學生推導出實驗結(jié)論，使學生自然而然地接受流動鑲嵌模型的理論，加深對生命科學本質(zhì)的理解。

1.1從生理功能入手的科學探究

資料1：1895年歐文頓用植物細胞研究細胞的通透性。他選取500多種化學物質(zhì)對植物細胞的通透情進行上萬次的研究，發(fā)現(xiàn)：脂溶性分子易透過細胞膜；而非脂溶性分子則難以通過。這說明：細胞膜中含情脂質(zhì)成分(學生可以根據(jù)化學“相似相溶”知識分析回答)。根據(jù)資料1教師還可以設置問題：為什么科學家不直接用化學分析的方法對膜的成分進行提取、分離和鑒定?原因：當時的技術不能實現(xiàn)(學生分析回答)。教師在這里可以強調(diào)技術對科學研究的重要作用。

資料2：20世紀初，科學家將細胞膜從哺乳動物的紅細胞中分離出來，發(fā)現(xiàn)細胞不但會被溶解脂質(zhì)的物質(zhì)溶解，也會被蛋白酶(能專一地分解蛋白質(zhì)的物質(zhì))分解。這說明：細胞膜上不但有脂質(zhì)還有蛋白質(zhì)存在(學生分析回答)。同時教師引導學生復習前面的知識，在此實驗中為什么選用紅細胞膜來進行分析?(通過資料1和資料2，學生很容易得出細胞膜主要由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的結(jié)論，教師需補充說明：細胞膜還含有少量糖類)。下面探究的目標將是細胞膜中磷脂和蛋白質(zhì)的排列方式。

資料3：1 925年兩位荷蘭科學家高特和格蘭德爾用丙酮從人的紅細胞中提取脂質(zhì)，在空氣一水界面上鋪展成單分子層，測得單分子層的面積恰為紅細胞表面積的2倍。這說明：細胞中的脂質(zhì)分子必然排列為連續(xù)的兩層(學生分析回答)。

此處是本節(jié)課探究活動的難點之一，教師可以采用問題串的形式實現(xiàn)個個突破。例如為什么磷脂在空氣一水界面上鋪展成單分子層呢?這與構(gòu)成細胞膜的脂質(zhì)——磷脂分子的結(jié)構(gòu)密切相關。教師可以先介紹磷脂分子的結(jié)構(gòu)特點：磷脂分子是由磷酸、甘油、脂肪酸組成，其磷酸“頭部”是親水性的，其脂肪酸“尾部”是疏水性的，教師引導學生畫出圖1。那么細胞膜中的磷脂分子是怎樣排列為連續(xù)的兩層呢?是“頭”相對“尾”朝外，“尾”相對“頭朝外”，還是“頭”“尾”相接?根據(jù)細胞內(nèi)外均有水環(huán)境的事實，學生可以推斷出細胞膜中磷脂分子的排列方式，從而畫出圖2。

1.2單位膜模型的提出

資料4：展示20世紀50年代電子顯微鏡誕生后拍攝的細胞膜結(jié)構(gòu)的電鏡照片，1959年羅伯特森用電子顯微鏡觀察細胞膜發(fā)現(xiàn)有“暗一亮一暗”的三層結(jié)構(gòu)，就大膽地提出了生物膜的單位膜模型，即生物膜都是由蛋白質(zhì)-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成(結(jié)合教材的電鏡圖和磷脂分子的“頭部”特點理解為何膜的兩側(cè)暗一些而中間亮一些)。然后教師引導學生理解單位膜模型的局限性，比如該模型能夠很好地解釋細胞失水和吸水時細胞膜的可縮性變化嗎。從而得出單位膜模型是靜態(tài)的，還存在許多不足的結(jié)論。

1.3新技術帶來新模型

資料5：展示20世紀60年代電鏡冰凍蝕刻細胞膜示意圖。這說明：蛋白質(zhì)分子可以嵌入磷脂雙分子層中，蛋白質(zhì)分子在磷脂雙分子層上分布是不均勻的(學生看圖回答)。

資料6：1 970年科學家弗霉和埃迪登用發(fā)綠熒光染料標記小鼠細胞表面的蛋白質(zhì)分子，用紅色熒光的染料標記人細胞表面的蛋白質(zhì)分子，將小鼠細胞和人細胞融合。這說明：細胞膜上的蛋白質(zhì)分子能夠運動(學生分析回答)。

資料7：動物細胞吸水膨脹時，磷脂雙分子層的厚度變小。這說明：磷脂分子也可以運動。教師可以用動畫模擬磷脂分子運動的方式。

根據(jù)上述實驗結(jié)果，教師引出1972年桑格和尼克森提出的流動鑲嵌模型，概括出該模型的主要內(nèi)容。最后組織學生分析細胞膜模型的建立和完善過程中所受到哪些啟示。

2在教學實踐中將生物科學史與科學價值觀整合

科學價值觀是一個人對待科學事物的最基本看法，包括基本信念和價值取向，它往往以科學精神為載體，決定著這個人的思維活動和外在表現(xiàn)。情感、態(tài)度與價值觀既是科學學習的動力因素，影響著學生對科學學習的投入、過程與效果，又是科學教育的目標。生物教師應在生物科學史教學中，充分利用一切可以利用的時機和場所，創(chuàng)造出切實可行的對學生進行科學價值觀培養(yǎng)的有效方式、方法。通過日積月累的滲透，要使學生形成生物體的結(jié)構(gòu)和功能、局部與整體、多樣性與共同性相統(tǒng)一的觀點。

2.1以諾貝爾科學獎為線索，幫助學生樹立從小立志，勇攀科學高峰的精神

在19世紀末，釀酒業(yè)在歐洲經(jīng)濟中占有重要地位。但是，釀出的葡萄酒經(jīng)常莫名其妙地變酸。1848年，當時年僅26歲無名青年巴斯德在酒石酸研究上獲得了成功，贏得了化學界人士的欽佩。由于研究酒石酸，巴斯德結(jié)識了法國大莊園主，他用科學的分析頭腦和嫻熟的顯微鏡觀察，從中發(fā)現(xiàn)變酸是乳酸菌發(fā)酵造成的，并提出了改進措施，有效抑制了乳酸菌在發(fā)酵過程中的肆虐，挽救了發(fā)酵業(yè)。在研究酒質(zhì)變酸時，巴斯德明確提出發(fā)酵是由于酵母菌的存在，沒有活細胞的參與，糖類是不可能變成酒精的。但是德國化學家李比希卻堅持認為引起發(fā)酵的是酵母菌細胞中的某些物質(zhì)，但這些物質(zhì)只有在酵母細胞死亡并裂解后才能發(fā)揮作用。

結(jié)束這一爭論的是德國化學家畢希納，1897年，

他用砂粒研磨酵母細胞，把所有的細胞全部研碎，并成功地提取了一種液體。他發(fā)現(xiàn)，這種液體能夠像活酵母細胞一樣完成發(fā)酵任務，畢希納將酵母細胞中引起發(fā)酵的物質(zhì)稱為釀酶，由于無細胞發(fā)酵理論，他獲得了1907年的諾貝爾化學獎。

但是酶究竟是什么物質(zhì)，仍是不解之謎。有些科學家試圖將酶從提取液中分離出來，得到純酶，但由于技術上的困難都沒有成功。1925年，美國奈爾大學獨臂青年化學家薩姆納不顧體殘病弱，在簡陋的地下室中歷經(jīng)9年，終于從刀豆種子中提取出了脲酶，這種結(jié)晶溶于水后能夠催化尿素分解成氨和二氧化碳。接著，美國化學家諾思羅普又把一系列酶提純出來，證明它們都是蛋白質(zhì)。1946年薩姆納與諾斯羅普因為研究酶本質(zhì)的貢獻獲得了諾貝爾化學獎。

此后人們一直認為酶的本質(zhì)就是蛋白質(zhì)，直到1978年和1981年美國的兩位化學家奧特曼和切赫分別發(fā)現(xiàn)了核糖核酸(RNA)不僅像過去所設想地那樣僅被動地傳遞遺傳信息，還能起酶的作用，能催化細胞內(nèi)生命所必需的化學反應，這項研究不僅為探索RNA的復制能力提供了線索，而且說明了最早的生命物質(zhì)是同時具有生物催化能力和遺傳功能的RNA，打破了蛋白質(zhì)是生物起源的定論。這兩位科學家也因此獲得了1989年的諾貝爾化學獎。

關于酶的本質(zhì)的研究總共頒發(fā)了3次諾貝爾科學獎，可見這項研究在科學界舉足輕重的地位。然而目前還沒有一位中國科學家可以問鼎這項殊榮，通過剛才幾位科學家的故事，教師可以較好地培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與科學精神，對提高學生的科學素養(yǎng)有重要的意義，并借此激勵學生從小立志，勇攀科學高峰，成為獲得諾貝爾科學獎的中國第一人。

2.2通過科學史教育使學生認識到重大科學發(fā)現(xiàn)需要學科間的相互滲透

學科滲透就是以本學科為載體，聯(lián)系其他學科相關知識，從相關知識的融合中更好理解和掌握本學科知識、拓寬思路、發(fā)展能力的教學過程。即教師在本學科知識的教學過程中，滲透著與之相關的其他學科知識；在培養(yǎng)某種能力的教學過程中，滲透著與之相關的其他能力的培養(yǎng)，并能達到相互影響、相互促進的作用。

1851年，孟德爾進入維也納大學繼續(xù)學習，當時埃廷豪森是一位著名的數(shù)學家和物理學家，他在科學研究方法上的突出之處，就是喜歡用數(shù)學方法探索問題。這對孟德爾后來的植物實驗有深刻的啟示。孟德爾巧妙地將統(tǒng)計學方法與生物學結(jié)合在一起，通過統(tǒng)計，孟德爾發(fā)現(xiàn)了生物性狀的遺傳在數(shù)量上呈現(xiàn)一定數(shù)學比例，這引發(fā)他揭示其實質(zhì)的興趣，從而將數(shù)學的方法引入對遺傳實驗結(jié)果的處理與分析，發(fā)現(xiàn)了“性狀分離定律”和“自由組合定律”的遺傳規(guī)律。

1773年荷蘭人英格豪斯證明，只有植物的綠色部分在光下才有使空氣變“好”的作用，因此將綠色部分和光與改變氣體組分的作用聯(lián)系起來。然而，由于當時化學發(fā)展水平的限制，人們尚不了解植物吸收和釋放的究竟是什么氣體。直到1785年，由于發(fā)現(xiàn)了空氣的組成，人們才明確綠葉在光下放出的氣體是氧氣，吸收的是二氧化碳。在這一過程中，光能哪里去了呢?1845年，德國科學家梅耶根據(jù)能量轉(zhuǎn)化與守恒定律明確指出，植物在進行光合作用時，把光能轉(zhuǎn)換成化學能儲存起來。

通過兩個短小的科學史實，不難看出，生命科學偉大理論的誕生離不開其他自然科學的思想和研究成果，每一次學科之間的滲透，都能進出驚人的科學火花?？茖W的發(fā)展已超越了學科的界限，正向著綜合化、協(xié)同化的方向發(fā)展，呈現(xiàn)出既高度分化又高度綜合且以綜合為主的大趨勢。教師要教育學生作為高中生，所學習的自然科學都是為將來打基礎的最基本的科學知識，不要偏科，要實現(xiàn)均衡發(fā)展。加強學科之間的滲透把學生從傳統(tǒng)的單向思維定式解放出來，使之有機會站在不同角度審視同一問題，找到解決問題的各具特色的切入點，培養(yǎng)學生學習的熱情和高度的求知欲、整體認識能力、獨立學習能力、創(chuàng)新能力，以利于實現(xiàn)教育個性的凸現(xiàn)和教育創(chuàng)新本質(zhì)的張揚。