利用科學史提升學生的生物學學科素養*

鄭繼剛 王 濤 楊 帆 錢亞群 楊 容

（北京市第五中學 北京 100007）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱新課程標準）的基本理念中，第1 位就是以核心素養為宗旨，因為學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。如何發展學生的生物學學科核心素養，是每一位生物學教師都在思考的問題。在課程標準的實施建議中提及，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思路和方法，學習科學家獻身科學的精神，這對提高學生的生物學學科核心素養是很有意義的［1］。如何有效地利用生物科學史進行教學，進而達成發展學生核心素養的目標？筆者所在的課題組通過教學實踐進行了探索。

1 新課程標準中適合開展科學史教學的內容

經過上一輪的課程改革，一線教師對于科學史在教學中的重要作用都有了很大的認同，并將在教學中使用科學史作為一種重要的教學策略。為了能在新課程標準框架下更加充分發揮科學史對提升學生學科核心素養的作用，課題組成員在認真學習課程標準、重點解讀其中有關學科核心素養方面的內容后，結合以往的教學實踐，對現行人教版高中生物學教材中科學史資源進行整合與拓展，并學習了有關高中生物科學史教學的文獻，從必修課程和選擇性必修課程的重要概念和次位概念中選取了18 個適合應用科學史的內容（表1，見下頁）。

2 構建通過科學史提升學科核心素養的教學策略

科學史具有多方面的教育功能，能促進學生核心素養的發展。如何使用科學史進行教學？本課題組總結了4 種運用科學史進行教學的策略。

2.1 以科學史作為線索組織教學 在進行重要概念的教學時，若能用一條主線將概念的各部分內容有機組織起來，必然會使教學更具有系統性和邏輯性，會更符合高中學生的認知規律。利用重要概念形成過程的科學史作為主線，組織一節課或一個主題的教學，在一些概念的教學上不失為好的方法。

例如，對新課程標準必修課程中“2.2.3 說明植物細胞的葉綠體從太陽光中捕獲能量，這些能量在二氧化碳和水轉變為糖與氧氣的過程中，轉化并儲存為糖分子中的化學能”這一次位的概念進行教學，課題組成員利用現行教材和搜集的相關科學史資料，進行篩選和整合，向學生呈現了如圖1所示的科學史主線。

圖1 光合作用探索歷程的科學史主線

簡述教學過程如下：

呈現亞里士多德的觀點，引發學生對此觀點的贊同或質疑的情緒，激發學生的學習興趣。出示赫爾蒙特的實驗，提問赫爾蒙特得出了什么結論？他在分析實驗時忽略了什么？引出普利斯特里的實驗，提問普利斯特里的實驗結論是什么？他的實驗有時成功有時失敗，他本人不知道原因，請你分析可能的原因是什么？引出英格豪斯的實驗資料，出示其結論。展示拉瓦錫的資料，使學生了解對事物的認知不限于單一學科，還會受到其他相關學科的發展水平的限制。提問光能去哪里了？引出梅耶根據能量守恒定律作出的推斷：植物在進行光合作用時，將光能轉換成化學能儲存。這一處理使學生對物質與能量觀有較深刻的感受。提問梅耶所提及的化學能儲存于什么物質中？引出薩克斯的實驗，提問薩克斯的實驗中暗處理的目的是什么？實驗組和對照組分別是什么？實驗結論是什么？至此，人類對于光合作用的原料、產物和能量來源已基本清楚，但光合作用的場所在哪里？引出恩格爾曼的實驗，提問選用水棉作為實驗材料的優點是什么？應如何設置對照組？實驗的結論是什么？至此，人類已清楚光合作用的原料、產物、能量和場所，并于1897年提出了光合作用的概念，這是否意味著人們對于光合作用已經研究透徹？提問光合作用產物氧氣中的氧原子來自于哪個原料？引出同位素標記法并提問該如何設計實驗？如何選擇實驗材料？學生討論后，教師展示魯賓和卡門的實驗以印證學生的實驗設計。提問產物有機物中的碳來源于原料二氧化碳，二氧化碳中的碳經歷了什么過程進入到終產物中？該如何設計實驗加以研究？該選擇何種實驗材料？經學生討論后，教師展示卡爾文的實驗。最后進行總結并展示光合作用研究的最新進展和應用展望，激發學生的社會責任意識。

本節課以光合作用過程的發現歷程為線索，整合現行教材中的科學史和補充的科學史，將光合作用的能量來源、原料，場所、產物等內容有機組織。學生在學習過程中較好地掌握了概念的內容及其背后的內涵，并在以科學史為主線的學習中體會了物質與能量的生命觀念，嘗試了演繹與推理的科學思維，進行了純思維的科學探究。在落實概念學習的基礎上發展了學生的學科核心素養。

2.2 以科學史為載體進行科學探究 科學史就是一部發現問題和解決問題的科學探究史。根據教學內容，選擇相應的科學史內容作為載體，讓學生在以科學史為載體的背景中思考、發現和解決問題，提高學生思維的積極性和主動性，既可以使學生獲得新知，又促進了核心素養的發展。

例如對新課程標準必修課程中“3.1.1 概述多數生物的基因是DNA 分子的功能片段，有些病毒的基因在RNA 分子上”這一次位概念，現行人教版教材利用3 則科學史幫助學生構建這一概念，而在針對T2 噬菌體侵染細菌這則科學史進行教學時，課題組成員利用該策略進行了如下的設計：

向學生提供資料1：人們偶然發現了噬菌體這種生物，因為噬菌體的作用使得細菌死亡，噬菌體被人們認為是“治療細菌感染”的新思路而被重視，進而被大量研究。資料2：通過化學分析，發現噬菌體是蛋白質和DNA 構成的，追問學生T2 噬菌體的遺傳物質是DNA 還是蛋白質？資料3：提供電子顯微鏡下發現的一系列的照片，包括噬菌體附著在大腸桿菌表面、噬菌體在大腸桿菌細胞內、大腸桿菌被裂解釋放了大量噬菌體。引導學生通過以上資料對噬菌體侵染細菌的過程進行猜想，通過這一過程的實施將“遺傳物質是什么”的研究問題轉化為“哪種物質進入大腸桿菌，哪種物質就是遺傳物質”的認識。這樣的問題轉化立刻讓學生抓住了解決問題的核心。教師鼓勵學生利用已很熟悉的同位素標記法設計方案驗證自己的猜想。當學生作出預期后，教師又呈現赫爾希和蔡斯的實驗，結合視頻讓學生真正理解噬菌體侵染細菌的過程，仔細推敲赫爾希和蔡斯的實驗過程，引導學生發現結果與其預期相悖之處，并引導學生解釋出現這樣結果的原因和實驗設計的細節，讓其在分析理解的過程中體會探究之美。

本節課以赫爾希和蔡斯所做的T2 噬菌體侵染細菌的實驗這則科學史作為載體，讓學生以研究者的身份親歷探索T2 噬菌體侵染細菌的科學過程，通過親身參與在學習過程中體會了結構與功能、物質與能量（唯物觀）的生命觀念，運用了演繹與推理的科學思維，提升了科學探究能力。

2.3 利用科學史導入展開教學 上課伊始精心安排的導入，可使學生迅速進入角色，按要求進行學習和思索。而利用與教學內容有關的科學史進行導入，是很好的選擇。經過選擇和編排的科學史資料也可在導入環節中發展學生的核心素養。

例如對新課程標準選擇性必修課程中“1.3.3闡明神經沖動在突觸處的傳遞通常通過化學傳遞方式完成”這一次位概念的教學，在新課導入時可選用突觸發現過程的2 個科學史資料進行。一個是英國神經生理學家謝靈頓對狗屈腿反射時興奮在反射弧上和在神經纖維上傳導速度不同進行的研究，另一個是德國生理學家勒維的蛙心灌流實驗［2］。通過這2 個經典實驗，學生迅速進入針對教學內容的學習狀態，并通過對實驗的分析感受結構和功能的生命觀念，進行了演繹與推理的科學思維，體會了科學探究的簡單過程。

2.4 開展以科學史為核心的活動 在教學中開展一些有趣的活動，例如課堂辯論、表演等。學生可以口、腦、手、耳多個感官參與學習，往往會收到比較好的效果。而利用科學史教學也可采用這樣的策略，讓學生在活動參與中提升學科的核心素養。

例如，對于新課程標準必修課程中“3.1.1 概述多數生物的基因是DNA 分子的功能片段，有些病毒的基因在RNA 分子上”這一次位概念，教學時即可采用該策略。教學案例如下：

課前將學生分為4 組：①格里菲斯組；②艾弗里組；③蔡斯組；④諾貝爾評委會。學生閱讀肺炎雙球菌體內轉化實驗過程。格里菲斯組匯報R 型和S 型細菌的比較。師生討論分析4 組實驗，教師提出：S 菌從哪來？學生交流和討論，格里菲斯組學生回答：“被加熱殺死S 型細菌中某種物質將R型活細菌轉化為S 型活細菌。”教師表揚學生并提出：格里菲斯是否確定轉化因子的本質？如何設計實驗確定“轉化因子”？學生討論，獲得實驗設計方法：單獨研究各種成分的作用。教師呈現艾弗里的實驗和結果。教師對艾弗里實驗的嚴謹性提出疑問。學生進行討論時，諾貝爾評委會組的學生相對積極。學生回答：“艾弗里提取的DNA 不是100%。”教師利用多媒體呈現艾弗里增設的對照組，師生分析實驗。師生互動討論蔡斯的實驗，并用多媒體展示實驗過程和結果。教師提出：“蔡斯實驗表明DNA 是真正的遺傳物質。”學生接受此觀點時，教師提出：“在科學實驗中，嚴謹是至關重要的。假如你是諾貝爾獎評委會成員，你對該實驗是否有質疑？”此時，諾貝爾評委會組提出：該實驗中35S 標記的一組實驗，沉淀物不應有放射性等。蔡斯組進行討論，教師組織其他學生思考［3］。

本例案中將學生分組，模仿不同的科學家，提出問題，開展討論活動，并激發學生的競爭性。教師先布置任務或提出問題，引導學生自主學習（例如比較S 型和R 型菌），小組討論（例如分析對照實驗，得出結論并匯報；教師組織小組間相互提出問題），進一步討論，使教學“活”起來。在活動中，學生不僅獲得了新知，還通過活動感受了結構與功能、物質與能量（唯物觀）的生命觀念，鍛煉了演繹與推理、批判性思維等科學思維，提升了科學能力，使得學科核心素養得到發展。

以上為本課題組的一些研究心得，表1列出的可進行科學史教學的內容，是筆者的經驗總結，但肯定還不充分，僅供各位同仁參考。此外，在應用科學史內容時，該選擇何種教學策略并無一定之規，使用者可根據自身情況和具體學情進行選擇。例如針對“DNA 是主要的遺傳物質”這一科學史內容的教學，既可采取以科學史為載體進行科學探究的策略，也可采取開展以科學史為核心開展活動的策略。