利用生命科學(xué)史，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索精神

王旭濤

摘要闡述了在高中生物教學(xué)中進(jìn)行生命科學(xué)史教育，從中挖掘出科學(xué)家敢于質(zhì)疑探索生命真理的科學(xué)精神和解決生物問題的科學(xué)思想，讓學(xué)生體驗科學(xué)家探索生命的歷程，學(xué)習(xí)善于思考、敢于質(zhì)疑的科學(xué)精神和實事求是的科學(xué)態(tài)度，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊合作精神和生命科學(xué)的探究方法和思維創(chuàng)新的探索精神。

關(guān)鍵詞 生物學(xué)教學(xué) 生命科學(xué)史 探索精神

中圖分類號G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

生命科學(xué)史展示了生命科學(xué)產(chǎn)生、形成、發(fā)展、演變的歷程，包含著生物實驗探索、理論形成的科學(xué)規(guī)律與探究方法，每個科研成果的背后也蘊涵著科學(xué)家偉大的科學(xué)精神與科學(xué)思想?！镀胀ǜ咧猩镎n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出：“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，這對提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)是很有意義的?！痹诟咧猩锝虒W(xué)過程中，教師應(yīng)該重視生命科學(xué)史的教學(xué)，利用科學(xué)史來激發(fā)學(xué)生探索科學(xué)的興趣，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑和團(tuán)隊合作的科學(xué)精神，領(lǐng)悟科學(xué)家的探究思維和探索精神。

1利用生命科學(xué)史，培養(yǎng)學(xué)生探索生命科學(xué)的興趣

“興趣是最好的老師”。教師在歷史背景下展現(xiàn)科學(xué)探究活動的產(chǎn)生和發(fā)展過程，能使生物學(xué)知識更加生動鮮活，富有生命力。將科學(xué)史料引入課堂，將科學(xué)家們的傳奇故事展示給學(xué)生，會引發(fā)學(xué)生強烈的探索欲望和濃厚的學(xué)習(xí)興趣，使他們的智力潛能處于最活躍的狀態(tài)。

例如，在進(jìn)行“伴性遺傳”教學(xué)時，教師可引入道爾頓發(fā)現(xiàn)色盲癥的故事情境：在1792年的圣誕節(jié)前夕，英國學(xué)者約翰·道爾頓特意買了一雙棕灰色襪子作為圣誕禮物送給母親，誰知母親接過禮物，打開一看，發(fā)現(xiàn)是一雙鮮艷的櫻桃紅色襪子，笑著對道爾頓說：“你怎么買了一雙鮮艷的櫻桃紅色襪子給我，讓我怎么穿呢？”道爾頓爭辯說：“這襪子明明是棕灰色的呀！怎么說是櫻桃紅色的襪子呢？”這雙襪子讓道爾頓疑惑不解。后來，他拿了這雙襪子讓別人幫忙識別，除了自己和弟弟外，其中絕大多數(shù)人都說這襪子是櫻桃紅色的。道爾頓心想：為什么自己看上去是棕灰色的襪子，而別人看上去是櫻桃紅色的呢？最后，他認(rèn)為是自己的眼睛有問題，就開始琢磨這一奇特的現(xiàn)象。通過兩年的實例搜集，對許多人的辨色能力進(jìn)行了細(xì)致地鑒別比較，他最終確定自己和弟弟的眼睛患有先天性色覺障礙疾病——色盲癥，從而成為第一位發(fā)現(xiàn)色盲癥的人。之后，他于1794年發(fā)表了《論色盲》的論文，為醫(yī)學(xué)診斷作出了突出的貢獻(xiàn)。道爾頓是位化學(xué)家兼物理學(xué)家而不是醫(yī)學(xué)家，但他卻能發(fā)現(xiàn)千百年來醫(yī)學(xué)家沒有發(fā)現(xiàn)的疾病，這是為什么呢？因為道爾頓具有善于思考、敢于質(zhì)疑、探求疑問的科學(xué)精神。此外，有著名英國“皇家病”事件的血友病故事，研究血友病家族系譜圖，就會驚奇地發(fā)現(xiàn)：患血友病的女性遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于男性;女性血友病患者的父親和兒子一定患血友病，而男性血友病患者的子女一般都是正常的，但其外孫子常常患血友病。

典型的血友病和紅綠色盲癥都是引出伴性遺傳內(nèi)容的很好史料，能夠激發(fā)起學(xué)生探索生命現(xiàn)象的興趣，促使學(xué)生積極主動參與到課堂學(xué)習(xí)中去尋求答案，總結(jié)人類遺傳病的基本規(guī)律，歸納伴x隱性遺傳病的遺傳特點。這種寓史于教、史教結(jié)合的教學(xué)方式增加了課堂教學(xué)的趣味性，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感悟科學(xué)，拉近與科學(xué)家的距離，激發(fā)其學(xué)習(xí)生命科學(xué)的濃厚興趣。

2利用生命科學(xué)史，培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑的探索精神

任何科學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)都是科學(xué)家在“勇于存疑、敢于探索、實事求是”的科學(xué)精神指導(dǎo)下取得的。善于觀察，敢于質(zhì)疑，具有強烈的問題意識，是生物學(xué)家進(jìn)行科學(xué)研究，取得創(chuàng)造發(fā)明的前提。

例如，善于質(zhì)疑的摩爾根獲得“基因位于染色體上”這一結(jié)論的實驗證據(jù)過程，就是很好的教材史料。教師可先介紹美國遺傳學(xué)家摩爾根生平事跡，讓學(xué)生了解摩爾根是一位具有始終堅信依靠事實和利用實驗來檢驗理論是否正確的科學(xué)態(tài)度、敢于懷疑、勤奮實踐的人。他曾經(jīng)明確表示過不相信孟德爾遺傳理論，也懷疑薩頓的假說，認(rèn)為這是主觀的臆測，缺少實驗證據(jù)。摩爾根在果蠅室研究過程中，偶然在一群紅眼果蠅中發(fā)現(xiàn)了一只白眼雄果蠅。這一發(fā)現(xiàn)為后來實驗研究成功拉開成果之門。經(jīng)過一系列的實驗觀察、發(fā)現(xiàn)問題、大膽猜設(shè)假說、演繹推理和驗證，他以大量的實驗為證據(jù)，不僅驗證了孟德爾遺傳規(guī)律的準(zhǔn)確性，還揭示出基因與染色體的關(guān)系。摩爾根進(jìn)一步研究，最終發(fā)現(xiàn)了遺傳學(xué)的第三定律——基因的連鎖互換定律，成為遺傳學(xué)史上里程碑式的人物。

教師在課堂適當(dāng)融入科學(xué)家敢于質(zhì)疑并最終取得科學(xué)研究成功的科學(xué)史實，以史為鑒，讓學(xué)生能夠從具體的事例中領(lǐng)悟到科學(xué)精神的真諦，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會觀察，提高其敢于質(zhì)疑的科學(xué)探索精神。

3利用生命科學(xué)史，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊合作的科學(xué)精神

新課程的教育理念非常注重學(xué)生團(tuán)隊合作意識的培養(yǎng)。教師要充分利用生命科學(xué)史進(jìn)行教學(xué)，可以促進(jìn)學(xué)生間的交流和理解，有利于學(xué)生建立團(tuán)結(jié)合作的精神，有利于學(xué)生全面素養(yǎng)的發(fā)展。生命科學(xué)史有很多典型的團(tuán)隊合作案例，如DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)就是克里克和沃森的合作結(jié)晶。沃森擅長研究噬菌體遺傳學(xué)，遺傳學(xué)基礎(chǔ)扎實，訓(xùn)練有素：克里克擅長應(yīng)用數(shù)學(xué)和物理研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，觀念新穎獨特。他們?nèi)￠L補短，并吸收和借鑒當(dāng)時也在研究DNA分子結(jié)構(gòu)的富蘭克林、威爾金斯和鮑林等人的研究成果，經(jīng)過不到兩年時間的不懈努力，克里克和沃森終于完成了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。最終，沃森、克里克和威爾金斯三人的共同研究成果榮獲1962年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。這個事實表明，從事不同學(xué)科研究的人，雖然他們所掌握的知識和技術(shù)不同，但他們的合作卻為解決問題提供了不同的思路，在解決問題中互相啟發(fā)，互相補充，互相促進(jìn)，才有新的突破、新的發(fā)現(xiàn)，最終才有偉大的研究成果問世。

可見，合作是他們?nèi)〉贸晒Φ谋匾獥l件，這也讓學(xué)生更加明白在科學(xué)研究過程中團(tuán)隊合作精神的重要性。

4利用生命科學(xué)史，培養(yǎng)學(xué)生探究實驗的科學(xué)思維

生命科學(xué)史中有許多經(jīng)典實驗史實，蘊含著科學(xué)家獨特的生物學(xué)思維方法和科研成果。通過對科學(xué)史中這些經(jīng)典實驗和邏輯分析的再現(xiàn)，學(xué)生體驗生物學(xué)知識的形成過程，從中學(xué)習(xí)科學(xué)家的探究思維方法和理解生物學(xué)概念、原理的來龍去脈。這樣的教學(xué)既傳授了知識，又培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維，變被動的學(xué)習(xí)科學(xué)史知識為主動的探索科學(xué)史知識，使學(xué)生更好地領(lǐng)悟科學(xué)思維研究方法和科學(xué)探索歷程。

例如，孟德爾的豌豆雜交實驗利用“假說一演繹法”，經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评砗万炞C，最終發(fā)現(xiàn)豌豆遺傳的基因分離定律和自由組合定律。其中“假說一演繹法”就是一種常用的科學(xué)研究方法，充分體現(xiàn)了科學(xué)思維方法的探究模式。它是按照科學(xué)研究的一般過程，即觀察現(xiàn)象、提出問題——分析問題、提出假設(shè)——演繹推理、驗證假設(shè)——歸納綜合、總結(jié)規(guī)律。教師先分析孟德爾選擇白花傳粉的豌豆作為實驗材料的原因，再選用豌豆的7對相對性狀作為研究對象，從一對相對性狀開始到兩對相對性狀及多對進(jìn)行逐步科學(xué)研究。孟德爾非常聰明地利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計法分析實驗現(xiàn)象和統(tǒng)計龐雜實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)每對相對性狀的雜交后的F：代總體現(xiàn)出顯性性狀與隱性性狀的比接近3：1的規(guī)律，并大膽猜想、分析性狀是如何遺傳傳遞給后代的。天才的孟德爾提出了“遺傳因子”假說，通過嚴(yán)密的演繹推理，點明控制相對性狀的遺傳因子是成對的;成對遺傳因子彼此分離進(jìn)入不同的配子，不同對遺傳因子的分離和自由組合是獨立進(jìn)行，且互不干擾形成不同配子，不同雌雄配子隨機結(jié)合形成后代新的遺傳因子組合（即基因型）等解釋要點，并巧妙利用隱性遺傳因子進(jìn)行測交實驗來驗證推論，最終得出遺傳規(guī)律。從孟德爾的豌豆雜交實驗來看，理解孟德爾采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計豌豆雜交實驗的思維思想比直接呈現(xiàn)真實史實更為重要。教師要引導(dǎo)學(xué)生深入思考科學(xué)家的科學(xué)探究方法和科學(xué)思想，領(lǐng)悟科學(xué)家發(fā)現(xiàn)問題、尋找證據(jù)、合理推理等方法，體驗科學(xué)家不斷深化對問題認(rèn)知過程和科學(xué)探索精神。

另外，還有“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”值得學(xué)習(xí)的經(jīng)典實驗史例，其中蘊涵著獨特的生物學(xué)思維和實驗研究方法。1928年，英國科學(xué)家格里菲思用肺炎雙球菌進(jìn)行體內(nèi)轉(zhuǎn)化實驗，具體探究實驗步驟見表1。

實驗1中，加熱殺死的S型細(xì)菌與無毒性的R型活細(xì)菌混合后，在小鼠體內(nèi)轉(zhuǎn)化出有毒性的s型活細(xì)菌，這就表明了加熱殺死的S型細(xì)菌存在“轉(zhuǎn)化因子”促使R型細(xì)菌轉(zhuǎn)化為有毒性的S型細(xì)菌，并能傳遞給后代，即這種性狀的轉(zhuǎn)化是可遺傳的。雖沒有指出轉(zhuǎn)化因子是什么，卻給人們對遺傳物質(zhì)的研究提出了實驗的方法和思路。直到1944年，美國科學(xué)家艾弗里等人為弄清“轉(zhuǎn)化因子”的化學(xué)本質(zhì)，通過化學(xué)分餾法把提取物分離提純，進(jìn)行鑒定，證明了DNA是使R型細(xì)菌產(chǎn)生穩(wěn)定遺傳變化的物質(zhì)。具體實驗操作如圖1所示。

實驗2過程中⑤⑥⑦步說明了從s型活細(xì)菌提取的DNA與R型活細(xì)菌混合培養(yǎng)才能轉(zhuǎn)化出有毒性的s型活細(xì)菌。當(dāng)時艾弗里等人覺得實驗①～⑦不夠嚴(yán)密，仍不足能完全說明DNA是轉(zhuǎn)化因子。為此巧妙設(shè)置必要性實驗⑧來驗證，用DNA水解物來處理DNA，使其水解，結(jié)果在R型活細(xì)菌混合培養(yǎng)基中沒有發(fā)現(xiàn)S型細(xì)菌。這驗證了是DNA本身，而不是DNA的碎片物或單位化合物促使R型細(xì)菌發(fā)生轉(zhuǎn)化的。

因此，艾弗里成為世界上第一位用實驗方法證明DNA是遺傳物質(zhì)的科學(xué)家，但當(dāng)時更多的人認(rèn)為蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)，艾弗里的發(fā)現(xiàn)引起了科學(xué)界的強烈爭論。雖然轉(zhuǎn)化實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)了只有加入DNA，R型細(xì)菌才能轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌，并且DNA純度越高，轉(zhuǎn)化就越有效。如果用DNA酶處理從S型活細(xì)菌中提取的DNA，使DNA分解，就不能使R型細(xì)菌發(fā)生轉(zhuǎn)化。但是，人們?nèi)詰岩蒁NA和蛋白質(zhì)是否完全分開。所以艾弗里實驗說服力不夠強。如何進(jìn)一步用實驗證明在蛋白質(zhì)和核酸中誰是真正的遺傳物質(zhì)呢？終于有人選用噬菌體和大腸桿菌來研究這個問題。1952年，赫爾希和蔡斯采用同位素標(biāo)記法追蹤噬菌體侵染細(xì)菌的實驗過程。最終確定了“轉(zhuǎn)化因子”是DNA，具體實驗方法見表2。

實驗3通過同位素標(biāo)記法追蹤噬菌體侵染細(xì)菌的過程，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，讓它們分別去侵染細(xì)菌，噬菌體在細(xì)菌體內(nèi)大量繁殖。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，噬菌體的蛋白質(zhì)并沒有進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)部，而是留在細(xì)菌外，只有噬菌體的DNA進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)。結(jié)果表明，在噬菌體中，親代與子代之間具有連續(xù)性的物質(zhì)是DNA。也就是說，子代噬菌體的各種性狀是通過親代的DNA遺傳給后代的。因此，DNA才是真正的遺傳物質(zhì)。實驗材料的選取和同位素示蹤法技術(shù)的運用，解決了轉(zhuǎn)化實驗中的各種疑惑，使實驗結(jié)果更具有說服力。針對這些層層相扣的難題，科學(xué)家巧妙設(shè)置實驗的思維過程：理論推斷一實驗驗證一轉(zhuǎn)化實驗一侵染細(xì)菌實驗一得出結(jié)論。經(jīng)過從發(fā)現(xiàn)“轉(zhuǎn)化因子”到尋覓“轉(zhuǎn)化因子”，再到確定“轉(zhuǎn)化因子”是DNA的精辟實驗設(shè)計過程，可以順其自然地得出DNA是遺傳物質(zhì)的結(jié)論。這樣可以使學(xué)生更容易接受，并且能使學(xué)生感悟到科學(xué)方法。

通過探究DNA是遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)歷程，學(xué)生體驗科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作作風(fēng)和科學(xué)態(tài)度以及對科學(xué)真理不懈追求的科學(xué)精神，懂得人類對自然事物的認(rèn)知是不斷深化和完善的，領(lǐng)會科學(xué)家實驗設(shè)計的科學(xué)思路、遵循的實驗設(shè)計原則和科學(xué)方法，發(fā)展科學(xué)的思維能力和實驗設(shè)計能力，理解、掌握科學(xué)研究的方法和過程。

總之，生物科學(xué)史中蘊涵著科學(xué)家對生命世界探索經(jīng)歷。在生物課堂教學(xué)中，教師要選擇適合的史料，運用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)手段，讓學(xué)生感受和領(lǐng)悟科學(xué)探索的過程。利用生命科學(xué)發(fā)展歷程的探究史，引導(dǎo)學(xué)生沿著科學(xué)家探索生物奧秘的道路去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，真正理解生命科學(xué)的本質(zhì)，感受生命科學(xué)所蘊涵的精神實質(zhì)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法和科學(xué)探究能力，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)而全面的發(fā)展。