高中生物科學(xué)哲學(xué)史在建模教學(xué)中的應(yīng)用

摘要 在“DNA分子的結(jié)構(gòu)”一節(jié)教學(xué)中，將高中生物科學(xué)哲學(xué)史融入到建模教學(xué)中，以科學(xué)家的研究背景為起點來確定研究方法，再聚焦問題提出各種假設(shè)來逐步推進(jìn)研究進(jìn)程，最后再比較分享研究成果來歸納成功哲學(xué)，從而培養(yǎng)學(xué)生模型與建模的科學(xué)思維和假設(shè)與質(zhì)疑的科研態(tài)度。

關(guān)鍵詞 高中生物 科學(xué)哲學(xué)史 建模教學(xué) 科學(xué)思維 科研態(tài)度

中圖分類號 G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

1引言

培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，已成為國際教育改革的共同理念。HPS教育成為科學(xué)教育界大力倡導(dǎo)的主流之一，即科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會學(xué)。在美國科學(xué)促進(jìn)協(xié)會（簡稱AAAS）擬定的報告《2061計劃：面向全體美國人的科學(xué)》中，提出將培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)歷史的了解和科學(xué)的歷史認(rèn)識觀作為科學(xué)教學(xué)的重要基礎(chǔ)，并使用專門的章節(jié)來討論科學(xué)史。英國科學(xué)促進(jìn)會（簡稱BAAS）也曾在1917年的年會上提出，科學(xué)史教育是融通學(xué)校課程中人文科學(xué)和自然科學(xué)的良方。隨著我國教育改革的發(fā)展，立足學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課標(biāo)》）也應(yīng)時而生?！墩n標(biāo)》在教學(xué)建議中提出，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)研究的思路和方法，學(xué)習(xí)科學(xué)家獻(xiàn)身科學(xué)的精神，這對提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是很有意義的。

2高中生物科學(xué)哲學(xué)史與建模教學(xué)的聯(lián)系

科學(xué)史學(xué)科的創(chuàng)立者喬治·薩頓認(rèn)為，科學(xué)史是指科學(xué)知識發(fā)生和發(fā)展的歷史，具體內(nèi)容包括學(xué)科知識的產(chǎn)生背景、發(fā)生、發(fā)展歷程、科學(xué)家研究工作有關(guān)的內(nèi)容以及科學(xué)家的故事等。簡單地說，科學(xué)史是科學(xué)產(chǎn)生和推進(jìn)的歷史，是過去實際發(fā)生的科學(xué)故事，其中包含著科學(xué)知識的變化、科學(xué)研究方法的創(chuàng)新和科學(xué)家的科學(xué)精神。通過解讀《課標(biāo)》，劉恩山和曹保義圍繞“加強科學(xué)本質(zhì)的教育要求”，在國內(nèi)首次提出“科學(xué)哲學(xué)史”的概念。他們認(rèn)為，科學(xué)哲學(xué)史是哲學(xué)領(lǐng)域中專門研究自然科學(xué)的一個方向，通過思考科學(xué)家怎樣構(gòu)建科學(xué)知識，來凸顯科學(xué)與其他領(lǐng)域工作的截然不同之處，也就是說，科學(xué)研究的結(jié)果具有更好的持久性和可信賴程度。

科學(xué)哲學(xué)史是由“科學(xué)史”和“科學(xué)哲學(xué)”兩部分有機組合而成。前者致力于科學(xué)事實的陳述，后者致力于研究科學(xué)本身和科學(xué)方法，它主要回答的問題包括：為何要開展科學(xué)工作？如何開展科學(xué)工作？為什么科學(xué)使用了一個可以被認(rèn)為是好的方法？也就是，科學(xué)史只是零散的基本事實，而科學(xué)哲學(xué)則將無序的基本事實串聯(lián)成線索，更能充分展示科學(xué)研究的原因、過程以及方法，也更能體現(xiàn)學(xué)科本質(zhì)的發(fā)展。

科學(xué)哲學(xué)史的教育要求與建構(gòu)主義的觀點基本吻合。建構(gòu)主義認(rèn)為，知識不是對現(xiàn)實世界的絕對表述，不是在任何情境中都準(zhǔn)確的教條，而是在不斷地推進(jìn)和發(fā)展的，而且在不同的現(xiàn)實問題中會被重新加工、分析、選擇、重組乃至改造。教師在建模教學(xué)中滲透科學(xué)哲學(xué)史的教學(xué)思想，有利于學(xué)生從被動“記知識”轉(zhuǎn)變到主動“獲取知識”，使學(xué)生從單純分析“科學(xué)事實”轉(zhuǎn)變到理解“科學(xué)概念”。因此，融入科學(xué)哲學(xué)史的建模教學(xué)，必須具備3個基本環(huán)節(jié)：1要求學(xué)生根據(jù)已有的知識體系來認(rèn)識科學(xué)史背景，促進(jìn)學(xué)生在把握基礎(chǔ)事實后能找準(zhǔn)建模起點;2通過補充和豐富融入“科學(xué)哲學(xué)史”的相關(guān)材料、以“問題”來推進(jìn)歷史進(jìn)程，促進(jìn)學(xué)生在解決問題的過程中大膽假設(shè)并主動構(gòu)建模型;3通過比較模型來構(gòu)建自身知識體系，通過回顧探究歷程、總結(jié)科學(xué)成功經(jīng)驗，促使學(xué)生深入理解“科學(xué)哲學(xué)”中的研究原因、研究過程和研究方法。

3高中生物科學(xué)哲學(xué)史在建模教學(xué)中的應(yīng)用案例——以“DNA分子的結(jié)構(gòu)”為例

3.1教學(xué)分析3.1.1教材分析

“DNA分子的結(jié)構(gòu)”是人教版高中生物必修2第三章第二節(jié)的內(nèi)容，位于第一節(jié)“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”之后，在第三節(jié)“DNA的復(fù)制之前”，發(fā)揮著承上啟下的作用。教材中關(guān)于DNA分子結(jié)構(gòu)的建立過程，以歷史敘事的形式介紹了沃森和克里克不斷推測、重建、修訂DNA物理模型的過程;結(jié)合“思考與討論”，引導(dǎo)學(xué)生獨立構(gòu)建DNA分子空間結(jié)構(gòu)、總結(jié)DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點;通過“模型構(gòu)建”的環(huán)節(jié)，促進(jìn)學(xué)生討論DNA如何攜帶遺傳信息、并比較不同小組之間DNA物理模型的異同，進(jìn)而得出DNA分子結(jié)構(gòu)的特異性、多樣性和穩(wěn)定性，為學(xué)習(xí)“DNA的復(fù)制方式”做好了鋪墊。

2.1.2學(xué)情分析

在學(xué)習(xí)本模塊之前，學(xué)生已經(jīng)知道“DNA的基本組成單位是脫氧核苷酸”“脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵相連”，已經(jīng)初步得知“DNA是主要遺傳物質(zhì)的實驗證據(jù)”，但并不理解DNA如何儲存遺傳信息。為了培養(yǎng)“結(jié)構(gòu)決定功能”的生命觀，教學(xué)時，教師需要借助沃森和克里克的探索歷程，以科學(xué)哲學(xué)史發(fā)展的角度來促進(jìn)學(xué)生逐步構(gòu)建DNA分子物理模型，從而增強學(xué)生模型與建模的科學(xué)思維，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識到正確科學(xué)結(jié)論的得出需要不斷地假設(shè)、重構(gòu)和修訂。

3.2教學(xué)目標(biāo)

1通過回顧沃森和克里克構(gòu)建DNA分子結(jié)構(gòu)模型的探究歷程，提升觀察、提問的科學(xué)探究能力，以及模型與建模的科學(xué)思維。

2通過比較各組DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的異同，總結(jié)出DNA分子具備特異性、多樣性和穩(wěn)定性的特性，形成結(jié)構(gòu)與功能觀。

3通過討論沃森和克里克成功的原因、DNA分子檢測的原理和應(yīng)用領(lǐng)域，培養(yǎng)應(yīng)用生物學(xué)知識參與社會事務(wù)討論的能力與擔(dān)當(dāng)。

3.3教學(xué)過程

教學(xué)情境是課堂教學(xué)的問題源泉，與學(xué)習(xí)主題相互照應(yīng)。一個好的教學(xué)情境應(yīng)具備以下特點：1簡短、精煉;2可以作為典型社會議題，與學(xué)習(xí)主題密切相關(guān);3喚起學(xué)生主動學(xué)習(xí)、解決問題的興趣。在實施科學(xué)哲學(xué)史的教學(xué)時，教師要找到科學(xué)探究的起點，并梳理清楚當(dāng)時社會背景下的已有科學(xué)事實;再通過分析科學(xué)事實，引導(dǎo)學(xué)生確定出科學(xué)研究的重要方法，即模型與建模?？茖W(xué)哲學(xué)史教學(xué)的核心在于圍繞中心主題（即構(gòu)建物理模型）來設(shè)計階梯式問題，再利用歷史事實的推進(jìn)過程，對階梯式問題逐一進(jìn)行假設(shè)、驗證、修正、突破，最終構(gòu)建出基于科學(xué)哲學(xué)史的物理模型?？茖W(xué)哲學(xué)史教學(xué)的精髓在于將科學(xué)事實串聯(lián)成線索，在線索的發(fā)展過程中體驗科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)過程、在問題的分析中總結(jié)科學(xué)研究的成功哲學(xué)，促使學(xué)生形成正確的科研態(tài)度、掌握嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲蟹椒ā?/p>

3.3.1提供情境，引出學(xué)習(xí)主題——促進(jìn)學(xué)生關(guān)注社會議題、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

教師播放視頻“尋親節(jié)目《等著我》”，展示父母尋找失散多年的小兒子，警察采集血樣的故事經(jīng)歷，并提出問題：為什么可以利用DNA進(jìn)行親子鑒定？檢測的原理是什么？

現(xiàn)實中的故事給學(xué)生以心靈上的震撼，教師結(jié)合提問的形式引入科技技術(shù)“DNA檢測”，激發(fā)學(xué)生探究興趣、明確建模目標(biāo)，即構(gòu)建DNA分子空間結(jié)構(gòu)。

3.3.2立足基礎(chǔ)，梳理認(rèn)知背景——幫助學(xué)生樹立科學(xué)事實、確定研究方法

教師展示沃森、克里克、威爾金斯的相識過程。11951年春，沃森在意大利生物大分子會議上，遇到了威爾金斯，見到了DNA的X射線衍射圖譜。21951年秋，沃森來到劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室工作，遇到了物理學(xué)家克里克。并提出問題：生物學(xué)家出身的沃森，能看懂X射線衍射圖譜嗎？物理學(xué)家出身的克里克對沃森有什么幫助？

生物學(xué)科學(xué)問題的解決需要不同學(xué)科領(lǐng)域人才的交流與合作。教師點明當(dāng)時沃森和克里克對DNA的認(rèn)知水平（科學(xué)事實1），即DNA分子是以4種脫氧核苷酸為單位連接而成的長鏈。這四種脫氧核苷酸分別含有A、T、C、G四種堿基，其物理模型如圖1所示。

接著，教師展示科學(xué)事實2：沃森和克里克的競爭對手美國化學(xué)家鮑林構(gòu)建了三鏈結(jié)構(gòu)模型，DNA靠磷酸基團(tuán)之間的氫鍵支撐。但有化學(xué)家指出，細(xì)胞中pH峰值是7時，磷酸基團(tuán)的氫鍵無法存在。教師引導(dǎo)學(xué)生站在沃森和克里克的角度思考，用模型與建模的思想去構(gòu)建DNA分子結(jié)構(gòu)物理模型，促進(jìn)學(xué)生在不斷嘗試中確定：DNA是一個規(guī)則的雙鏈分子，雙鏈呈平行關(guān)系。這樣，教師才能啟發(fā)學(xué)生把握基礎(chǔ)事實、找準(zhǔn)建模起點。

3.3.3聚焦問題，推進(jìn)歷史進(jìn)程——引導(dǎo)學(xué)生提出科學(xué)假設(shè)、構(gòu)建物理模型

教師提出階梯式問題：雙鏈之間是通過什么基團(tuán)連接的？并組織學(xué)生討論模型，提出三種雙鏈相連的假設(shè)，如圖2所示。

同時，展示科學(xué)事實3，即磷酸和脫氧核糖具有親水性，堿基具有疏水性。學(xué)生修正模型，排除“磷酸-磷酸”和“堿基-磷酸”的連接方式，突破問題。

教師繼續(xù)提出階梯式問題：雙鏈的兩個堿基之間是如何互補配對的？并組織學(xué)生討論、提出四種堿基配對的假設(shè)（即1A-A，G-G，C-C，T-T;2A-G，C-T;3A-C，G-T;4A-T，C-G，如圖3所示）。

同時，展示科學(xué)事實4：DNA分子的直徑恒為2nm，以及四種堿基的分子結(jié)構(gòu)式。學(xué)生修正模型，排除假設(shè)12;展示科學(xué)事實5，即奧地利生物化學(xué)家查戈夫發(fā)現(xiàn)堿基含量：A≈T、G≈C。學(xué)生修正模型，排除假設(shè)3。教師繼續(xù)展示科學(xué)事實6：化學(xué)家格里菲斯通過

計算表明，DNA中A必須與T成鍵，C必須與G成鍵。其他科學(xué)家發(fā)現(xiàn)A-T之間有兩個氫鍵，G-C之間有3個氫鍵，肯定假設(shè)4。

學(xué)生模仿科學(xué)家不斷探索的過程，在不斷假設(shè)、否定、再次嘗試中，提升“觀察”“提問”的科學(xué)探究能力，形成“模型與建模”的科學(xué)思維。然后，教師補充科學(xué)事實7：英國物理學(xué)家富蘭克林發(fā)現(xiàn)“DNA的雙鏈?zhǔn)欠聪虻摹?，以促進(jìn)學(xué)生完成DNA平面物理模型的構(gòu)建。

3.3.4比較模型，回顧探究歷程——促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建知識體系、歸納成功哲學(xué)

各組學(xué)生呈現(xiàn)DNA分子平面模型，對比其相同點和不同點，由此歸納出DNA分子的特性（穩(wěn)定性、多樣性、特異性）。教師展示富蘭克林、威爾金斯、沃森和克里克在構(gòu)建DNA雙螺旋模型中的貢獻(xiàn)，組織學(xué)生結(jié)合科學(xué)探究歷程討論沃森和克里克成功的原因。學(xué)生討論、交流，歸納出“科學(xué)研究離不開技術(shù)的進(jìn)步、跨學(xué)科的合作、借鑒經(jīng)驗、不斷嘗試、模型構(gòu)建等”成功哲學(xué)，為獨立開展科學(xué)研究奠定認(rèn)知基礎(chǔ)和方法論。

4高中生物科學(xué)哲學(xué)史在建模教學(xué)中的應(yīng)用價值

4.1促進(jìn)建模教學(xué)追根溯源、講究方法

模型與建模是指借助具體實物或其他形象化的手段，來表達(dá)認(rèn)識對象的特征。按照模型形式通常分為物理模型、概念模型、數(shù)學(xué)模型。如何選擇正確的建模方式將直接決定科研成果的直觀效果。

在DNA分子結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建過程中，美國化學(xué)家鮑林建立的三鏈結(jié)構(gòu)模型不僅為沃森和克里克提供了模型建構(gòu)的思路，而且為學(xué)生的探究方法指明了方向，即構(gòu)建以脫氧核苷酸為基本組成單位的雙鏈物理模型;富蘭克林的X射線衍射圖譜指明了DNA的空間呈現(xiàn)雙螺旋結(jié)構(gòu)。因此，高中生物科學(xué)哲學(xué)史使建模教學(xué)回歸到科學(xué)研究的起點事件，并立足有效的研究方法開展探究，減少了探究過程中的無效彎路。

4.2促進(jìn)建模教學(xué)假設(shè)演繹、注重探究

要保證模型與建模的推進(jìn)，就必須在探究過程中大膽提出各種假設(shè)，再基于科學(xué)事實進(jìn)行演繹驗證，排除各種不當(dāng)?shù)募僭O(shè)、保留合理的推論。在探究過程中如何演繹推理是建模質(zhì)量的重要保障。

在建立DNA分子平面模型的過程中，教師首先圍繞階梯式問題“DNA雙鏈之間是通過什么基團(tuán)連接的”，組織學(xué)生提出3種連接方法，結(jié)合科學(xué)事實排除兩種假設(shè)后，得出“堿基-堿基相連”結(jié)論。再圍繞階梯式問題“雙鏈的兩個堿基之間是如何互補配對的”，組織學(xué)生提出4種堿基互補配對的方式。結(jié)合科學(xué)事實，教師引導(dǎo)學(xué)生排除3種假設(shè)后，得出“A-T、C-G配對”的結(jié)論。因此，高中生物科學(xué)哲學(xué)史確保了建模教學(xué)能夠遵循科學(xué)探究的研究思路，培養(yǎng)學(xué)生假設(shè)、質(zhì)疑的科研態(tài)度，幫助學(xué)生體驗學(xué)科知識（概念或原理）的形成過程。

4.3促進(jìn)建模教學(xué)交流分享、學(xué)會借鑒

科學(xué)探究的過程離不開經(jīng)驗的交流和討論，而模型與建模也是如此。建模離不開不斷摸索、不斷假設(shè)，學(xué)生只有不斷借鑒各種科學(xué)家的研究成果，分享自己的假設(shè)推論，再經(jīng)過其他人的檢驗、修正，才能構(gòu)建出經(jīng)得起推敲的物理模型。

在學(xué)習(xí)中，學(xué)生體會到“沃森和克里克的成功離不開跨越學(xué)科的合作”，如研究DNA分子衍射圖譜的物理學(xué)家富蘭克林和威爾金斯，研究DNA堿基比例的化學(xué)家查哥夫等。同時，學(xué)生在交流中以科學(xué)事實為依據(jù)，逐步修正、構(gòu)建出正確的DNA分子平面模型;在小組作品比較中交流DNA分子結(jié)構(gòu)的異同，深入理解DNA分子的結(jié)構(gòu)特性，為解釋DNA檢測技術(shù)的原理奠定基礎(chǔ)。

綜上所述，教師在高中生物建模教學(xué)中引入生物科學(xué)哲學(xué)史，一方面能使學(xué)生深入體會模型建構(gòu)的過程，形成模型與建模的科學(xué)思維;另一方面更能培養(yǎng)學(xué)生大膽假設(shè)和質(zhì)疑、敢于分享和借鑒的科研態(tài)度，從而實現(xiàn)“立德樹人”的育人目標(biāo)。

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