基于科學(xué)史滲透科學(xué)本質(zhì)教育的教學(xué)實踐

周茜

摘要 以“細(xì)胞膜的流動鑲嵌模型”的探究教學(xué)為例，探索滲透科學(xué)本質(zhì)教育的教學(xué)策略，指出科學(xué)史學(xué)習(xí)是滲透科學(xué)本質(zhì)教育，落實生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑。

關(guān)鍵詞 科學(xué)本質(zhì)教育 教學(xué)策略 生物核心素養(yǎng)

中圖分類號 G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

1科學(xué)本質(zhì)與科學(xué)本質(zhì)教育

將科學(xué)本質(zhì)作為科學(xué)教育的內(nèi)容和目標(biāo)之一，是一些發(fā)達(dá)國家極力提倡的，也是國際科學(xué)課程改革的趨勢。美國的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》對“科學(xué)本質(zhì)”的教育提出了明確要求?！缎乱淮茖W(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》對科學(xué)本質(zhì)的論述是：科學(xué)研究使用多種方法;科學(xué)知識基于經(jīng)驗證據(jù);科學(xué)知識是開放的，可以修正;科學(xué)模型、規(guī)律、機(jī)制和理論能夠解釋自然現(xiàn)象;科學(xué)是一種認(rèn)識方式;科學(xué)知識呈現(xiàn)了自然系統(tǒng)的有序性和一致性;科學(xué)是人類的嘗試與努力。《面向全體美國人的科學(xué)》則從科學(xué)世界觀、科學(xué)探究活動和科學(xué)事業(yè)3個方面對科學(xué)的本質(zhì)進(jìn)行了闡述?！犊茖W(xué)教育的原則和大概念》一書也給出了關(guān)于科學(xué)的3個大概念，即科學(xué)認(rèn)為每一種現(xiàn)象都具有一個或多個原因;科學(xué)上給出的解釋、理論和模型都是在特定的時期內(nèi)與事實最為吻合的;科學(xué)的應(yīng)用經(jīng)常會對倫理、社會、經(jīng)濟(jì)和政治產(chǎn)生影響。

近年來，隨著課程改革的不斷深化，科學(xué)本質(zhì)教育在我國中小學(xué)科學(xué)教育中也日益得到關(guān)注。對科學(xué)本質(zhì)的理解已成為學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要組成。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱新課標(biāo)）指出：高中生物學(xué)課程是自然科學(xué)課程，學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程中不僅要獲得諸如細(xì)胞、遺傳、進(jìn)化等生物學(xué)方面的知識，還應(yīng)該學(xué)習(xí)一些“關(guān)于自然科學(xué)的知識”。在科學(xué)教育領(lǐng)域，“關(guān)于自然科學(xué)的知識”也被稱為“科學(xué)本質(zhì)”。在高中生物教學(xué)中滲透科學(xué)本質(zhì)教育已成為一線教師積極開展課堂教學(xué)改革，落實核心素養(yǎng)的新課題?！凹?xì)胞膜的流動鑲嵌模型”是1972年桑格和尼克森提出的。模型的建立歷經(jīng)幾十年幾代科學(xué)家的不斷探索。其間，有基于細(xì)胞膜透性實驗的化學(xué)分析，有基于成像技術(shù)運用的邏輯推理與建模。筆者在教授“細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型”一節(jié)時，嘗試滲透科學(xué)本質(zhì)教育。

2滲透科學(xué)本質(zhì)教育的教學(xué)策略

2.1基于事實的科學(xué)論證

科學(xué)是要求邏輯的。碎片式的事實無法幫助學(xué)生形成嚴(yán)密的邏輯思維。教師需要梳理科學(xué)史中相關(guān)的科學(xué)事實，選擇模型建構(gòu)過程中的關(guān)鍵事實，提出膜結(jié)構(gòu)建構(gòu)過程中需要解決的3個核心問題。即，膜的化學(xué)組成是什么？膜分子的分布特點如何？膜是靜止的還是流動的？并引導(dǎo)學(xué)生運用已有的或提供的相關(guān)知識，開展論證。

針對“膜的化學(xué)組成”，教師選擇了“1895年的歐文頓細(xì)胞膜物質(zhì)通透性實驗”和“20世紀(jì)初的紅細(xì)胞膜成分化學(xué)分析實驗”兩個實驗資料。針對高一學(xué)生沒有相關(guān)有機(jī)化學(xué)的背景知識，教師同時介紹了“相似相溶”的化學(xué)原理。在此基礎(chǔ)上，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)事實得出推論，并解釋形成推論的理由?？茖W(xué)知識僅僅靠推論是沒有說服力的，還需要對推論進(jìn)行驗證。教師適時要求學(xué)生根據(jù)已有知識提出驗證的方案。由此，學(xué)生獲得膜主要是由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成，脂質(zhì)主要是磷脂分子?？茖W(xué)論證的過程是批判質(zhì)疑的過程，也是辯論和認(rèn)同的過程。在論證過程，學(xué)生理解了“科學(xué)研究使用多種方法”“科學(xué)工作依賴觀察和推論”，也認(rèn)同了“科學(xué)知識可能隨著研究的深入而改變”。

針對“膜是靜止的，還是流動的”的討論時，教師首先組織持兩個不同觀點的學(xué)生進(jìn)行辯論，要求學(xué)生基于事實進(jìn)行思考。學(xué)生提出了變形蟲的攝食與運動行為、精卵融合及細(xì)胞的生長等現(xiàn)象，在辯論過程中，達(dá)成共識：細(xì)胞膜應(yīng)該是流動的。當(dāng)然，學(xué)生認(rèn)為只有現(xiàn)象不足以證實膜的流動性，還需要實驗證明。在這樣的任務(wù)驅(qū)動下，教師提供了“熒光標(biāo)記人鼠細(xì)胞融合實驗”，指導(dǎo)學(xué)生結(jié)合相關(guān)問題。例如，科學(xué)家是如何給膜蛋白進(jìn)行標(biāo)記的？標(biāo)記了膜上的什么分子？運用了什么原理？實驗現(xiàn)象是怎樣的？根據(jù)實驗現(xiàn)象，可以得出什么結(jié)論？緊接著，教師補(bǔ)充介紹了“朗姆瓦的磷脂分子實驗”，幫助學(xué)生了解膜的基本骨架磷脂雙分子層的運動方式。學(xué)生從而理解膜的流動性是磷脂分子和部分蛋白質(zhì)分子運動體現(xiàn)的。

2.2基于推論的科學(xué)建模

建模是科學(xué)研究的方法之一。學(xué)生的建?；顒蛹仁求w驗“像科學(xué)家一樣探究”的過程，也是評價學(xué)生對事實的抽象和知識的理解的方法。如何指導(dǎo)學(xué)生科學(xué)建模，避免只有模仿，沒有思維的“偽建?！?？這就要求教師既要給予知識和方法的支持，也要給學(xué)生獨立思考與建模的時間和空間，鼓勵學(xué)生勇于嘗試，大膽質(zhì)疑，積極合作與交流。

本節(jié)課設(shè)計了2個建?；顒?。

1建構(gòu)膜的基本骨架。教師首先介紹磷脂分子的結(jié)構(gòu)，分析磷脂分子的雙親性質(zhì)，并提前準(zhǔn)備磷脂分子模型，如圖1所示。接著，提供“1925年荷蘭科學(xué)家的紅細(xì)胞膜脂質(zhì)展層實驗”，并要求學(xué)生以紅細(xì)胞為例，小組合作共同完成磷脂分子層的排列模型。在小組討論過程中，教師啟發(fā)學(xué)生分析細(xì)胞膜內(nèi)外側(cè)所處的真實環(huán)境。學(xué)生基于推論和磷脂分子的化學(xué)特性及細(xì)胞膜所處環(huán)境，自主建模，如圖2所示。

2構(gòu)建膜蛋白質(zhì)的分布模型。教師提供“1959年羅伯特森的電鏡觀察實驗”和“20世紀(jì)60年代細(xì)胞膜冰凍蝕刻后電鏡觀察圖”兩個資料，組織學(xué)生根據(jù)事實提出模型、交流思想。在思維碰撞的過程中，學(xué)生體驗到掃描技術(shù)的發(fā)展為人類認(rèn)識科學(xué)提供了可靠的證據(jù);同時，認(rèn)識到蛋白質(zhì)分布的不對稱性，蛋白質(zhì)分子或鑲于或嵌入或貫穿于磷脂雙分子層。學(xué)生利用教師提供的蛋白質(zhì)模型完成建模，如圖3所示。

在建?；顒又校瑢W(xué)生理解了“科學(xué)是多學(xué)科共同研究發(fā)展的，技術(shù)發(fā)明推動科學(xué)不斷發(fā)展”，認(rèn)同“科學(xué)是需要證據(jù)的”“科學(xué)是邏輯和想像的融合”等科學(xué)本質(zhì)。

2.3基于模型的科學(xué)解釋

科學(xué)是對現(xiàn)象的研究，科學(xué)模型、規(guī)律、機(jī)制和理論能夠解釋自然現(xiàn)象。解釋現(xiàn)象的過程可以幫助學(xué)生更加深入地理解模型。教師在學(xué)生建模后，又演示了兩個實驗現(xiàn)象：

1植物細(xì)胞質(zhì)壁分離和復(fù)原現(xiàn)象實驗;

2小鼠肝細(xì)胞在體外培養(yǎng)一段時間后，培養(yǎng)液中的氨基酸、葡萄糖和尿素含量發(fā)生明顯變化的現(xiàn)象。

師生共同討論分析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，認(rèn)識到“細(xì)胞膜可以控制物質(zhì)的進(jìn)出”，進(jìn)而結(jié)合膜結(jié)構(gòu)模型對其進(jìn)行合理的解釋。學(xué)生從而理解膜的選擇透過性與膜蛋白質(zhì)有密切關(guān)系。緊接著，教師提出：根據(jù)磷脂雙分子層內(nèi)部的疏水性，你認(rèn)為水可以快速自由地通過細(xì)胞膜嗎？在學(xué)生產(chǎn)生思維沖突時，教師介紹了水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)，幫助學(xué)生進(jìn)一步理解膜蛋白的特定功能。

3滲透科學(xué)本質(zhì)教育的實踐思考

3.1科學(xué)史學(xué)習(xí)是滲透科學(xué)本質(zhì)教育的重要載體

科學(xué)史是從時間維度概述科學(xué)發(fā)展的歷程?？茖W(xué)史本身就證實了科學(xué)是不斷發(fā)展的。對于生物科學(xué)而言，任何一個大概念的形成都是基于一個個科學(xué)實驗，進(jìn)行邏輯判斷，質(zhì)疑批判，不斷改進(jìn)修正而發(fā)展起來的，如光合作用的過程、生長素的促進(jìn)作用以及DNA是主要的遺傳物質(zhì)。學(xué)生在學(xué)習(xí)這些生物大概念的發(fā)現(xiàn)史的同時，必然形成了“科學(xué)工作依賴觀察和推論”“科學(xué)工作采用基于實證的范式”“科學(xué)是創(chuàng)造性的工作”“科學(xué)工作中要高度關(guān)注主觀因素的影響”等關(guān)于科學(xué)的知識。

3.2科學(xué)本質(zhì)教育是落實生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容

新課標(biāo)指出：生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在解決真實情境中的生物學(xué)問題時所表現(xiàn)出來的必備品格、關(guān)鍵能力和價值觀念。生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任。那么，如何在生物課堂中有效落實生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)？科學(xué)本質(zhì)教育是生物課堂的教學(xué)內(nèi)容，也是教學(xué)途徑?！睹嫦蛉w美國人的科學(xué)》中闡述的科學(xué)哲學(xué)觀“世界是可被認(rèn)知的;科學(xué)理念是會變化的;科學(xué)知識的持久性;科學(xué)不能為所有問題提供完整答案”，本身就是生命觀念的一部分。學(xué)生在學(xué)習(xí)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)模型、光合作用的發(fā)現(xiàn)史和生長素的發(fā)現(xiàn)史的過程中，也逐步形成了結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀等生命觀念。

當(dāng)學(xué)生像科學(xué)家一樣，基于生物學(xué)事實和證據(jù)運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等方法，探究細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)模型、光合作用的過程等大概念時，也培養(yǎng)了科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。不僅如此，科學(xué)史中還蘊(yùn)含著科學(xué)家尊重科學(xué)事實的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和執(zhí)著探究的精神?？茖W(xué)家對科學(xué)孜孜以求，不懈追求，用科學(xué)造福人類，創(chuàng)造美好生活的理想信念就是社會責(zé)任的重要體現(xiàn)。

對科學(xué)本質(zhì)的理解是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)重要組成部分，科學(xué)史學(xué)習(xí)是滲透科學(xué)本質(zhì)教育的重要載體，也是落實生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的必然選擇。

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