遺傳定律HPS教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生科學(xué)精神養(yǎng)成的課程資源開發(fā)

閆白洋

(上海市行知中學(xué) 上海 201999)

科學(xué)精神是科學(xué)教育的核心內(nèi)容之一[1]。相比科學(xué)知識和科學(xué)方法，目前，科學(xué)教育中科學(xué)精神的培養(yǎng)普遍缺失[2]?？茖W(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)(history， philosophy and sociology of science，簡稱HPS)不僅蘊(yùn)含著科學(xué)知識的形成過程，還蘊(yùn)含著科學(xué)家的創(chuàng)造性思維方式和科學(xué)方法，體現(xiàn)了科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。因此，HPS對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神有著重要的價值。要有效地實(shí)施科學(xué)精神教育，教師必須能正確把握科學(xué)精神的本質(zhì)，理解科學(xué)精神演化的歷史進(jìn)程。本文以遺傳定律的HPS教學(xué)為例，挖掘遺傳定律發(fā)現(xiàn)歷程中的科學(xué)精神，為促進(jìn)學(xué)生科學(xué)精神的養(yǎng)成提供參考。

1 遺傳定律HPS教學(xué)中的科學(xué)精神

1.1 遺傳定律HPS教學(xué)中的求實(shí)和實(shí)證精神 任何科學(xué)工作，必須立足于客觀依據(jù)。1854年夏天，孟德爾(Gregor Johann Mendel)從34株不同品種的豌豆中挑選了22株進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。1856年到1863年，孟德爾種植和檢測了28 000棵豌豆，分析了7對性狀。1865年，孟德爾關(guān)于豌豆的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在布隆自然史學(xué)會會議上得到了討論，并發(fā)表于1866年的學(xué)術(shù)會刊上。之后，孟德爾花了5年時間，試圖通過雜交山柳菊去驗(yàn)證遺傳定律。1870年，孟德爾發(fā)表論文提到?jīng)]有驗(yàn)證出豌豆中的遺傳規(guī)律。在整個過程中，可以看出孟德爾的發(fā)現(xiàn)均基于客觀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并不斷地去求實(shí)和驗(yàn)證。19世紀(jì)90年代，荷蘭生物學(xué)家德佛里斯(Hugo de Vries)對具有黑白標(biāo)志的罌粟進(jìn)行了一系列雜交實(shí)驗(yàn)，觀察到了3∶1比例，并在15個物種中觀察到了分離定律現(xiàn)象。德國生物學(xué)家科倫斯(Carl Erich Correns)在玉米的雜交實(shí)驗(yàn)中，觀察到了3∶1比例。奧地利生物學(xué)家丘謝瑪克(Erich von Tschermak)利用豌豆的子葉顏色和種子性狀實(shí)驗(yàn)，觀察到了3∶1比例。1911年，摩爾根(Thomas Hunt Morgan)以果蠅為實(shí)驗(yàn)材料，通過白眼突變果蠅與正常紅眼果蠅交配，發(fā)現(xiàn)了伴性遺傳規(guī)律，并第一次證明了基因在染色體上。后來，摩爾根用灰身殘翅果蠅與黑身長翅果蠅雜交，發(fā)現(xiàn)了連鎖與互換定律。由此可知，遺傳定律發(fā)現(xiàn)的過程，就是無數(shù)科學(xué)家求實(shí)和實(shí)證的過程。求實(shí)和實(shí)證精神是科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)研究的必備品質(zhì)。

1.2 遺傳定律HPS教學(xué)中的懷疑和批判精神 懷疑和批判精神是對已有的結(jié)論、對曾有的權(quán)威，皆應(yīng)保持某種理性的存疑。在遺傳定律發(fā)現(xiàn)過程中，充滿著許多科學(xué)家的懷疑和批判，也就是這些懷疑和批判使遺傳定律越來越完善。1868年，達(dá)爾文(Charles Robert Darwin)提出了遺傳現(xiàn)象的泛生說理論，認(rèn)為組成身體的細(xì)胞都能產(chǎn)生微粒，并由循環(huán)系統(tǒng)帶到生殖細(xì)胞，并集合一起形成后代。在一段時間內(nèi)，遺傳的泛生說理論被人們所認(rèn)可，但是也有很多科學(xué)家如德佛里斯、高爾頓(Francis Galton)和威斯曼(August Weismann)等，都提出了質(zhì)疑并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)證明，其中高爾頓用白兔的血注入黑兔體內(nèi)，實(shí)驗(yàn)證明泛生說理論是錯誤的。在孟德爾提出遺傳定律時，也被很多科學(xué)家所懷疑和批判，甚至孟德爾自己都在懷疑和批判自己的理論。主要原因是： 當(dāng)時很多自然學(xué)家在牛的肉奶產(chǎn)量、綿羊產(chǎn)毛量等多基因控制的性狀實(shí)驗(yàn)中，沒有觀察到3∶1現(xiàn)象。在慕尼黑植物學(xué)教授耐格里(Carl Nageli)指引下，孟德爾利用山柳菊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果以失敗告終(山柳菊是孤雌生殖)。法國遺傳學(xué)家丘諾特(L. Cuenot)進(jìn)行了關(guān)于家鼠毛色的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果出現(xiàn)了2∶1的現(xiàn)象(胚胎致死)。美國胚胎學(xué)家摩爾根對孟德爾遺傳定律也是持著懷疑和批判的態(tài)度。在當(dāng)時科學(xué)發(fā)展?fàn)顩r下，人們還不知道孟德爾的“遺傳因子”與染色體之間關(guān)系，科學(xué)家提出的懷疑是合理，也是科學(xué)發(fā)展所需要的。

1.3 遺傳定律HPS教學(xué)中的繼承和創(chuàng)新精神 科學(xué)研究是一個長期的過程，繼承和創(chuàng)新精神在科學(xué)研究中至關(guān)重要。德國科學(xué)家科爾羅伊特(Josef Gottlieb Koelreuter)是第一個從事植物雜交研究的科學(xué)家，并發(fā)明了植物的人工雜交技術(shù)；英國育種學(xué)家奈特(Thomas Night)觀察到豌豆的性狀區(qū)分明顯，并且是嚴(yán)格的自花傳粉植物。法國科學(xué)家薩葉里在從事葫蘆科植物的雜交實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了性狀的獨(dú)立分配現(xiàn)象。德國科學(xué)家格特納(C.F. Gaertner)做了1萬多項(xiàng)植物雜交實(shí)驗(yàn)，分析了9 000多個實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了F2代植株同F(xiàn)1代植株比較時，F(xiàn)2植株有很大的變異性，由于他把子代作為一個整體來分析，沒有統(tǒng)計(jì)雜交后代中的個別性狀。法國科學(xué)家諾丁(C. Naudin)發(fā)現(xiàn)了生殖細(xì)胞形成過程中的性狀分離現(xiàn)象，但他沒有從概率的角度統(tǒng)計(jì)各個性狀出現(xiàn)的頻率。這些早期的研究為孟德爾的研究提供了參考，也是孟德爾成功重要原因。同樣，孟德爾發(fā)現(xiàn)的遺傳定律也為其他科學(xué)家的研究提供參考，很多科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展了孟德爾的工作，并證明了孟德爾定律除了在植物中適用外，在動物中也同樣適用。摩爾根的果蠅實(shí)驗(yàn)，也是基于孟德爾學(xué)說進(jìn)行的，并在此基礎(chǔ)上證明了基因位于染色體上，以及遺傳學(xué)中連鎖與互換定律。

1.4 遺傳定律HPS教學(xué)中的互助和協(xié)作精神 縱觀歷史，很多科學(xué)的發(fā)現(xiàn)以及完善往往都是多代科學(xué)家互助和協(xié)作共同完成的。遺傳定律的發(fā)現(xiàn)，孟德爾提出了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但并沒有完美解釋。1900年德弗里斯、科倫斯和丘歇瑪克三個人重現(xiàn)了孟德爾遺傳定律現(xiàn)象，使世人關(guān)注了遺傳定律現(xiàn)象。之后，貝特森(William Bateson)引入了F1代、F2代、等位基因、合子、純合子、異合子等遺傳學(xué)特有的符號。丹麥植物學(xué)家約翰森(Wihelm Ludvig Johannsen)引入了基因(gene)這一術(shù)語代表遺傳因子，創(chuàng)造了表現(xiàn)型和基因型等遺傳學(xué)專用名詞。魏斯曼為孟德爾遺傳定律提供了細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)。他提出每種生物都由兩種不同成分組成，即種質(zhì)和體質(zhì)。有絲分裂是體質(zhì)細(xì)胞的分裂方式，保持染色體數(shù)目恒定。減數(shù)分裂是種質(zhì)細(xì)胞的分裂方式，使染色體數(shù)目減半。受精后，精卵細(xì)胞融合又恢復(fù)成正常的染色體數(shù)目。1910年，一些生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在配子形成和受精過程中，成對的遺傳因子位于精子和卵子提供的成對的染色體上。波弗里(Theodor Boveri)證明了細(xì)胞核控制遺傳，認(rèn)為不同染色體具有不同的性質(zhì)。薩頓(Walter Stanborough Sutton)提出成對染色體在減數(shù)分裂過程中的分離，是“孟德爾遺傳規(guī)律的物理基礎(chǔ)”。摩爾根證明了基因位于染色體上。詹森(Frans Alfons Jansses)提出了在減數(shù)分裂早期時，同源染色體相互纏繞在一起?？茖W(xué)家的共同協(xié)作，完善了遺傳定律。由此可以看出，遺傳定律絕不是某個人能夠發(fā)現(xiàn)的，是靠著許多科學(xué)家不斷地去互助協(xié)同、探索研究的。

1.5 遺傳定律HPS教學(xué)中的不怕失敗和執(zhí)著精神 遺傳定律的發(fā)現(xiàn)到完善經(jīng)歷近100年，這個過程是科學(xué)家不斷失敗、不斷實(shí)踐、不斷探索的過程。孟德爾利用了8年時間進(jìn)行了豌豆實(shí)驗(yàn)，取得了成果，并沒有被人們所認(rèn)可。之后，孟德爾花了5年時間，試圖通過雜交山柳菊驗(yàn)證遺傳定律，結(jié)果失敗了。即使在1900年遺傳定律被三個科學(xué)家同時證明，之后的10年仍然被人們不斷懷疑和論證。摩爾根用了19年的時間證明了基因在染色體上，發(fā)現(xiàn)了基因的連鎖和互換定律，發(fā)現(xiàn)了基因在染色體上呈線性排列等。包括遺傳定律發(fā)現(xiàn)過程中的很多實(shí)驗(yàn)都是在一次次失敗中研究出來的。

2 遺傳定律HPS教學(xué)中科學(xué)精神的培養(yǎng)策略

2.1 加深教師對科學(xué)精神的理解與重視 隨著教育綜合改革的推進(jìn)，立德樹人的思想深入人心，科學(xué)精神是學(xué)生六大核心素養(yǎng)之一，學(xué)科教師要充分認(rèn)識到科學(xué)精神的重要性。利用HPS培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神時，教師必須對HPS中科學(xué)精神進(jìn)行歸納和總結(jié)，深刻挖掘和理解HPS中的科學(xué)精神。例如遺傳定律HPS的科學(xué)精神，如果教師都不清楚知道，更難促進(jìn)學(xué)生科學(xué)精神的養(yǎng)成。而且，在教學(xué)設(shè)計(jì)時，要重點(diǎn)突出科學(xué)精神的教學(xué)目標(biāo)。并將其與HPS結(jié)合起來，學(xué)生通過HPS的經(jīng)歷和體驗(yàn)，在潛意識中養(yǎng)成科學(xué)精神。

2.2 加強(qiáng)HPS中實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué) 相比于科學(xué)知識和科學(xué)方法，科學(xué)精神是無形的，不容易實(shí)際操作。僅靠教師在課堂教學(xué)中講授是無法真正實(shí)現(xiàn)科學(xué)精神養(yǎng)成的。因此，可以嘗試進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐中體會科學(xué)精神。例如遺傳定律HPS教學(xué)中，可以讓學(xué)生在研究性課題中去培養(yǎng)小麥植株，并進(jìn)行小麥植株的雜交實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在這個過程中，學(xué)生更能養(yǎng)成科學(xué)精神。

2.3 實(shí)施科學(xué)精神的教學(xué)行為評價 當(dāng)前科學(xué)教學(xué)測評中，對科學(xué)精神的評價較少。這也是科學(xué)精神被忽視的重要原因。很多教師認(rèn)為科學(xué)精神是屬于精神層面的，具有意識能動性，很難客觀地評價。精神的養(yǎng)成是一個以行為影響思維的過程[3]，為此，可以通過對學(xué)生學(xué)習(xí)過程及行為的綜合測評來評價學(xué)生的科學(xué)精神。教師在課堂教學(xué)中，可以通過考查學(xué)生在平時的學(xué)習(xí)表現(xiàn)和精神狀態(tài)評價學(xué)生的科學(xué)精神。例如，關(guān)注學(xué)生是否經(jīng)常參與和獨(dú)立思考，是否經(jīng)常進(jìn)行批判和質(zhì)疑，是否表現(xiàn)出堅(jiān)持不懈、不怕困難和挫折的品格等。