利用生命科學史，培養學生的科學探索精神

王旭濤

摘要闡述了在高中生物教學中進行生命科學史教育，從中挖掘出科學家敢于質疑探索生命真理的科學精神和解決生物問題的科學思想，讓學生體驗科學家探索生命的歷程，學習善于思考、敢于質疑的科學精神和實事求是的科學態度，進而培養學生團隊合作精神和生命科學的探究方法和思維創新的探索精神。

關鍵詞 生物學教學 生命科學史 探索精神

中圖分類號G633.91 文獻標志碼B

生命科學史展示了生命科學產生、形成、發展、演變的歷程，包含著生物實驗探索、理論形成的科學規律與探究方法，每個科研成果的背后也蘊涵著科學家偉大的科學精神與科學思想。《普通高中生物課程標準（2017年版）》提出：“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。”在高中生物教學過程中，教師應該重視生命科學史的教學，利用科學史來激發學生探索科學的興趣，進而培養學生敢于質疑和團隊合作的科學精神，領悟科學家的探究思維和探索精神。

1利用生命科學史，培養學生探索生命科學的興趣

“興趣是最好的老師”。教師在歷史背景下展現科學探究活動的產生和發展過程，能使生物學知識更加生動鮮活，富有生命力。將科學史料引入課堂，將科學家們的傳奇故事展示給學生，會引發學生強烈的探索欲望和濃厚的學習興趣，使他們的智力潛能處于最活躍的狀態。

例如，在進行“伴性遺傳”教學時，教師可引入道爾頓發現色盲癥的故事情境：在1792年的圣誕節前夕，英國學者約翰·道爾頓特意買了一雙棕灰色襪子作為圣誕禮物送給母親，誰知母親接過禮物，打開一看，發現是一雙鮮艷的櫻桃紅色襪子，笑著對道爾頓說：“你怎么買了一雙鮮艷的櫻桃紅色襪子給我，讓我怎么穿呢？”道爾頓爭辯說：“這襪子明明是棕灰色的呀！怎么說是櫻桃紅色的襪子呢？”這雙襪子讓道爾頓疑惑不解。后來，他拿了這雙襪子讓別人幫忙識別，除了自己和弟弟外，其中絕大多數人都說這襪子是櫻桃紅色的。道爾頓心想：為什么自己看上去是棕灰色的襪子，而別人看上去是櫻桃紅色的呢？最后，他認為是自己的眼睛有問題，就開始琢磨這一奇特的現象。通過兩年的實例搜集，對許多人的辨色能力進行了細致地鑒別比較，他最終確定自己和弟弟的眼睛患有先天性色覺障礙疾病——色盲癥，從而成為第一位發現色盲癥的人。之后，他于1794年發表了《論色盲》的論文，為醫學診斷作出了突出的貢獻。道爾頓是位化學家兼物理學家而不是醫學家，但他卻能發現千百年來醫學家沒有發現的疾病，這是為什么呢？因為道爾頓具有善于思考、敢于質疑、探求疑問的科學精神。此外，有著名英國“皇家病”事件的血友病故事，研究血友病家族系譜圖，就會驚奇地發現：患血友病的女性遠遠少于男性;女性血友病患者的父親和兒子一定患血友病，而男性血友病患者的子女一般都是正常的，但其外孫子常常患血友病。

典型的血友病和紅綠色盲癥都是引出伴性遺傳內容的很好史料，能夠激發起學生探索生命現象的興趣，促使學生積極主動參與到課堂學習中去尋求答案，總結人類遺傳病的基本規律，歸納伴x隱性遺傳病的遺傳特點。這種寓史于教、史教結合的教學方式增加了課堂教學的趣味性，讓學生在學習過程中感悟科學，拉近與科學家的距離，激發其學習生命科學的濃厚興趣。

2利用生命科學史，培養學生敢于質疑的探索精神

任何科學上的重大發現都是科學家在“勇于存疑、敢于探索、實事求是”的科學精神指導下取得的。善于觀察，敢于質疑，具有強烈的問題意識，是生物學家進行科學研究，取得創造發明的前提。

例如，善于質疑的摩爾根獲得“基因位于染色體上”這一結論的實驗證據過程，就是很好的教材史料。教師可先介紹美國遺傳學家摩爾根生平事跡，讓學生了解摩爾根是一位具有始終堅信依靠事實和利用實驗來檢驗理論是否正確的科學態度、敢于懷疑、勤奮實踐的人。他曾經明確表示過不相信孟德爾遺傳理論，也懷疑薩頓的假說，認為這是主觀的臆測，缺少實驗證據。摩爾根在果蠅室研究過程中，偶然在一群紅眼果蠅中發現了一只白眼雄果蠅。這一發現為后來實驗研究成功拉開成果之門。經過一系列的實驗觀察、發現問題、大膽猜設假說、演繹推理和驗證，他以大量的實驗為證據，不僅驗證了孟德爾遺傳規律的準確性，還揭示出基因與染色體的關系。摩爾根進一步研究，最終發現了遺傳學的第三定律——基因的連鎖互換定律，成為遺傳學史上里程碑式的人物。

教師在課堂適當融入科學家敢于質疑并最終取得科學研究成功的科學史實，以史為鑒，讓學生能夠從具體的事例中領悟到科學精神的真諦，進而引導學生學會觀察，提高其敢于質疑的科學探索精神。

3利用生命科學史，培養學生團隊合作的科學精神

新課程的教育理念非常注重學生團隊合作意識的培養。教師要充分利用生命科學史進行教學，可以促進學生間的交流和理解，有利于學生建立團結合作的精神，有利于學生全面素養的發展。生命科學史有很多典型的團隊合作案例，如DNA雙螺旋結構的發現就是克里克和沃森的合作結晶。沃森擅長研究噬菌體遺傳學，遺傳學基礎扎實，訓練有素：克里克擅長應用數學和物理研究蛋白質結構，觀念新穎獨特。他們取長補短，并吸收和借鑒當時也在研究DNA分子結構的富蘭克林、威爾金斯和鮑林等人的研究成果，經過不到兩年時間的不懈努力，克里克和沃森終于完成了DNA分子雙螺旋結構模型。最終，沃森、克里克和威爾金斯三人的共同研究成果榮獲1962年諾貝爾生理學或醫學獎。這個事實表明，從事不同學科研究的人，雖然他們所掌握的知識和技術不同，但他們的合作卻為解決問題提供了不同的思路，在解決問題中互相啟發，互相補充，互相促進，才有新的突破、新的發現，最終才有偉大的研究成果問世。

可見，合作是他們取得成功的必要條件，這也讓學生更加明白在科學研究過程中團隊合作精神的重要性。

4利用生命科學史，培養學生探究實驗的科學思維

生命科學史中有許多經典實驗史實，蘊含著科學家獨特的生物學思維方法和科研成果。通過對科學史中這些經典實驗和邏輯分析的再現，學生體驗生物學知識的形成過程，從中學習科學家的探究思維方法和理解生物學概念、原理的來龍去脈。這樣的教學既傳授了知識，又培養了學生的科學思維，變被動的學習科學史知識為主動的探索科學史知識，使學生更好地領悟科學思維研究方法和科學探索歷程。

例如，孟德爾的豌豆雜交實驗利用“假說一演繹法”，經過嚴謹的邏輯推理和驗證，最終發現豌豆遺傳的基因分離定律和自由組合定律。其中“假說一演繹法”就是一種常用的科學研究方法，充分體現了科學思維方法的探究模式。它是按照科學研究的一般過程，即觀察現象、提出問題——分析問題、提出假設——演繹推理、驗證假設——歸納綜合、總結規律。教師先分析孟德爾選擇白花傳粉的豌豆作為實驗材料的原因，再選用豌豆的7對相對性狀作為研究對象，從一對相對性狀開始到兩對相對性狀及多對進行逐步科學研究。孟德爾非常聰明地利用數學統計法分析實驗現象和統計龐雜實驗數據，發現每對相對性狀的雜交后的F：代總體現出顯性性狀與隱性性狀的比接近3：1的規律，并大膽猜想、分析性狀是如何遺傳傳遞給后代的。天才的孟德爾提出了“遺傳因子”假說，通過嚴密的演繹推理，點明控制相對性狀的遺傳因子是成對的;成對遺傳因子彼此分離進入不同的配子，不同對遺傳因子的分離和自由組合是獨立進行，且互不干擾形成不同配子，不同雌雄配子隨機結合形成后代新的遺傳因子組合（即基因型）等解釋要點，并巧妙利用隱性遺傳因子進行測交實驗來驗證推論，最終得出遺傳規律。從孟德爾的豌豆雜交實驗來看，理解孟德爾采用數學統計豌豆雜交實驗的思維思想比直接呈現真實史實更為重要。教師要引導學生深入思考科學家的科學探究方法和科學思想，領悟科學家發現問題、尋找證據、合理推理等方法，體驗科學家不斷深化對問題認知過程和科學探索精神。

另外，還有“DNA是主要的遺傳物質”值得學習的經典實驗史例，其中蘊涵著獨特的生物學思維和實驗研究方法。1928年，英國科學家格里菲思用肺炎雙球菌進行體內轉化實驗，具體探究實驗步驟見表1。

實驗1中，加熱殺死的S型細菌與無毒性的R型活細菌混合后，在小鼠體內轉化出有毒性的s型活細菌，這就表明了加熱殺死的S型細菌存在“轉化因子”促使R型細菌轉化為有毒性的S型細菌，并能傳遞給后代，即這種性狀的轉化是可遺傳的。雖沒有指出轉化因子是什么，卻給人們對遺傳物質的研究提出了實驗的方法和思路。直到1944年，美國科學家艾弗里等人為弄清“轉化因子”的化學本質，通過化學分餾法把提取物分離提純，進行鑒定，證明了DNA是使R型細菌產生穩定遺傳變化的物質。具體實驗操作如圖1所示。

實驗2過程中⑤⑥⑦步說明了從s型活細菌提取的DNA與R型活細菌混合培養才能轉化出有毒性的s型活細菌。當時艾弗里等人覺得實驗①～⑦不夠嚴密，仍不足能完全說明DNA是轉化因子。為此巧妙設置必要性實驗⑧來驗證，用DNA水解物來處理DNA，使其水解，結果在R型活細菌混合培養基中沒有發現S型細菌。這驗證了是DNA本身，而不是DNA的碎片物或單位化合物促使R型細菌發生轉化的。

因此，艾弗里成為世界上第一位用實驗方法證明DNA是遺傳物質的科學家，但當時更多的人認為蛋白質是遺傳物質，艾弗里的發現引起了科學界的強烈爭論。雖然轉化實驗結果發現了只有加入DNA，R型細菌才能轉化為S型細菌，并且DNA純度越高，轉化就越有效。如果用DNA酶處理從S型活細菌中提取的DNA，使DNA分解，就不能使R型細菌發生轉化。但是，人們仍懷疑DNA和蛋白質是否完全分開。所以艾弗里實驗說服力不夠強。如何進一步用實驗證明在蛋白質和核酸中誰是真正的遺傳物質呢？終于有人選用噬菌體和大腸桿菌來研究這個問題。1952年，赫爾希和蔡斯采用同位素標記法追蹤噬菌體侵染細菌的實驗過程。最終確定了“轉化因子”是DNA，具體實驗方法見表2。

實驗3通過同位素標記法追蹤噬菌體侵染細菌的過程，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，讓它們分別去侵染細菌，噬菌體在細菌體內大量繁殖。結果發現，噬菌體的蛋白質并沒有進入細菌內部，而是留在細菌外，只有噬菌體的DNA進入細菌體內。結果表明，在噬菌體中，親代與子代之間具有連續性的物質是DNA。也就是說，子代噬菌體的各種性狀是通過親代的DNA遺傳給后代的。因此，DNA才是真正的遺傳物質。實驗材料的選取和同位素示蹤法技術的運用，解決了轉化實驗中的各種疑惑，使實驗結果更具有說服力。針對這些層層相扣的難題，科學家巧妙設置實驗的思維過程：理論推斷一實驗驗證一轉化實驗一侵染細菌實驗一得出結論。經過從發現“轉化因子”到尋覓“轉化因子”，再到確定“轉化因子”是DNA的精辟實驗設計過程，可以順其自然地得出DNA是遺傳物質的結論。這樣可以使學生更容易接受，并且能使學生感悟到科學方法。

通過探究DNA是遺傳物質的發現歷程，學生體驗科學家嚴謹細致的工作作風和科學態度以及對科學真理不懈追求的科學精神，懂得人類對自然事物的認知是不斷深化和完善的，領會科學家實驗設計的科學思路、遵循的實驗設計原則和科學方法，發展科學的思維能力和實驗設計能力，理解、掌握科學研究的方法和過程。

總之，生物科學史中蘊涵著科學家對生命世界探索經歷。在生物課堂教學中，教師要選擇適合的史料，運用恰當的教學手段，讓學生感受和領悟科學探索的過程。利用生命科學發展歷程的探究史，引導學生沿著科學家探索生物奧秘的道路去發現問題、解決問題，真正理解生命科學的本質，感受生命科學所蘊涵的精神實質，進而培養學生的科學思維方法和科學探究能力，促進學生科學而全面的發展。