挖掘生物學史 培養科學精神

陳 維

( 江蘇省連云港高級中學 222042)

科學精神是從科學活動、思想、方法、規范以及科學家的思想觀念中提煉出的科學本質、核心和靈魂，能對科學活動主體及其他實踐主體和社會的行為與意識產生積極的啟蒙、感召和引導等作用的科學的文化精髓，是科學大系統得以形成、建構和發展的靈魂。作為一個復雜系統，科學精神主要包括求實精神、理性精神、創新精神、競爭精神、批判精神和自由開放精神六大要素[1]。認識學科價值，培養科學精神是生物學教學的核心目標。生物科學史記錄著生命科學的研究歷程，是科學家思維和智慧的結晶，蘊涵著豐富的人文教育內容。教學中挖掘并引入一些與知識相關的經典實驗、典型事例、科學史實和科學家逸事等，能夠讓學生領悟到科學的崇高、神圣和對歷史的巨大推動作用，感悟到科學家高貴、不屈的意志品質，這對培養學生的科學精神將起到極大的促進作用。

1 樹立客觀求實精神

求實精神反映出對世界及其本質和規律的客觀實在性的信仰與追求。在生物科學史的教學中，介紹科學家注重通過觀察和實驗獲取科學事實和檢驗理論等研究經歷，能有效培養學生的求實精神。巴斯德曾經說過:“當你相信自己已經發現了一種重要的科學事實并熱切的希望將它發表時，要將你自己克制幾天、幾周、幾年，要與自己斗爭，想方設法推翻自己的實驗，只有在一切相反的假說統統排除以后，才能將你的發現宣布”。由此可見，巴斯德的偉大成就與他客觀求實的科學精神是分不開的。孟德爾歷時8年用豌豆做實驗材料，反反復復、不厭其煩地進行了大量的雜交實驗，仔細觀察、如實記錄了數以萬計的實驗數據，正如他自己所說：“從春到秋，天天都要全神貫注、小心翼翼的監視著實驗。”在講述“光合作用的發現史”這段內容時可以向學生介紹卡爾文研究暗反應機理的歷程，感悟其嚴謹求實的科學精神。在這一歷程中，卡爾文用有放射性同位素14C標記的CO2做實驗材料，通入培養有小球藻的玻璃容器中，給予適當的光照，小球藻立即進行光合作用，反應進行到一定時間后，卡爾文立即取出小球藻，用滾燙的酒精把它們殺死，用濾紙層析法分離出小球藻中的化合物。他分別把濾紙上的一條條色斑拍成X光照片，進行分析研究，確定了這些化合物的成分。卡爾文根據放射性同性素14C標記的CO2的去向，精確分析不同反應時間內的產物，經過10年的實驗研究，終于搞清楚了暗反應中合成葡萄糖的多種不同的反應過程，為探索光合作用機理作出了巨大貢獻[2]。上述過程的講解不僅有助于學生理解暗反應的過程，更有助于學生樹立客觀求實的科學精神。

2 追求邏輯理性精神

理性精神是對世界的統一性與規律性的信仰與追求，注重理性在科學活動中的運用，堅持用邏輯分析與演繹以及數學計算與推導等手段來構造的理論體系。生物科學史中經典結論的形成過程，無不依循“問題-假說-實驗-結論”的探究邏輯，體現著理性精神對規律的追求。1903年，美國遺傳學家薩頓根據基因和染色體行為之間明顯的平行關系，提出假說:基因是由染色體攜帶著從親代傳遞給子代的。也就是說，基因位于染色體上。遺傳學家摩爾根卻對此表示懷疑，后來他做了大量的果蠅雜交實驗，用實驗把一個特定的基因和一條特定的染色體——X染色體聯系起來，從而消除了疑慮，證實了薩頓的假說。從這一歷程可以看出，理性分析在科學理論建立中的重要作用。19世紀中期，孟德爾用豌豆做了大量的雜交實驗，在運用數學統計的方法對實驗結果進行分析后，他發現雜種后代中出現了特定比例的性狀分離，通過嚴謹的推理和大膽的想象提出了假說，并巧妙設計測交實驗加以檢驗，最終形成結論[3]。事實上通過測交實驗并不是直接檢驗假說本身，而是驗證由假說演繹出的推論，即:如果遺傳因子決定生物性狀的假說是成立的，那么，根據假說可以對測交實驗結果進行理論推導和預測。在教學過程中，教師應該凸顯“假設-演繹”法的邏輯方法與理性精神，讓學生體會如何根據實驗現象構思假設，基于假設進行演繹推理，設計測交實驗并預期實驗結果，最終論證子代產生配子時成對的遺傳因子分離的真實性[4]。

3 感受自由開放精神

自由開放的科學精神注重科學知識體系的發展，注重不同學科或同一學科內部的不同理論間的相互影響與交融，重視科學的群體性(代際之間和同代之間)與協作性。只有在自由開放的環境中才能出現批判和競爭，才能實現知識的發展和更新。生物科學史展示了生命科學各個學科形成的歷史，它能夠從整體上說明各個學科是在解決什么問題的過程中發展起來的，還能告之各個學科之間的聯系。這有助于發現尚未解決的問題和需要進一步解決的問題，有助于感受自由開放的科學精神，建立知識點之間的聯系，建構完整的知識結構。如果孟德爾不運用數學知識對數據進行統計分析，就不能夠發現遺傳規律；如果沒有細胞學的發展，薩頓和鮑維里就不能認識遺傳因子與染色體之間的聯系；如果塔特姆不精通微生物知識，基因與酶之間的關系就不能建立起來；如果沃森和克里克不曾從數學家格里菲斯、生物化學家查伽夫、化學家鮑林和多諾休那里得到啟發和幫助，如果沃森和克里克也不曾合作，也許就沒有他們今天令人矚目的成就。克里克事后也說，不相信沃森和他自己能夠單獨完成這個發現。正是因為他們具有自由開放的科學精神，才使國籍不同、性格各異的科學家，為了科學事業，為了能攻克遺傳物質 DNA 的結構難關而團結協作，最終取得了成功，開辟了分子生物學的新紀元。通過這些科學史的教學，可以使學生感受自由開放精神的重要，懂得在合作中學習和進步。

4 認同質疑批判精神

批判精神推崇在理性基礎上的大膽懷疑，不承認有永恒的真理，不斷言和盲信“絕對權威”。通過對原有知識體系的拷問，發現其錯誤或不足，從而推動知識體系的發展。生物科學知識是在科學家對前任的結論不斷質疑、不斷批判、不斷求證的基礎上進行自我更新的過程積累起來的，開展生物科學史的學習能夠培養學生勇于質疑和批判的科學精神。例如，在講授“激素調節”這部分內容時，介紹斯他林的故事，可以促進學生對質疑與批判精神的認同。1888年，巴甫洛夫發現迷走神經可以支配胰腺的分泌。如果把稀鹽酸灌入狗的十二指腸，可以引起胰腺分泌加快。巴甫洛夫懷疑是交感神經在起作用。他又切斷了交感神經，但只要在狗的十二指腸灌入一些稀鹽酸，胰液分泌還是會加快。巴甫洛夫迷茫了，但又找不到正確的解答，他給這種現象起了一個名字叫做“頑固性神經反射”，認為這種神經現在還未發現。年輕的斯他林對巴甫洛夫的實驗很感興趣，但他認為巴甫洛夫的實驗結論缺乏科學依據，并大膽地革新了實驗方法[4]。1900年斯他林把一只狗的十二指腸黏膜刮下來，經過過濾后注射給另一只狗，結果這只狗的胰液分泌明顯地增加了。他根據實驗得出結論：兩只狗之間沒有神經聯系，胰液分泌的增加并不是神經調節的結果。斯他林公布了自己的實驗結果，提出了新的觀點，對所謂的“頑固性神經反射”進行了質疑和批判，但這卻遭到了巴甫洛夫等人的強烈反對。斯他林在反對聲中并未放棄對真理的追求，而是繼續進行實驗研究，而充足的證據最終證實了“促胰液素”的調節作用。斯他林的這種追求真理、勇于質疑批判的科學精神，是所有科學家共有的精神，這將強烈的震撼著學生的心靈。

5 體悟碰撞競爭精神

科學上的競爭精神，表現為不同概念、假說、原理和理論之間的競爭，是不同個人、學派或學派內部不同觀點之間的爭論。生物科學史展示了在探究知識的過程中科學家所持觀點之間的碰撞和爭論，在碰撞與爭論中，知識得到不斷的澄清和完善。例如，達爾文的自然選擇學說發表不久，有人提出了“自然選擇作用于哪一種變異”的問題，成為當時爭論的焦點。達爾文認為選擇主要作用于連續的變異類型上。早期的生物統計學家高爾頓、皮爾遜與達爾文的判斷一致。到了19世紀末，貝特森用事實證明了環境雖呈現連續的變化，而生物的變異卻是不連續的，這種不連續性受遺傳的控制，而不受環境控制。1904年，在英國科學促進協會的會議上，貝特森與韋爾登進行了最后的爭論，貝特森取得了勝利。又如：針對是由什么物質引起發酵的問題，李比希和巴斯德曾經展開過爭論。巴斯德提出釀酒中發酵是由于酵母細胞的存在，沒有活細胞的存在，糖類是不可能變成酒精的；李比希則堅持認為引起發酵的是酵母細胞中的某些物質，這些物質只有在酵母細胞死亡并且裂解之后才能發揮作用。1897年，畢希納用實驗證明了李比希認為引起發酵的是酵母細胞中的某些物質的觀點是正確的[5]。教學中適當的穿插這類史例，可以讓學生直接體悟競爭精神對于發現真理形成正確結論的重要作用。當然，在科學研究中僅有競爭和碰撞是不夠的，許多重大的生物學成就都是科學家互相幫助、精誠合作的結果。

6 形成開拓創新精神

創新精神是科學精神的核心，注重對新方法和新實驗的探求和運用，注重理性思維和非理性思維在科學活動不同階段的創新作用。強調突破現有理論的界限和束縛獲取新現象、新事實，揭示新規律。在生物科學史的教學過程中，要選用科學家富有創造力的精彩史例啟迪學生的心智，促進創造性思維的發展，培養開拓創新精神。例如，利用光合作用發現史、生長素發現史等過程可以學習科學家獨特的思維方法；通過貝爾登和鮑維里研究細胞分裂，德爾布呂克、盧利亞和赫爾希研究噬菌體侵染細菌等實驗學習選材與創新設計的關系。通過孟德爾的遺傳因子假說到摩爾根的基因論，薛定諤關于遺傳密碼的假說到分子遺傳學中心法則的建立，領悟“假設檢驗”這種創新思維模式的價值。在講述酶與性狀的關系時，可以介紹黑尿癥的研究過程：伽羅德在臨床工作中，發現黑尿癥患者不能完成酪氨酸的正常代謝，因為缺少尿黑酸氧化酶，其中的一個環節被阻斷。于是，他提出了一個根本性的問題:“什么原因造成了這種阻斷?”在研究了黑尿癥患者的家族史后，他發現這種疾病不是由微生物感染引起的，也不是因為某些一般的功能失調引起的，這種失調是遺傳的，而且似乎按照孟德爾式隱性性狀的模式遺傳。這個發現指明了孟德爾遺傳學可以應用于人類，暗示了基因和酶之間存有某種關系。這段歷史的呈現可以幫助學生體悟伽羅德善于抓住問題本質、擅長聯想分析的創新思維品質[6]。介紹比德爾和塔特姆的相關研究，同樣可以促進創新精神的形成。比德爾曾試圖通過研究果蠅眼睛色素的遺傳控制來分析遺傳的生物化學基礎。后來，他和塔特姆發現，用果蠅作為研究材料，對于解基因和基因產物關系的生物化學研究來說是不能令人滿意的。為此，他們逆向思考“是否可以把通常的過程顛倒一下，用特有的化學反應來鑒定特異基因呢？”。于是他們決定不再以突變體作為研究的起點，而是從已知的化學反應開始再回溯去尋找控制著這些反應的基因。他們還科學的選擇了紅色面包霉作為實驗材料，終于獲得成功。上述研究歷史表現出了比德爾和塔特姆敢于否定，善于逆向思維的創新品質，體現了思維的敏捷性和深刻性。這有助于學生開拓視野，培養創新精神。