高中生物課堂基于科學史提升學生核心素養(yǎng)的教學策略

朱秀華

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》指出，“科學是一個發(fā)展的過程。學習生物科學史能使學生沿著科學家探究生物世界的道路，理解科學的本質(zhì)和科學研究的方法，學習科學家獻身科學的精神，這對提高學生的科學素養(yǎng)是很有意義的?！痹诟咧猩镎n堂教學中，教師應根據(jù)教學目標和內(nèi)容，積極查閱資料尋找恰當?shù)目茖W史素材，充分挖掘其教育價值，智慧地將其融入課堂教學之中，引導學生運用生命觀念探索生命規(guī)律，學會用科學的思維解決問題，體驗科學探究進程，提升社會責任感，進而提升學生學科核心素養(yǎng)。本文以上海普通高中新教材生物學必修一《分子與細胞》第3章第2節(jié)“細胞各部分結(jié)構(gòu)既分工又合作”第二課時為例，探討高中生物課堂基于科學史提升學生核心素養(yǎng)的教學策略。

據(jù)筆者二十多年的生物課堂教學實踐，深刻認識到：只要激發(fā)學生學習知識的興趣，能夠點燃學生的學習熱情進而很好地學習并掌握生物知識。生物科學史展示了生命科學形成的歷史，記載了人們對生物界的探究歷程，記載了一代又一代生物科學家們的生平事跡、成敗得失，這樣的科學故事就非常吸引學生，可以作為課堂導入的材料。

例如，在本堂課伊始，筆者以胰島素的故事作為導入素材。教師介紹班廷醫(yī)生發(fā)現(xiàn)胰島素的事跡：班廷醫(yī)生在經(jīng)歷了無數(shù)次失敗后，終于在1921年那個炎熱的夏天從狗的胰臟中提取到胰島素，由此徹底改變了糖尿病患者的命運。在此之前糖尿病一直被認為是不治之癥。為了紀念班廷醫(yī)生的這一巨大貢獻，世界衛(wèi)生組織把他的生日，每年的11月14日，定為世界糖尿病日。接著，教師再出示兩張胰島素分子結(jié)構(gòu)圖，提問：1.從第一張圖上可以看出胰島素的基本單位是什么？2.可以推測出其化學本質(zhì)是什么？3.由什么細胞合成？學生回答后，教師進一步強調(diào)它不僅是蛋白質(zhì)，而且還是細胞外發(fā)揮功能的分泌蛋白。第二張圖則是胰島素在細胞內(nèi)加工再加工之后的最終具有降糖功能的空間結(jié)構(gòu)圖。再提問：4.那么在胰島B細胞內(nèi)，小小氨基酸們是如何轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢臻g結(jié)構(gòu)的大分子胰島素并分泌出細胞的呢？這個路徑在生物科學史上是如何被發(fā)現(xiàn)的呢？讓我們帶著這些問題來一起重溫20世紀60年代生物科學史上的這么一個精彩的實驗。學生就懷著好奇心帶著問題進入新課核心概念“細胞生命活動由各結(jié)構(gòu)合作完成”的學習。就這樣，通過胰島素故事的巧妙運用，既使學生感動于班廷醫(yī)生探尋胰島素鍥而不舍的精神，又使學生學習興趣與積極性得到充分的激發(fā)與調(diào)動，主動將注意力全部集中到新課的探究中，取得了一舉多得的課堂教學效果。

科學探究是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現(xiàn)象，進行觀察、提問、實驗設(shè)計、方案實施以及結(jié)果的交流與討論的能力。而科學思維是指在尊重事實和證據(jù)基礎(chǔ)上，本著嚴謹、務(wù)實的求知態(tài)度，運用科學的思維方法去認識事物、解決問題的思維習慣與能力。包括歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等。生物科學的發(fā)展本身就是科學家們探索和研究生物世界的一個歷史過程，它既能讓學生從中獲取生物學知識，又能讓學生體會科學家在探究過程中所持有的科學觀點和解決問題的思路及方法。筆者在高中生物教學實踐中，會有針對性地根據(jù)教材的內(nèi)容，挑選與本堂課知識點有密切聯(lián)系的生物科學史材料，如一些經(jīng)典的探究實驗，將其整合到教學中，讓學生邊體會科學家實驗探究過程邊進行課堂探究性學習，進而培養(yǎng)學生科學探究素養(yǎng)，發(fā)展科學思維。

例如，在本堂課中，筆者向?qū)W生提供了這樣的資料：20世紀60年代生物科學史上有這么一個精彩的實驗?，F(xiàn)代細胞學之父帕拉德和同事在豚鼠的胰腺細胞中注射3H標記的亮氨酸。隨著時間的推移，科學家們不斷地提取細胞，在電子顯微鏡下拍攝大量的放射自顯影照片，然后選出三個最佳時間的照片，優(yōu)化出這三幅模式圖（PPT出示圖片）。請學生根據(jù)科學史材料分析討論：1.為什么選擇豚鼠胰腺腺泡細胞為實驗對象？2.為什么用3H去標記亮氨酸？3.為什么選擇亮氨酸作為3H的標記物注入細胞？4.根據(jù)這三幅圖，同學們能推測出放射性顆粒物質(zhì)的運動軌跡，經(jīng)歷了哪些細胞結(jié)構(gòu)？5.這些細胞結(jié)構(gòu)在分泌蛋白的形成過程中各有什么功能？6.請根據(jù)帕拉德實驗研究結(jié)果，小組合作構(gòu)建分泌蛋白從合成到分泌出細胞外的流水線圖。這個過程教師以帕拉德的“同位素示蹤分泌蛋白實驗”為載體，以問題串引導學生從實驗方法、實驗材料、實驗過程等方面進行合作討論探究，并鼓勵學生大膽說出自己的疑問。學生通過探究也體會到了進行科學研究的基本思路和方法，嘗試以科學家身份思考觀察，解決疑惑，認同科學研究成功的要素包括探究精神、理性思維和技術(shù)手段，從中培養(yǎng)了科學探究素養(yǎng)。隨后在討論探究出前5題的基礎(chǔ)上，學生帶著第6個問題回歸課本、研讀課本，小組合作歸納、概括、構(gòu)建分泌蛋白的整個合成和分泌流程圖，從中鍛煉了學生歸納概括能力和形象到抽象思維能力，發(fā)展了科學思維。

生命觀念是對觀察到的生命現(xiàn)象及相互關(guān)系或特性進行解釋后的抽象概念，是人們經(jīng)過實證后的觀點，是能夠理解或解釋生物學相關(guān)事件和現(xiàn)象的意識、觀念和思想方法?？茖W的生命觀念是學習研究生物學的基本保障和強大武器，只有樹立了正確的生命觀念，才能迅速準確地把握生物學概念和規(guī)律。因此，教師要有目的地選擇相契合的生物科學史，在生物課堂教學中合理運用去促進學生生命觀念的形成和提升。

例如，在本堂課中，學生在構(gòu)建了分泌蛋白形成過程的流程圖后，教師引導學生進一步思考：為了機體正常生長發(fā)育，細胞每天要合成成千上萬種的物質(zhì)，它們是如何被區(qū)分進而精確被運送到特定地點并卸載的呢？這個問題涉及知識點多、雜，微觀抽象較難理解，因此教師播放關(guān)于2013年諾貝爾醫(yī)學或生理學獎發(fā)現(xiàn)囊泡轉(zhuǎn)運機制的重大意義的央視新聞視頻，將微觀抽象的內(nèi)容具體化。視頻中介紹了三位科學家羅斯曼、謝克曼和聚德霍夫的研究，從不同的角度揭示了細胞內(nèi)部復雜而又被精確調(diào)控的“物流運輸系統(tǒng)”，解答了細胞中囊泡內(nèi)的物質(zhì)是如何被包裝運輸、如何保證在準確的時間送往目的地并卸載。緊接著教師繼續(xù)播放相關(guān)視頻“繁忙的細胞”。在視頻播放的過程中，教師提示學生重點觀察細胞內(nèi)囊泡運輸過程中物質(zhì)的傳遞過程：許多科學家進一步探索，使得我們對這一“物流系統(tǒng)”的了解更為深入。例如，最新研究表明，載有“貨物”的囊泡也是有軌道的，在熙熙攘攘的細胞環(huán)境下，為了讓囊泡朝著正確的方向前進，細胞會布置堅固的微絲和微管為囊泡構(gòu)筑“快速運輸通道”。在這些細胞骨架之上，一些特別的分子馬達，如驅(qū)動蛋白會背負著囊泡一步一步向目的地邁進。分子馬達與裝載特定貨物的囊泡之間是嚴格配對的?？戳诉@兩個視頻，學生感嘆細胞的物質(zhì)轉(zhuǎn)運機制之精妙，比無數(shù)物流師嘔心瀝血的杰作都更勝一籌，細胞能教給我們的知識還有很多很多，而科研人員的每一步探索，都是向生命求教，進而促進了生命觀念的形成。

為了進一步提升學生生命觀念，教師趁熱打鐵提問：囊泡轉(zhuǎn)運系統(tǒng)相關(guān)的細胞結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常會出現(xiàn)什么后果？進而對生物體又會造成什么危害？教師出示科學史材料：20世紀90年代，蘭迪？謝克曼利用酵母作為模式生物，發(fā)現(xiàn)了細胞結(jié)構(gòu)有缺陷的酵母菌突變體，提問：與正常的野生型酵母菌進行比較，討論甲型和乙型突變體分別是什么結(jié)構(gòu)異常，進而導致蛋白質(zhì)主要集中在什么部位，從而導致的蛋白質(zhì)“擁堵”現(xiàn)象。通過比較分析，學生可以發(fā)現(xiàn)：甲型突變體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)聚集了大量蛋白質(zhì)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)比正常細胞的腫大，而高爾基體中沒有蛋白質(zhì)，結(jié)構(gòu)萎縮；乙型突變體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)正常，但是高爾基體的結(jié)構(gòu)比正常細胞臃腫，此時它聚集了大量的蛋白質(zhì)，收了蛋白質(zhì)卻不包裝不分類也不發(fā)送，就像一個失控或者罷工狀態(tài)的“物流集散中心”，進而理解細胞器的結(jié)構(gòu)與功能是相適應的。教師例舉2014年P(guān)NAS（美國科學院院報）上關(guān)于阿爾茲海默癥的一項研究成果中提到：科學家們發(fā)現(xiàn)在所有的阿爾茲海默癥患者的神經(jīng)細胞中都會發(fā)現(xiàn)高爾基體碎片，這或許就是引發(fā)疾病的主要原因。教師再例舉有部分糖尿病患者他們的胰島B細胞就像甲種突變體一樣，就是因為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)的蛋白質(zhì)不折疊或折疊錯誤過多，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)向高爾基體轉(zhuǎn)運減少，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)過度應激反應最終導致胰島B細胞功能衰退甚至凋亡。如果科學家把這些細胞結(jié)構(gòu)的異常與這些疾病的具體關(guān)系搞清楚，就很有可能找到攻克這些疾病的方法。這樣將相關(guān)生物科學史中的經(jīng)典實驗過程或?qū)嶒灲Y(jié)果作為課堂教學素材展現(xiàn)給學生進行分析探討，加深學生對于科學研究本質(zhì)的感悟，理解細胞結(jié)構(gòu)異常和人體健康的關(guān)系，進一步提升生命觀念。

社會責任感是指基于生物學的認識，參與個人與社會事務(wù)的討論，作出理性解釋和判斷，解決生產(chǎn)生活問題的擔當和能力。在生物學史上，記載著科學家勇于承擔生物科學社會責任，并秉持科學世界觀與科學精神不斷探索生物現(xiàn)象的事跡，也記錄著很多涉及解決疾病和社會問題的生物科學探究成果，這些都是提升學生社會責任素養(yǎng)的良好素材。因此，科學史可以作為德育教育滲透的材料，讓學生領(lǐng)悟科學家鍥而不舍的科學探索精神的同時，使學生在生物學習中學會相互合作相互分享，樹立服務(wù)社會、回報社會的義務(wù)感和職責感。

例如，在本堂課接下來的環(huán)節(jié)，教師又帶領(lǐng)學生回到本節(jié)課伊始的胰島素的故事：那么在20世紀80年代，一方面為了提高胰島素的產(chǎn)量，拯救更多的糖尿病患者，另一方面也為了解決第一代胰島素動物胰島素注入人體內(nèi)引起的過敏反應，科學家開始嘗試利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，把人胰島素基因分別導入酵母菌、大腸桿菌，結(jié)果利用酵母菌可以得到分泌型胰島素，大腸桿菌卻不能，為什么？這個矛盾沖突激發(fā)學生思維高潮，結(jié)合本堂課所學知識進行思考討論回答：酵母菌是真核細胞構(gòu)成的真核生物，不僅有核糖體，還具有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體可以將胰島素分泌出去。而大腸桿菌是原核細胞，細胞器只有核糖體。

教師追問：大腸桿菌不能產(chǎn)生分泌型胰島素，那么就把大腸桿菌給放棄了嗎？然而科學家并沒有，他們破解了大腸桿菌細胞，同學們，你們想一想能找到什么？為什么？有沒有降糖功能？學生思考討論回答：大腸桿菌是原核細胞，細胞器只有核糖體，只能形成胰島素A、B兩條肽鏈，沒有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體可以將肽鏈加工再加工，所以沒有形成有一定空間結(jié)構(gòu)有降糖功能的胰島素。

教師再追問：既然大腸桿菌產(chǎn)生的胰島素的A、B兩條鏈沒有活性，是不是只能丟了嗎？科學家鍥而不舍地怎樣處理胰島素的A、B兩條鏈，讓它們轉(zhuǎn)換成也具有一定空間結(jié)構(gòu)的有活性的胰島素蛋白質(zhì)呢？經(jīng)過教師提示，學生分析得出可以利用科學技術(shù)對這兩條肽鏈進行體外折疊加工，把它們轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢臻g結(jié)構(gòu)的胰島素，這樣的胰島素也就具有活性了。所以最終大腸桿菌和酵母菌一樣，都能為我們?nèi)祟惔笊a(chǎn)胰島素了。這就是第二代胰島素。教師繼續(xù)介紹目前在二代胰島素的基礎(chǔ)上又開發(fā)了第三代胰島素，降糖時間和降糖效果更好，價格也低廉，一支300單位的胰島素注射液只要70.88元左右，可以用15天。歷經(jīng)三代胰島素的發(fā)展，終于讓糖尿病從一個“不治之癥”變成了可以控制的疾病。這樣利用胰島素的研發(fā)故事使學生從中學會用所學生物學知識解釋解決生命問題，意識到科學技術(shù)的規(guī)范在社會生活方面的應用意義，感受到科學技術(shù)的發(fā)展是人類進步的階梯，生物科學的發(fā)展是能造福于人類的，進而激發(fā)學生學好生物學知識和樹立服務(wù)社會、回報社會的義務(wù)感和責任感。

進入課堂小結(jié)環(huán)節(jié)，教師介紹：進入21世紀以來，科學家們對細胞的探索腳步越來越快，老師查了近十年諾貝爾生理學獎或醫(yī)學獎，幾乎都是和細胞有關(guān)的。今年的諾貝爾生理學獎在10月份也揭曉了，有興趣的同學去查查看是否也是和細胞的研究有關(guān)的。這樣引領(lǐng)學生主動去課外拓展生物學知識，拓寬學生視野，在潛移默化中進一步提升了學生的社會責任感。