運用生物科學史落實科學、技術和社會相互關系的教育

一、生物科學史視角下的STS教育

（一）生物科學史具有STS教育的重要特征

生物科學史是人們對生物學領域的探索歷程，同時也體現(xiàn)了科學、技術與社會互動的歷史。比如，美國生物學家摩爾根提出的“基因位于染色體上”這一科學事實，就是利用了顯微鏡技術的進步，觀察果蠅的染色體行為從而進一步驗證基因與染色體的關系。摩爾根的科學發(fā)現(xiàn)為生物遺傳學中伴性遺傳病的研究提供了堅實的理論依據(jù)，促使社會關注遺傳病防治與優(yōu)生優(yōu)育。

（二）生物科學史指向STS教育的三維目標

1．科學維度：摩爾根在他的著作《基因論》中寫道，“我們很難放棄這個假設：那就是基因之所以穩(wěn)定，是因為它代表著一個有機的化學實體”。在這之后，赫爾希和蔡斯通過噬菌體侵染大腸桿菌的經典實驗，證實了DNA是遺傳物質。這段遺傳學發(fā)展的生物科學史，充分體現(xiàn)了科學理論的實驗性和動態(tài)性。

2.技術維度：人們確認DNA是生物體的遺傳物質以后，需要研究清楚DNA的結構以知曉DNA是如何儲存遺傳信息的。雖然當時人們對DNA的組成（4種脫氧核苷酸為單位連接而成的長鏈）已經有了共識，但是科學家們對DNA結構的研究沒有取得很好的進展。直到英國物理學家威爾金斯和他的同事富蘭克林利用X射線衍射技術拍攝到了高質量的DNA衍射圖譜，才推動了這項科學研究取得實質性突破。遺傳學家沃森和物理學家以這張DNA照片的相關數(shù)據(jù)為基礎，結合化學家查哥夫關于堿基互補配對的化學依據(jù)，證實了DNA的雙螺旋結構。由此可見，技術進步與學科交叉對科學發(fā)現(xiàn)有著關鍵作用。

3.社會維度：1962年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予了沃森、克里克和威爾金斯，以表彰他們關于DNA結構的重大科學發(fā)現(xiàn)。DNA雙螺旋結構的提出，也標志著分子生物學時代的到來，為后續(xù)的科學研究如遺傳密碼破譯、基因工程及人類基因組計劃等奠定了堅實的理論基礎。當今社會，從法醫(yī)鑒定到基因治療等領域，DNA的雙螺旋模型研究都有著深遠影響和廣泛應用。比如在1986年，英國首次通過DNA指紋技術成功破獲一起重大刑事案件，警方通過比對嫌疑人的DNA與現(xiàn)場采集的樣本，最終鎖定了真兇。

二、基于“地質時鐘”生物科學史的STS教學策略

（一）教材內容的重構

1.問題導向：梳理教材內容，將教學過程中的線性知識轉變?yōu)閱栴}鏈條，貫穿相應的生物科學史激發(fā)學生的學習興趣，提升生物學學科核心素養(yǎng)。在前面的學習中，學生已經知道化石指的是在自然作用下保存在地層中的古代生物遺體、遺物或生活痕跡等，是研究生物進化最直接且最重要的證據(jù)，也是記錄地球和生物進化的“地質時鐘”

問題1：當人們獲得一塊生物化石后，如何測算它的形成年代？17世紀斯丹諾提出了地層學的基本原理（如地層疊覆率等），奠定了地層地質的研究基礎。19世紀初，史密斯發(fā)現(xiàn)不同地層具有特定的化石組合并提出了化石層序律，即根據(jù)化石來確定地層的相對年代。在科學和技術落后的年代，這種方法只能推測出化石大致的形成年代，而且由于很多地層排列復雜導致該方法不太適用，沒能成為“理想的‘地質時鐘’”

問題2：怎樣才可以比較準確地測定生物化石的形成年代？19世紀貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性現(xiàn)象，為地質時鐘的精確測量提供了可能。根據(jù)碳循環(huán)的知識，生物死亡后形成的化石中含有碳元素。學生在必修一模塊學習了它的同位素，比如碳-12和碳-14，它們都有6個質子，但是碳-14有8個中子，比碳-12多了2個。碳-14是不穩(wěn)定的，它能夠自行放射出射線，最后衰變成質量較輕、穩(wěn)定的同位素氮-14，而且這種衰變的速率不受環(huán)境因素（如溫度、濕度、壓力等）的影響。放射性同位素在一定的單位時間內衰變一半，這個單位時間叫作半衰期。關于碳同位素的研究，科學家們經歷了充滿探索與創(chuàng)新的歷程。1934年，庫里厄、邦納和布魯貝克等人進行初步探究，他們發(fā)現(xiàn)在云室中利用中子轟擊空氣時，氮原子會導致質子的反彈軌跡出現(xiàn)。

問題3：用碳-14測年法測定出生物化石的年代一定準確嗎？碳-14測年的前提是大氣中的碳-14濃度維持相對穩(wěn)定，但是超新星爆發(fā)會改變大氣中碳-14與碳-12的比例進而影響結果。除此之外，化石所處地層中不同年代的可溶碳化合物可能會造成樣品的污染。所以，碳-14這個時鐘未必就是精準無誤的。經過多年的改進，碳-14測年這一方法持續(xù)在優(yōu)化：比如利用樹木的年輪進行矯正，碳-14測年校準曲線的引入等等。2023年我國成功研制出了國內首臺緊湊型加速器質譜儀，具有檢測高靈敏、分析高效率、占地面積小的特點，有關技術指標處于國際領先水平。

問題4：如何對年代久遠的生物化石進行年代測定？對于年代更為久遠的生物化石，碳-14顯然不是理想的“地質時鐘”，此時需要尋找半衰期更長的放射性同位素。早在1905年，盧瑟福就通過鈾衰變產生的氨來計算礦物年代，但其方法有局限性。博爾特伍德提出鈾衰變的最終產物為鉛，并通過鈾礦物中鈾與鉛的比例計算巖石年代，但由于沒有區(qū)分鈾-238與鈾-235的衰變路徑導致誤差較大。直到1911年，霍姆斯引入獨立衰變鏈的概念從而修正了博爾特伍德的數(shù)據(jù)，推動了鈾鉛法的系統(tǒng)化應用。現(xiàn)在鈾鉛法成為測定年代久遠生物化石的理想“地質時鐘”。

2.情境還原：通過還原“理想‘地質時鐘’的探索歷程，呈現(xiàn)關鍵事件的真實情境，引發(fā)學生對科學、技術、社會三者之間關系的思考，幫助學生深入理解科學技術對社會發(fā)展的關鍵作用和多元影響。20世紀初，人們對“半衰期是否恒定”這一問題有很多爭議。受到當時實驗條件的制約和樣品結果的差異，不少科學家對盧瑟福提出的放射性衰變規(guī)律的普適性提出質疑。當時對此普遍的解釋是，半衰期的穩(wěn)定性可能受到環(huán)境條件的影響。后續(xù)科學家們設計一系列相關實驗的結果仍然沒能夠讓爭議平息。隨著時間的推移和技術的進步，霍姆斯對前文提到的鈾鉛法進行改進和完善，終于用具有一致性的實驗結果證明半衰期是恒定的。高精度質譜儀的問世也進一步證實，在自然條件下同位素的衰變速率是非常穩(wěn)定的。

（二）學科交叉的實踐

通過重走科學家的研究之路，模仿科學家解決問題的思維方式，進一步理解科學與技術的本質，體會科學家的科研耕耘精神。

1．實驗模擬：準備好100個硬幣來模擬100個碳原子，讓學生每次隨機地抓取一半的硬幣作為衰變的碳原子并移出，記錄好每次剩余的硬幣數(shù)，繪制剩余硬幣數(shù)量與抓取次數(shù)的曲線圖。改變硬幣的總數(shù)，重復完成這項模擬實驗。學生通過比較不同起始硬幣數(shù)量的曲線圖特點，可以感受到比例衰減的速度是恒定的，這就是半衰期的本質特征。此外，還可以提供生物化石中的碳-14與碳-12的比例，結合半衰期計算公式，讓學生利用數(shù)學模型推導生物化石的形成年代。

2.角色扮演：將學生分為三個組別，分別扮演古生物學家、地質學家和政府官員，圍繞“地質時鐘”的技術價值與應用展開價值討論。古生物學家組負責研究生物化石以及物種進化，主張要保護地層和化石的完整。地質學家組負責提供“地質時鐘”測年技術，主張要合理進行資源勘探。政府官員組負責出臺相關決策，主張經濟發(fā)展、民生需求與生態(tài)保護的協(xié)調發(fā)展。具體討論的情境是，在我國某地區(qū)發(fā)現(xiàn)一特殊地層，該地層同時存在豐富的生物化石和深層頁巖氣。三個小組需要根據(jù)該情境和準備好的專業(yè)材料，討論是否進行頁巖氣開發(fā)以及合理使用“地質時鐘”測年技術。通過該活動，學生能夠在具體的議題中討論科學技術的使用、成本與效益，從而體會到科學倫理與社會責任。

【本文系深圳市教育科學2021年度規(guī)劃重點課題“中學生物學科學實踐能力的結構、培養(yǎng)與測評研究”（zdzz21032）；深圳市寶安區(qū)教育科學“十三五\"規(guī)劃課題“基于科學思維培養(yǎng)的高中生物學教學策略研究”（ qn2020014 研究成果】

責任編輯 李平安