巴斯德的研究脈絡(luò)與核心素養(yǎng)教育價值分析

趙婷婷

(天津師范大學(xué)教師教育學(xué)院 天津 300387)

巴斯德(Louis Pasteur， 1822—1895)被后人譽(yù)為“微生物學(xué)之父”，他一生的研究幾乎對微生物學(xué)的各個領(lǐng)域都有所影響。

1 巴斯德的研究脈絡(luò)

巴斯德說過：“在觀察的領(lǐng)域內(nèi)，機(jī)遇只偏愛那些有準(zhǔn)備的頭腦。”在開創(chuàng)微生物學(xué)研究之前，他是一位出色的化學(xué)家，早期研究化學(xué)中的晶體問題，26歲時成功地將酒石酸鹽外消旋晶體拆分成兩種旋光異構(gòu)體，開創(chuàng)了立體化學(xué)的研究領(lǐng)域。通過對分子不對稱性的研究，巴斯德發(fā)現(xiàn)有機(jī)化合物往往具有手性，而無機(jī)化合物往往沒有[1]，這可能是他對生命現(xiàn)象產(chǎn)生興趣的原因之一。

1.1 發(fā)酵問題 巴斯德是從發(fā)酵問題開始進(jìn)行微生物研究的，這一研究開始得頗為偶然。當(dāng)時啤酒在釀出之后經(jīng)常會變酸。1856年，法國里爾有一家工廠為此遭受重大損失，而巴斯德當(dāng)時是里爾自然科學(xué)院的院長，所以被請去出主意[2]。酒廠是想請巴斯德作為化學(xué)家來解決這一問題的，但卻自此改變了他的科學(xué)道路，巴斯德由晶體化學(xué)轉(zhuǎn)入了前人未曾開辟的微生物學(xué)領(lǐng)域。

當(dāng)時，化學(xué)家普遍認(rèn)為發(fā)酵是一個純化學(xué)過程。細(xì)胞學(xué)說的提出者之一施旺曾發(fā)現(xiàn)酵母菌，并指出酒精發(fā)酵與這種生命體有關(guān)，但被當(dāng)時最知名的化學(xué)家們一致反對[2]。而同樣作為化學(xué)家，巴斯德沒有固守發(fā)酵是純化學(xué)過程的信條，在化學(xué)手段沒有起效的情況下，他另辟蹊徑，通過多次實(shí)驗(yàn)，終于在顯微鏡下觀察到下列現(xiàn)象：發(fā)酵正常的酒液和變酸的酒液中酵母菌的形狀是不同的，分別呈圓球狀和桿狀。巴斯德認(rèn)為，這是兩種不同的酵母菌，圓球狀酵母菌產(chǎn)生酒精，桿狀酵母菌(乳酸桿菌)使酒變酸[3]。從而有力地證明發(fā)酵過程與微生物有關(guān)。那么，如何應(yīng)對酒的變質(zhì)呢？巴斯德嘗試用各種不同的溫度來殺死酒中的微生物，最終發(fā)現(xiàn)以50～60℃的溫度加熱啤酒0.5h，然后將酒密封，就可以保證酒的質(zhì)量了。這就是大名鼎鼎的巴氏滅菌法，目前主要應(yīng)用于牛奶滅菌。

1.2 對自然發(fā)生說的否定 自然發(fā)生說是一種古老的學(xué)說，即認(rèn)為生命體可以從無生命的物質(zhì)中自發(fā)產(chǎn)生。這在世界各國都有相關(guān)的記載，我國古代也有“枯草化螢”“腐肉生蛆”的說法。自然發(fā)生說是符合古人認(rèn)知水平的，但隨著生物學(xué)知識的逐漸積累，該學(xué)說逐漸受到了挑戰(zhàn)。到19世紀(jì)時，人們已不再認(rèn)為宏觀世界存在自然發(fā)生，爭論的陣地轉(zhuǎn)移到了顯微鏡下的微觀世界。

在對微生物學(xué)產(chǎn)生興趣之后，巴斯德致力于從實(shí)驗(yàn)上證明自然發(fā)生說的錯誤。首先，他通過實(shí)驗(yàn)證明空氣中攜帶微生物：讓空氣通過棉絮，然后將棉絮放在酒精和乙醚中，以收集空氣中的物質(zhì)，果然在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)了大量微生物，這為肉湯腐敗等現(xiàn)象找到了原因。此后，巴斯德進(jìn)行了一系列研究，其中最有說服力的是“曲頸燒瓶”實(shí)驗(yàn)，這種巧妙的實(shí)驗(yàn)器材設(shè)計能力源于他早年學(xué)習(xí)化學(xué)時導(dǎo)師對其動手設(shè)計能力的鼓勵。巴斯德將燒瓶拉出彎曲的長頸，這種長頸可以阻擋空氣中非氣體物質(zhì)的進(jìn)入，瓶中的培養(yǎng)液安然無恙；而如果將燒瓶傾斜使液體通過長頸的彎曲處或是將長頸折斷，培養(yǎng)液就成為微生物滋生的溫床。這一實(shí)驗(yàn)有力地證明了培養(yǎng)液中的微生物是從空氣中帶入后大量滋生的。1877年，巴斯德在寫給別人的信中表示：他反對自然發(fā)生說是出于醫(yī)學(xué)上的考慮，因?yàn)樗X得如果醫(yī)生都相信自然發(fā)生說，就會不利于治療與預(yù)防[1]，這一信念是他堅持與當(dāng)時的一些著名學(xué)者進(jìn)行論戰(zhàn)的原動力。

1.3 傳染病學(xué) 在早期，傳染病被視為與“瘴氣”有關(guān)，雖然也有一些學(xué)者提出傳染病由微生物引起，但并未真正引起實(shí)踐上的重視[1]。

傳染病學(xué)的奠基人是巴斯德，他的研究是從低等動物的傳染病開始的。在成功地“治療”了“酒病”之后，1865年，巴斯德又被請去治療“蠶病”，這是一種在蠶中爆發(fā)出的奇怪疾病。巴斯德秉持著研究發(fā)酵問題時的思路，最終成功地分離出了兩種致病微生物，并且建議蠶農(nóng)將染病的蠶和桑葉全部毀掉，然后選取不帶病菌的蠶卵重新開始養(yǎng)殖，以防止疾病的傳染。這成功地將法國的絲綢業(yè)從蕭條的邊緣拯救回來[3]。

從“蠶病”開始，巴斯德逐漸走上對高等動物和人類的傳染病的研究之路。從1877年起，他研究了炭疽病、雞霍亂和狂犬病，并分離出雞霍亂的病原菌[2]。他曾建議過醫(yī)生對手術(shù)刀和其他器械進(jìn)行嚴(yán)格的消毒，但是醫(yī)生們反應(yīng)漠然，可能是因?yàn)樗麤]有醫(yī)學(xué)方面的學(xué)位。好在英國醫(yī)生李斯特(Joseph Lister， 1827—1912)贊同巴斯德的疾病病菌說，創(chuàng)立了外科消毒法并予以推廣。到了19世紀(jì)末，整個醫(yī)學(xué)界終于普遍接受了在醫(yī)療中要注重消毒滅菌的觀點(diǎn)。

1.4 疫苗 英國醫(yī)生琴納(Jenner， 1749—1823)于1796年發(fā)明的牛痘接種法是大家最熟悉的疫苗的應(yīng)用，不過這一發(fā)明主要出自經(jīng)驗(yàn)積累與大膽實(shí)踐，沒有對免疫的機(jī)理進(jìn)行分析，真正開啟現(xiàn)代免疫學(xué)的是巴斯德。

1879年，巴斯德在對分離出的雞霍亂病原菌進(jìn)行檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)時發(fā)生了意外，接種病原菌培養(yǎng)液的雞并未發(fā)病，這就無法證明他所分離的微生物是雞霍亂的致病菌了。經(jīng)過仔細(xì)檢查實(shí)驗(yàn)步驟之后，巴斯德發(fā)現(xiàn)可能的原因是培養(yǎng)液不夠新鮮，導(dǎo)致致病微生物失活。他很快重復(fù)了實(shí)驗(yàn)，接種新鮮的病原菌培養(yǎng)液，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：雖然一部分雞如預(yù)測般很快死亡，但還是有一部分雞沒有發(fā)病。巴斯德非常意外，檢查后發(fā)現(xiàn)沒有發(fā)病的正是上一次實(shí)驗(yàn)中接種了失活培養(yǎng)液的雞。他沒有任由這兩次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果從眼前溜過，而是敏銳地發(fā)現(xiàn)了其中蘊(yùn)藏的重要信息：雞霍亂的病原菌長期培養(yǎng)后毒性降低，用這種減毒的培養(yǎng)液給健康的雞接種可以使它們獲得抵抗這種疾病的能力，而這也正是琴納發(fā)明的牛痘接種法的機(jī)理。巴斯德的這個實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)解釋是現(xiàn)代免疫學(xué)的開端[2]。

1881年，巴斯德再接再厲，發(fā)明了牲畜炭疽病的疫苗。接著，他向人類傳染病進(jìn)軍。巴斯德考慮到人體實(shí)驗(yàn)的倫理性問題，決定研究人畜共患病，最終選擇了狂犬病。與他所研究過的其他問題不同的是，狂犬病是由病毒傳染的，病原體并不能在光學(xué)顯微鏡下觀察到。但是，巴斯德相信它一定也是某種微生物造成的。一系列疫苗濃度的摸索實(shí)驗(yàn)后，巴斯德成功地研發(fā)出了對動物有效的狂犬病疫苗。鑒于倫理考慮，起初巴斯德將研發(fā)成功的狂犬病疫苗束之高閣，直到1885年，一個小男孩被狗咬傷，他的母親絕望之下找到巴斯德，這種疫苗才第一次應(yīng)用于人體，并順利地預(yù)防了男孩的發(fā)病。此后，巴斯德發(fā)明的狂犬病疫苗成功地幫助了許多人[1]。

2 科學(xué)史材料蘊(yùn)涵的生物學(xué)核心素養(yǎng)教育價值

發(fā)展生物學(xué)核心素養(yǎng)是新一輪課程改革的重要目標(biāo)，需要滲透于日常教學(xué)中，以達(dá)到學(xué)生自主吸收、內(nèi)化于心的效果?？茖W(xué)史是發(fā)展核心素養(yǎng)的優(yōu)秀材料，以上述巴斯德的研究為例，核心素養(yǎng)的四個維度都有所體現(xiàn)。

2.1 生命觀念 通過梳理，可以看出巴斯德的研究建立在一個重要觀念之上：一切現(xiàn)象都有其物質(zhì)原因。他的研究關(guān)注的是微生物所引起的現(xiàn)象：發(fā)酵由微生物引起，不同微生物有不同的發(fā)酵產(chǎn)物；傳染病由微生物引起，可以通過一定方法研發(fā)疫苗預(yù)防傳染??；微生物不會由無到有自發(fā)產(chǎn)生，必然有其源頭——在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)同這一點(diǎn)后再進(jìn)行與其他知識的聯(lián)系與發(fā)散，從而形成結(jié)構(gòu)與功能、物質(zhì)與能量辯證統(tǒng)一的生命觀念。

2.2 科學(xué)思維 巴斯德的研究中體現(xiàn)出多維度的科學(xué)思維：他對發(fā)酵問題的研究，沒有盲從當(dāng)時的權(quán)威觀點(diǎn)，體現(xiàn)了批判性思維；在設(shè)計曲頸燒瓶實(shí)驗(yàn)否定自然發(fā)生時，實(shí)際上是運(yùn)用了假說—演繹的研究方法，體現(xiàn)出良好的演繹推理能力；在雞霍亂病原菌相關(guān)研究中，他敏銳地抓住實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的機(jī)理，并通過后續(xù)研究對免疫機(jī)理加以證明，體現(xiàn)了歸納與演繹的綜合運(yùn)用。教師在講述科學(xué)史材料時，不要只將其當(dāng)作有趣的故事，而要通過合理的問題設(shè)計引導(dǎo)學(xué)生共同學(xué)習(xí)科學(xué)家的思維方式。

2.3 科學(xué)探究 巴斯德所做的每一個實(shí)驗(yàn)，都有著巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計，并體現(xiàn)了優(yōu)秀的觀察與分析能力和學(xué)術(shù)敏感性。教師在教學(xué)時要深刻挖掘相關(guān)材料，讓學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家的探究思路、方法與態(tài)度。

2.4 社會責(zé)任 作為一名熱愛祖國且有著強(qiáng)烈責(zé)任感的知名學(xué)者，巴斯德的每一步研究都體現(xiàn)著他的社會責(zé)任感。研究“酒病”拯救了法國的釀酒業(yè)，研究“蠶病”治愈了法國的絲綢業(yè)，研究傳染病和免疫問題更是為全世界人民的健康事業(yè)作出貢獻(xiàn)，甚至否定自然發(fā)生說這一看上去與應(yīng)用性關(guān)聯(lián)不大的研究，其根本出發(fā)點(diǎn)也是為了喚起醫(yī)學(xué)界對消毒的重視，這對整個社會的影響不言而喻，特別是在研究狂犬病疫苗時所體現(xiàn)出的對倫理道德的自覺遵守，閃爍著人性的光芒?？茖W(xué)家是學(xué)生的天然榜樣，教師在教學(xué)中進(jìn)行點(diǎn)撥，讓學(xué)生感受到科學(xué)家的態(tài)度，這對培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感有著非常重要的作用。

(基金項(xiàng)目：天津市2017年度哲學(xué)社會科學(xué)規(guī)劃課題“基于學(xué)科核心素養(yǎng)的生物教師教育行動研究”，No.TJJXQN17-006)