基于科學(xué)史的高中生物核心素養(yǎng)培養(yǎng)
——以普利斯特利實驗為例

馬晉閩 王玉龍

（廣東實驗中學(xué) 廣東廣州 510055）

《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)》）指出“科學(xué)是一個發(fā)展的過程，學(xué)習(xí)生物科學(xué)史能使得學(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)研究的思路和方法，學(xué)習(xí)科學(xué)家獻身科學(xué)的精神”。這將有助于學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，逐步發(fā)展科學(xué)思維。因此，教師應(yīng)當(dāng)充分利用科學(xué)史來開展教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 科學(xué)史教育需要認(rèn)真考證

教師要想利用科學(xué)史進行教學(xué)，就必須正確認(rèn)識真實的科學(xué)史過程，不能將故事與科學(xué)史混為一談。例如，牛頓被蘋果砸下后發(fā)現(xiàn)重力，瓦特通過爐具燒水發(fā)明蒸汽機等耳熟能詳?shù)墓适率欠駥賹?，就需要教師在教學(xué)過程中認(rèn)真考證，慎重引用?？茖W(xué)史必須基于真實的科學(xué)事實，2019年人教版的高中生物教材就對2004年版人教社的高中教材中部分科學(xué)史進行了修改。其中，典型例子為必修2“伴性遺傳”中道爾頓發(fā)現(xiàn)紅綠色盲的過程。2004年版教材中介紹道爾頓因為在圣誕節(jié)買襪子送給媽媽當(dāng)禮物從而發(fā)現(xiàn)自己色覺異常，而2019年版中則改為道爾頓在觀察花色從而發(fā)現(xiàn)自己色覺異常。這一改動是因為2004年版的事例基于普遍流傳的故事，而2019年版的事例是基于道爾頓公開發(fā)表的論文中的介紹。

對光合作用的科學(xué)史，2019年版教材也做出修改。教材基于內(nèi)容需要少而精的原則，對初中涉及過的有關(guān)科學(xué)史內(nèi)容做出了刪除。但在實際教學(xué)中，教師需要明確光合作用的認(rèn)識過程是經(jīng)歷了海爾蒙特、普利斯特利等幾代科學(xué)家的努力，不能因為高中教材的刪減而對光合作用的認(rèn)識過程出現(xiàn)偏差。

2 普利斯特利實驗對核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

《課程標(biāo)準(zhǔn)》指出生物學(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。核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是生物學(xué)科課程的宗旨。教師引導(dǎo)學(xué)生更好地理解普利斯特利實驗設(shè)計過程，選擇合適的實驗內(nèi)容進行分析，能夠幫助落實生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

普利斯特利實驗是光合作用科學(xué)史中重要的實驗。他的實驗思路體現(xiàn)了人們對于光合作用過程的早期理解，實驗現(xiàn)象直觀且貼近學(xué)生的認(rèn)知水平，他的實驗過程很好地闡明科學(xué)探究的一般性原則，是歷史上比較早期的探究性實驗。

針對普利斯特利究竟怎樣開展實驗這一問題，筆者通過《科學(xué)教學(xué)——科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)的貢獻》《發(fā)現(xiàn)空氣的人：普里斯特利傳》等有關(guān)書籍與人教版初高中教材、蘇教版初高中教材進行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，初中蘇教版教材較為完整地介紹普利斯特利實驗生物實驗過程。

2.1 訓(xùn)練科學(xué)思維能力

單純地擺放植物無法直接得出植物更新空氣，除蘇教版初中教材外，其他版本教材不做介紹。但是，該組實驗是普利斯特利對植物更新空氣作用認(rèn)識的契機，經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)問題、作出假設(shè)、實施實驗、不符預(yù)期、重新假設(shè)等階段，可以讓學(xué)生體會到科學(xué)思維過程。

首先，普利斯特利基于一般認(rèn)識做出預(yù)測：因為植物和動物生存都需要普通空氣，所以植物和動物都以相同方式影響空氣。同時，提出自己的探究性問題：如果動物在密閉容器里會迅速死亡。那么，植物在這樣的環(huán)境下多久才會死亡呢？并做出實驗預(yù)期：植物死亡。他進一步提出探究問題：植物的生存時間會超過老鼠或青蛙嗎？它們的生命力會更差嗎？實驗過程中，他詳細(xì)記錄植物生長情況，并與空氣環(huán)境進行比較。“那植物沒受什么影響，只是出現(xiàn)了一直被封閉后的必然變化。處于其他幾種空氣環(huán)境的植物，也都出現(xiàn)了相同的現(xiàn)象，新長出的葉子總比老葉子小、出現(xiàn)了爛根現(xiàn)象，莖也爛了，從根開始爛起。但該植物仍在生長，仍通過又黑又爛的莖汲取營養(yǎng)?！逼绽固乩@奇地發(fā)現(xiàn)植物在密閉環(huán)境下是可以生長的，推翻了原有的認(rèn)識和假設(shè)，并由此才有了對密閉容器中植物和燃燒的蠟燭實驗探究、密閉容器中植物和動物實驗探究。

因此，在教學(xué)過程中，教師可以借鑒普利斯特利的發(fā)現(xiàn)過程，通過問題串的設(shè)計，訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)思維能力：“動物的生活需要空氣，植物的生活是否也需要空氣呢？如果動物在密閉容器里會迅速死亡，那么植物在密閉容器下多久才會死亡呢？如果將動物和植物一起放在密閉容器，是否會死亡速度變得更快？如何設(shè)計實驗證明自己的猜想，請簡要闡述自己的實驗思路。”

2.2 體會科學(xué)探究過程

普利斯特利具有較強的科學(xué)探究能力。他認(rèn)為在自然研究中需要以下的習(xí)慣和技能——觀察、假設(shè)、找證據(jù)或反駁證據(jù)、進行對照實驗。普利斯特利設(shè)計了各種類型的對照實驗的，見表1。

表1 普利斯特利實驗的對照類型

普利斯特利除了重視通過對照實驗來獲得可靠結(jié)論外，還清晰地認(rèn)識到科學(xué)結(jié)論的獲得離不開重復(fù)性實驗。教學(xué)時，教師可以補充介紹普利斯特利僅在1771年，他“在夏天剩余的時間里把這項實驗重復(fù)做了8次到10次，細(xì)節(jié)上一點變化都沒有”。一直到1778年，普利斯特利還不斷重復(fù)實驗。教師通過介紹上述細(xì)節(jié)，可以讓學(xué)生體會到重復(fù)性實驗對獲得科學(xué)結(jié)論的重要性，并提示：由于他沒有發(fā)現(xiàn)光照對植物恢復(fù)空氣的能力的影響，所以他對結(jié)論的確信程度降低了。另外，補充另一細(xì)節(jié)，讓學(xué)生感受到科學(xué)探究必須尊重事實，實事求是：“總的來說，今年的實驗否定了我以前的假設(shè)。因為無論是用呼吸過后的空氣做實驗，還是用蠟燭燃燒或其他物質(zhì)燃燒過后的空氣做實驗，空氣質(zhì)量不但沒有變好，反而變壞了?！?/p>

除了上述實驗內(nèi)容外，教師可以引導(dǎo)學(xué)生進一步思考借助本實驗裝置及實驗材料，還可以提出哪些探究問題。在學(xué)生提出新的方案交流過程中，可以適當(dāng)介紹普利斯特利提出的其他一系列問題，見表2。

表2 普利斯特利實驗的深入研究

普利斯特利對實驗?zāi)康摹嶒灢僮鞯脑O(shè)計、實驗觀測指標(biāo)的選擇等都做了深入的思考和實踐。教師挖掘科學(xué)史，提出這一系列問題，進一步激發(fā)了學(xué)生對于科學(xué)問題的思考，為學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究培養(yǎng)提供幫助。

2.3 樹立生命觀念

“細(xì)胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)，并通過分裂實現(xiàn)增殖”是《課程標(biāo)準(zhǔn)》在必修1中要求的核心概念，體現(xiàn)了生命觀念里面的物質(zhì)觀和能量觀。普利斯特利雖然是神職人員，空氣雖然看不見，但是普利斯特利堅定地認(rèn)為世界是由物質(zhì)組成，物質(zhì)是可以相互轉(zhuǎn)化的。因此，在空氣更新的實驗中，他大膽假設(shè)空氣污濁可能是蠟燭燃燒或動物呼吸產(chǎn)生了有毒害的物質(zhì)（燃素），空氣更新是因為植物產(chǎn)生了有用的物質(zhì)（去燃素）。對于氣體的不斷研究，他由此寫出了《論各種不同的氣體》一書，并因此獲得英國皇家學(xué)會授予的科普利獎。普利斯特利意識到能量貫穿世上一切生命，他在另一篇論文《對呼吸和血液利用的觀察》中，將植物呼吸與動物的能量需求聯(lián)系了起來，并暗示涉及某種關(guān)鍵的能量轉(zhuǎn)移。由此，教師可以導(dǎo)入光合作用探究過程的進一步介紹，讓學(xué)生體會到任何科學(xué)的發(fā)展，離不開一代代科學(xué)家們的不斷努力，從而幫助學(xué)生落實對核心概念“細(xì)胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)，并通過分裂實現(xiàn)增殖”的理解，體會到光合作用過程物質(zhì)和能量的變化是不可分割。

2.4 培養(yǎng)社會責(zé)任

普利斯特利的實驗?zāi)康捏w現(xiàn)了他的社會責(zé)任感。他在1772年英國皇家學(xué)會演說時提到：“弄清火焰對空氣的組成成分帶來什么變化；為恢復(fù)空氣在這些過程中所受到的損失，自然界究竟需要采取什么措施?！庇始覍W(xué)會也在頒獎詞中寫道：“通過這些發(fā)現(xiàn)，我們確信任何植物的生長都是有價值的，從森林中的橡木到田野中的野草，每株植物都對人類有益。”

通過上述評論看出，普利斯特利已經(jīng)具有一定的系統(tǒng)觀，并在這一生命觀念的引領(lǐng)下，認(rèn)識到由于空氣的聯(lián)系，植物——動物——人在大自然中相互影響，形成一個整體?？諝鈵夯瘜ψ匀唤绲挠绊憰绊懙饺祟惿?，而植物在恢復(fù)空氣過程中起到重要作用。

總之，普利斯特利實驗，總結(jié)了科學(xué)探究的一般規(guī)律，掀開了18世紀(jì)關(guān)于對于各種物質(zhì)分離和分類的化學(xué)革命，啟動了百年之后對生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、能量流動的認(rèn)識，并驅(qū)使一代一代人對于生物與環(huán)境關(guān)系進行思考。對普利斯特利實驗重新認(rèn)識，將有利于培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。