深度學習科學史 培養生物科學素養

謝志華 （福建省三明市第二中學 福建三明 365000）

生物學是自然科學中的一門基礎學科，它不僅是一個結論豐富的知識體系，也包括了人類認識自然現象和規律的一些特有的思維方式和探究過程。高中生物學課程既要讓學生獲得基礎的生物學知識，又要讓學生領悟生物學家在研究過程中所持有的觀點以及解決問題的思路和方法［1］。

在2017年的高考試題中，就充分體現了這一思想，例如，2017年新課程標準Ⅰ卷理綜生物學試題第29題：

根據遺傳物質的化學組成，可將病毒分為RNA病毒和DNA病毒2種類型，有些病毒對人類健康會造成很大危害，通常，一種新病毒出現后需要確定該病毒的類型。假設在宿主細胞內不發生堿基之間的相互轉換，請利用放射性同位素標記的方法，以體外培養的宿主細胞等為材料，設計實驗以確定一種新病毒的類型，簡要寫出：1）實驗思路。2）預期實驗結果及結論即可。（要求：實驗包含可相互印證的甲、乙 2個組）

此題對考生實驗探究能力提出了較高的要求，特別注重對實驗思想的考查，完成此題，首先需明確遺傳物質的功能，即復制和表達；病毒的增殖，離不開遺傳物質的復制，復制就需要原料，題目要求用放射性同位素標記的方法，即提示學生可模仿科學史中噬菌體侵染細菌的實驗，區分遺傳物質是DNA還是RNA，與區分遺傳物質是DNA還是蛋白質的思路類似，而2種核酸各自含有的特殊堿基是U和T，由此可分析出實驗的基本思路。此題的編寫明顯取材于“DNA是遺傳物質”這一部分科學史。學生在學習這部分知識時，若能真正深入理解、領會和思考每一步的實驗思路，同位素標記的原理，分析實驗過程中的每一個現象，解答該題并不難。然而有相當多的學生交了白卷，作為教師，應引起思考，在進行這一部分知識教學時，是否過于平面化，對學生的要求僅僅是記住實驗方法、實驗結果，學生缺乏深度思考，沒有質疑，其思維也是平面化的，僅將此研究過程當作一個知識記憶，沒有深度理解實驗，若缺乏相當的生物科學素養，是不可能完成實驗設計的。此題的出現，應引起高中生物學教師的思考，也指出了高中生物學教學的方向，培養學生的科學探究能力是高中生物學教學的重要任務，而科學史的教學是培養學生科學探究能力的良好素材。本文結合2個教學案例，闡述如何深度學習生物科學史。

1 問題引導，思維對話，培養批判性思維

在進行DNA是遺傳物質的科學史教學時，格里菲思做了如下4組實驗（圖1），

圖1

教師首先提出問題：前3組的實驗結果分別說明什么？d組實驗與前3組對比，推測是什么導致小鼠死亡？c組實驗說明加熱的S型細菌是無毒的，b組實驗說明R型細菌是無毒的，2組無毒的混合注射為何引起小鼠死亡？從a實驗得出結論S型活菌有毒，而在d組死亡老鼠體內也分離到S型活菌，由此推斷：在小鼠體內S型細菌將R型細菌轉化為S型菌。緊接著引導學生思考問題：S型細菌內有多種物質，誰才是轉化因子？如何判斷？教師利用《濫竽充數》的典故引導學生，要想知道誰吹得最好，方法是什么？——單獨表演，從而引導學生思考實驗思路：將S型細菌的各種成分分離、提純，單獨與R型細菌混合培養，能將R型細菌轉化的物質即為“轉化因子”。從而轉入學習艾弗里的體外轉化實驗。在體外培養轉化實驗中，提出有質量問題同樣是思維引導的良方，例如，為什么DNA加DNA酶的那組實驗沒有發生轉化？由此說明，DNA的單位是不能行使遺傳物質的功能的，只有具有特定結構的DNA分子才是遺傳物質，正如氨基酸不能行使蛋白質的功能一樣，由此讓學生理解一定的功能需要一定的結構支撐，從而理解結構決定功能這一生物學觀念。

在“噬菌體侵染細菌實驗”教學中，為便于學生理解實驗的微觀過程，可先利用板畫介紹噬菌體侵染細菌產生子代噬菌體的過程，通過圖解實驗過程中的每個步驟，學生可想象發生的微觀過程，能更好地分析和推理，從而理解實驗的本質。在具體教學中，教師仍可提出許多問題與學生進行思維對話：如何看到DNA或蛋白質在實驗過程中的去路？（用同位素標記法。）用什么元素標記？是二者共有的還是特有的？（要標記特有的元素，即P和S。）同時標記還是分別標記？（必須分別標記才能看清各自去路。）如何標記？是否可用培養基直接標記？（噬菌體是寄生的類型，只能先標記細菌，再用細菌標記病毒。）在實驗過程中，攪拌的目的是什么？放射性出現的位置反映了什么？什么時間攪拌？太早攪拌或太晚攪拌會出現什么情況？在最后新形成的噬菌體中是否有放射性？說明什么？即便有放射性，是所有子代噬菌體都有嗎？（只有2個，與半保留復制聯系。）該實驗證明了DNA是遺傳物質，它同時也說明了遺傳物質的什么功能？（復制和表達，或者說控制性狀。）

類似這樣的科學發現有很多，例如促胰液素的發現、生長素的發現、酶的發現等。若在教學中讓學生象海綿一樣吸收，僅記憶每個實驗的內容、步驟、結論，則學生就僅能記住這些知識本身，而更重要的思維能力沒有得到訓練，自然也談不上科學素養，只有在教學中盡可能多地提出有質量的問題，激發學生的思維，不斷思考、質疑科學家為什么這么做？依據是什么？合乎邏輯嗎？能推出什么結果？經常進行師生思維對話，可幫助學生發現最有價值的觀點，培養學生的批判性思維。可以說，生命科學的每一項成果，就是在質疑、分析、推理、評價和檢驗中得出的。

2 嘗試假說-演繹法，讓學生重走科學發現之路

一些重要科學理論的提出，往往經過了許多科學家的不斷探索和不懈努力，甚至失敗。經歷無數次的假說—演繹—實驗，最終才成為學說。高中生物學課程標準中提出，從生命觀念、理性思維、科學探究和社會責任4個方面發展學生的核心素養。因此，科學探究能力的培養，無疑是高中生物學課程的一項重要任務。而在中學階段引導學生開展科學探究，就是要在教學中讓學生主動參與學習過程，模仿科學家的科學探究過程，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據、檢驗假設和發現規律等過程中習得生物學知識，養成理性思維的習慣，形成積極的科學態度，發展終身學習的能力［2］。

在科學史教學中，可讓學生嘗試當一次科學家，利用資料中提供的信息、數據，思考可提出哪些假說，根據假說，設計驗證假說的方法，演繹推理可能出現的實驗結果，最后得出正確的結果。

以“DNA的半保留復制方式”的教學為例，從復印一份資料入手，向學生介紹半保留復制和全保留復制，復印件上的信息與原件完全相同，但復印紙是全新的，這就是全保留復制，以此為基礎說明半保留復制的含義，在此基礎上讓學生嘗試利用假說－演繹法開展探究：第1步，先介紹當時提出的幾種復制的假說，半保留復制方式、全保留制方式、彌散復制方式等。第2步，讓學生根據不同的假說,進行演繹推理，嘗試畫出幾種復制方式的模式圖（圖2）。

圖2

學習的重點是讓學生判斷DNA復制是全保留還是半保留復制方式。提出問題：畫圖可用不同的顏色表示不同的鏈，實驗中該如何區分？即如何區分子一代的DNA的2條鏈成分是相同的還是不同的？從而判斷哪種方式是真實的？引導學生從已學過的噬菌體侵染細菌實驗，以及分泌蛋白的合成和分泌實驗，提出同位素標記的方法。

介紹實驗1和實驗2，基于此，讓學生根據半保留復制和全保留復制2種不同的假說，演繹推理，預測并畫出實驗3和實驗4的結果圖（圖3）（細菌每20 min復制一代）。

圖3

圖4

圖4是學生畫的半保留復制的預期結果，而若是全保留復制，則實驗3和實驗4結果都是有輕、重2條帶，沒有中間帶。這是學生根據假說演繹推理的實驗結果。最后一步驗證結果：通過資料對比，真實的實驗現象與圖4的一致，從而證明DNA的復制方式是半保留復制。這樣，學生親自進行了一次假說演繹的研究過程，體驗做科學，同時進行了科學思維訓練。它的價值要遠勝于讓學生記住多少個實驗過程，這種方法能極大激發學生的積極性和學習熱情，并體驗科學研究的快樂。

重視科學史教學，讓學生親歷科學家提出問題，做出假設，尋找證據，檢驗假設、得出結論的科學發現過程，重走科學發現之路，既體會科學研究艱辛，也感受科學發現的樂趣，感受做科學并非遙不可及，既能培養學生的理性思維，也能培養學生的科學態度和科學精神，從而真正發展學生的核心素養。