例談如何將科學史融入生物課堂教學

陳曉穎

摘 要 教師在高中生物教學中充分發掘并利用生命科學史資源的教育價值，設計課堂教學新思路和開辟課堂教學新途徑，從而提高學生的生物科學素養。圍繞著該主題，結合教學實踐中的一些課例，淺談如何將科學史融入生物課堂教學。

關鍵詞 科學史教學 生物學教學 科學方法

中圖分類號 G633.91 文獻標識碼 B

在人教版現行的高中生物教材中許多章節都滲透著生物科學史的內容。無可厚非，科學史的教育在培養學生的情感、態度與價值觀的目標上有著舉足輕重的作用。例如，體會研究生命科學的價值，感受科學家們崇高的精神境界，養成敢于質疑、嚴謹求實的科學態度，培養探究意識和創新精神等。然而如何讓生命科學史教育在知識與技能、過程與方法這兩個維度的教學目標中也充分體現其價值，則值得教師探索和追尋。

利用科學發展史，能為素質教育課堂服務，充分培養和提高學生的科學探究能力和生物科學素養，實現教學模式和學習方式的重大變革。筆者結合教學實踐，以必修二《遺傳與進化》中的幾節課的教學設計為例，談談如何將科學史融入課堂教學。

1 在科學史中領悟科學方法，并實現方法的遷移運用

從“孟德爾的豌豆雜交實驗”到“基因在染色體上”，實現假說-演繹法在遺傳學上的遷移運用。

孟德爾兩大遺傳定律的發現離不開科學的實驗設計程序以及重要的研究方法——假說-演繹法。孟德爾先進行了一對相對性狀的豌豆雜交實驗，用純種的高莖豌豆與純種的矮莖豌豆雜交，發現子一代全是高莖的；接著讓子一代的高莖豌豆自交，得到的子二代中有高莖也有矮莖，并且出現3∶1的性狀分離比。他在實驗和觀察的基礎上發現并提出問題：子一代為什么全是高莖，矮莖性狀哪去了？為什么子二代中又出現了兩種性狀，并且分離比都接近于3∶1？他對提出的問題嘗試作出回答，即作出假設：“在生物的體細胞中，控制同一性狀的遺傳因子成對存在，不相融合；在形成配子時，成對的遺傳因子發生分離，分離后的遺傳因子分別進入不同的配子中，隨配子遺傳給后代?！碧岢龅募僬f不僅要合理地解釋已有的實驗現象，還必須能對其他的實驗結果進行預測。在此基礎上，他又設計了一個測交實驗，實際上也就是演繹推理的過程，用提出的假說預期測交實驗（F1與隱性純合子雜交）的結果。最后孟德爾通過實施測交實驗，觀察、測量實驗結果，與預期進行比較，從而對假說的正確性作出判斷：如果實際結果與預期結果相符，就可以證明假說是正確的；否則，就說明假說有弊端，須修正和補充。

在學生體驗了假說-演繹法之后，教師可引導學生繼續將這種研究方法應用于“基因在染色體上”的學習，作為教師貫穿教學的主線索。薩頓發現基因和染色體的行為在形成配子和受精過程中存在明顯的平行關系，從而推出基因在染色體上。這就是發現并提出問題的階段。隨后摩爾根利用果蠅進行了雜交實驗。他將紅眼雌果蠅與白眼的雄果蠅雜交，子一代無論雌雄個體全為紅眼，于是他讓子一代果蠅自由交配，子二代中出現紅眼果蠅和白眼果蠅，比例為3∶1，但白眼果蠅全是雄性的。此時根據實驗結果，可以引導學生思考：果蠅顏色的遺傳是否符合孟德爾的分離定律？（符合，子一代只出現顯性性狀——紅眼；子二代發生性狀分離，且分離比為3∶1。）但是在該實驗中，白眼的性狀又與性別相關聯，這說明了什么？（說明控制眼色的基因位于性染色體上。）接著引導學生分析，有哪些可能性？分析可能有三種情況：（1） 控制眼色的基因在X、Y染色體上都有；（2） 控制眼色的基因在Y染色體上，X染色體上沒有；（3） 控制眼色的基因在X染色體上，Y染色體上沒有。然后引導學生針對每種情況再具體分析：（1） 控制白眼的基因是偶然發現的，很可能是基因突變，如果X、Y兩條染色體上都存在控制眼色的基因，同時發生突變的概率是很低的；（2） 如果控制眼色的基因只位于Y染色體上，而X染色體上沒有，理論上子一代中的雄性個體也應該有白眼的個體，與實驗結果不相符；（3） 剩下最后一種可能性——控制眼色的基因在X染色體上有，Y染色體上沒有其同源區段。按照最后這種可能性畫出遺傳圖解，發現可以合理地解釋摩爾根實驗的結果。這是提出假說的階段。然而到這里是不是就意味著假說成立了？學生在此之前學習孟德爾遺傳定律時已經體驗了假說-演繹法，自然明確還要設計測交實驗進行檢驗，才能驗證假說的正確性，這樣才構成了假說-演繹法的完整環節。

從薩頓到摩爾根，最后證明了“基因在染色體上”，這個探索歷程就是假說-演繹方法的再次應用。通過孟德爾遺傳定律學習過程中假說-演繹法的初體驗，到學生能模仿、追隨科學家的設計思想，親自嘗試科學研究方法的運用，充分發揮了學生的學習主動性及探究能力。

2 通過還原科學史，加深學生對生命本質的理解和認識

DNA分子的雙螺旋結構模型對于高中學生來說，是一個微觀抽象的概念。在教學中如何化微觀為宏觀，化抽象為形象，是教師面臨的一項挑戰。利用科學發現史配合模型建構的教學方式，幫助學生身臨其境地體驗DNA分子模型的建構過程，從而加深其對DNA分子結構的理解。

首先教師為學生創設問題情境：20世紀30年代，科學界對DNA的認識基礎是：“組成DNA分子的基本單位是脫氧核苷酸，一分子脫氧核苷酸是由1分子磷酸、1分子脫氧核糖和1分子含氮堿基組成”。由于組成DNA的含氮堿基有四種，因此脫氧核苷酸也有四種。讓學生利用模具進行相應的拼接，這是模型建構的第一步——建構脫氧核苷酸的模型。

當時的人們還知道，DNA是由許多個脫氧核苷酸連接而成的長鏈，每個脫氧核苷酸通過磷酸與上一個脫氧核苷酸的脫氧核糖相連，并通過自身的脫氧核糖與下一個脫氧核苷酸的磷酸相連。接著讓學生在前面的基礎上把單個脫氧核苷酸串成一條脫氧核苷酸鏈，這是模型建構的第二步。

接下來是模型構建的第三步——建構DNA的空間結構，要解決如下幾個問題：（1） DNA分子是幾條鏈構成的呢？根據威爾金斯和富蘭戈林提供的DNA的分子X射線的衍射圖譜，科學家得出DNA分子呈螺旋結構，同時測算出DNA分子即使翻轉180°，看起來還和原來一樣。在此基礎上引導學生分析，脫氧核苷酸鏈是有方向的。如果DNA是一條鏈組成的，不可能得出這樣的結論；如果DNA分子含兩條鏈，同向排列依然與該結論不符；如果DNA分子由三條鏈組成，無論方向如何，翻轉180°后都不可能與之前相同。因此推出DNA分子由兩條方向相反的鏈組成。（2） 兩條鏈中堿基排列在外側還是內側呢？教師提供當時的研究資料：堿基具有疏水性，磷酸和脫氧核糖具有親水性。啟發學生參考前面學過的細胞膜流動鑲嵌模型中磷脂分子的排布方式，類比推理得出結論：堿基排列在鏈的內側。事實上，當時富蘭克林根據X射線的衍射圖譜，也推算出磷酸和脫氧核糖應排在外側。（3） 堿基如何配對呢？是相同的堿基配對（如A與A配對，C與C配對）？還是同類堿基配對（如嘌呤與嘌呤配對，嘧啶與嘧啶配對）？還是其他的情況呢？根據當時科學家們提供的數據：嘌呤堿基在分子結構上要比嘧啶大。而且此時查哥夫又帶來了一個重要的信息：腺嘌呤的量總等于胸腺嘧啶的量，鳥嘌呤的量總等于胞嘧啶的量。于是到這里，學生們基本可以想到，A與T配對，G與C配對。

最后教師引導學生在已獲得的知識基礎上繼續建構DNA的空間結構模型。

通過還原DNA分子雙螺旋結構模型的發現歷程，讓學生親身體驗并參與了模型建構的過程，不但使學生深刻地掌握了與DNA分子結構有關的知識，還增強了其處理科學信息的能力及動手能力。

3 在科學史教育中滲透實驗設計的一般原則和技術手段，提高實驗探究能力

有人說，科學史的教學是“紙上談兵”，沒有真刀真槍的演練無法真正達到實驗探究的效果。但筆者認為，如果科學史教育應用得當，即使沒有實驗操作，也可以達到探究效果，同樣可以培養學生的實驗設計能力。例如在發現“DNA是主要的遺傳物質”的探索歷程中，幾位科學家的實驗研究中就滲透著實驗設計的一般原則，如對照原則、控制單一變量原則、排除干擾因素原則以及如何選材的原則等。

“DNA和蛋白質，究竟哪一種是遺傳物質”，這曾經是生物界爭論的焦點。進行科學研究時首先遇到的問題是選擇合適的實驗材料，這是實驗取得成功的關鍵。教師引導學生思考：所有的生物都含有蛋白質和核酸，選擇什么樣的生物作實驗材料比較合適呢？（低等的、簡單的生物，諸如細菌、病毒等。因為生物的結構簡單、含有的物質少，分析起來簡便、快捷，比較容易得出結論。）不難總結，幾位科學家在選材上也都注意到了這一點——格里菲思和艾弗里用肺炎雙球菌做實驗材料，赫爾希和蔡斯用T2噬菌體侵染細菌，以及后來格勒和歇萊姆用煙草花葉病毒證明RNA是遺傳物質。

格里菲思進行的肺炎雙球菌的體內轉化實驗中四個組的不同處理明顯用到了對照的方法，從中得出結論：“已經被加熱殺死的S型細菌中，必然含有某種促成這一轉化的活性物質——‘轉化因子，這種轉化因子將無毒性的R型活細菌轉化為有毒性的S型活細菌”。因為細菌細胞內含有多種物質，所以格里菲思并不清楚轉化因子是什么。

隨后艾弗里及其同事對S型細菌中所含的物質進行了分離提純，分別將S型細菌的DNA、蛋白質、莢膜多糖以及S型菌DNA和DNA酶的混合物加入含有R型菌的培養基中，結果發現只有分別加入DNA的那一組實現了細菌類型的轉化。正是因為艾弗里在實驗設計的過程中滲透著對照的思想，嚴格控制單一變量，排除各種成分彼此之間的干擾，才讓他們找到了答案：DNA是轉化因子。在那個時代，人們寧愿相信結構復雜的蛋白質可能是遺傳物質，以至于很多人不肯正視艾弗里的實驗結果，質疑的理由是：艾弗里的實驗中提取出的DNA，純度最高時也還有0.02%的蛋白質。但是我們今天回望，應當給予艾弗里的研究一個客觀的評價：雖然實驗中提取的DNA純度不夠高，但是艾弗里最后一組實驗除了DNA，還加入了DNA酶，它可以降解DNA，使S型菌的DNA不能再進入R型菌體內發生轉化。這實際上是反證法在生物學中的運用，從側面證明了遺傳物質是DNA，只有DNA才能起到轉化作用。總結艾弗利的實驗，把S型細菌內的各種物質提純，分離開來研究，體現了排除干擾因素的設計原則；將多個變量分解為單一變量進行研究，這滲透著分組對照和控制單一變量的實驗設計原則；最后利用反證法的思想進一步證明結論。

隨后赫爾希和蔡斯在1952年用同位素標記技術，進行了T2噬菌體侵染細菌的實驗。他們選擇了32P和35S這兩種同位素分別對噬菌體的成分標記。在此提問啟發學生:為什么選擇這兩種同位素？它們分別標記的是什么成分？改用14C、3H、18O、15N標記可以嗎？學生通過分析明確，科學家的設計意圖是把DNA與蛋白質分開來單獨研究。用35S標記一部分噬菌體的蛋白質，用32P標記另一部分噬菌體的DNA，然后將這兩批噬菌體分別侵染未被標記的大腸桿菌，經過短時間的保溫后（讓噬菌體在細菌細胞中繁殖），用攪拌器攪拌、離心。由于噬菌體比細菌小得多，攪拌可使吸附在細菌上的噬菌體顆粒與細菌分離，離心后浮在上清液的是留在大腸桿菌細胞外游離的噬菌體部分，而沉淀物中主要是細菌及細菌內新形成的噬菌體。接著檢查上清液和沉淀物中放射性物質的高低以及子代噬菌體的放射性情況，并進行分析，最后得出結論：噬菌體的蛋白質并沒有進入細菌內部，只有噬菌體的DNA才進入細菌體內，即噬菌體在細菌體內的增殖是在DNA指導下完成的。

事實上，赫爾希和蔡斯與艾弗里采用的方法不同，但卻有著相同的設計思路：都是設法把DNA與蛋白質分開，單獨地、直接地觀察它們各自的作用，排除彼此之間的干擾。

而后1957年格勒和歇萊姆用煙草花葉病毒進行了實驗。煙草感染了它以后，葉子上會出現病斑。這種病毒只有蛋白質外殼和內部的RNA，并不含有DNA的成分。這與艾弗里、赫爾希和蔡斯在實驗設計思路上也有異曲同工之妙——將該病毒的RNA與蛋白質分開來研究。從病毒中提取出的蛋白質不能使煙草感染病毒，但從中提取中的RNA卻可以，可見RNA是煙草花葉病毒的遺傳物質。

《普通高中生物課程標準》在“實施建議”環節中提出要“注重生物科學史的學習”。它指出：“科學是一個發展的過程。學習生物科學史能使學生沿著科學家探索生物世界的道路，理解科學的本質和科學研究的方法，學習科學家獻身科學的精神。這對提高學生的科學素養是很有意義的”。教師在教學過程中要善于發掘和利用生命科學史的教育價值，為課堂教學服務，讓學生科學理解生命的本質，領悟科學研究方法并嘗試其在科學研究中的應用，提高實驗探究能力和科學素養。

參考文獻：

［１］ 車未艾.生命科學史的教育價值及其在科學實踐中的應用［J］.生物學教學，２００９（７）.

［2］ 鄭兆炯.“基因與染色體的關系”教材分析及教學建議［J］.中學生物教學，２００９（１～２）.