利用生物科學史培養(yǎng)學生的科學思維能力

賴旭初 黃東姐

摘要闡述了如何以史實為載體培養(yǎng)學生歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等能力，從而提升學生的生物科學素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 生物科學史 科學思維 生物學科素養(yǎng)

中圖分類號G633.91 文獻標志碼B

科學思維是指尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴謹和務實的求知態(tài)度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。學生應該在學習過程中逐步發(fā)展理性思維，能夠基于生物學事實和證據(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，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學社會議題。

人教版高中生物三本必修加選修三教材中的許多章節(jié)都滲透著生物科學史的內(nèi)容。這些內(nèi)容可以讓學生領(lǐng)悟科學家的科學思維及科學精神，對培養(yǎng)學生的生物學科素養(yǎng)有重要的作用。結(jié)合教學實踐，談談如何利用科學史來培養(yǎng)學生的科學思維能力。

1可以培養(yǎng)學生歸納與概括的思維能力

思維品質(zhì)的提高離不開學生概括能力的培養(yǎng)，概括是一切思維品質(zhì)的基礎(chǔ)。歸納與概括思維要求學生能把對象的各個組成部分聯(lián)系起來，或把事物的個別特性、個別方面結(jié)合成整體，需要學生能從大量的生物學事實中歸納概括，形成基本的生物學規(guī)律?？茖W史實往往比較分散，要求在授課過程中教師應引導學生能獲取準確的信息并進行處理綜合、歸納概括。

如“光合作用的發(fā)現(xiàn)歷程”一節(jié)涉及了8個科學史實：1771年，英國科學家普里斯特利，通過實驗發(fā)現(xiàn)植物可以更新空氣;1779年，荷蘭科學家英格豪斯做普里斯特利的實驗，發(fā)現(xiàn)只有在陽光照射下才能成功;1785年，卡文迪發(fā)現(xiàn)了空氣的組成，人們才明確綠葉在光下放出的氣體是氧氣，吸收的是二氧化碳;1845年，德國科學家梅耶指出植物在進行光合作用時，將光能轉(zhuǎn)換成化學能儲存起來;1864年，德國科學家薩克斯，通過實驗證明光合作用產(chǎn)生了淀粉;1880年，美國科學家恩格爾曼，通過實驗證明葉綠體釋放氧氣，是植物進行光合作用的場所;20世紀30年代，美國科學家魯賓和卡門用同位素標記法證明光合作用中釋放的氧全部來自水;20世紀40年代，美國生物化學家、植物生理學家卡爾文，與其合作者開始利用放射性同位素標記法研究光合作用，經(jīng)9年左右的研究，最終探明了CO2中的碳在光合作用中轉(zhuǎn)化成有機物中的碳的途徑，這一途徑稱為卡爾文循環(huán)。

對于這些科學史實，教師可以發(fā)現(xiàn)光合作用的歷史事件為順序，帶領(lǐng)學生經(jīng)歷科學家的探究歷程，讓他們總結(jié)光合作用的反應物、生成物、條件和場所，再引導學生嘗試寫出光合作用的總反應式，自主構(gòu)建光合作用的概念。同時，教師有選擇性地讓學生分析總結(jié)科學家在材料選擇、實驗設(shè)計、結(jié)論分析等方面的精巧之處，體會科學的思維方式，使學生的思維在課堂達到飛躍的同時，培養(yǎng)學生歸納、總結(jié)、生成概念的能力。

培養(yǎng)學生的生物學概括能力，引導他們從大量的或復雜的生物學事實中抽象出最重要、最本質(zhì)的東西，將豐富的生物學知識濃縮為自己內(nèi)化的知識，能運用己學知識去解決新的問題，獲得新知識、新技能，做到舉一反三、觸類旁通、溫故知新。

2可以培養(yǎng)學生演繹與推理的思維能力

演繹與推理的思維能力是在高中生物學教學過程中發(fā)展科學思維重要途徑之一。新的課程標準明確要求學生能基于生物學事實和證據(jù)運用演繹與推理等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學社會議題。以科學史實為素材，引導學生展開發(fā)現(xiàn)式的學習過程，通過演繹推理而獲得正確的實驗結(jié)論，可提高學生的演繹推理能力。

如“DNA分子的復制”一節(jié)中，教師可采用以下教學過程。教師先引導學生提出問題：DNA是如何進行復制的？學生提出假說：復制方式可能是全保留復制、半保留復制和彌散式復制。教師引導學生根據(jù)假說，演繹推理復制后子代DNA可能的情況。教師引導學生進行演繹推理，利用實驗區(qū)別復制方式的關(guān)鍵在于能區(qū)分親代鏈和子代鏈，并提供同位素標記和密度梯度離心技術(shù)等背景知識，并提出問題串：如何區(qū)別親代鏈和子代鏈？DNA用15N標記的大腸桿菌在含有14N培養(yǎng)基中培養(yǎng)一代后，會形成怎樣的子代DNA？離心之后的結(jié)果是怎樣的？如何區(qū)別彌散式復制和半保留復制呢？教師引導學生在離心管的示意圖中標出在三種可能的復制方式下，DNA復制一次之后所提取的DNA離心的結(jié)果。學生設(shè)計實驗進行驗證。最后，教師將真實的實驗結(jié)果展示給學生，讓學生根據(jù)真實的離心結(jié)果，得出結(jié)論：DNA復制方式為半保留復制。

在合理利用科學史的情況下，學生運用己學過的生物學規(guī)律，通過假說、演繹、推理預測和探討相關(guān)的生命現(xiàn)象，不斷思考可能的生命活動過程并演繹推理出多種實驗結(jié)果，再將自己推理的結(jié)果與真實的實驗結(jié)果比較，逐漸獲得正確的實驗結(jié)論。在這樣的學習過程中，學生不斷發(fā)展自己的推理能力，使思維保持嚴密性、一貫性。

3可以培養(yǎng)學生模型與建模的能力

模型和建模思維能力的培養(yǎng)是生物學教學的重要方法，生物模型的建立使許多抽象的生物問題變得直觀、具體、形象?？茖W史上的生物學家建立的生物模型為學生提供了探究的典范，給學生以科學精神、科學方法的熏陶。利用科學史為學生提供了一個優(yōu)良的探究平臺，不僅能讓學生獲取新知，更有利于他們掌握模型建立的方法，激發(fā)興趣，提高建模能力，培養(yǎng)科學態(tài)度。

如“DNA分子結(jié)構(gòu)”一節(jié)，利用科學史實訓練學生模型建構(gòu)，可以讓學生體驗DNA分子模型的建構(gòu)過程，從而加深其對DNA分子結(jié)構(gòu)的理解。

①建構(gòu)脫氧核苷酸的模型。教師依據(jù)史實，弓I導學生利用模具進行相應的拼接。②建構(gòu)脫氧核苷酸鏈的模型。根據(jù)科學史，教師引導學生在前面的基礎(chǔ)上把單個脫氧核苷酸串成一條脫氧核苷酸鏈。③建構(gòu)DNA的空間結(jié)構(gòu)。教師提問：根據(jù)威爾金斯和富蘭戈林提供的DNA的分子x射線的衍射圖譜，DNA分子是幾條鏈構(gòu)成的呢？兩條鏈中堿基排列在外側(cè)還是內(nèi)側(cè)呢？教師提供當時的研究資料：堿基具有疏水性，磷酸和脫氧核糖具有親水性。啟發(fā)學生參考前面學過的細胞膜流動鑲嵌模型中磷脂分子的排布方式，類比推理得出結(jié)論：堿基排列在鏈的內(nèi)側(cè)。教師追問：堿基如何配對呢？是相同的堿基配對，還是同類堿基配對？還是其他的情況呢？教師展示當時科學家們提供的數(shù)據(jù)：嘌呤堿基在分子結(jié)構(gòu)上要比嘧啶大。此時查哥夫又帶來了一個重要的信息：腺嘌呤的量總是等于胸腺嘧啶的量，鳥嘌呤的量總是等于胞嘧啶的量。于是，學生基本可以想到：A與T配對，G與C配對。最后，教師引導學生在已獲得的知識基礎(chǔ)上繼續(xù)建構(gòu)DNA的空間結(jié)構(gòu)模型。

用生物科學史引導學生進行建模訓練，讓學生親身體驗并參與了模型建構(gòu)的過程，不但使學生深刻地掌握了有關(guān)的生物知識，還增強了其處理科學信息的能力及動手能力，充分發(fā)揮了學生的主觀能動性，提升了學生科學思維的能力。

4可以培養(yǎng)學生批判性思維的能力

批判性思維要求學生能基于生物學原理和限定條件等對生物學問題或觀點提出質(zhì)疑或論證。教師在教學中，應引導學生不要受他人思想的影響，嚴格地、正確地對他人和自己的觀點進行評判，不一味迷信權(quán)威、教師或教材等。生物科學的發(fā)展中質(zhì)疑提問和合理論證反思的過程，是在批判、繼承、發(fā)展中曲折前行，因此生物科學史蘊含了豐富的科學思想、科學方法，是培養(yǎng)批判性思維的好素材。

如在“生物膜的流動鑲嵌模型”一節(jié)，根據(jù)前面所學知識，學生已經(jīng)知道生物膜的成分是脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖類了。教師可以“問題串”引導學生思考：脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖類是獨立存在的還是相互結(jié)合的？它們跟功能有什么聯(lián)系？它們?nèi)绾闻帕?，即生物膜的結(jié)構(gòu)是怎樣的，才能實現(xiàn)其功能？然后，教師和學生一起重走科學家的探究之路：羅伯特森于1959年提出的生物膜模型，所有的生物膜都是由蛋白質(zhì)一脂質(zhì)一蛋白質(zhì)三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，他把生物膜描述為靜態(tài)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。20世紀60年代后，人們對這一模型提出了異議。不少科學家對于生物膜是靜態(tài)的觀點提出質(zhì)疑：如果是這樣，細胞膜的復雜功能將難以實現(xiàn)，就連細胞的生長、變形蟲的變形運動這樣的現(xiàn)象都不好解釋。學生在親歷探索細胞膜的歷程中，一步一步地建構(gòu)流動鑲嵌模型的概念。最后，教師提出問題：生物膜的流動鑲嵌模型是否完美無缺？談談自己的看法。

通過科學史的學習，教師引導學生與科學先驅(qū)的思維進行碰撞。學生經(jīng)歷了質(zhì)疑、分析、反思的過程，體驗了科學家思維的巧妙，進一步培養(yǎng)了思維的批判性。

學習科學史，學生可以感悟到構(gòu)思縝密獨特的實驗的巧妙，可以與科學先賢進行對話和方法交流。生物學教師要善于挖掘、發(fā)現(xiàn)和利用這些科學史實故事來培養(yǎng)學生的科學思維，使學生的思維變得深刻、靈活、創(chuàng)新、富有批判性。