深度學(xué)習(xí)科學(xué)史 培養(yǎng)生物科學(xué)素養(yǎng)

謝志華 （福建省三明市第二中學(xué) 福建三明 365000）

生物學(xué)是自然科學(xué)中的一門基礎(chǔ)學(xué)科，它不僅是一個結(jié)論豐富的知識體系，也包括了人類認(rèn)識自然現(xiàn)象和規(guī)律的一些特有的思維方式和探究過程。高中生物學(xué)課程既要讓學(xué)生獲得基礎(chǔ)的生物學(xué)知識，又要讓學(xué)生領(lǐng)悟生物學(xué)家在研究過程中所持有的觀點以及解決問題的思路和方法［1］。

在2017年的高考試題中，就充分體現(xiàn)了這一思想，例如，2017年新課程標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ卷理綜生物學(xué)試題第29題：

根據(jù)遺傳物質(zhì)的化學(xué)組成，可將病毒分為RNA病毒和DNA病毒2種類型，有些病毒對人類健康會造成很大危害，通常，一種新病毒出現(xiàn)后需要確定該病毒的類型。假設(shè)在宿主細(xì)胞內(nèi)不發(fā)生堿基之間的相互轉(zhuǎn)換，請利用放射性同位素標(biāo)記的方法，以體外培養(yǎng)的宿主細(xì)胞等為材料，設(shè)計實驗以確定一種新病毒的類型，簡要寫出：1）實驗思路。2）預(yù)期實驗結(jié)果及結(jié)論即可。（要求：實驗包含可相互印證的甲、乙 2個組）

此題對考生實驗探究能力提出了較高的要求，特別注重對實驗思想的考查，完成此題，首先需明確遺傳物質(zhì)的功能，即復(fù)制和表達(dá)；病毒的增殖，離不開遺傳物質(zhì)的復(fù)制，復(fù)制就需要原料，題目要求用放射性同位素標(biāo)記的方法，即提示學(xué)生可模仿科學(xué)史中噬菌體侵染細(xì)菌的實驗，區(qū)分遺傳物質(zhì)是DNA還是RNA，與區(qū)分遺傳物質(zhì)是DNA還是蛋白質(zhì)的思路類似，而2種核酸各自含有的特殊堿基是U和T，由此可分析出實驗的基本思路。此題的編寫明顯取材于“DNA是遺傳物質(zhì)”這一部分科學(xué)史。學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分知識時，若能真正深入理解、領(lǐng)會和思考每一步的實驗思路，同位素標(biāo)記的原理，分析實驗過程中的每一個現(xiàn)象，解答該題并不難。然而有相當(dāng)多的學(xué)生交了白卷，作為教師，應(yīng)引起思考，在進(jìn)行這一部分知識教學(xué)時，是否過于平面化，對學(xué)生的要求僅僅是記住實驗方法、實驗結(jié)果，學(xué)生缺乏深度思考，沒有質(zhì)疑，其思維也是平面化的，僅將此研究過程當(dāng)作一個知識記憶，沒有深度理解實驗，若缺乏相當(dāng)?shù)纳锟茖W(xué)素養(yǎng)，是不可能完成實驗設(shè)計的。此題的出現(xiàn)，應(yīng)引起高中生物學(xué)教師的思考，也指出了高中生物學(xué)教學(xué)的方向，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力是高中生物學(xué)教學(xué)的重要任務(wù)，而科學(xué)史的教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的良好素材。本文結(jié)合2個教學(xué)案例，闡述如何深度學(xué)習(xí)生物科學(xué)史。

1 問題引導(dǎo)，思維對話，培養(yǎng)批判性思維

在進(jìn)行DNA是遺傳物質(zhì)的科學(xué)史教學(xué)時，格里菲思做了如下4組實驗（圖1），

圖1

教師首先提出問題：前3組的實驗結(jié)果分別說明什么？d組實驗與前3組對比，推測是什么導(dǎo)致小鼠死亡？c組實驗說明加熱的S型細(xì)菌是無毒的，b組實驗說明R型細(xì)菌是無毒的，2組無毒的混合注射為何引起小鼠死亡？從a實驗得出結(jié)論S型活菌有毒，而在d組死亡老鼠體內(nèi)也分離到S型活菌，由此推斷：在小鼠體內(nèi)S型細(xì)菌將R型細(xì)菌轉(zhuǎn)化為S型菌。緊接著引導(dǎo)學(xué)生思考問題：S型細(xì)菌內(nèi)有多種物質(zhì)，誰才是轉(zhuǎn)化因子？如何判斷？教師利用《濫竽充數(shù)》的典故引導(dǎo)學(xué)生，要想知道誰吹得最好，方法是什么？——單獨表演，從而引導(dǎo)學(xué)生思考實驗思路：將S型細(xì)菌的各種成分分離、提純，單獨與R型細(xì)菌混合培養(yǎng)，能將R型細(xì)菌轉(zhuǎn)化的物質(zhì)即為“轉(zhuǎn)化因子”。從而轉(zhuǎn)入學(xué)習(xí)艾弗里的體外轉(zhuǎn)化實驗。在體外培養(yǎng)轉(zhuǎn)化實驗中，提出有質(zhì)量問題同樣是思維引導(dǎo)的良方，例如，為什么DNA加DNA酶的那組實驗沒有發(fā)生轉(zhuǎn)化？由此說明，DNA的單位是不能行使遺傳物質(zhì)的功能的，只有具有特定結(jié)構(gòu)的DNA分子才是遺傳物質(zhì)，正如氨基酸不能行使蛋白質(zhì)的功能一樣，由此讓學(xué)生理解一定的功能需要一定的結(jié)構(gòu)支撐，從而理解結(jié)構(gòu)決定功能這一生物學(xué)觀念。

在“噬菌體侵染細(xì)菌實驗”教學(xué)中，為便于學(xué)生理解實驗的微觀過程，可先利用板畫介紹噬菌體侵染細(xì)菌產(chǎn)生子代噬菌體的過程，通過圖解實驗過程中的每個步驟，學(xué)生可想象發(fā)生的微觀過程，能更好地分析和推理，從而理解實驗的本質(zhì)。在具體教學(xué)中，教師仍可提出許多問題與學(xué)生進(jìn)行思維對話：如何看到DNA或蛋白質(zhì)在實驗過程中的去路？（用同位素標(biāo)記法。）用什么元素標(biāo)記？是二者共有的還是特有的？（要標(biāo)記特有的元素，即P和S。）同時標(biāo)記還是分別標(biāo)記？（必須分別標(biāo)記才能看清各自去路。）如何標(biāo)記？是否可用培養(yǎng)基直接標(biāo)記？（噬菌體是寄生的類型，只能先標(biāo)記細(xì)菌，再用細(xì)菌標(biāo)記病毒。）在實驗過程中，攪拌的目的是什么？放射性出現(xiàn)的位置反映了什么？什么時間攪拌？太早攪拌或太晚攪拌會出現(xiàn)什么情況？在最后新形成的噬菌體中是否有放射性？說明什么？即便有放射性，是所有子代噬菌體都有嗎？（只有2個，與半保留復(fù)制聯(lián)系。）該實驗證明了DNA是遺傳物質(zhì)，它同時也說明了遺傳物質(zhì)的什么功能？（復(fù)制和表達(dá)，或者說控制性狀。）

類似這樣的科學(xué)發(fā)現(xiàn)有很多，例如促胰液素的發(fā)現(xiàn)、生長素的發(fā)現(xiàn)、酶的發(fā)現(xiàn)等。若在教學(xué)中讓學(xué)生象海綿一樣吸收，僅記憶每個實驗的內(nèi)容、步驟、結(jié)論，則學(xué)生就僅能記住這些知識本身，而更重要的思維能力沒有得到訓(xùn)練，自然也談不上科學(xué)素養(yǎng)，只有在教學(xué)中盡可能多地提出有質(zhì)量的問題，激發(fā)學(xué)生的思維，不斷思考、質(zhì)疑科學(xué)家為什么這么做？依據(jù)是什么？合乎邏輯嗎？能推出什么結(jié)果？經(jīng)常進(jìn)行師生思維對話，可幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)最有價值的觀點，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。可以說，生命科學(xué)的每一項成果，就是在質(zhì)疑、分析、推理、評價和檢驗中得出的。

2 嘗試假說-演繹法，讓學(xué)生重走科學(xué)發(fā)現(xiàn)之路

一些重要科學(xué)理論的提出，往往經(jīng)過了許多科學(xué)家的不斷探索和不懈努力，甚至失敗。經(jīng)歷無數(shù)次的假說—演繹—實驗，最終才成為學(xué)說。高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中提出，從生命觀念、理性思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任4個方面發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。因此，科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，無疑是高中生物學(xué)課程的一項重要任務(wù)。而在中學(xué)階段引導(dǎo)學(xué)生開展科學(xué)探究，就是要在教學(xué)中讓學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)過程，模仿科學(xué)家的科學(xué)探究過程，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據(jù)、檢驗假設(shè)和發(fā)現(xiàn)規(guī)律等過程中習(xí)得生物學(xué)知識，養(yǎng)成理性思維的習(xí)慣，形成積極的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展終身學(xué)習(xí)的能力［2］。

在科學(xué)史教學(xué)中，可讓學(xué)生嘗試當(dāng)一次科學(xué)家，利用資料中提供的信息、數(shù)據(jù)，思考可提出哪些假說，根據(jù)假說，設(shè)計驗證假說的方法，演繹推理可能出現(xiàn)的實驗結(jié)果，最后得出正確的結(jié)果。

以“DNA的半保留復(fù)制方式”的教學(xué)為例，從復(fù)印一份資料入手，向?qū)W生介紹半保留復(fù)制和全保留復(fù)制，復(fù)印件上的信息與原件完全相同，但復(fù)印紙是全新的，這就是全保留復(fù)制，以此為基礎(chǔ)說明半保留復(fù)制的含義，在此基礎(chǔ)上讓學(xué)生嘗試?yán)眉僬f－演繹法開展探究：第1步，先介紹當(dāng)時提出的幾種復(fù)制的假說，半保留復(fù)制方式、全保留制方式、彌散復(fù)制方式等。第2步，讓學(xué)生根據(jù)不同的假說,進(jìn)行演繹推理，嘗試畫出幾種復(fù)制方式的模式圖（圖2）。

圖2

學(xué)習(xí)的重點是讓學(xué)生判斷DNA復(fù)制是全保留還是半保留復(fù)制方式。提出問題：畫圖可用不同的顏色表示不同的鏈，實驗中該如何區(qū)分？即如何區(qū)分子一代的DNA的2條鏈成分是相同的還是不同的？從而判斷哪種方式是真實的？引導(dǎo)學(xué)生從已學(xué)過的噬菌體侵染細(xì)菌實驗，以及分泌蛋白的合成和分泌實驗，提出同位素標(biāo)記的方法。

介紹實驗1和實驗2，基于此，讓學(xué)生根據(jù)半保留復(fù)制和全保留復(fù)制2種不同的假說，演繹推理，預(yù)測并畫出實驗3和實驗4的結(jié)果圖（圖3）（細(xì)菌每20 min復(fù)制一代）。

圖3

圖4

圖4是學(xué)生畫的半保留復(fù)制的預(yù)期結(jié)果，而若是全保留復(fù)制，則實驗3和實驗4結(jié)果都是有輕、重2條帶，沒有中間帶。這是學(xué)生根據(jù)假說演繹推理的實驗結(jié)果。最后一步驗證結(jié)果：通過資料對比，真實的實驗現(xiàn)象與圖4的一致，從而證明DNA的復(fù)制方式是半保留復(fù)制。這樣，學(xué)生親自進(jìn)行了一次假說演繹的研究過程，體驗做科學(xué)，同時進(jìn)行了科學(xué)思維訓(xùn)練。它的價值要遠(yuǎn)勝于讓學(xué)生記住多少個實驗過程，這種方法能極大激發(fā)學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)熱情，并體驗科學(xué)研究的快樂。

重視科學(xué)史教學(xué)，讓學(xué)生親歷科學(xué)家提出問題，做出假設(shè)，尋找證據(jù)，檢驗假設(shè)、得出結(jié)論的科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程，重走科學(xué)發(fā)現(xiàn)之路，既體會科學(xué)研究艱辛，也感受科學(xué)發(fā)現(xiàn)的樂趣，感受做科學(xué)并非遙不可及，既能培養(yǎng)學(xué)生的理性思維，也能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，從而真正發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。