例談如何將科學(xué)史融入生物課堂教學(xué)

陳曉穎

摘 要 教師在高中生物教學(xué)中充分發(fā)掘并利用生命科學(xué)史資源的教育價(jià)值，設(shè)計(jì)課堂教學(xué)新思路和開辟課堂教學(xué)新途徑，從而提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。圍繞著該主題，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐中的一些課例，淺談如何將科學(xué)史融入生物課堂教學(xué)。

關(guān)鍵詞 科學(xué)史教學(xué) 生物學(xué)教學(xué) 科學(xué)方法

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B

在人教版現(xiàn)行的高中生物教材中許多章節(jié)都滲透著生物科學(xué)史的內(nèi)容。無可厚非，科學(xué)史的教育在培養(yǎng)學(xué)生的情感、態(tài)度與價(jià)值觀的目標(biāo)上有著舉足輕重的作用。例如，體會(huì)研究生命科學(xué)的價(jià)值，感受科學(xué)家們崇高的精神境界，養(yǎng)成敢于質(zhì)疑、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)探究意識(shí)和創(chuàng)新精神等。然而如何讓生命科學(xué)史教育在知識(shí)與技能、過程與方法這兩個(gè)維度的教學(xué)目標(biāo)中也充分體現(xiàn)其價(jià)值，則值得教師探索和追尋。

利用科學(xué)發(fā)展史，能為素質(zhì)教育課堂服務(wù)，充分培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)探究能力和生物科學(xué)素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)模式和學(xué)習(xí)方式的重大變革。筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，以必修二《遺傳與進(jìn)化》中的幾節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)為例，談?wù)勅绾螌⒖茖W(xué)史融入課堂教學(xué)。

1 在科學(xué)史中領(lǐng)悟科學(xué)方法，并實(shí)現(xiàn)方法的遷移運(yùn)用

從“孟德爾的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)”到“基因在染色體上”，實(shí)現(xiàn)假說-演繹法在遺傳學(xué)上的遷移運(yùn)用。

孟德爾兩大遺傳定律的發(fā)現(xiàn)離不開科學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)程序以及重要的研究方法——假說-演繹法。孟德爾先進(jìn)行了一對(duì)相對(duì)性狀的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)，用純種的高莖豌豆與純種的矮莖豌豆雜交，發(fā)現(xiàn)子一代全是高莖的；接著讓子一代的高莖豌豆自交，得到的子二代中有高莖也有矮莖，并且出現(xiàn)3∶1的性狀分離比。他在實(shí)驗(yàn)和觀察的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)并提出問題：子一代為什么全是高莖，矮莖性狀哪去了？為什么子二代中又出現(xiàn)了兩種性狀，并且分離比都接近于3∶1？他對(duì)提出的問題嘗試作出回答，即作出假設(shè)：“在生物的體細(xì)胞中，控制同一性狀的遺傳因子成對(duì)存在，不相融合；在形成配子時(shí)，成對(duì)的遺傳因子發(fā)生分離，分離后的遺傳因子分別進(jìn)入不同的配子中，隨配子遺傳給后代?！碧岢龅募僬f不僅要合理地解釋已有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還必須能對(duì)其他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。在此基礎(chǔ)上，他又設(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)交實(shí)驗(yàn)，實(shí)際上也就是演繹推理的過程，用提出的假說預(yù)期測(cè)交實(shí)驗(yàn)（F1與隱性純合子雜交）的結(jié)果。最后孟德爾通過實(shí)施測(cè)交實(shí)驗(yàn)，觀察、測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與預(yù)期進(jìn)行比較，從而對(duì)假說的正確性作出判斷：如果實(shí)際結(jié)果與預(yù)期結(jié)果相符，就可以證明假說是正確的；否則，就說明假說有弊端，須修正和補(bǔ)充。

在學(xué)生體驗(yàn)了假說-演繹法之后，教師可引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)將這種研究方法應(yīng)用于“基因在染色體上”的學(xué)習(xí)，作為教師貫穿教學(xué)的主線索。薩頓發(fā)現(xiàn)基因和染色體的行為在形成配子和受精過程中存在明顯的平行關(guān)系，從而推出基因在染色體上。這就是發(fā)現(xiàn)并提出問題的階段。隨后摩爾根利用果蠅進(jìn)行了雜交實(shí)驗(yàn)。他將紅眼雌果蠅與白眼的雄果蠅雜交，子一代無論雌雄個(gè)體全為紅眼，于是他讓子一代果蠅自由交配，子二代中出現(xiàn)紅眼果蠅和白眼果蠅，比例為3∶1，但白眼果蠅全是雄性的。此時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以引導(dǎo)學(xué)生思考：果蠅顏色的遺傳是否符合孟德爾的分離定律？（符合，子一代只出現(xiàn)顯性性狀——紅眼；子二代發(fā)生性狀分離，且分離比為3∶1。）但是在該實(shí)驗(yàn)中，白眼的性狀又與性別相關(guān)聯(lián)，這說明了什么？（說明控制眼色的基因位于性染色體上。）接著引導(dǎo)學(xué)生分析，有哪些可能性？分析可能有三種情況：（1） 控制眼色的基因在X、Y染色體上都有；（2） 控制眼色的基因在Y染色體上，X染色體上沒有；（3） 控制眼色的基因在X染色體上，Y染色體上沒有。然后引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)每種情況再具體分析：（1） 控制白眼的基因是偶然發(fā)現(xiàn)的，很可能是基因突變，如果X、Y兩條染色體上都存在控制眼色的基因，同時(shí)發(fā)生突變的概率是很低的；（2） 如果控制眼色的基因只位于Y染色體上，而X染色體上沒有，理論上子一代中的雄性個(gè)體也應(yīng)該有白眼的個(gè)體，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不相符；（3） 剩下最后一種可能性——控制眼色的基因在X染色體上有，Y染色體上沒有其同源區(qū)段。按照最后這種可能性畫出遺傳圖解，發(fā)現(xiàn)可以合理地解釋摩爾根實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。這是提出假說的階段。然而到這里是不是就意味著假說成立了？學(xué)生在此之前學(xué)習(xí)孟德爾遺傳定律時(shí)已經(jīng)體驗(yàn)了假說-演繹法，自然明確還要設(shè)計(jì)測(cè)交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，才能驗(yàn)證假說的正確性，這樣才構(gòu)成了假說-演繹法的完整環(huán)節(jié)。

從薩頓到摩爾根，最后證明了“基因在染色體上”，這個(gè)探索歷程就是假說-演繹方法的再次應(yīng)用。通過孟德爾遺傳定律學(xué)習(xí)過程中假說-演繹法的初體驗(yàn)，到學(xué)生能模仿、追隨科學(xué)家的設(shè)計(jì)思想，親自嘗試科學(xué)研究方法的運(yùn)用，充分發(fā)揮了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性及探究能力。

2 通過還原科學(xué)史，加深學(xué)生對(duì)生命本質(zhì)的理解和認(rèn)識(shí)

DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型對(duì)于高中學(xué)生來說，是一個(gè)微觀抽象的概念。在教學(xué)中如何化微觀為宏觀，化抽象為形象，是教師面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。利用科學(xué)發(fā)現(xiàn)史配合模型建構(gòu)的教學(xué)方式，幫助學(xué)生身臨其境地體驗(yàn)DNA分子模型的建構(gòu)過程，從而加深其對(duì)DNA分子結(jié)構(gòu)的理解。

首先教師為學(xué)生創(chuàng)設(shè)問題情境：20世紀(jì)30年代，科學(xué)界對(duì)DNA的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)是：“組成DNA分子的基本單位是脫氧核苷酸，一分子脫氧核苷酸是由1分子磷酸、1分子脫氧核糖和1分子含氮堿基組成”。由于組成DNA的含氮堿基有四種，因此脫氧核苷酸也有四種。讓學(xué)生利用模具進(jìn)行相應(yīng)的拼接，這是模型建構(gòu)的第一步——建構(gòu)脫氧核苷酸的模型。

當(dāng)時(shí)的人們還知道，DNA是由許多個(gè)脫氧核苷酸連接而成的長鏈，每個(gè)脫氧核苷酸通過磷酸與上一個(gè)脫氧核苷酸的脫氧核糖相連，并通過自身的脫氧核糖與下一個(gè)脫氧核苷酸的磷酸相連。接著讓學(xué)生在前面的基礎(chǔ)上把單個(gè)脫氧核苷酸串成一條脫氧核苷酸鏈，這是模型建構(gòu)的第二步。

接下來是模型構(gòu)建的第三步——建構(gòu)DNA的空間結(jié)構(gòu)，要解決如下幾個(gè)問題：（1） DNA分子是幾條鏈構(gòu)成的呢？根據(jù)威爾金斯和富蘭戈林提供的DNA的分子X射線的衍射圖譜，科學(xué)家得出DNA分子呈螺旋結(jié)構(gòu)，同時(shí)測(cè)算出DNA分子即使翻轉(zhuǎn)180°，看起來還和原來一樣。在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生分析，脫氧核苷酸鏈?zhǔn)怯蟹较虻?。如果DNA是一條鏈組成的，不可能得出這樣的結(jié)論；如果DNA分子含兩條鏈，同向排列依然與該結(jié)論不符；如果DNA分子由三條鏈組成，無論方向如何，翻轉(zhuǎn)180°后都不可能與之前相同。因此推出DNA分子由兩條方向相反的鏈組成。（2） 兩條鏈中堿基排列在外側(cè)還是內(nèi)側(cè)呢？教師提供當(dāng)時(shí)的研究資料：堿基具有疏水性，磷酸和脫氧核糖具有親水性。啟發(fā)學(xué)生參考前面學(xué)過的細(xì)胞膜流動(dòng)鑲嵌模型中磷脂分子的排布方式，類比推理得出結(jié)論：堿基排列在鏈的內(nèi)側(cè)。事實(shí)上，當(dāng)時(shí)富蘭克林根據(jù)X射線的衍射圖譜，也推算出磷酸和脫氧核糖應(yīng)排在外側(cè)。（3） 堿基如何配對(duì)呢？是相同的堿基配對(duì)（如A與A配對(duì)，C與C配對(duì)）？還是同類堿基配對(duì)（如嘌呤與嘌呤配對(duì)，嘧啶與嘧啶配對(duì)）？還是其他的情況呢？根據(jù)當(dāng)時(shí)科學(xué)家們提供的數(shù)據(jù)：嘌呤堿基在分子結(jié)構(gòu)上要比嘧啶大。而且此時(shí)查哥夫又帶來了一個(gè)重要的信息：腺嘌呤的量總等于胸腺嘧啶的量，鳥嘌呤的量總等于胞嘧啶的量。于是到這里，學(xué)生們基本可以想到，A與T配對(duì)，G與C配對(duì)。

最后教師引導(dǎo)學(xué)生在已獲得的知識(shí)基礎(chǔ)上繼續(xù)建構(gòu)DNA的空間結(jié)構(gòu)模型。

通過還原DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的發(fā)現(xiàn)歷程，讓學(xué)生親身體驗(yàn)并參與了模型建構(gòu)的過程，不但使學(xué)生深刻地掌握了與DNA分子結(jié)構(gòu)有關(guān)的知識(shí)，還增強(qiáng)了其處理科學(xué)信息的能力及動(dòng)手能力。

3 在科學(xué)史教育中滲透實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般原則和技術(shù)手段，提高實(shí)驗(yàn)探究能力

有人說，科學(xué)史的教學(xué)是“紙上談兵”，沒有真刀真槍的演練無法真正達(dá)到實(shí)驗(yàn)探究的效果。但筆者認(rèn)為，如果科學(xué)史教育應(yīng)用得當(dāng)，即使沒有實(shí)驗(yàn)操作，也可以達(dá)到探究效果，同樣可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。例如在發(fā)現(xiàn)“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”的探索歷程中，幾位科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)研究中就滲透著實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般原則，如對(duì)照原則、控制單一變量原則、排除干擾因素原則以及如何選材的原則等。

“DNA和蛋白質(zhì)，究竟哪一種是遺傳物質(zhì)”，這曾經(jīng)是生物界爭論的焦點(diǎn)。進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)首先遇到的問題是選擇合適的實(shí)驗(yàn)材料，這是實(shí)驗(yàn)取得成功的關(guān)鍵。教師引導(dǎo)學(xué)生思考：所有的生物都含有蛋白質(zhì)和核酸，選擇什么樣的生物作實(shí)驗(yàn)材料比較合適呢？（低等的、簡單的生物，諸如細(xì)菌、病毒等。因?yàn)樯锏慕Y(jié)構(gòu)簡單、含有的物質(zhì)少，分析起來簡便、快捷，比較容易得出結(jié)論。）不難總結(jié)，幾位科學(xué)家在選材上也都注意到了這一點(diǎn)——格里菲思和艾弗里用肺炎雙球菌做實(shí)驗(yàn)材料，赫爾希和蔡斯用T2噬菌體侵染細(xì)菌，以及后來格勒和歇萊姆用煙草花葉病毒證明RNA是遺傳物質(zhì)。

格里菲思進(jìn)行的肺炎雙球菌的體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中四個(gè)組的不同處理明顯用到了對(duì)照的方法，從中得出結(jié)論：“已經(jīng)被加熱殺死的S型細(xì)菌中，必然含有某種促成這一轉(zhuǎn)化的活性物質(zhì)——‘轉(zhuǎn)化因子，這種轉(zhuǎn)化因子將無毒性的R型活細(xì)菌轉(zhuǎn)化為有毒性的S型活細(xì)菌”。因?yàn)榧?xì)菌細(xì)胞內(nèi)含有多種物質(zhì)，所以格里菲思并不清楚轉(zhuǎn)化因子是什么。

隨后艾弗里及其同事對(duì)S型細(xì)菌中所含的物質(zhì)進(jìn)行了分離提純，分別將S型細(xì)菌的DNA、蛋白質(zhì)、莢膜多糖以及S型菌DNA和DNA酶的混合物加入含有R型菌的培養(yǎng)基中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有分別加入DNA的那一組實(shí)現(xiàn)了細(xì)菌類型的轉(zhuǎn)化。正是因?yàn)榘ダ镌趯?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過程中滲透著對(duì)照的思想，嚴(yán)格控制單一變量，排除各種成分彼此之間的干擾，才讓他們找到了答案：DNA是轉(zhuǎn)化因子。在那個(gè)時(shí)代，人們寧愿相信結(jié)構(gòu)復(fù)雜的蛋白質(zhì)可能是遺傳物質(zhì)，以至于很多人不肯正視艾弗里的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，質(zhì)疑的理由是：艾弗里的實(shí)驗(yàn)中提取出的DNA，純度最高時(shí)也還有0.02%的蛋白質(zhì)。但是我們今天回望，應(yīng)當(dāng)給予艾弗里的研究一個(gè)客觀的評(píng)價(jià)：雖然實(shí)驗(yàn)中提取的DNA純度不夠高，但是艾弗里最后一組實(shí)驗(yàn)除了DNA，還加入了DNA酶，它可以降解DNA，使S型菌的DNA不能再進(jìn)入R型菌體內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)化。這實(shí)際上是反證法在生物學(xué)中的運(yùn)用，從側(cè)面證明了遺傳物質(zhì)是DNA，只有DNA才能起到轉(zhuǎn)化作用?？偨Y(jié)艾弗利的實(shí)驗(yàn)，把S型細(xì)菌內(nèi)的各種物質(zhì)提純，分離開來研究，體現(xiàn)了排除干擾因素的設(shè)計(jì)原則；將多個(gè)變量分解為單一變量進(jìn)行研究，這滲透著分組對(duì)照和控制單一變量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則；最后利用反證法的思想進(jìn)一步證明結(jié)論。

隨后赫爾希和蔡斯在1952年用同位素標(biāo)記技術(shù)，進(jìn)行了T2噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)。他們選擇了32P和35S這兩種同位素分別對(duì)噬菌體的成分標(biāo)記。在此提問啟發(fā)學(xué)生:為什么選擇這兩種同位素？它們分別標(biāo)記的是什么成分？改用14C、3H、18O、15N標(biāo)記可以嗎？學(xué)生通過分析明確，科學(xué)家的設(shè)計(jì)意圖是把DNA與蛋白質(zhì)分開來單獨(dú)研究。用35S標(biāo)記一部分噬菌體的蛋白質(zhì)，用32P標(biāo)記另一部分噬菌體的DNA，然后將這兩批噬菌體分別侵染未被標(biāo)記的大腸桿菌，經(jīng)過短時(shí)間的保溫后（讓噬菌體在細(xì)菌細(xì)胞中繁殖），用攪拌器攪拌、離心。由于噬菌體比細(xì)菌小得多，攪拌可使吸附在細(xì)菌上的噬菌體顆粒與細(xì)菌分離，離心后浮在上清液的是留在大腸桿菌細(xì)胞外游離的噬菌體部分，而沉淀物中主要是細(xì)菌及細(xì)菌內(nèi)新形成的噬菌體。接著檢查上清液和沉淀物中放射性物質(zhì)的高低以及子代噬菌體的放射性情況，并進(jìn)行分析，最后得出結(jié)論：噬菌體的蛋白質(zhì)并沒有進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)部，只有噬菌體的DNA才進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，即噬菌體在細(xì)菌體內(nèi)的增殖是在DNA指導(dǎo)下完成的。

事實(shí)上，赫爾希和蔡斯與艾弗里采用的方法不同，但卻有著相同的設(shè)計(jì)思路：都是設(shè)法把DNA與蛋白質(zhì)分開，單獨(dú)地、直接地觀察它們各自的作用，排除彼此之間的干擾。

而后1957年格勒和歇萊姆用煙草花葉病毒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。煙草感染了它以后，葉子上會(huì)出現(xiàn)病斑。這種病毒只有蛋白質(zhì)外殼和內(nèi)部的RNA，并不含有DNA的成分。這與艾弗里、赫爾希和蔡斯在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路上也有異曲同工之妙——將該病毒的RNA與蛋白質(zhì)分開來研究。從病毒中提取出的蛋白質(zhì)不能使煙草感染病毒，但從中提取中的RNA卻可以，可見RNA是煙草花葉病毒的遺傳物質(zhì)。

《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》在“實(shí)施建議”環(huán)節(jié)中提出要“注重生物科學(xué)史的學(xué)習(xí)”。它指出：“科學(xué)是一個(gè)發(fā)展的過程。學(xué)習(xí)生物科學(xué)史能使學(xué)生沿著科學(xué)家探索生物世界的道路，理解科學(xué)的本質(zhì)和科學(xué)研究的方法，學(xué)習(xí)科學(xué)家獻(xiàn)身科學(xué)的精神。這對(duì)提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)是很有意義的”。教師在教學(xué)過程中要善于發(fā)掘和利用生命科學(xué)史的教育價(jià)值，為課堂教學(xué)服務(wù)，讓學(xué)生科學(xué)理解生命的本質(zhì)，領(lǐng)悟科學(xué)研究方法并嘗試其在科學(xué)研究中的應(yīng)用，提高實(shí)驗(yàn)探究能力和科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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