科學史教育在培養學生批判性思維中的運用

程國勝

摘要：以“DNA是主要的遺傳物質”為例，利用科學史組織生物學課堂教學，通過開展鼓勵質疑問難、倡導辯論共鳴和知識遷移應用等教學活動，充分挖掘科學史中蘊藏的科學方法，訓練學生的批判性思維，以期為提升學生的生物學學科核心素養提供教學參考。

關鍵詞：科學史教育批判性思維生物學教學

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

如今，發展學生的學科核心素養儼然成為教育界的熱點話題。學生學習學科知識、發展學科思維、提升學科核心素養的主要場所在課堂，因此如何有效落實課堂教學、實現學科的育人價值是當前一線教學中急需解決的問題。批判性思維是科學思維的重要組成部分，也是凝聚生命觀念的重要途徑，培養學生的批判性思維是當前生物學課堂教學的重要任務。

科學史記錄著生物學科從產生、形成到發展的過程。學習科學史有助于學生理解知識的本質，體會科學家科學研究的思路及解決問題的方法，有利于培養學生的批判性思維。但在傳統的課堂教學中，教師僅將科學發現或科學結論告訴學生，學生往往獲得的是淺層次上的知識點，并沒有習得獲取知識的方法和科學史中蘊藏的科學思維，這是一種低效的課堂教學。因此，如何挖掘科學史實中的思維方法，營造創造性學習的課堂氛圍是課堂教學中的著力點。下面以“DNA是主要的遺傳物質”為例，簡要闡述如何利用科學史組織課堂教學從而培養學生批判性思維。

1教材內容簡要分析

“DNA是主要的遺傳物質”一節包含了人類對遺傳物質的早期認識、肺炎雙球菌的轉化實驗、噬菌體侵染大腸桿菌以及煙草花葉病毒實驗等內容，特別是肺炎雙球菌的轉化實驗和噬菌體侵染細菌的實驗，概念多、實驗步驟多，是教學的重難點。此外，本節內容的教學目標是讓學生總結“DNA是主要的遺傳物質”的科學探索過程，了解科學實驗的設計思路，探討實驗技術在證明DNA是主要的遺傳物質過程中的作用。可見，教師在課堂教學過程中應充分重視科學史中蘊藏的科學方法，培養學生的理性思考和深度學習，才能完成本節的教學目標。

2基于科學史開展教學活動

2.1基于評價與分析，鼓勵質疑問難

質疑是培養批判性思維能力的重要基礎。教師鼓勵學生質疑，對實驗結論的評價和分析，有助于學生對實驗流程和實驗結果的再認知，也有利于學生的批判性思維的提升。

“肺炎雙球菌的體內轉化實驗”是本節內容的第一個經典實驗。學生在閱讀教材相關內容的基礎上，依據對照原則分析實驗結果，很快就得出了相關結論，即格里菲思的推論：在第四組實驗中，已經被加熱殺死的S型細菌中，必然含有某種轉化因子，將無毒性的R型活菌轉化為有毒性的S型活菌。

此時，教師引導學生質疑：從第四組實驗的過程和結果分析，一定能得到該推論嗎？還有沒有其他的可能呢？學生經過討論之后，提出S型細菌還有可能是由R型活菌突變而來。教師緊接著追問：如何設計實驗確定S型活菌是突變而來還是由R型活菌轉化而來呢？

教師提供科學史資料1：1920年，科學界已明確地建立起來了肺炎雙球菌的具體的血清學類型，將不同的菌株分開。20世紀20年代，M.Heidelberger和艾弗里證實S型菌根據其莢膜的多糖不同，可分為SI、SII、SIII等不同亞型，其中SIII的多糖莢膜最厚，致病能力最強。R型菌也分為Rl、RII、RIII等亞型，是由S型菌發生突變而來，它們又都能發生回復突變形成相應的SI、SII、SIII等亞型，并且多組實驗證明R型菌和S型菌只能在同種亞型之間才可發生突變。

基于上述科學史資料，學生開展討論交流，最終得出可行方案（圖1）。該方案很好地排除了R型菌和S型菌之間相互突變的可能，從而得到S型活菌是由R型活菌轉化而來的科學結論。

本教學環節中，學生基于教材進行結論質疑，并結合教師提供的科學史信息改進實驗，完善實驗方案，不僅增強了獲取信息的能力，同時也發展與提升了批判性思維。

2.2基于過程與體驗，倡導辯論共鳴

生物學是一門以實驗為基礎的自然科學，也是目前急需回歸理科屬性和科學本質的一門學科。倡導辯論，對學生進行科學教育，讓學生基于實驗過程理解科學實驗的思路和方法，發展科學思維、提升探究能力和培養科學態度是生物學課堂教學的價值追求。

“噬菌體侵染細菌的實驗”是驗證DNA是遺傳物質的另一個經典實驗。該實驗的研究背景、設計思路和科學方法都是良好的科學教育素材。由于學生無法親歷實驗過程，缺乏感性認知，筆者利用多媒體播放噬菌體侵染細菌的動態模擬過程，引導學生分析赫爾希與蔡斯的實驗過程，并提出問題：（1）³⁵S標記的噬菌體侵染細菌實驗中，為何結果沉淀物中有較弱的放射性？（2）³²P標記的噬菌體侵染細菌實驗中，為何結果上清液中也有較弱的放射性？學生小組討論后給出原因：（1）實驗過程攪拌不徹底導致部分吸附的噬菌體外殼未脫落;（2）可能是保溫時間過短，某些噬菌體未及時侵染而分離至上清液;或者可能是保溫時間過長，細菌已裂解而導致子代噬菌體得以釋放分離至上清液。教師追問：從實驗的過程分析，真的是這樣的原因嗎？赫爾希與蔡斯為何攪拌不徹底？保溫時間沒有限制嗎？從而引發學生的深度學習。

教師提供科學史資料2：噬菌體學派創始人M.Delbruck測定了烈性噬菌體T2侵染細菌和子代噬菌體釋放的時間間隔，繪制出T2噬菌體一步生長曲線，得出T2噬菌體侵染細菌的潛伏期為20min（即噬菌體侵染細菌至子代釋放的時間）。這為赫爾希和蔡斯在實驗中將噬菌體感染細菌、攪拌、離心的實驗時間控制在20min之內提供了理論依據。Anderson以及Graham等相繼的實驗表明，噬菌體在利用其尾部吸附細菌后會釋放出DNA。在這基礎上，赫爾希與蔡斯用³⁵S、³²P標記的噬菌體進行實驗，發現噬菌體吸附后大部分釋放DNA并失活，小部分不失活，還有些失活，但不釋放DNA。在離心除去未吸附的噬菌體后繼續培養，赫爾希和蔡斯得到了每個細菌產生噬菌體數目的相關結果，并離心測定同位素的比例及被侵染細菌的存活曲線（圖2）。