例析生命科学史在教学实践中的巧妙整合

车未艾

科学史的内容是人类精神的资源宝库，进行科学史教育，可以更好地促进学生对科学本质的把握，促进学生科学素质的提高。著名科学史家萨顿指出，科学史不应只是对发现的描述，“它的目标就是解释科学精神的发展，解释人类对真理的反映的历史，真理被逐步发现的历史以及人们的思想从黑暗和偏见中逐渐获得解放的历史、而应在科学史中发现那些永恒的内容”。生命科学史在新课程教学实践中有以下两种整合方式。

1在教学实践中将生物科学史与科学探究整合

科学探究的理念提出是基于旧的教育理念下，过分注重知识的传递，忽视了学生能力的构建以及旧的教育模式不能达到全面提高科学素养的目的而提出的。目前，我国的科学教育界正经历从强调科学为知识体系转向强调科学的探究和时间，希望通过探究来达到培养科学素养、科学技能和了解科学本质。生物史是展示生物发展的历程和对科学家进行科学探究的过程以及生物思想的发展，所以生物学史在引导学生进行探究方面有着天然的优势。在此仅以“生物膜的流动镶嵌模型”一节的教学探究活动为例。

首先教师根据问题探讨提出问题：在制作真核细胞三维结构模型的活动中，某小组同学分别用三种材料做细胞膜：塑料袋、普通布和弹力布。根据结构与功能相适应的观点分析：用哪种材料做细胞膜，更适于体现细胞膜的能力?根据前面学过的细胞膜和生物膜都是选择透过性膜的观点，教师引导学生充分讨论，激发学生兴趣。如果像旧版教材中直接将细胞膜流动镶嵌模型的内容告诉学生，学生会感到模型抽象难懂，极易走向死记硬背的老路。教师可以将科学家的实验以资料的形式呈现给学生，引导学生推导出实验结论，使学生自然而然地接受流动镶嵌模型的理论，加深对生命科学本质的理解。

1.1从生理功能入手的科学探究

资料1：1895年欧文顿用植物细胞研究细胞的通透性。他选取500多种化学物质对植物细胞的通透情进行上万次的研究，发现：脂溶性分子易透过细胞膜；而非脂溶性分子则难以通过。这说明：细胞膜中含情脂质成分(学生可以根据化学“相似相溶”知识分析回答)。根据资料1教师还可以设置问题：为什么科学家不直接用化学分析的方法对膜的成分进行提取、分离和鉴定?原因：当时的技术不能实现(学生分析回答)。教师在这里可以强调技术对科学研究的重要作用。

资料2：20世纪初，科学家将细胞膜从哺乳动物的红细胞中分离出来，发现细胞不但会被溶解脂质的物质溶解，也会被蛋白酶(能专一地分解蛋白质的物质)分解。这说明：细胞膜上不但有脂质还有蛋白质存在(学生分析回答)。同时教师引导学生复习前面的知识，在此实验中为什么选用红细胞膜来进行分析?(通过资料1和资料2，学生很容易得出细胞膜主要由脂质和蛋白质组成的结论，教师需补充说明：细胞膜还含有少量糖类)。下面探究的目标将是细胞膜中磷脂和蛋白质的排列方式。

资料3：1 925年两位荷兰科学家高特和格兰德尔用丙酮从人的红细胞中提取脂质，在空气一水界面上铺展成单分子层，测得单分子层的面积恰为红细胞表面积的2倍。这说明：细胞中的脂质分子必然排列为连续的两层(学生分析回答)。

此处是本节课探究活动的难点之一，教师可以采用问题串的形式实现个个突破。例如为什么磷脂在空气一水界面上铺展成单分子层呢?这与构成细胞膜的脂质——磷脂分子的结构密切相关。教师可以先介绍磷脂分子的结构特点：磷脂分子是由磷酸、甘油、脂肪酸组成，其磷酸“头部”是亲水性的，其脂肪酸“尾部”是疏水性的，教师引导学生画出图1。那么细胞膜中的磷脂分子是怎样排列为连续的两层呢?是“头”相对“尾”朝外，“尾”相对“头朝外”，还是“头”“尾”相接?根据细胞内外均有水环境的事实，学生可以推断出细胞膜中磷脂分子的排列方式，从而画出图2。

1.2单位膜模型的提出

资料4：展示20世纪50年代电子显微镜诞生后拍摄的细胞膜结构的电镜照片，1959年罗伯特森用电子显微镜观察细胞膜发现有“暗一亮一暗”的三层结构，就大胆地提出了生物膜的单位膜模型，即生物膜都是由蛋白质-脂质-蛋白质三层结构构成(结合教材的电镜图和磷脂分子的“头部”特点理解为何膜的两侧暗一些而中间亮一些)。然后教师引导学生理解单位膜模型的局限性，比如该模型能够很好地解释细胞失水和吸水时细胞膜的可缩性变化吗。从而得出单位膜模型是静态的，还存在许多不足的结论。

1.3新技术带来新模型

资料5：展示20世纪60年代电镜冰冻蚀刻细胞膜示意图。这说明：蛋白质分子可以嵌入磷脂双分子层中，蛋白质分子在磷脂双分子层上分布是不均匀的(学生看图回答)。

资料6：1 970年科学家弗霉和埃迪登用发绿荧光染料标记小鼠细胞表面的蛋白质分子，用红色荧光的染料标记人细胞表面的蛋白质分子，将小鼠细胞和人细胞融合。这说明：细胞膜上的蛋白质分子能够运动(学生分析回答)。

资料7：动物细胞吸水膨胀时，磷脂双分子层的厚度变小。这说明：磷脂分子也可以运动。教师可以用动画模拟磷脂分子运动的方式。

根据上述实验结果，教师引出1972年桑格和尼克森提出的流动镶嵌模型，概括出该模型的主要内容。最后组织学生分析细胞膜模型的建立和完善过程中所受到哪些启示。

2在教学实践中将生物科学史与科学价值观整合

科学价值观是一个人对待科学事物的最基本看法，包括基本信念和价值取向，它往往以科学精神为载体，决定着这个人的思维活动和外在表现。情感、态度与价值观既是科学学习的动力因素，影响着学生对科学学习的投入、过程与效果，又是科学教育的目标。生物教师应在生物科学史教学中，充分利用一切可以利用的时机和场所，创造出切实可行的对学生进行科学价值观培养的有效方式、方法。通过日积月累的渗透，要使学生形成生物体的结构和功能、局部与整体、多样性与共同性相统一的观点。

2.1以诺贝尔科学奖为线索，帮助学生树立从小立志，勇攀科学高峰的精神

在19世纪末，酿酒业在欧洲经济中占有重要地位。但是，酿出的葡萄酒经常莫名其妙地变酸。1848年，当时年仅26岁无名青年巴斯德在酒石酸研究上获得了成功，赢得了化学界人士的钦佩。由于研究酒石酸，巴斯德结识了法国大庄园主，他用科学的分析头脑和娴熟的显微镜观察，从中发现变酸是乳酸菌发酵造成的，并提出了改进措施，有效抑制了乳酸菌在发酵过程中的肆虐，挽救了发酵业。在研究酒质变酸时，巴斯德明确提出发酵是由于酵母菌的存在，没有活细胞的参与，糖类是不可能变成酒精的。但是德国化学家李比希却坚持认为引起发酵的是酵母菌细胞中的某些物质，但这些物质只有在酵母细胞死亡并裂解后才能发挥作用。

结束这一争论的是德国化学家毕希纳，1897年，

他用砂粒研磨酵母细胞，把所有的细胞全部研碎，并成功地提取了一种液体。他发现，这种液体能够像活酵母细胞一样完成发酵任务，毕希纳将酵母细胞中引起发酵的物质称为酿酶，由于无细胞发酵理论，他获得了1907年的诺贝尔化学奖。

但是酶究竟是什么物质，仍是不解之谜。有些科学家试图将酶从提取液中分离出来，得到纯酶，但由于技术上的困难都没有成功。1925年，美国奈尔大学独臂青年化学家萨姆纳不顾体残病弱，在简陋的地下室中历经9年，终于从刀豆种子中提取出了脲酶，这种结晶溶于水后能够催化尿素分解成氨和二氧化碳。接着，美国化学家诺思罗普又把一系列酶提纯出来，证明它们都是蛋白质。1946年萨姆纳与诺斯罗普因为研究酶本质的贡献获得了诺贝尔化学奖。

此后人们一直认为酶的本质就是蛋白质，直到1978年和1981年美国的两位化学家奥特曼和切赫分别发现了核糖核酸(RNA)不仅像过去所设想地那样仅被动地传递遗传信息，还能起酶的作用，能催化细胞内生命所必需的化学反应，这项研究不仅为探索RNA的复制能力提供了线索，而且说明了最早的生命物质是同时具有生物催化能力和遗传功能的RNA，打破了蛋白质是生物起源的定论。这两位科学家也因此获得了1989年的诺贝尔化学奖。

关于酶的本质的研究总共颁发了3次诺贝尔科学奖，可见这项研究在科学界举足轻重的地位。然而目前还没有一位中国科学家可以问鼎这项殊荣，通过刚才几位科学家的故事，教师可以较好地培养学生的科学态度与科学精神，对提高学生的科学素养有重要的意义，并借此激励学生从小立志，勇攀科学高峰，成为获得诺贝尔科学奖的中国第一人。

2.2通过科学史教育使学生认识到重大科学发现需要学科间的相互渗透

学科渗透就是以本学科为载体，联系其他学科相关知识，从相关知识的融合中更好理解和掌握本学科知识、拓宽思路、发展能力的教学过程。即教师在本学科知识的教学过程中，渗透着与之相关的其他学科知识；在培养某种能力的教学过程中，渗透着与之相关的其他能力的培养，并能达到相互影响、相互促进的作用。

1851年，孟德尔进入维也纳大学继续学习，当时埃廷豪森是一位著名的数学家和物理学家，他在科学研究方法上的突出之处，就是喜欢用数学方法探索问题。这对孟德尔后来的植物实验有深刻的启示。孟德尔巧妙地将统计学方法与生物学结合在一起，通过统计，孟德尔发现了生物性状的遗传在数量上呈现一定数学比例，这引发他揭示其实质的兴趣，从而将数学的方法引入对遗传实验结果的处理与分析，发现了“性状分离定律”和“自由组合定律”的遗传规律。

1773年荷兰人英格豪斯证明，只有植物的绿色部分在光下才有使空气变“好”的作用，因此将绿色部分和光与改变气体组分的作用联系起来。然而，由于当时化学发展水平的限制，人们尚不了解植物吸收和释放的究竟是什么气体。直到1785年，由于发现了空气的组成，人们才明确绿叶在光下放出的气体是氧气，吸收的是二氧化碳。在这一过程中，光能哪里去了呢?1845年，德国科学家梅耶根据能量转化与守恒定律明确指出，植物在进行光合作用时，把光能转换成化学能储存起来。

通过两个短小的科学史实，不难看出，生命科学伟大理论的诞生离不开其他自然科学的思想和研究成果，每一次学科之间的渗透，都能进出惊人的科学火花。科学的发展已超越了学科的界限，正向着综合化、协同化的方向发展，呈现出既高度分化又高度综合且以综合为主的大趋势。教师要教育学生作为高中生，所学习的自然科学都是为将来打基础的最基本的科学知识，不要偏科，要实现均衡发展。加强学科之间的渗透把学生从传统的单向思维定式解放出来，使之有机会站在不同角度审视同一问题，找到解决问题的各具特色的切入点，培养学生学习的热情和高度的求知欲、整体认识能力、独立学习能力、创新能力，以利于实现教育个性的凸现和教育创新本质的张扬。