应用生物科学史培养学生学科核心素养

文/方永伟

引 言

生物学新的课程理念是提高学生的生物学核心素养。在高中生物学教学中，教师引导学生领会生物科学史中科学家探索和研究生物世界的思维方式和方法，有助于培养学生的生物学学科核心素养。

一、《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》对生物科学史的教学要求

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》中提出重视生物科学史和科学本质的学习，能够认识到生命观念是科学家经过实证后的想法和观点[1]。生物科学史是科学家们探索、发现和研究生物世界的历史，蕴含着科学家解决实际问题的思维方式和方法。生物科学史和生物学理论知识体系共同组成现行生物学教材内容，虽然在教材中所占的篇幅比较小，却对学生生物学“核心概念”的形成发挥着重要的作用。教师在课堂上传授理论知识时，适当进行生物科学史的补充，再现科学家们在当时的历史背景下的实验过程，可以使学生更准确地理解知识体系产生、形成、发展的过程；再现科学家们在认识生命现象及其活动规律的过程中所持有的思想观念的碰撞，让学生明白科学发现要从观察入手，大胆质疑，不要迷信权威；再现科学探索的艰难历程，让学生明白每个科学学说的建立都是一个理论和证据相互协调，不断修正、发展的过程；再现科学家实验设计思路和方法的巧妙之处，可以给学生科学探究、解决问题和锻炼创新能力等带来重要的启示，也是培养和发展学生学科核心素养的重要途径之一。

二、生物科学史材料在课堂教学中的合理应用

（一）重视问题情境的设计，创设独特的教学情境

在课堂教学中，课题引入非常关键，而合理的课题引入，能更好地帮助学生快速进入设定的课堂情境中，主动参与学习，从而取得良好的教学效果。

在学习人教版必修二“遗传与变异”模块概念3时，学生通过减数分裂和受精、DNA分子的结构和功能等相关章节内容的学习，已经初步形成了DNA结构与功能相适应的生命观念，知道遗传信息主要编码在DNA上，亲代的遗传信息通过配子传递给子代的重要概念。通过对细胞增殖相关知识的学习，学生已经了解了DNA复制的概念，但对DNA复制的机制还不清楚。那如何从结构引入复制课题呢？这时，教师就应该重视问题情境的设计。问题情境中的问题不能凭空产生。教师可以合理利用教材中“DNA结构模型的构建”的生物科学史和DNA复制的生物科学史的有机结合来引入课题。1953年沃森和克里克撰写的论文在英国《自然》杂志上刊载，但是在短文的结尾处有一句话值得我们注意和探讨：“值得注意的是，我们提出的这种碱基特异性配对方式，暗示着遗传物质进行复制的一种可能的机制。”这样就把DNA结构和DNA复制课题前后衔接了起来，同时也利用问题探讨把学生的注意力集中到创设的问题情境中，自然地引出了DNA复制的相关探讨，并引导学生根据沃森和克里克提出的假说进行演绎。接着，教师利用问题探讨2“这句中为什么要用‘可能’两字”进行设疑，引出其他学者对DNA复制方式所持有的观点——全保留复制。到底哪种假说是正确的？教师创设这样对比鲜明、带有具体问题的教学情境，能激发学生的好奇心，激发学生利用实验证明假说正确性的探索欲望，从而收获良好的教学效果。

又如，在“基因指导蛋白质的合成”中，要想构建起“DNA→RNA→蛋白质”的概念模型，教师可以1955年布达拉奇（Brachet）的科学史来创设教学情境。

“1955年布达拉奇（Brachet）用洋葱根尖细胞和变形虫分别进行实验：如果向洋葱根尖细胞和变形虫中加入RNA酶(水解RNA的酶：酶的活性只能保持一段时间)，细胞中的蛋白质合成就停止了，一段时间后再加入从酵母菌中提取的RNA，则又重新合成了一定数量的蛋白质。”

通过这个生物科学史实，学生明白了RNA在基因指导蛋白质的合成过程中的作用——传递遗传信息，如此就构建起“DNA→RNA→蛋白质”的概念模型。之后，细心的学生又产生了一个新的疑惑：RNA有三大类，它们在基因的表达中分别起什么作用呢？这时，教师可补充下面三则科学史，创设教学情境，让学生阅读这些科学史来归纳RNA的作用。

（1）1961年，Brenner，Jacob和 Meselson进一步利用不同的放射性核素标记T2噬菌体和 E.coli进行实验，最终提出某种RNA作为“信使”的预言：这种RNA首先与已存在的核糖体结合，然后移动穿过核糖体表面，使其碱基进入适当位点，在这里进行蛋白质的合成。这种情况下，RNA就决定了氨基酸的顺序，它就是长期寻找的蛋白质合成的RNA模板。由于它将DNA信息带到了进行蛋白质合成的核糖体位点，故称为信使RNA(mRNA)。

（2）1953年，Rubinson和 Broun在细胞质中发现一种颗粒物质，1955年 Palade在细胞质中也发现同样的颗粒，进一步研究了这些颗粒的化学成分和结构，发现是由RNA和蛋白质组成的。后人对其中的RNA进行研究,发现该颗粒中的RNA约占细胞总RNA的85%，将其命名为核糖体RNA（rRNA）。

（3）1957年，Zamecnik与 Mahlon Hoagland合作研究获得重要发现：在被整合进蛋白质之前，氨基酸首先结合到RNA分子上，再由RNA转运到核糖体上，根据相应的信息合成蛋白质，在蛋白质合成旺盛的细胞中，这种转运RNA（tRNA）的绝对数量急剧增加[2]。

学生通过阅读科学史实，进行相关的资料分析，可以归纳概括出三类RNA分别在基因表达过程中的作用，这对学生生物学学科核心素养的提升有很大帮助。

（二）利用生物科学史提升学生的科学探究能力和科学思维能力

教育的首要目标是为了使学生在走出校园后也可以生活得更好。而在日常生活中，几乎没有人可以完全避开与生物学相关的问题，医疗保健、身心健康、婚恋生育、环境保护、农业生产、动物饲养等方面都与生物学密切相关。不要把生物学当作一个单纯的理论体系，其中蕴含着科学家们一系列遇到实际问题、解决实际问题的思路、方法和方式。领悟生物科学史中科学家们具体工作时的思维方式之独特、实验设计之巧妙，会给我们在生产生活中解决实际问题带来非常重要的启示。这些对学生的生物学学科核心素养，特别是对科学探究能力和科学思维能力的养成有不可替代的作用。因此，在教学过程中，教师事先通过科技文献、网络媒体等手段，多收集一些相关资料，充实到教材的生物科学史中，不仅能激发学生学习的欲望，还能让学生从中学习和领悟到解决问题的思维方式和方法，并以此为指导，观察生命现象和探究生命活动的规律。

在开展人教版必修1“分子与细胞”模块的学习时，学生已经知道光合作用的总反应式，这是学生已有的知识基础。本节内容则是对这一总反应式的进一步深化，比如，光合作用释放的氧气是来自原料中的水还是二氧化碳呢？为了增加实验证据，用事实为概念构建搭架，教材安排了“探索光合作用原理的部分实验”的科学史版块。在19世纪末“甲醛说”笼罩整个科学界的情况下，科学家们就已经开始质疑O2的来源，到20世纪30年代，凡·涅尔发现不同生物的光合作用过程有共同之处。例如：

绿色植物：CO2+2H2O→(CH2O)+O2+H2O

紫硫细菌：CO2+2H2S→(CH2O)+2S+H2O

红 细 菌：CO2+2H2→(CH2O)+H2O

学生通过观察比较上述反应式，归纳概括出凡·涅尔的大胆推测：绿色植物光合作用产生的氧气应该来自原料中的H2O而不是CO2。由此引出希尔设计实验验证凡•涅尔的推测，最后鲁宾和卡门用同位素标记法证实了光合作用产生的O2来源于原料中的H2O。这一科学史使学生明白科学理论的形成需要实验证据的支撑。对此，教师应在课堂教学中，利用生物学知识探索发现的历程，引导学生灵活运用科学的思维方法，去认识事物、看待或论证生物学社会议题。

同样，在选择性必修1“稳态与调节”模块中，教材编排了“生长素发现历程”和“促胰液素的发现历程”两则生物科学史。学生通过阅读可以发现，两种激素的发现史都体现了科学探究的基本步骤，也体现了设计科学实验探究方案要遵循的做对照、单一变量、控制无关变量（等量）、科学性等实验原则。在生物科学史教学中，教师要在此基础上进一步拓展，即以科学方法为主线，引导学生提出问题，思考解决问题的方法，探究问题的答案和对实验方案进行创新。

例如，在“生长素发现历程”的生物科学史中，对植物的向光性现象，人们通常是熟视无睹的，而达尔文(C.R.Darwin)和他的儿子却注意到了植物的向光性现象，想要探讨植物向光性的原因。正是这种好奇心引导人们揭示植物生命活动调节的奥秘，并开启了探索植物生命活动调节的旅程。这反映了科学发现往往是从日常生活中对身边常见现象的追问、探索而开启的，然而，科学是重视实证的，我们只有尊重事实和证据，有实证意识和严谨的求知态度，才能使生活中的发现得到检验和修正。因此达尔文和他的儿子设计了简单而又富有创造性的实验来研究，而不是凭主观臆测来解释现象。教师先引导学生分析达尔文实验中的自变量——胚芽鞘尖端的有无和感光部位的不同，因变量——胚芽鞘是否出现生长和向光弯曲生长，对照实验，提出假说。在此基础上，教师可以进行进一步的延伸，引导学生提出问题、思考解决问题的方法。针对达尔文提出的假说：“胚芽鞘的尖端受单侧光刺激后，向下面的伸长区传递了某种‘影响’，造成伸长区背光面比向光面生长快，因而使胚芽鞘出现向光性弯曲。”教师可以“假说—演绎”这种科学方法对学生进行科学思维训练，引导学生主动参与寻找证据、检验假说的过程。比如，根据达尔文提出的假说，可以推知“尖端产生的影响能否传递”决定着“伸长区能否弯曲生长”。教师可以组织学生以玉米胚芽鞘、琼脂片、云母片等作为实验材料，设计实验进行说明，并写出实验思路（包含自变量处理、因变量检测、预期结果）。在达尔文的实验设计思路的基础上，学生通过对琼脂片、云母片物理性质的了解，经过讨论后很快就能完成实验的设计任务。这样就培养了学生的合作探究精神。教师在分析评价学生的实验设计思路后，把学生的实验设计思路与1913年科学家鲍森·詹森(P.Boysen-Jensen)的实验设计思路相对照，肯定了学生的思维方式，激发了学生浓厚的学习兴趣，并为其后续的探究打下基础。像这样以科学方法为主线，引导学生提出问题，思考解决问题，再与前人进行跨越时间和空间的思想碰撞，对学生的生物学学科核心素养，特别是对科学探究能力和科学思维的养成有非常重要的作用。

同理，在“促胰液素的发现历程”这则生物科学史教学中，在引导学生分析斯他林（E.H.Starling）和贝利斯(W.M.Bayliss)的经典实验并提出假说以后，教师可以组织学生根据斯他林和贝利斯的假说进行演绎推理，讨论并设计可行的实验方案来验证假说。（1）若是化学调节，如何排除神经的干扰？（2）如果小肠黏膜细胞受盐酸刺激产生了化学物质，如何设法提取该物质？（3）根据假设，提取的物质通过什么途径作用于胰腺？这样，学生本人参与解决具体问题，进行合作交流，亲身体验科学发现的过程，有助于理解科学的本质。

结 语

生物学学科核心素养主要包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任四个方面，学生的生物学学科核心素养是学生在生物学课程学习过程中逐步发展起来的，是学生知识、能力、情感态度与价值观的综合体现。而生物科学史中蕴含着诸多科学家对生命世界的探究方法及科学精神，每个科学发现的过程都是科学研究所需要的科学思维和方法的完美体现，也是培养学生生物学学科核心素养的生动教材。