淺談利用生物科學(xué)史培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力

項(xiàng)林

摘要：本文結(jié)合具體案例，論述如何充分利用教材中的生物科學(xué)史培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究精神，發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：生物科學(xué)史?案例?科學(xué)思維和科學(xué)探究

《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》把核心素養(yǎng)確定為課程學(xué)習(xí)的主要目標(biāo)，要求教師在生物學(xué)科教學(xué)過程中注重發(fā)展學(xué)生的關(guān)鍵能力和必備品格。學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力。

生物科學(xué)史體現(xiàn)了科學(xué)家的探究歷程，教學(xué)中重視科學(xué)史的學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生感悟、體會(huì)、理解科學(xué)家的探究過程，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究精神。筆者在教學(xué)過程中注重科學(xué)史的探究，帶領(lǐng)學(xué)生一起重溫科學(xué)家的探究歷程，體會(huì)科學(xué)家探究時(shí)遇到的困難和百折不撓的精神，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣去思考，感悟科學(xué)家的探究精神。下面筆者將結(jié)合實(shí)際教學(xué)案例來談?wù)勛约旱慕?jīng)驗(yàn)。

一、沿著科學(xué)家的探究足跡，體驗(yàn)探究歷程，培養(yǎng)科學(xué)思維

科學(xué)思維是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力，探討生命現(xiàn)象及規(guī)律。在教學(xué)過程中，筆者充分利用科學(xué)史幫助學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)家的科學(xué)研究歷程，感知科學(xué)探究的過程，培養(yǎng)科學(xué)思維。例如“生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型”這節(jié)內(nèi)容中關(guān)于科學(xué)家對(duì)生物膜的探究歷程，教師教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生探究構(gòu)建生物膜的結(jié)構(gòu)模型，按照科學(xué)史時(shí)間主線，引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)生物膜結(jié)構(gòu)的探究過程。首先，由19世紀(jì)歐文頓利用大量實(shí)驗(yàn)，提出假說“膜由脂質(zhì)組成的”;根據(jù)20世紀(jì)初科學(xué)家從哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞中提取出細(xì)胞膜化學(xué)分析成分，教師設(shè)疑“為何歐文頓不直接提取進(jìn)行化學(xué)分析”，引導(dǎo)學(xué)生思考;“確定成分后，磷脂與蛋白質(zhì)如何排布呢？”教師設(shè)疑，激發(fā)學(xué)生興趣。然后，在“荷蘭科學(xué)家Gorter和Grendel的紅細(xì)胞膜實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生大膽推測(cè)細(xì)胞膜中有兩層磷脂分子，并讓學(xué)生結(jié)合磷脂分子頭部親水、尾部疏水的特點(diǎn)，利用教具在紙上貼出它們可能的排列方式，嘗試說出理由。通過分析不同的排列方式，最終確定正確的雙層排列，激發(fā)學(xué)生思考。1959年，羅伯特森（J.D.Robertsen）利用電鏡觀察，提出“三明治”模型，并認(rèn)為膜是靜止的。教師引導(dǎo)學(xué)生小組討論：是否贊成膜是靜止的？能否利用所學(xué)生物學(xué)知識(shí)找到質(zhì)疑的證據(jù)？學(xué)生根據(jù)前面學(xué)習(xí)的質(zhì)壁分離及復(fù)原實(shí)驗(yàn)、變形蟲運(yùn)動(dòng)等，會(huì)提出疑問，總結(jié)膜是可以運(yùn)動(dòng)的，展示“人-鼠細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)”來證實(shí)。同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生猜測(cè)：蛋白質(zhì)是否均勻分布？20世紀(jì)60年代，利用冰凍蝕刻和掃描電子顯微鏡技術(shù)，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)分布不對(duì)稱。接著，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)生物膜結(jié)構(gòu)模型，展示1972年桑格和尼克森提出的流動(dòng)鑲嵌模型結(jié)構(gòu)，并和學(xué)生一起利用教具構(gòu)建生物膜結(jié)構(gòu)模型并分組展示。

最后，教師拋出問題：這個(gè)模型就是完美的嗎？對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的探究到此結(jié)束了嗎？從而提出“科學(xué)無止境，科學(xué)家在不斷完善和發(fā)展”，引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)思考。在必修二《遺傳與進(jìn)化》第三章第二節(jié)“DNA分子結(jié)構(gòu)”中，教師同樣可以充分利用科學(xué)史發(fā)現(xiàn)時(shí)間軸，引導(dǎo)學(xué)生思考，構(gòu)建DNA分子結(jié)構(gòu)模型，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

教師創(chuàng)設(shè)情境讓學(xué)生進(jìn)行推理、得出假說，并鼓勵(lì)學(xué)生提出疑問，師生共同探討，對(duì)觀點(diǎn)進(jìn)行辯駁，最后得出相關(guān)主張。在整個(gè)過程中，師生的思維進(jìn)行激烈的碰撞，學(xué)生的批判與質(zhì)疑、歸納與總結(jié)、演繹與推理等科學(xué)思維方法都得到充分的呈現(xiàn)與發(fā)展。

二、聚焦科學(xué)史探究方法，培養(yǎng)科學(xué)探究能力

科學(xué)探究是一種基于觀察、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等的綜合能力，滲透著科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。其核心內(nèi)涵主要包括提出問題，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，收集并記錄數(shù)據(jù)，小組合作討論交流并得出相關(guān)結(jié)論。

例如，在“細(xì)胞膜流動(dòng)鑲嵌模型”一節(jié)教學(xué)中，認(rèn)識(shí)“熒光染料標(biāo)記人-鼠細(xì)胞融合”實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師可以先介紹熒光染料和細(xì)胞融合技術(shù)，然后設(shè)問“如何利用技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證膜不是靜止的”“實(shí)驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)什么樣結(jié)果”，引導(dǎo)學(xué)生小組合作、討論、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。小組分享后師生共同分析，從而理解膜具有一定的流動(dòng)性。在必修二第三章第一節(jié)“DNA是主要遺傳物質(zhì)”教學(xué)中，針對(duì)格里菲斯提出轉(zhuǎn)化因子，教師設(shè)疑：S型菌中含有DNA、RNA、蛋白質(zhì)等成分，誰才是轉(zhuǎn)化因子呢？如果你是科學(xué)家，你會(huì)如何探究？從而引導(dǎo)學(xué)生小組討論、探究，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣思考，培養(yǎng)其探究能力。艾弗里利用肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證明DNA是遺傳物質(zhì)，但是由于技術(shù)所限，DNA的純度不夠，無法將蛋白質(zhì)和DNA完全分開，仍有人表示懷疑。對(duì)此，教師提出問題：如何設(shè)計(jì)才能讓人無可挑剔呢？學(xué)生能答出“將DNA和蛋白質(zhì)完全分開，分別觀察其遺傳效應(yīng)”。教師給予肯定后繼續(xù)設(shè)疑：如何才能完全分開呢？提醒學(xué)生生物學(xué)上常用什么方法追蹤物質(zhì)。學(xué)生認(rèn)識(shí)到利用同位素標(biāo)記技術(shù)。然后教師拋出一連串問題：如果讓你來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，你的思路是什么？選擇什么材料更適合？如何標(biāo)記DNA和蛋白質(zhì)呢？實(shí)驗(yàn)結(jié)果又如何檢測(cè)呢？引導(dǎo)學(xué)生小組合作探究，分享自己的設(shè)計(jì)思路和步驟。教師不斷補(bǔ)充相關(guān)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生步步深入，探究知識(shí)，最后順理成章地得出“DNA是遺傳物質(zhì)”的結(jié)論，學(xué)生解決疑惑，獲得新知并且體會(huì)到科學(xué)家的探究精神。教師再提出疑問：所有生物的遺傳物質(zhì)都是DNA嗎？學(xué)生深入思考，不難得出“有的病毒只有RNA”的結(jié)論。那么對(duì)于RNA病毒，誰是遺傳物質(zhì)呢？又該如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究呢？這樣打破平衡，激發(fā)學(xué)生的興趣，使其進(jìn)一步探究，最終理解DNA是生物的主要遺傳物質(zhì)。

生物科學(xué)史資料蘊(yùn)藏著大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究方法，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行分析，能讓學(xué)生體驗(yàn)知識(shí)的形成過程，感悟科學(xué)家設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的巧妙和技術(shù)發(fā)展對(duì)科學(xué)研究的貢獻(xiàn);讓學(xué)生既能深刻理解并掌握科學(xué)知識(shí)，又能培養(yǎng)科學(xué)探究能力。

三、完善資料，拓展科學(xué)史，構(gòu)建完善知識(shí)體系

科學(xué)探究往往需要很多科學(xué)家的共同努力，過程曲折、復(fù)雜，教材上并未完全呈現(xiàn)，教師在教學(xué)中可以根據(jù)需要適度補(bǔ)充。比如，在“生物膜流動(dòng)鑲嵌模型”教學(xué)中，教師可以補(bǔ)充利用冰凍蝕刻技術(shù)發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)是貫穿、鑲嵌、嵌入磷脂雙分子層中的，通過資料展示，讓學(xué)生對(duì)“流動(dòng)鑲嵌模型”的“鑲嵌”理解得更為深刻。在“遺傳因子的發(fā)現(xiàn)”教學(xué)中，教師可以補(bǔ)充孟德爾的生平介紹，有助于學(xué)生感悟科學(xué)家孜孜不倦的科學(xué)精神。在“基因在染色體上”教學(xué)中，教師可補(bǔ)充摩爾根與果蠅的故事。在“DNA分子結(jié)構(gòu)”教學(xué)中，關(guān)于沃森和克里克的構(gòu)建歷程，教師補(bǔ)充富蘭克林的故事。教師通過介紹科學(xué)家的故事使得生物課堂變得有趣，知識(shí)變得豐滿，同時(shí)也能讓學(xué)生走近科學(xué)家，感悟科學(xué)探究精神。

總之，在教學(xué)過程中，我們不能忽視生物科學(xué)史，認(rèn)為其不重要甚至只讓學(xué)生在課后自行閱讀，而應(yīng)該充分利用科學(xué)史，引導(dǎo)學(xué)生深入探究，像科學(xué)家一樣去思考、質(zhì)疑、試誤，最終探得真知。通過重溫科學(xué)家的探究歷程，感悟科學(xué)探究，體會(huì)科學(xué)家的精神，學(xué)生不再是機(jī)械地了解知識(shí)，而是學(xué)會(huì)了探究知識(shí)的能力和鉆研的精神。這樣的課堂教學(xué)不僅僅傳授知識(shí)，更培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，提高了學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

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