例談生物科學(xué)史在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維中的作用

劉 欣（北京師范大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100052）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”）明確指出科學(xué)思維是生物學(xué)學(xué)科的4 個核心素養(yǎng)之一。科學(xué)思維是科學(xué)領(lǐng)域中的理性思維，是人類認(rèn)識世界和解決問題的有效思維途徑。在生物學(xué)課堂上，教師應(yīng)將科學(xué)思維的培養(yǎng)融入教學(xué)過程中，用以支持學(xué)生構(gòu)建科學(xué)概念、理解科學(xué)過程和解決現(xiàn)實問題。

生物科學(xué)史中的經(jīng)典實驗呈現(xiàn)了科學(xué)家發(fā)現(xiàn)和解決問題，獲得可信研究結(jié)果的范式，對于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維有著重要而無可替代的價值。本文試舉幾例，闡述其在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維中的作用。

1 充分挖掘科學(xué)史素材，引領(lǐng)學(xué)生深入探究

借助具體的教學(xué)情境開展探究式教學(xué)，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的最佳形式?？茖W(xué)史中的經(jīng)典實驗具有真實性和科學(xué)性，是適于探究的有效情境。例如在學(xué)習(xí)“遺傳物質(zhì)的本質(zhì)是核酸”這一概念時，可將噬菌體侵染細(xì)菌實驗作為情境，精心設(shè)計問題串，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行基于資料分析的探究。

赫爾希和蔡斯在設(shè)計實驗之前，已知噬菌體只由DNA 和蛋白質(zhì)組成，其生活方式是細(xì)菌內(nèi)寄生，并利用電鏡觀察到了噬菌體的形態(tài)。因此，在教學(xué)過程中可先介紹研究背景，然后提出問題：觀察電鏡照片，發(fā)現(xiàn)噬菌體侵染細(xì)菌時不會完全進(jìn)入細(xì)菌。為了實現(xiàn)增殖，噬菌體的什么物質(zhì)必須進(jìn)入細(xì)菌？當(dāng)時放射性同位素示蹤技術(shù)已經(jīng)誕生，如何利用這一技術(shù)揭示進(jìn)入細(xì)菌的遺傳物質(zhì)是什么？ 從而引導(dǎo)學(xué)生提出研究思路：做2 組實驗，一組用放射性同位素標(biāo)記噬菌體DNA，另一組則標(biāo)記噬菌體蛋白質(zhì)，然后分別侵染細(xì)菌，檢測被侵染的細(xì)菌是否含有放射性。

之后，教師就具體的研究方法繼續(xù)提問：怎樣獲得帶有標(biāo)記的噬菌體？ 用帶標(biāo)記噬菌體侵染細(xì)菌后，怎樣將未進(jìn)入細(xì)菌的噬菌體組分與細(xì)菌分開？預(yù)期實驗結(jié)果是怎樣的？學(xué)生能聯(lián)想到利用必修1 所學(xué)的離心技術(shù)分離細(xì)菌和噬菌體，并作出預(yù)期：離心分離后，DNA 標(biāo)記組的上清液無放射性，沉淀有放射性，而蛋白質(zhì)標(biāo)記組的檢測結(jié)果與此相反。此時教師出示實驗數(shù)據(jù)（圖1），提出問題：當(dāng)攪拌時間不到1 min 時，實驗結(jié)果是怎樣的？原因是什么？實驗過程中一直監(jiān)測被侵染細(xì)菌的存活率，這有何意義？應(yīng)該以攪拌幾分鐘時的數(shù)據(jù)作為最終結(jié)果？ 實驗結(jié)果與你的預(yù)期是否完全一致？ DNA 標(biāo)記組的上清液和蛋白質(zhì)標(biāo)記組的沉淀都有少量放射性，原因分別是什么？學(xué)生經(jīng)思考和討論，能說出：實驗中應(yīng)充分?jǐn)嚢?，讓噬菌體外殼脫離細(xì)菌，還要保證被侵染細(xì)菌沒有大量裂解釋放出子代噬菌體，因此應(yīng)以2.5 min 左右的數(shù)據(jù)作為結(jié)果。實驗結(jié)果與預(yù)期基本一致，但親代噬菌體會有少量外殼沒有脫離細(xì)菌，導(dǎo)致蛋白質(zhì)標(biāo)記組沉淀中有少量放射性； 會有少量親代噬菌體沒有成功將DNA 注入細(xì)菌，少量子代噬菌體已經(jīng)釋放，導(dǎo)致DNA 標(biāo)記組上清中有少量放射性。

圖1 S35 標(biāo)記噬菌體和P32 標(biāo)記噬菌體侵染細(xì)菌后上清液放射性強(qiáng)度占總放射性百分率和被侵染細(xì)菌存活率（引自A.D.Hershey［1］）

在最后的總結(jié)環(huán)節(jié)，教師讓學(xué)生推測噬菌體的增殖過程，學(xué)生不僅能說出：噬菌體的遺傳物質(zhì)是DNA，DNA 注入細(xì)菌后，會指導(dǎo)子代DNA 和蛋白質(zhì)的合成，還提出了新的問題：噬菌體侵染后，細(xì)菌自身的DNA 為什么失去了對細(xì)胞的控制？可見學(xué)生不僅通過探究形成了概念，還產(chǎn)生了進(jìn)一步探究的欲望。

“噬菌體侵染細(xì)菌的實驗”是證明DNA 是遺傳物質(zhì)的判決性實驗，其設(shè)計思路清晰簡明，實驗材料選擇精當(dāng)，實驗過程的每一操作環(huán)節(jié)均有重要意義，而對實驗數(shù)據(jù)的分析則需要邏輯思維和想象力的共同發(fā)揮?？傊幪庴w現(xiàn)出科學(xué)思維的理性之美。在教學(xué)中恰當(dāng)使用這段資料，讓學(xué)生的思維隨科學(xué)家一起參與到探索過程中，能使學(xué)生的思維能力得到充分發(fā)展。

2 以科學(xué)史為橋梁，在論證中實現(xiàn)科學(xué)探究與概念學(xué)習(xí)的對接

課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)“所有的教學(xué)活動都要有利于促進(jìn)學(xué)生對生物學(xué)概念的建立、理解和應(yīng)用”，說明概念學(xué)習(xí)是生物學(xué)課堂教學(xué)的主旨。生物學(xué)概念是從對生物學(xué)事實的研究中抽象和概括而成的原理和規(guī)律。幫助學(xué)生形成生物學(xué)概念的有效方法之一，是指導(dǎo)學(xué)生對科學(xué)家的研究結(jié)果進(jìn)行觀察比較、演繹推理，用多種方法論證假設(shè)和證據(jù)之間的關(guān)系，最終得出結(jié)論。

例如，在進(jìn)行基因分離定律的教學(xué)時，引導(dǎo)學(xué)生像孟德爾一樣提出“基因分離”的假說是最有思維力度的環(huán)節(jié)。教材介紹了豌豆雜交實驗中F2的7 組數(shù)據(jù)，顯示F2的性狀分離比是3∶1。事實上，孟德爾在1865年發(fā)表的《植物雜交試驗》論文中還介紹了F3的數(shù)據(jù)。以灰色種皮、白色種皮這對相對性狀為例，F(xiàn)2中白色種皮植株自交后代均為白色種皮，從F2中隨機(jī)選取的100 株灰色種皮植株中，有36 株的后代均為灰色種皮，64 株的后代發(fā)生性狀分離。結(jié)合F3代其他數(shù)據(jù)可歸納出，F(xiàn)2由3 類個體組成：顯性性狀且能穩(wěn)定遺傳個體、顯性性狀不能穩(wěn)定遺傳個體、隱性性狀個體，數(shù)量比是1∶2∶1，孟德爾用“A+2Aa+a”表示。教師可據(jù)此提出系列問題：A、a 表示的是性狀還是遺傳物質(zhì)？F2中3 類植株的遺傳物質(zhì)組成是怎樣的? 根據(jù)F2中3 類植株的比例可推知F1的精子和卵細(xì)胞各有幾類？遺傳物質(zhì)組成分別是怎樣的？學(xué)生在問題引導(dǎo)下運用數(shù)學(xué)方法分析實驗結(jié)果，最終抽象得出“配子形成過程中遺傳物質(zhì)分離”的概念實質(zhì)。在此過程中，學(xué)生的演繹推理能力得到了充分的鍛煉。

又如，在進(jìn)行細(xì)胞器的教學(xué)時，教師可將德迪夫發(fā)現(xiàn)溶酶體的科學(xué)史引入課堂：“1949年，德迪夫在研究胰島素對大鼠肝組織的作用時，意外發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中一種酸性水解酶在新鮮的提取液中活性不高，但在保存5 d 的提取液中活性極大提高。德迪夫認(rèn)為這種酶很可能儲存在某個‘容器’中?！边M(jìn)而圍繞著這一假說提出問題：細(xì)胞中通常是以什么結(jié)構(gòu)構(gòu)成“容器”的？ 用什么方法可證實酸性水解酶存在于具膜“容器”中？ 學(xué)生根據(jù)生物膜的結(jié)構(gòu)和功能特點說出“用清水處理肝組織提取液，檢測處理前后酶活性高低”“用不同的強(qiáng)度研磨肝組織，檢測酶活性高低”等方法。此時教師出示實驗結(jié)果（圖2、圖3），學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己的方法確實能解決問題，感受到了科學(xué)探索的樂趣和成就感。此時教師進(jìn)一步提問：德迪夫研究了凍融次數(shù)對提取液中酶活性的影響，這一實驗的原理是什么？分析這幾組實驗數(shù)據(jù)，能得出什么結(jié)論？為什么要檢測多種水解酶的活性？ 這些水解酶都是酸性水解酶，說明該細(xì)胞器內(nèi)部環(huán)境有什么特點？這種內(nèi)含多種水解酶的細(xì)胞器可能有什么功能？ 經(jīng)過思考和討論，學(xué)生對溶酶體的結(jié)構(gòu)和功能有了較深入的理解。上述教學(xué)過程中，學(xué)生需要像科學(xué)家一樣積極思考，提出各種檢驗假說的方案，還要對一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，論證其與假說之間的關(guān)系，最終不僅能構(gòu)建科學(xué)概念，還能體會到科學(xué)家創(chuàng)造性的思維過程和巧妙的工作方法，感悟到科學(xué)探索的艱辛和樂趣。

圖2 肝組織提取液在攪拌器中處理不同時長和反復(fù)凍融不同次數(shù)后的酶活性（引自R.Gianetto［2］）

圖3 肝組織提取液用不同滲透壓溶液處理后的酶活性（引自R.Gianetto［2］）

總之，在教學(xué)中恰當(dāng)引入生命科學(xué)史內(nèi)容，既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能讓學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的思維方法，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。值得注意的是，在呈現(xiàn)科學(xué)家的經(jīng)典實驗時，不能只是簡單地讓學(xué)生理解實驗步驟和實驗結(jié)論，而應(yīng)盡力用真實的實驗過程和實驗數(shù)據(jù)，創(chuàng)設(shè)有一定信息量和復(fù)雜程度的學(xué)習(xí)情境，精心設(shè)計一系列問題，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，推動學(xué)生的深入探究，引導(dǎo)學(xué)生解決問題、構(gòu)建概念，才能使科學(xué)史資源的教育價值最大化。