運用生物科學(xué)史培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)

于志華

(哈爾濱市第四中學(xué)校，哈爾濱 150020)

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版，2020年修訂)》闡述了學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力。生物學(xué)科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、社會責(zé)任四部分[1]。學(xué)生通過生物學(xué)課程學(xué)習(xí)，能運用生命觀念認(rèn)識生命現(xiàn)象，在探索生命規(guī)律中形成理性思維，掌握科學(xué)方法，體會科學(xué)價值，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，學(xué)會用生物學(xué)相關(guān)知識解決生產(chǎn)生活中問題，形成社會責(zé)任[1]。在生物學(xué)教學(xué)中，靈活運用生物科學(xué)史，能夠有效培養(yǎng)和提高學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、高中生物學(xué)教材中有關(guān)生物科學(xué)史的主要論述

1.在2019人教版生物學(xué)教材中，涉及生物科學(xué)發(fā)展史的主要內(nèi)容

(1)體現(xiàn)生物科學(xué)理論如何產(chǎn)生、形成和發(fā)展。如：必修一《分子與細(xì)胞》中生物科學(xué)史主要有“細(xì)胞學(xué)說的建立”“光合作用的探究史”；必修二《遺傳與進化》中的生物科學(xué)史主要有“遺傳定律的發(fā)現(xiàn)史”“生物進化史”等；選擇性必修一《穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》中的生物科學(xué)史主要有“對穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)機制的認(rèn)識”；選擇性必修二《生物與環(huán)境》中生物科學(xué)史主要有“生態(tài)系統(tǒng)能量流動的發(fā)現(xiàn)史”等。這些科學(xué)史可以使學(xué)生體會科學(xué)探究的一般過程。

(2)體現(xiàn)科學(xué)家的奮斗史。如：袁隆平和他團隊的雜交水稻，達爾文的自然選擇學(xué)說，沃森、克里克研究“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)”等，運用這些科學(xué)史主要是用科學(xué)家的行為來教育學(xué)生、引領(lǐng)學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、崇高的科學(xué)精神及社會責(zé)任感。

(3)體現(xiàn)生物科學(xué)的研究方法。如：必修一《分子與細(xì)胞》中的世界上“第一個人工合成蛋白質(zhì)的產(chǎn)生”“生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程”；必修二《遺傳與進化》中的“DNA結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建”“遺傳規(guī)律的發(fā)現(xiàn)史”“遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)史”；選擇性必修二《生物與環(huán)境》中的“種群數(shù)量變化曲線”等，運用這些科學(xué)史主要是培養(yǎng)學(xué)生研究問題的科學(xué)方法，如同位素標(biāo)記法、假說—演繹法、模型與建模等。

(4)體現(xiàn)組成生命物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)史。如：必修一《分子與細(xì)胞》中“酶的發(fā)現(xiàn)史”；必修二《遺傳與進化》中“遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)史”“遺傳密碼的破譯”；選擇性必修一《穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》中“生長素的發(fā)現(xiàn)史”“促胰液素的發(fā)現(xiàn)史”等，這些科學(xué)史主要是促進核心素養(yǎng)中生命觀念的培養(yǎng)。

2.在2019人教版生物學(xué)教材中，生物科學(xué)發(fā)展史的內(nèi)容在教材中的分布情況

(1)分布在教材正文中的生物科學(xué)史有：必修一《分子與細(xì)胞》中的“細(xì)胞學(xué)說的建立”“生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程”；必修二《遺傳與進化》中的“孟德爾的豌豆雜交實驗”“摩爾根的果蠅雜交實驗”“遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)史”；選擇性必修一《穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》中“生長素的發(fā)現(xiàn)史”；選擇性必修二《生物與環(huán)境》中的“種群數(shù)量變化曲線”等，這些生物科學(xué)史分布在教材正文中，屬于生物教學(xué)中的重點內(nèi)容、核心內(nèi)容，在教學(xué)中要給予足夠的重視，采用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)手段闡明重點。

(2)分布在教材“問題探討”欄目中生物科學(xué)史有：必修一《分子與細(xì)胞》中的“酶的發(fā)現(xiàn)史”中斯帕蘭扎尼的實驗；必修二《遺傳與進化》中的“遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)史”“生物進化史”的部分內(nèi)容等，這些生物科學(xué)史分布在“問題探討”欄目中，旨在調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容的興趣和積極性。

(3)分布在教材的“思考與討論”欄目中生物科學(xué)史有：必修一《分子與細(xì)胞》中的“細(xì)胞學(xué)說的建立”“生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程”“酶的發(fā)現(xiàn)史”“光合作用的發(fā)現(xiàn)史”；必修二《遺傳與進化》中的“DNA結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建”；選擇性必修一《穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》中的“促胰液素的發(fā)現(xiàn)史”；選擇性必修二《生物與環(huán)境》中的“生態(tài)系統(tǒng)能量流動的發(fā)現(xiàn)史”等，這些生物科學(xué)史分布在“思考與討論”欄目中，旨在通過“思考與討論”欄目展開自主、合作、探究的學(xué)習(xí)方式，突出教學(xué)重點，突破教學(xué)難點，達成課程目標(biāo)。

(4)分布在教材的“科學(xué)史話”欄目中生物科學(xué)史有：必修一《分子與細(xì)胞》中的“世界上第一個人工合成的蛋白質(zhì)”“人類對通道蛋白的探索歷程”；必修二《遺傳與進化》中的“遺傳密碼的破譯”；選擇性必修一《穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》中的“生物電的發(fā)現(xiàn)”等，這些生物科學(xué)史分布在“科學(xué)史話”欄目中，旨在通過“科學(xué)史話”欄目增加學(xué)生閱讀量，拓展學(xué)生知識面，使學(xué)生充分了解現(xiàn)代生物科學(xué)發(fā)展史。

二、生物科學(xué)史對于培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要作用

1.有助于學(xué)生對科研過程和物質(zhì)本質(zhì)的理解

如介紹“酶的發(fā)現(xiàn)史”，不但使學(xué)生加深了對酶本質(zhì)的理解，而且能學(xué)習(xí)科學(xué)家從生活現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)問題，不斷探究，最終獲得科學(xué)研究成果的孜孜以求的探索精神[2]。

2.有助于學(xué)生理解科學(xué)知識，樹立生命觀念

如在光合作用內(nèi)容教學(xué)中引入“光合作用的發(fā)現(xiàn)史”，有助于學(xué)生理解并掌握光合作用的具體過程，使教學(xué)難點變成學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣點。

3.有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力

如利用“酶的發(fā)現(xiàn)史”“DNA結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建”“生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程”開展教學(xué)活動，有助于學(xué)生形成解決問題的科學(xué)思維，加深對科學(xué)探究過程的理解。

4.有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神及社會責(zé)任

如“雜交水稻之父——袁隆平”“促胰液素的發(fā)現(xiàn)”，有助于培養(yǎng)學(xué)生鍥而不舍、勇于探究、實事求是的科學(xué)精神和運用生物學(xué)知識服務(wù)社會的責(zé)任感[2]。

三、生物科學(xué)史教育在教學(xué)中的注意事項

1.生物科學(xué)史引用要適當(dāng)、恰當(dāng)

在生物教材中蘊含著大量的生物科學(xué)史內(nèi)容，教師在教學(xué)中一方面應(yīng)給予足夠重視，另一方面在實際教學(xué)中可以適當(dāng)展開，但不宜添加過多內(nèi)容，以免增加學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

2.結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，采用多種教學(xué)手段開展生物科學(xué)史教學(xué)

運用實驗法、討論法、模型建構(gòu)法、資料分析法、閱讀法、自主合作探究法等教學(xué)手段，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，避免教學(xué)方式枯燥單一。

3.生物科學(xué)史教學(xué)注重呈現(xiàn)方式

可以按科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程中的時間順序呈現(xiàn)，如“生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程”，1895年歐文頓提出膜是由脂質(zhì)組成→20世紀(jì)初科學(xué)家提出膜是由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成→1925年荷蘭科學(xué)家提出細(xì)胞膜中磷脂是雙層的→1959年羅伯特森提出生物膜是由蛋白質(zhì)—脂質(zhì)—蛋白質(zhì)的三層結(jié)構(gòu)組成→1970年科學(xué)家提出細(xì)胞膜具有流動性→1972年桑格和尼克森提出生物膜的流動鑲嵌模型。可以按每一位科學(xué)家研究問題的順序呈現(xiàn)，如“酶的發(fā)現(xiàn)史”，巴斯德提出發(fā)酵是由于酵母菌的存在→李比希認(rèn)為引起發(fā)酵的是酵母細(xì)胞中的某些物質(zhì)→畢希納將引起發(fā)酵的物質(zhì)稱為釀酶→薩姆納證明脲酶是蛋白質(zhì)→切赫和奧特曼發(fā)現(xiàn)少數(shù)RNA具有催化作用。

4.科學(xué)史教學(xué)要注重科學(xué)探究的過程

開展生物科學(xué)史教學(xué)時要提醒學(xué)生注重科學(xué)探究過程，避免只重視結(jié)果而忽視過程。如在“生長素的發(fā)現(xiàn)史”“DNA結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建”教學(xué)中，要向?qū)W生強調(diào)生長素發(fā)現(xiàn)的過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神。

四、運用生物科學(xué)史培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑

1.運用生物科學(xué)史導(dǎo)入新課教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維

科學(xué)思維是指尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實的求知態(tài)度，運用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物，解決實際問題的思維習(xí)慣和能力[1]。學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)過程中逐步發(fā)展科學(xué)思維，如歸納與概括、演繹與推理、批判性思維等方法，將培養(yǎng)科學(xué)思維與生物科學(xué)史緊密地融合在一起，使科學(xué)思維的培養(yǎng)更具有操作性。如，在講述“降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶”時，教師可把“酶的本質(zhì)發(fā)現(xiàn)史”作為課前導(dǎo)入引入課堂。教師在課前設(shè)計導(dǎo)學(xué)案，可在導(dǎo)學(xué)案中設(shè)置一系列問題。如：“關(guān)于釀酒中的發(fā)酵問題，巴斯德提出發(fā)酵的原因是什么？李比希的觀點與巴斯德有什么不同？畢希納做了什么實驗？薩姆納通過怎樣的努力得到脲酶？找出巴斯德、李比希、畢希納、薩姆納的觀點之間的邏輯關(guān)系等問題”，將學(xué)生置于問題情景中自主完成導(dǎo)學(xué)案，在學(xué)生完成導(dǎo)學(xué)案的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位構(gòu)建思維導(dǎo)圖，從而引入“酶的本質(zhì)”新課。學(xué)生在完成導(dǎo)學(xué)案和構(gòu)建思維導(dǎo)圖過程中，逐漸對“酶的本質(zhì)”有了清晰的認(rèn)識。同時在運用“酶的本質(zhì)發(fā)現(xiàn)史”構(gòu)建思維導(dǎo)圖過程中，學(xué)生的閱讀能力，邏輯推理能力，對科學(xué)知識的分析綜合、歸納總結(jié)能力等都能得到鍛煉。

2.運用生物科學(xué)史突出課堂教學(xué)重點，培養(yǎng)學(xué)生樹立生命觀念

生命觀念是指對觀察到的生命現(xiàn)象及相互關(guān)系或特征進行解釋后的抽象，是人們經(jīng)過實證后的觀點，是理解或解釋生物學(xué)相關(guān)事件和現(xiàn)象的意識、觀念和思想方法[1]。學(xué)生應(yīng)該在較好地掌握生物學(xué)概念的基礎(chǔ)上形成生命觀念，如結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀等。在講“光合作用與能量轉(zhuǎn)化”一節(jié)時，教師可把“光合作用的探究歷程”作為課堂內(nèi)容的重要資料引入教學(xué)，使之與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，突出課堂教學(xué)重點，幫助學(xué)生理解抽象的生物學(xué)知識，培養(yǎng)學(xué)生形成生命觀念?？梢栽谡n前布置任務(wù)，要求學(xué)生查找初中學(xué)習(xí)光合作用的相關(guān)知識，在課上可設(shè)計一個表格，把學(xué)生分成研究小組，要求各小組結(jié)合初高中教材完成下列問題：普利斯特利、英格豪斯做了什么實驗?恩格爾曼、魯賓和卡門、希爾、卡爾文在光合作用的發(fā)現(xiàn)中做了哪些貢獻?光合作用的原料、場所、產(chǎn)物、條件與哪位科學(xué)家的什么實驗有關(guān)？恩格爾曼采用什么實驗方法，巧妙之處在哪里？魯賓和卡門應(yīng)用什么科學(xué)方法得出光合作用產(chǎn)生的氧氣來自水？各小組通過查找資料、閱讀教材、研究討論之后完成表格中的項目，最后通過各小組展示成果，總結(jié)光合作用的過程。在學(xué)習(xí)光合作用的探究歷程中，一方面學(xué)生逐漸理解葉綠體的結(jié)構(gòu)與光合作用的關(guān)系，形成結(jié)構(gòu)與功能觀。另一方面逐漸認(rèn)同光合作用中物質(zhì)變化與能量變化的關(guān)系，形成物質(zhì)和能量觀，樹立生命觀念。同時運用科學(xué)史突出課堂教學(xué)重點內(nèi)容，學(xué)生按照科學(xué)家的思維去發(fā)現(xiàn)問題、實踐操作、解決問題、體驗科學(xué)探究的過程，逐步掌握科學(xué)探究的方法。

3.運用生物科學(xué)史進行模型構(gòu)建，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究、合作精神

科學(xué)探究是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實世界中生物學(xué)問題，針對特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進行觀察、提問、實驗設(shè)計、方案實施以及對結(jié)果的交流與討論的能力[1]。合作精神是個人生存、發(fā)展和事業(yè)成功所必需的精神。在教學(xué)中運用生物科學(xué)史培養(yǎng)科學(xué)探究能力，在探究活動中培養(yǎng)合作精神，這些都是學(xué)生未來發(fā)展的必備品格。如在“制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”的建構(gòu)模型活動中，引入“DNA結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建”科學(xué)史，更能有效培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力、合作精神。1953年，沃森和克里克默契配合，揭示了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，是科學(xué)家合作研究的典范，被傳為科學(xué)界的佳話。因此，可把模型構(gòu)建活動放在講解“DNA的結(jié)構(gòu)”知識點之前，引導(dǎo)學(xué)生按照科學(xué)家的研究過程進行模型構(gòu)建?？蓪W(xué)生進行分組和分工，給學(xué)生提出問題，供學(xué)生在制作模型時參考。如：制作10個堿基對的DNA模型需要多少個基本單位？需要多少個磷酸、脫氧核糖、堿基？需要幾種顏色的彩泥？在制作的模型中，什么分子擔(dān)當(dāng)基本骨架，如何連接？堿基對之間的距離是否相等？各小組可通過集體討論，設(shè)計出本組的制作方案，經(jīng)過小組成員的共同努力完成作品。最后各小組展示與交流制作過程中的感悟。學(xué)生通過這次制作活動，一方面可以體驗科學(xué)探究的一般過程，提出問題、作出假設(shè)、制訂計劃、實施計劃、得出結(jié)論、表達與交流[2]。另一方面在科學(xué)探究過程中能夠培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力和合作精神。

4.運用生物科學(xué)史開展課外制作活動，培養(yǎng)學(xué)生探究實踐能力

探究實踐活動的主要環(huán)節(jié)有：提出任務(wù)，制訂方案，實施方案，形成初步產(chǎn)品，改進設(shè)計，物化成果，進行表達、交流、展示等[3]。把生物科學(xué)史教育作為課外制作的資料引入比賽活動，培養(yǎng)學(xué)生的探究實踐能力。如在講“細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能”一節(jié)時，剛上高一的學(xué)生對生物學(xué)充滿了好奇心、求知欲，為進一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可設(shè)計開展課外制作比賽等活動，將“生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程”作為資料，為學(xué)生提供模型制作的理論依據(jù)?；顒拥闹黝}是“制作生物膜的模型”。活動的要求：(1)自由選擇制作材料。(2)以四人為一個比賽小組，成員自由組合。(3)自由選擇模型的類型?？梢宰寣W(xué)生模仿羅伯特森的觀點制作，可以選擇制作“人—鼠細(xì)胞融合”的模型，也可以選擇制作桑格、尼克森的“流動鑲嵌模型”。(4)制作場地自由選擇，可以開放實驗室，給學(xué)生提供制作場地。(5)模型展示環(huán)節(jié)，要求選取小組代表進行2分鐘的陳述，陳述制作理論依據(jù)及模型的結(jié)構(gòu)特點。組織這種活動，可以鍛煉學(xué)生查閱資料的能力。學(xué)生討論選擇制作材料，研究制作方案，動手制作，修改制作方案，再動手制作，再修改、補充、完善的過程，能夠鍛煉學(xué)生的動手能力。模型制作比賽活動，一方面可以讓學(xué)生體驗科學(xué)研究的一般過程，另一方面能夠鍛煉學(xué)生設(shè)計、制作、實踐的能力，同時在實踐中培養(yǎng)創(chuàng)新精神、探索精神、團隊合作精神。

5.運用生物科學(xué)史開展課后活動，培養(yǎng)學(xué)生社會責(zé)任感和科學(xué)精神

社會責(zé)任是指基于生物學(xué)的認(rèn)識，參與個人和社會事務(wù)的討論，作出理性解釋和判斷，解決生產(chǎn)生活問題的擔(dān)當(dāng)和能力[1]?？茖W(xué)精神既有樹立求真、求實、客觀精神，又有合理懷疑和批判精神，還有創(chuàng)新精神、合作精神、探索精神等。生物科學(xué)史料中蘊含著豐富的科學(xué)精神和培養(yǎng)社會責(zé)任感的教育素材，在生物教學(xué)中，可以充分運用這些素材對學(xué)生進行學(xué)科核心素養(yǎng)教育。如“雜交水稻之父”袁隆平，致力于雜交水稻技術(shù)的研究、應(yīng)用與推廣，辛勤耕耘，甘于奉獻，用汗水譜寫出傳奇人生。可以由此開展一次題為“袁隆平和他的‘禾下乘涼夢’”的主題班會，以此培養(yǎng)學(xué)生為科學(xué)研究獻身的精神，增強學(xué)生的社會責(zé)任感。還可以將生物科學(xué)史作為課后閱讀資料，開展課后閱讀活動[4]。如在學(xué)習(xí)完“蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者”一節(jié)后，指導(dǎo)學(xué)生閱讀科學(xué)史話“世界上第一個人工合成蛋白質(zhì)的誕生”，讓學(xué)生理解集體的智慧和合作的力量。了解科學(xué)家在經(jīng)歷多次失敗后，終于人工合成世界上第一個結(jié)晶牛胰島素的過程，以此讓學(xué)生理解科學(xué)研究的不易，學(xué)習(xí)科學(xué)家堅韌的科研精神。

總之，在生物學(xué)教學(xué)中，通過運用生物科學(xué)史導(dǎo)入新課教學(xué)，突出課堂教學(xué)重點，進行模型構(gòu)建，開展課外制作活動和課后主題、閱讀活動等途徑，能更有效地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。