追求生物學(xué)科本質(zhì)發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維

摘 要：在高中生物課堂進(jìn)行科學(xué)本質(zhì)教育，對(duì)于提高學(xué)生的生物學(xué)科核心素養(yǎng)具有重要意義。本文從探究性學(xué)習(xí)和HPS教育兩個(gè)方面加以論述。

關(guān)鍵詞：科學(xué)本質(zhì);探究性學(xué)習(xí);HPS教育

理解科學(xué)本質(zhì)，對(duì)于提高學(xué)生的核心素養(yǎng)具有重要意義。因此，促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解已經(jīng)成為當(dāng)前世界范圍內(nèi)科學(xué)教育界廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。美國在1996年頒布的《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中明確加入科學(xué)本質(zhì)的相關(guān)內(nèi)容，并專設(shè)“科學(xué)的歷史和本質(zhì)”一節(jié)。我國現(xiàn)行的《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》也在課程性質(zhì)中明確指出：“高中生物學(xué)課程是科學(xué)領(lǐng)域的重要學(xué)科課程之一，其精要是展示生物學(xué)的基本內(nèi)容，反映自然科學(xué)的本質(zhì)?！钡菑默F(xiàn)實(shí)情況來看，科學(xué)本質(zhì)及其教育價(jià)值并未引起理科教師的普遍關(guān)注，學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)情況也不容樂觀。因此，在生物學(xué)課堂教學(xué)中，要想提高學(xué)生的生物學(xué)科核心素養(yǎng)，就需要加強(qiáng)對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解和感悟。

科學(xué)本質(zhì)在生物學(xué)科涵蓋兩方面的內(nèi)容：一是生物學(xué)科在本質(zhì)上屬于自然學(xué)科;二是生物學(xué)科具有自身獨(dú)特的學(xué)科特征和其他自然學(xué)科不可替代的育人功能。生物學(xué)科的研究對(duì)象都是“活物”，學(xué)科概念原理會(huì)隨著科學(xué)研究的進(jìn)展而不斷進(jìn)行修正。學(xué)科涉及的范圍廣泛，包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生、教育科研、資源利用等，與我們的日常生活息息相關(guān)。因此，教師要基于科學(xué)本質(zhì)組織學(xué)科教學(xué)，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的目的。

一、 在探究性學(xué)習(xí)中體驗(yàn)科學(xué)本質(zhì)

《普通高中生物學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出：“組織以探究為特點(diǎn)的主動(dòng)學(xué)習(xí)是落實(shí)生物學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵?！痹谏飳W(xué)科的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生不僅要重視科學(xué)認(rèn)知的過程，更要了解知識(shí)是怎樣產(chǎn)生和發(fā)展的，如果不能親歷科學(xué)發(fā)展的過程，就不能充分了解科學(xué)知識(shí)的全貌。在探究性學(xué)習(xí)的過程中，能夠引發(fā)學(xué)生對(duì)生命現(xiàn)象及其規(guī)律的好奇心，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣，經(jīng)歷觀察描述、發(fā)現(xiàn)問題、查找信息、提出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、思維判斷、解決問題的整個(gè)過程。學(xué)生體會(huì)到科學(xué)家在真實(shí)研究過程中的茫然、焦慮，到解決問題時(shí)的驚喜和頓悟，從而認(rèn)識(shí)到科學(xué)本質(zhì)，同時(shí)學(xué)生的合作交流能力、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力都得到提升。探究性學(xué)習(xí)還有助于學(xué)生理解STS之間的關(guān)系，形成正確的價(jià)值觀和人生觀，進(jìn)而形成真摯的科學(xué)情感。

例：“DNA粗提取”實(shí)驗(yàn)中以2～4人組建興趣小組，分別以植物DNA和動(dòng)物DNA為研究對(duì)象，并在課前進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)。教師提供理論支持并設(shè)計(jì)問題串，指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)探究性實(shí)驗(yàn)方案。引導(dǎo)性問題如下：

1. 除了用教材所選材料進(jìn)行DNA粗提取實(shí)驗(yàn)，還可以選取其他哪些實(shí)驗(yàn)材料？

2. 加洗滌劑和食鹽的作用是什么？釋放DNA的方法有哪些？

3. 哪些材料提取DNA效果既好又省時(shí)？

4. 研磨不充分對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響？

5. 釋放的DNA是否還混有雜質(zhì)？如何進(jìn)一步去除雜質(zhì)？

根據(jù)自己的預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，興趣小組的同學(xué)確定本組進(jìn)一步的研究課題：課題1——低溫對(duì)香蕉細(xì)胞DNA提取的影響;課題2——氯仿對(duì)魚白細(xì)胞DNA提純的影響;課題3——鹽水和純凈水對(duì)提取雞血細(xì)胞DNA的影響;課題4——嫩肉粉對(duì)魚白細(xì)胞DNA提取和鑒定的影響。在眾多動(dòng)植物實(shí)驗(yàn)材料和試劑藥品中，興趣小組的同學(xué)根據(jù)自己的預(yù)實(shí)驗(yàn)選擇本組實(shí)驗(yàn)材料，并向同學(xué)展示自己的探究課題和招募小組成員。為確保課題的順利展開，小組負(fù)責(zé)人會(huì)制定詳細(xì)地分工計(jì)劃，如人數(shù)要求、觀察和統(tǒng)計(jì)的人選等。小組成員合作探究相同的課題，在設(shè)計(jì)自變量、因變量和具體實(shí)施實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)生會(huì)產(chǎn)生更多的靈感和思維碰撞，對(duì)該實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)就更加深入，也更加生活化。

二、 通過生物學(xué)科HPS教育滲透科學(xué)本質(zhì)

HPS教育（History、Philosophy of Science and Science teaching）是科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)教學(xué)的合稱?！翱茖W(xué)”是科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)共同的研究對(duì)象，只是二者研究的角度不同，科學(xué)史是從歷史角度，而科學(xué)哲學(xué)是從哲學(xué)角度來理解自然科學(xué)史料，但兩者存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系。HPS教育具有五大特點(diǎn)：以建構(gòu)主義理論為背景，注重學(xué)生的實(shí)際獲得;重視對(duì)科學(xué)哲學(xué)的思考，基于所學(xué)知識(shí)解決生產(chǎn)生活的實(shí)際問題;以科學(xué)的基本史料為基礎(chǔ)，理解科學(xué)本質(zhì)和科學(xué)研究的思路和方法;從培養(yǎng)科學(xué)精英過渡到培養(yǎng)有科學(xué)素養(yǎng)的公民;從重視科學(xué)知識(shí)的傳播過渡到著眼于學(xué)生未來的發(fā)展和社會(huì)的需要?？茖W(xué)教育中涉及科學(xué)史哲（主要是科學(xué)史）的內(nèi)容主要有兩點(diǎn)原因：其一，科學(xué)是一個(gè)發(fā)展的過程。若沒有具體的科學(xué)實(shí)例，對(duì)于科學(xué)發(fā)展的概括將是碎片化的;其二，科學(xué)發(fā)展過程中出現(xiàn)的人物和歷史對(duì)我們繼承文化遺產(chǎn)、理解科學(xué)家的獻(xiàn)身精神都具有重要意義。

2017年頒布的《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》的實(shí)施建議中明確指出：“在高中生物課堂融入科學(xué)史教育，對(duì)于理解生物學(xué)科理論和方法的演變過程、科學(xué)家在研究過程中所持的態(tài)度和觀點(diǎn)、對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)都具有重要意義?！苯?gòu)主義強(qiáng)調(diào)教學(xué)要在學(xué)生原有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行新情境的創(chuàng)設(shè)。在生物學(xué)科HPS教育中，依據(jù)學(xué)生已有認(rèn)知，選擇和運(yùn)用適當(dāng)?shù)目茖W(xué)史哲素材來設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，使學(xué)生在原有知識(shí)框架的基礎(chǔ)上架構(gòu)出新的知識(shí)體系。將科學(xué)史哲作為教學(xué)中情境創(chuàng)設(shè)的素材，有助于學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)理論體系的演化和逐步完善的過程，完成自身對(duì)知識(shí)體系的意義建構(gòu);有利于學(xué)生用批判性思維審視現(xiàn)有的科學(xué)知識(shí)，體悟科學(xué)的本質(zhì)。

例：關(guān)于“細(xì)胞學(xué)說建立的過程”運(yùn)用科學(xué)史哲對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)本質(zhì)的教育。

資料一：1665年，英國胡克制造了能放大40～140倍的復(fù)式顯微鏡。他利用這臺(tái)顯微鏡意外地看到軟木薄片中的“小室”時(shí)，獨(dú)特而敏銳的直覺讓他覺得這個(gè)發(fā)現(xiàn)不一般，因此他把這些小室取名為細(xì)胞（cell），但他所說的“細(xì)胞”只是死亡的植物細(xì)胞的細(xì)胞壁及其所包圍的空間，而不是真正的細(xì)胞。為此，胡克被認(rèn)為是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的科學(xué)家。

思考：你認(rèn)為胡克發(fā)現(xiàn)細(xì)胞后，科學(xué)界會(huì)掀起研究細(xì)胞的熱潮嗎？

小結(jié)：胡克的發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)并沒有掀起研究細(xì)胞的熱潮，人們的觀察大多只停留在外形上。而顯微技術(shù)的緩慢發(fā)展，使得人們對(duì)于細(xì)胞的研究在170年后才有了突破性的進(jìn)展。

資料二：19世紀(jì)30年代初，施萊登和施旺創(chuàng)立“細(xì)胞學(xué)說”。光學(xué)理論的突破和顯微鏡技術(shù)上的創(chuàng)新，使整個(gè)30年代出現(xiàn)了研究細(xì)胞的熱潮，其中最具影響力的是施萊登和施旺創(chuàng)立的“細(xì)胞學(xué)說”。

關(guān)于施萊登：1838年，他在彌勒主編的《解剖學(xué)和生理學(xué)文獻(xiàn)》雜志上發(fā)表了具有歷史性意義的《植物發(fā)生論》一文。在文章中，他引用英國植物學(xué)家布朗關(guān)于細(xì)胞核與細(xì)胞發(fā)育具有特殊的相應(yīng)關(guān)系的說法，指出“所有的植物都是由細(xì)胞組成的，細(xì)胞是植物體具有各種功能的基礎(chǔ)?！笔┤R登提出這種觀點(diǎn)的主要依據(jù)是他發(fā)現(xiàn)植物細(xì)胞具有相似的細(xì)胞核和細(xì)胞壁。

關(guān)于施旺：1834年施旺成為當(dāng)時(shí)著名生理學(xué)家繆勒的助手，主要從事動(dòng)物組織的顯微結(jié)構(gòu)研究，之后施萊登也加入繆勒實(shí)驗(yàn)室。在一次共同用餐時(shí)，施萊登談到植物細(xì)胞的細(xì)胞核具有重要作用。施旺因此得到很大的啟發(fā)，他也從細(xì)胞核入手進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)動(dòng)物組織細(xì)胞中都存在細(xì)胞核，并且細(xì)胞核是闡明動(dòng)物細(xì)胞性質(zhì)的關(guān)鍵。1839年，施旺發(fā)表了論文《動(dòng)植物結(jié)構(gòu)和生長一致性的顯微研究》，他的目的是要闡明“兩大有機(jī)界中最本質(zhì)的聯(lián)系”。在論文中，施旺對(duì)他的研究進(jìn)行了強(qiáng)有力的概括，提出了兩個(gè)論點(diǎn)：其一，無論有機(jī)體的各部分有何不同，在它們的發(fā)生和發(fā)育上有一個(gè)普遍原則，那就是形成細(xì)胞原則;其二，細(xì)胞的產(chǎn)生過程是：在原有細(xì)胞內(nèi)部或物質(zhì)圍繞已有細(xì)胞，按照一定的規(guī)律形成新細(xì)胞，進(jìn)而形成生物體的各個(gè)組成部分。

思考：（1）施萊登和施旺是通過什么方法提出“細(xì)胞學(xué)說”的？

（2）施萊登和施旺的“細(xì)胞學(xué)說”有何缺陷？你認(rèn)為他們產(chǎn)生這種錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)的原因是什么？

過渡：既然施萊登和施旺對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生方式的解釋是錯(cuò)誤的，那細(xì)胞究竟是如何產(chǎn)生的呢？

資料三：1855年，魏爾肖發(fā)表了一篇關(guān)于“細(xì)胞病理學(xué)”的文章，文章中有一個(gè)著名的論點(diǎn)“所有的細(xì)胞都來源于先前存在的細(xì)胞”，這句話簡明扼要地概括了細(xì)胞的產(chǎn)生方式。

至此，通過施萊登、施旺和魏爾肖三位科學(xué)家的研究成果，和許多其他科學(xué)家的辛勤付出，終于形成了比較完備的細(xì)胞學(xué)說。

思考：（1）在這170多年中，影響“細(xì)胞學(xué)說”創(chuàng)立的重要因素是什么？

（2）為什么細(xì)胞學(xué)說在胡克發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的170年后才被創(chuàng)立？

三、 小結(jié)

通過“細(xì)胞學(xué)說建立的過程”相關(guān)科學(xué)史哲的學(xué)習(xí)，使學(xué)生意識(shí)到科學(xué)研究的道路漫長而曲折，科學(xué)源于細(xì)致地觀察，但也受科學(xué)家自身看待事物的方式和當(dāng)時(shí)文化背景的影響，同時(shí)也讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)理論的形成和發(fā)展進(jìn)步的過程，感悟科學(xué)家持之以恒的探究精神。

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作者簡介：

王芳，北京市，北京市延慶區(qū)教育科學(xué)研究中心。