應(yīng)用生物科學(xué)史培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)

文/方永偉

引 言

生物學(xué)新的課程理念是提高學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。在高中生物學(xué)教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)會(huì)生物科學(xué)史中科學(xué)家探索和研究生物世界的思維方式和方法，有助于培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》對(duì)生物科學(xué)史的教學(xué)要求

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中提出重視生物科學(xué)史和科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)，能夠認(rèn)識(shí)到生命觀念是科學(xué)家經(jīng)過(guò)實(shí)證后的想法和觀點(diǎn)[1]。生物科學(xué)史是科學(xué)家們探索、發(fā)現(xiàn)和研究生物世界的歷史，蘊(yùn)含著科學(xué)家解決實(shí)際問(wèn)題的思維方式和方法。生物科學(xué)史和生物學(xué)理論知識(shí)體系共同組成現(xiàn)行生物學(xué)教材內(nèi)容，雖然在教材中所占的篇幅比較小，卻對(duì)學(xué)生生物學(xué)“核心概念”的形成發(fā)揮著重要的作用。教師在課堂上傳授理論知識(shí)時(shí)，適當(dāng)進(jìn)行生物科學(xué)史的補(bǔ)充，再現(xiàn)科學(xué)家們?cè)诋?dāng)時(shí)的歷史背景下的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，可以使學(xué)生更準(zhǔn)確地理解知識(shí)體系產(chǎn)生、形成、發(fā)展的過(guò)程；再現(xiàn)科學(xué)家們?cè)谡J(rèn)識(shí)生命現(xiàn)象及其活動(dòng)規(guī)律的過(guò)程中所持有的思想觀念的碰撞，讓學(xué)生明白科學(xué)發(fā)現(xiàn)要從觀察入手，大膽質(zhì)疑，不要迷信權(quán)威；再現(xiàn)科學(xué)探索的艱難歷程，讓學(xué)生明白每個(gè)科學(xué)學(xué)說(shuō)的建立都是一個(gè)理論和證據(jù)相互協(xié)調(diào)，不斷修正、發(fā)展的過(guò)程；再現(xiàn)科學(xué)家實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路和方法的巧妙之處，可以給學(xué)生科學(xué)探究、解決問(wèn)題和鍛煉創(chuàng)新能力等帶來(lái)重要的啟示，也是培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑之一。

二、生物科學(xué)史材料在課堂教學(xué)中的合理應(yīng)用

（一）重視問(wèn)題情境的設(shè)計(jì)，創(chuàng)設(shè)獨(dú)特的教學(xué)情境

在課堂教學(xué)中，課題引入非常關(guān)鍵，而合理的課題引入，能更好地幫助學(xué)生快速進(jìn)入設(shè)定的課堂情境中，主動(dòng)參與學(xué)習(xí)，從而取得良好的教學(xué)效果。

在學(xué)習(xí)人教版必修二“遺傳與變異”模塊概念3時(shí)，學(xué)生通過(guò)減數(shù)分裂和受精、DNA分子的結(jié)構(gòu)和功能等相關(guān)章節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，已經(jīng)初步形成了DNA結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念，知道遺傳信息主要編碼在DNA上，親代的遺傳信息通過(guò)配子傳遞給子代的重要概念。通過(guò)對(duì)細(xì)胞增殖相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)了解了DNA復(fù)制的概念，但對(duì)DNA復(fù)制的機(jī)制還不清楚。那如何從結(jié)構(gòu)引入復(fù)制課題呢？這時(shí)，教師就應(yīng)該重視問(wèn)題情境的設(shè)計(jì)。問(wèn)題情境中的問(wèn)題不能憑空產(chǎn)生。教師可以合理利用教材中“DNA結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建”的生物科學(xué)史和DNA復(fù)制的生物科學(xué)史的有機(jī)結(jié)合來(lái)引入課題。1953年沃森和克里克撰寫(xiě)的論文在英國(guó)《自然》雜志上刊載，但是在短文的結(jié)尾處有一句話(huà)值得我們注意和探討：“值得注意的是，我們提出的這種堿基特異性配對(duì)方式，暗示著遺傳物質(zhì)進(jìn)行復(fù)制的一種可能的機(jī)制?！边@樣就把DNA結(jié)構(gòu)和DNA復(fù)制課題前后銜接了起來(lái)，同時(shí)也利用問(wèn)題探討把學(xué)生的注意力集中到創(chuàng)設(shè)的問(wèn)題情境中，自然地引出了DNA復(fù)制的相關(guān)探討，并引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)沃森和克里克提出的假說(shuō)進(jìn)行演繹。接著，教師利用問(wèn)題探討2“這句中為什么要用‘可能’兩字”進(jìn)行設(shè)疑，引出其他學(xué)者對(duì)DNA復(fù)制方式所持有的觀點(diǎn)——全保留復(fù)制。到底哪種假說(shuō)是正確的？教師創(chuàng)設(shè)這樣對(duì)比鮮明、帶有具體問(wèn)題的教學(xué)情境，能激發(fā)學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)證明假說(shuō)正確性的探索欲望，從而收獲良好的教學(xué)效果。

又如，在“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”中，要想構(gòu)建起“DNA→RNA→蛋白質(zhì)”的概念模型，教師可以1955年布達(dá)拉奇（Brachet）的科學(xué)史來(lái)創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境。

“1955年布達(dá)拉奇（Brachet）用洋蔥根尖細(xì)胞和變形蟲(chóng)分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：如果向洋蔥根尖細(xì)胞和變形蟲(chóng)中加入RNA酶(水解RNA的酶：酶的活性只能保持一段時(shí)間)，細(xì)胞中的蛋白質(zhì)合成就停止了，一段時(shí)間后再加入從酵母菌中提取的RNA，則又重新合成了一定數(shù)量的蛋白質(zhì)。”

通過(guò)這個(gè)生物科學(xué)史實(shí)，學(xué)生明白了RNA在基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成過(guò)程中的作用——傳遞遺傳信息，如此就構(gòu)建起“DNA→RNA→蛋白質(zhì)”的概念模型。之后，細(xì)心的學(xué)生又產(chǎn)生了一個(gè)新的疑惑：RNA有三大類(lèi)，它們?cè)诨虻谋磉_(dá)中分別起什么作用呢？這時(shí)，教師可補(bǔ)充下面三則科學(xué)史，創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，讓學(xué)生閱讀這些科學(xué)史來(lái)歸納RNA的作用。

（1）1961年，Brenner，Jacob和 Meselson進(jìn)一步利用不同的放射性核素標(biāo)記T2噬菌體和 E.coli進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終提出某種RNA作為“信使”的預(yù)言：這種RNA首先與已存在的核糖體結(jié)合，然后移動(dòng)穿過(guò)核糖體表面，使其堿基進(jìn)入適當(dāng)位點(diǎn)，在這里進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成。這種情況下，RNA就決定了氨基酸的順序，它就是長(zhǎng)期尋找的蛋白質(zhì)合成的RNA模板。由于它將DNA信息帶到了進(jìn)行蛋白質(zhì)合成的核糖體位點(diǎn)，故稱(chēng)為信使RNA(mRNA)。

（2）1953年，Rubinson和 Broun在細(xì)胞質(zhì)中發(fā)現(xiàn)一種顆粒物質(zhì)，1955年 Palade在細(xì)胞質(zhì)中也發(fā)現(xiàn)同樣的顆粒，進(jìn)一步研究了這些顆粒的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)是由RNA和蛋白質(zhì)組成的。后人對(duì)其中的RNA進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)該顆粒中的RNA約占細(xì)胞總RNA的85%，將其命名為核糖體RNA（rRNA）。

（3）1957年，Zamecnik與 Mahlon Hoagland合作研究獲得重要發(fā)現(xiàn)：在被整合進(jìn)蛋白質(zhì)之前，氨基酸首先結(jié)合到RNA分子上，再由RNA轉(zhuǎn)運(yùn)到核糖體上，根據(jù)相應(yīng)的信息合成蛋白質(zhì)，在蛋白質(zhì)合成旺盛的細(xì)胞中，這種轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA）的絕對(duì)數(shù)量急劇增加[2]。

學(xué)生通過(guò)閱讀科學(xué)史實(shí)，進(jìn)行相關(guān)的資料分析，可以歸納概括出三類(lèi)RNA分別在基因表達(dá)過(guò)程中的作用，這對(duì)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提升有很大幫助。

（二）利用生物科學(xué)史提升學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)思維能力

教育的首要目標(biāo)是為了使學(xué)生在走出校園后也可以生活得更好。而在日常生活中，幾乎沒(méi)有人可以完全避開(kāi)與生物學(xué)相關(guān)的問(wèn)題，醫(yī)療保健、身心健康、婚戀生育、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、動(dòng)物飼養(yǎng)等方面都與生物學(xué)密切相關(guān)。不要把生物學(xué)當(dāng)作一個(gè)單純的理論體系，其中蘊(yùn)含著科學(xué)家們一系列遇到實(shí)際問(wèn)題、解決實(shí)際問(wèn)題的思路、方法和方式。領(lǐng)悟生物科學(xué)史中科學(xué)家們具體工作時(shí)的思維方式之獨(dú)特、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)之巧妙，會(huì)給我們?cè)谏a(chǎn)生活中解決實(shí)際問(wèn)題帶來(lái)非常重要的啟示。這些對(duì)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，特別是對(duì)科學(xué)探究能力和科學(xué)思維能力的養(yǎng)成有不可替代的作用。因此，在教學(xué)過(guò)程中，教師事先通過(guò)科技文獻(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)媒體等手段，多收集一些相關(guān)資料，充實(shí)到教材的生物科學(xué)史中，不僅能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的欲望，還能讓學(xué)生從中學(xué)習(xí)和領(lǐng)悟到解決問(wèn)題的思維方式和方法，并以此為指導(dǎo)，觀察生命現(xiàn)象和探究生命活動(dòng)的規(guī)律。

在開(kāi)展人教版必修1“分子與細(xì)胞”模塊的學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)生已經(jīng)知道光合作用的總反應(yīng)式，這是學(xué)生已有的知識(shí)基礎(chǔ)。本節(jié)內(nèi)容則是對(duì)這一總反應(yīng)式的進(jìn)一步深化，比如，光合作用釋放的氧氣是來(lái)自原料中的水還是二氧化碳呢？為了增加實(shí)驗(yàn)證據(jù)，用事實(shí)為概念構(gòu)建搭架，教材安排了“探索光合作用原理的部分實(shí)驗(yàn)”的科學(xué)史版塊。在19世紀(jì)末“甲醛說(shuō)”籠罩整個(gè)科學(xué)界的情況下，科學(xué)家們就已經(jīng)開(kāi)始質(zhì)疑O2的來(lái)源，到20世紀(jì)30年代，凡·涅爾發(fā)現(xiàn)不同生物的光合作用過(guò)程有共同之處。例如：

綠色植物：CO2+2H2O→(CH2O)+O2+H2O

紫硫細(xì)菌：CO2+2H2S→(CH2O)+2S+H2O

紅 細(xì) 菌：CO2+2H2→(CH2O)+H2O

學(xué)生通過(guò)觀察比較上述反應(yīng)式，歸納概括出凡·涅爾的大膽推測(cè)：綠色植物光合作用產(chǎn)生的氧氣應(yīng)該來(lái)自原料中的H2O而不是CO2。由此引出希爾設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證凡?涅爾的推測(cè)，最后魯賓和卡門(mén)用同位素標(biāo)記法證實(shí)了光合作用產(chǎn)生的O2來(lái)源于原料中的H2O。這一科學(xué)史使學(xué)生明白科學(xué)理論的形成需要實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支撐。對(duì)此，教師應(yīng)在課堂教學(xué)中，利用生物學(xué)知識(shí)探索發(fā)現(xiàn)的歷程，引導(dǎo)學(xué)生靈活運(yùn)用科學(xué)的思維方法，去認(rèn)識(shí)事物、看待或論證生物學(xué)社會(huì)議題。

同樣，在選擇性必修1“穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)”模塊中，教材編排了“生長(zhǎng)素發(fā)現(xiàn)歷程”和“促胰液素的發(fā)現(xiàn)歷程”兩則生物科學(xué)史。學(xué)生通過(guò)閱讀可以發(fā)現(xiàn)，兩種激素的發(fā)現(xiàn)史都體現(xiàn)了科學(xué)探究的基本步驟，也體現(xiàn)了設(shè)計(jì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究方案要遵循的做對(duì)照、單一變量、控制無(wú)關(guān)變量（等量）、科學(xué)性等實(shí)驗(yàn)原則。在生物科學(xué)史教學(xué)中，教師要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展，即以科學(xué)方法為主線(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題，思考解決問(wèn)題的方法，探究問(wèn)題的答案和對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行創(chuàng)新。

例如，在“生長(zhǎng)素發(fā)現(xiàn)歷程”的生物科學(xué)史中，對(duì)植物的向光性現(xiàn)象，人們通常是熟視無(wú)睹的，而達(dá)爾文(C.R.Darwin)和他的兒子卻注意到了植物的向光性現(xiàn)象，想要探討植物向光性的原因。正是這種好奇心引導(dǎo)人們揭示植物生命活動(dòng)調(diào)節(jié)的奧秘，并開(kāi)啟了探索植物生命活動(dòng)調(diào)節(jié)的旅程。這反映了科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往是從日常生活中對(duì)身邊常見(jiàn)現(xiàn)象的追問(wèn)、探索而開(kāi)啟的，然而，科學(xué)是重視實(shí)證的，我們只有尊重事實(shí)和證據(jù)，有實(shí)證意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那笾獞B(tài)度，才能使生活中的發(fā)現(xiàn)得到檢驗(yàn)和修正。因此達(dá)爾文和他的兒子設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單而又富有創(chuàng)造性的實(shí)驗(yàn)來(lái)研究，而不是憑主觀臆測(cè)來(lái)解釋現(xiàn)象。教師先引導(dǎo)學(xué)生分析達(dá)爾文實(shí)驗(yàn)中的自變量——胚芽鞘尖端的有無(wú)和感光部位的不同，因變量——胚芽鞘是否出現(xiàn)生長(zhǎng)和向光彎曲生長(zhǎng)，對(duì)照實(shí)驗(yàn)，提出假說(shuō)。在此基礎(chǔ)上，教師可以進(jìn)行進(jìn)一步的延伸，引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題、思考解決問(wèn)題的方法。針對(duì)達(dá)爾文提出的假說(shuō)：“胚芽鞘的尖端受單側(cè)光刺激后，向下面的伸長(zhǎng)區(qū)傳遞了某種‘影響’，造成伸長(zhǎng)區(qū)背光面比向光面生長(zhǎng)快，因而使胚芽鞘出現(xiàn)向光性彎曲。”教師可以“假說(shuō)—演繹”這種科學(xué)方法對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)思維訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與尋找證據(jù)、檢驗(yàn)假說(shuō)的過(guò)程。比如，根據(jù)達(dá)爾文提出的假說(shuō)，可以推知“尖端產(chǎn)生的影響能否傳遞”決定著“伸長(zhǎng)區(qū)能否彎曲生長(zhǎng)”。教師可以組織學(xué)生以玉米胚芽鞘、瓊脂片、云母片等作為實(shí)驗(yàn)材料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行說(shuō)明，并寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)思路（包含自變量處理、因變量檢測(cè)、預(yù)期結(jié)果）。在達(dá)爾文的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上，學(xué)生通過(guò)對(duì)瓊脂片、云母片物理性質(zhì)的了解，經(jīng)過(guò)討論后很快就能完成實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)任務(wù)。這樣就培養(yǎng)了學(xué)生的合作探究精神。教師在分析評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路后，把學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路與1913年科學(xué)家鮑森·詹森(P.Boysen-Jensen)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路相對(duì)照，肯定了學(xué)生的思維方式，激發(fā)了學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，并為其后續(xù)的探究打下基礎(chǔ)。像這樣以科學(xué)方法為主線(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題，思考解決問(wèn)題，再與前人進(jìn)行跨越時(shí)間和空間的思想碰撞，對(duì)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，特別是對(duì)科學(xué)探究能力和科學(xué)思維的養(yǎng)成有非常重要的作用。

同理，在“促胰液素的發(fā)現(xiàn)歷程”這則生物科學(xué)史教學(xué)中，在引導(dǎo)學(xué)生分析斯他林（E.H.Starling）和貝利斯(W.M.Bayliss)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)并提出假說(shuō)以后，教師可以組織學(xué)生根據(jù)斯他林和貝利斯的假說(shuō)進(jìn)行演繹推理，討論并設(shè)計(jì)可行的實(shí)驗(yàn)方案來(lái)驗(yàn)證假說(shuō)。（1）若是化學(xué)調(diào)節(jié)，如何排除神經(jīng)的干擾？（2）如果小腸黏膜細(xì)胞受鹽酸刺激產(chǎn)生了化學(xué)物質(zhì)，如何設(shè)法提取該物質(zhì)？（3）根據(jù)假設(shè)，提取的物質(zhì)通過(guò)什么途徑作用于胰腺？這樣，學(xué)生本人參與解決具體問(wèn)題，進(jìn)行合作交流，親身體驗(yàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，有助于理解科學(xué)的本質(zhì)。

結(jié) 語(yǔ)

生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任四個(gè)方面，學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在生物學(xué)課程學(xué)習(xí)過(guò)程中逐步發(fā)展起來(lái)的，是學(xué)生知識(shí)、能力、情感態(tài)度與價(jià)值觀的綜合體現(xiàn)。而生物科學(xué)史中蘊(yùn)含著諸多科學(xué)家對(duì)生命世界的探究方法及科學(xué)精神，每個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程都是科學(xué)研究所需要的科學(xué)思維和方法的完美體現(xiàn)，也是培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的生動(dòng)教材。