利用生物科學(xué)史提升學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)

周 梅

（中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué)朝陽(yáng)學(xué)校 北京 100028）

生物學(xué)是一門自然科學(xué)，也是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，它不僅要求培養(yǎng)學(xué)生掌握生物學(xué)最基本的知識(shí)，還要求培養(yǎng)學(xué)生形成一定的動(dòng)手能力和科學(xué)探究精神。在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)，學(xué)生提升科學(xué)思維能力是教學(xué)目標(biāo)。

正如教育家加里森和勞威爾認(rèn)為的那樣，如果教學(xué)的目標(biāo)是引發(fā)學(xué)生對(duì)于科學(xué)探究過(guò)程的理解，則科學(xué)史是科學(xué)教學(xué)的必備要素。教師不僅要使學(xué)生了解科學(xué)的事實(shí)，還要使其知曉科學(xué)產(chǎn)生的過(guò)程，從中領(lǐng)會(huì)正確的科學(xué)方法并逐漸形成良好的科學(xué)素養(yǎng)。教師開展科學(xué)史教學(xué)，在促進(jìn)學(xué)生生命觀念的形成、科學(xué)思維和探究素養(yǎng)的提升以及社會(huì)責(zé)任的樹立等方面都有著潛移默化影響。

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》）中明確提出，要“注重生物科學(xué)史的學(xué)習(xí)”“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)研究的方法，學(xué)習(xí)科學(xué)家獻(xiàn)身科學(xué)的精神”。在課程目標(biāo)的知識(shí)目標(biāo)中，要求學(xué)生“知道生物科學(xué)和技術(shù)的主要發(fā)展方向和成就，知道生物科學(xué)發(fā)展史上的重要事件”，同時(shí)還建議“對(duì)于《標(biāo)準(zhǔn)》中沒(méi)有列出的其他生物科學(xué)史實(shí)也應(yīng)注意引用”。很多教育工作者對(duì)科學(xué)史教育的研究做出了巨大的貢獻(xiàn)，直至今天，對(duì)科學(xué)史教育的研究得到了越來(lái)越多教育工作者的重視。

1 生物科學(xué)史和科學(xué)思維的概念

生物科學(xué)史是將人類對(duì)生物科學(xué)認(rèn)識(shí)的歷程為基本輪廓，以歷程中重要意義的研究為主要線索，用詳細(xì)的史實(shí)資料講述研究者們的研究活動(dòng)，記錄其在研究中邏輯思維和方法，同時(shí)也會(huì)對(duì)生物學(xué)發(fā)展的邏輯和當(dāng)時(shí)的社會(huì)背景等重大問(wèn)題進(jìn)行述評(píng)。

科學(xué)思維是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問(wèn)題的思維習(xí)慣和能力?？茖W(xué)思維的表現(xiàn)形式是科學(xué)思維方法，認(rèn)識(shí)事物的本質(zhì)及其相互聯(lián)系需要一定的方法才能得出正確的結(jié)論，不同的思維方法對(duì)個(gè)體不同的成長(zhǎng)和發(fā)展階段具有不同的作用?？茖W(xué)思維既是常規(guī)邏輯思維在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用，又需要批判審視、質(zhì)疑包容的思維取向和心理品格，還要靠想象、聯(lián)想、直覺(jué)和靈感等非邏輯思維提出創(chuàng)造性見(jiàn)解。

科學(xué)思維的含義主要指以下幾個(gè)方面：①科學(xué)思維是生物學(xué)課程的重要教育目標(biāo)。②科學(xué)思維是一種思維習(xí)慣或認(rèn)識(shí)方式，這種習(xí)慣表現(xiàn)為有邏輯、重實(shí)證。③科學(xué)思維是一種思維能力?？茖W(xué)思維不應(yīng)只存在于科學(xué)家的頭腦中，普通人也應(yīng)該具有科學(xué)的思維方式，因此，對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)思維能力的培養(yǎng)具有重要意義。為了讓學(xué)生有能力面對(duì)未來(lái)各項(xiàng)挑戰(zhàn)，科學(xué)思維培養(yǎng)應(yīng)該成為學(xué)校教育明確的目標(biāo)，科學(xué)課堂中這一任務(wù)就聚焦在科學(xué)思維培養(yǎng)上。

2 利用生物科學(xué)史提升學(xué)生科學(xué)思維的實(shí)例

利用生物科學(xué)史實(shí)施教學(xué)，是教師通過(guò)適時(shí)呈現(xiàn)史實(shí)資料、按照科學(xué)家研究的思路層層深入引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和科學(xué)思維，最終學(xué)生形成科學(xué)概念的過(guò)程。學(xué)生通過(guò)解決教師設(shè)計(jì)的問(wèn)題和學(xué)生學(xué)習(xí)中生成的問(wèn)題等一系列問(wèn)題，提升科學(xué)思維素養(yǎng)。下面以高中生物《必修1·分子與細(xì)胞》第二章第五節(jié)“核酸是遺傳信息的攜帶者”為例，簡(jiǎn)要介紹核酸的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中學(xué)生科學(xué)思維訓(xùn)練的方法。

2.1 早期實(shí)驗(yàn)，粗提定性分析

教師呈現(xiàn)資料1：1868年，當(dāng)時(shí)還是研究生的瑞士籍的米舍爾，在研究膿血細(xì)胞的化學(xué)成分時(shí)，發(fā)現(xiàn)用酒精處理掉細(xì)胞中的脂肪性物質(zhì)，再用豬胃黏膜的酸性提取液（一種能除掉蛋白質(zhì)的胃蛋白酶粗制品）進(jìn)行處理后，細(xì)胞的大部分被分解了，而細(xì)胞核只是縮小了一點(diǎn)兒但仍然完整。他得到了細(xì)胞核，隨后對(duì)細(xì)胞核的物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：細(xì)胞核內(nèi)含有與細(xì)胞內(nèi)其他有機(jī)物明顯不同的物質(zhì)，這種物質(zhì)是一種含磷很高而含硫很低的呈酸性的有機(jī)物質(zhì)，對(duì)蛋白酶有耐受性。后被米舍爾的導(dǎo)師霍佩·賽勒所驗(yàn)證，并把這種新物質(zhì)命名為“核素”，這為人類揭示自己拉開了序幕。并提出問(wèn)題：最初的實(shí)驗(yàn)推斷細(xì)胞核中含有什么物質(zhì)，具有什么特點(diǎn)？

學(xué)生提取信息，概括得出結(jié)論：核素是含磷很高而含硫很低的呈酸性的有機(jī)物質(zhì)。教師追問(wèn)：僅僅在膿血細(xì)胞中有核素嗎？其他生物材料中有沒(méi)有？

2.2 收集素材，分析基本成分

教師呈現(xiàn)資料2：1879年，德國(guó)的科塞爾在研究來(lái)自胸腺和酵母的核素時(shí)，發(fā)現(xiàn)核素是蛋白質(zhì)和核酸的復(fù)合物，并且證明了存在著脫氧核糖核酸和核糖核酸等2種核酸。他小心地水解核酸，發(fā)現(xiàn)2種核酸都含有鳥嘌呤、腺嘌呤、胞嘧啶這3種堿基，在DNA中還含有胸腺嘧啶，而在RNA中則是尿嘧啶，除了含有這些堿基以外，還含有糖類性質(zhì)的物質(zhì)和磷酸。斯托伊德爾通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)核酸中糖類物質(zhì)、每種嘌呤或嘧啶、磷酸的比例為1∶1∶1。并提出問(wèn)題：組成核酸的基本成分是什么？這些成分的比例如何？核酸的組成元素有哪些？

教師簡(jiǎn)單介紹堿基的相關(guān)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出核酸的元素組成為：C、H、O、N、P；DNA中的堿基主要有腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶；RNA中的堿基主要有腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶。鳥嘌呤、腺嘌呤、胞嘧啶這三種堿基是它們共有的堿基。教師追問(wèn)：組成核酸基本成分當(dāng)中的糖類物質(zhì)具體是什么呢？

2.3 對(duì)比比較，確定組分結(jié)構(gòu)

教師呈現(xiàn)資料3：1911年，科塞爾的學(xué)生列文證明核酸所含的糖類由5個(gè)碳原子組成，并將這種糖類命名為核糖。由于核酸有2種，他找到了它們之間的區(qū)別：它們中的五碳糖不同，還有一種糖比核糖少一個(gè)氧原子，稱為脫氧核糖，脫氧核糖核酸和核糖核酸的名稱是由此而來(lái)的。教師進(jìn)一步展示核糖和脫氧核糖的結(jié)構(gòu)式，促進(jìn)學(xué)生比較。

2.4 類比比較，構(gòu)建基本模型

教師呈現(xiàn)資料4：20世紀(jì)30年代，哈馬斯頓等人的研究證明，DNA是一種高分子量的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，分子量約為5×105～10×105之間。作為生物大分子的蛋白質(zhì)，其基本組成單位是氨基酸。那么同樣是生物大分子的核酸，是否也有其小分子的基本單位呢？1934年，列文發(fā)現(xiàn)核酸可被分解成含有一個(gè)堿基、一個(gè)核糖或脫氧核糖和一個(gè)磷酸的片段，這樣的組合叫核苷酸。

學(xué)生根據(jù)資料，嘗試搭建核苷酸的結(jié)構(gòu)圖。教師展示核苷酸結(jié)構(gòu)模式圖，引導(dǎo)學(xué)生思考：核酸的基本組成單位是什么？包括哪些成分？這兩種核苷酸的異同點(diǎn)是什么？

學(xué)生通過(guò)對(duì)比和分析，結(jié)合堿基和糖的種類，總結(jié)出：核苷酸分為2大類8種。脫氧核苷酸和核糖核苷酸的堿基各有4種，所以脫氧核苷酸和核糖核苷酸各有4種；核酸的基本單位核苷酸共有8種。

2.5 推理計(jì)算，認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)多樣性

教師呈現(xiàn)資料5：弄清物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最直接證明是能合成出這種物質(zhì)。核酸的相對(duì)分子質(zhì)量可以達(dá)到幾十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)，糖類和堿基都是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的組分，它們有多種連接的可能，而且還有磷酸基團(tuán)的位置問(wèn)題。英國(guó)生物化學(xué)家托德成功地合成了核苷酸，并于1955年成功合成了二核苷酸。并提出問(wèn)題：核苷酸如何形成長(zhǎng)鏈核酸的？

教師簡(jiǎn)單介紹3′，5′-磷酸二酯鍵，引導(dǎo)學(xué)生連接2個(gè)核糖核苷酸，找尋成鍵的部位，建構(gòu)多核苷酸長(zhǎng)鏈的大分子。

2.6 遷移應(yīng)用，明確遺傳信息

教師要求學(xué)生以DNA中6×106個(gè)堿基對(duì)的大腸桿菌為例，計(jì)算其一條鏈可能的堿基排列順序的種類。學(xué)生通過(guò)計(jì)算得出，堿基數(shù)目多、排列順序不同使得核酸蘊(yùn)含不同的序列信息。

3 教學(xué)反思

本節(jié)教學(xué)從科學(xué)家對(duì)核酸發(fā)現(xiàn)過(guò)程的資料分析入手，學(xué)生通過(guò)分析、比較、對(duì)比得出核苷酸的種類，再通過(guò)堿基排列順序的多樣性變化，計(jì)算和推理得出DNA分子結(jié)構(gòu)具有多樣性。DNA主要位于細(xì)胞核中，含量穩(wěn)定，具有作為生物遺傳物質(zhì)的基礎(chǔ)。教師設(shè)計(jì)一系列的問(wèn)題，把整體問(wèn)題劃分為系列小問(wèn)題，及時(shí)給予學(xué)生生物科學(xué)史的相關(guān)閱讀資料，使學(xué)生思考方向明確，提升科學(xué)思維能力。

教師與學(xué)生分享科學(xué)家研究的探究過(guò)程的史實(shí)，既培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維方式，又使學(xué)生學(xué)習(xí)了科學(xué)家的探究思路。學(xué)生通過(guò)對(duì)比，啟發(fā)和修正思維，感悟科學(xué)的認(rèn)識(shí)形成過(guò)程中證據(jù)和邏輯的重要性。高中生物教材中有豐富的科學(xué)研究史實(shí)素材，體現(xiàn)了特定的思維方法，教師有計(jì)劃、有目的地設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)，讓學(xué)生體驗(yàn)并總結(jié)，結(jié)合問(wèn)題串的設(shè)計(jì)與啟發(fā)，使科學(xué)思維方法的訓(xùn)練走向深入化，為學(xué)生自主應(yīng)用提供基礎(chǔ)。