追求生物學科本質發展學生的科學思維

摘 要：在高中生物課堂進行科學本質教育，對于提高學生的生物學科核心素養具有重要意義。本文從探究性學習和HPS教育兩個方面加以論述。

關鍵詞：科學本質;探究性學習;HPS教育

理解科學本質，對于提高學生的核心素養具有重要意義。因此，促進學生對科學本質的理解已經成為當前世界范圍內科學教育界廣泛關注的熱點問題之一。美國在1996年頒布的《國家科學教育標準》中明確加入科學本質的相關內容，并專設“科學的歷史和本質”一節。我國現行的《普通高中生物課程標準（2017年版）》也在課程性質中明確指出：“高中生物學課程是科學領域的重要學科課程之一，其精要是展示生物學的基本內容，反映自然科學的本質。”但是從現實情況來看，科學本質及其教育價值并未引起理科教師的普遍關注，學生對科學本質的認識情況也不容樂觀。因此，在生物學課堂教學中，要想提高學生的生物學科核心素養，就需要加強對科學本質的理解和感悟。

科學本質在生物學科涵蓋兩方面的內容：一是生物學科在本質上屬于自然學科;二是生物學科具有自身獨特的學科特征和其他自然學科不可替代的育人功能。生物學科的研究對象都是“活物”，學科概念原理會隨著科學研究的進展而不斷進行修正。學科涉及的范圍廣泛，包括農業生產、環境保護、醫療衛生、教育科研、資源利用等，與我們的日常生活息息相關。因此，教師要基于科學本質組織學科教學，以達到培養學生核心素養的目的。

一、 在探究性學習中體驗科學本質

《普通高中生物學科課程標準》明確指出：“組織以探究為特點的主動學習是落實生物學科核心素養的關鍵。”在生物學科的學習過程中，學生不僅要重視科學認知的過程，更要了解知識是怎樣產生和發展的，如果不能親歷科學發展的過程，就不能充分了解科學知識的全貌。在探究性學習的過程中，能夠引發學生對生命現象及其規律的好奇心，引導學生像科學家一樣，經歷觀察描述、發現問題、查找信息、提出假設、設計實驗、思維判斷、解決問題的整個過程。學生體會到科學家在真實研究過程中的茫然、焦慮，到解決問題時的驚喜和頓悟，從而認識到科學本質，同時學生的合作交流能力、創新能力和實踐能力都得到提升。探究性學習還有助于學生理解STS之間的關系，形成正確的價值觀和人生觀，進而形成真摯的科學情感。

例：“DNA粗提取”實驗中以2～4人組建興趣小組，分別以植物DNA和動物DNA為研究對象，并在課前進行預實驗。教師提供理論支持并設計問題串，指導學生設計探究性實驗方案。引導性問題如下：

1. 除了用教材所選材料進行DNA粗提取實驗，還可以選取其他哪些實驗材料？

2. 加洗滌劑和食鹽的作用是什么？釋放DNA的方法有哪些？

3. 哪些材料提取DNA效果既好又省時？

4. 研磨不充分對實驗結果會產生怎樣的影響？

5. 釋放的DNA是否還混有雜質？如何進一步去除雜質？

根據自己的預實驗結果，興趣小組的同學確定本組進一步的研究課題：課題1——低溫對香蕉細胞DNA提取的影響;課題2——氯仿對魚白細胞DNA提純的影響;課題3——鹽水和純凈水對提取雞血細胞DNA的影響;課題4——嫩肉粉對魚白細胞DNA提取和鑒定的影響。在眾多動植物實驗材料和試劑藥品中，興趣小組的同學根據自己的預實驗選擇本組實驗材料，并向同學展示自己的探究課題和招募小組成員。為確保課題的順利展開，小組負責人會制定詳細地分工計劃，如人數要求、觀察和統計的人選等。小組成員合作探究相同的課題，在設計自變量、因變量和具體實施實驗的過程中，學生會產生更多的靈感和思維碰撞，對該實驗的認識就更加深入，也更加生活化。

二、 通過生物學科HPS教育滲透科學本質

HPS教育（History、Philosophy of Science and Science teaching）是科學史、科學哲學和科學教學的合稱。“科學”是科學史和科學哲學共同的研究對象，只是二者研究的角度不同，科學史是從歷史角度，而科學哲學是從哲學角度來理解自然科學史料，但兩者存在著緊密的內在聯系。HPS教育具有五大特點：以建構主義理論為背景，注重學生的實際獲得;重視對科學哲學的思考，基于所學知識解決生產生活的實際問題;以科學的基本史料為基礎，理解科學本質和科學研究的思路和方法;從培養科學精英過渡到培養有科學素養的公民;從重視科學知識的傳播過渡到著眼于學生未來的發展和社會的需要。科學教育中涉及科學史哲（主要是科學史）的內容主要有兩點原因：其一，科學是一個發展的過程。若沒有具體的科學實例，對于科學發展的概括將是碎片化的;其二，科學發展過程中出現的人物和歷史對我們繼承文化遺產、理解科學家的獻身精神都具有重要意義。

2017年頒布的《普通高中生物課程標準》的實施建議中明確指出：“在高中生物課堂融入科學史教育，對于理解生物學科理論和方法的演變過程、科學家在研究過程中所持的態度和觀點、對于培養學生的生物科學素養都具有重要意義。”建構主義強調教學要在學生原有知識經驗的基礎上進行新情境的創設。在生物學科HPS教育中，依據學生已有認知，選擇和運用適當的科學史哲素材來設計教學活動，使學生在原有知識框架的基礎上架構出新的知識體系。將科學史哲作為教學中情境創設的素材，有助于學生體驗科學理論體系的演化和逐步完善的過程，完成自身對知識體系的意義建構;有利于學生用批判性思維審視現有的科學知識，體悟科學的本質。

例：關于“細胞學說建立的過程”運用科學史哲對學生進行科學本質的教育。

資料一：1665年，英國胡克制造了能放大40～140倍的復式顯微鏡。他利用這臺顯微鏡意外地看到軟木薄片中的“小室”時，獨特而敏銳的直覺讓他覺得這個發現不一般，因此他把這些小室取名為細胞（cell），但他所說的“細胞”只是死亡的植物細胞的細胞壁及其所包圍的空間，而不是真正的細胞。為此，胡克被認為是第一個發現細胞的科學家。

思考：你認為胡克發現細胞后，科學界會掀起研究細胞的熱潮嗎？

小結：胡克的發現在當時并沒有掀起研究細胞的熱潮，人們的觀察大多只停留在外形上。而顯微技術的緩慢發展，使得人們對于細胞的研究在170年后才有了突破性的進展。

資料二：19世紀30年代初，施萊登和施旺創立“細胞學說”。光學理論的突破和顯微鏡技術上的創新，使整個30年代出現了研究細胞的熱潮，其中最具影響力的是施萊登和施旺創立的“細胞學說”。

關于施萊登：1838年，他在彌勒主編的《解剖學和生理學文獻》雜志上發表了具有歷史性意義的《植物發生論》一文。在文章中，他引用英國植物學家布朗關于細胞核與細胞發育具有特殊的相應關系的說法，指出“所有的植物都是由細胞組成的，細胞是植物體具有各種功能的基礎。”施萊登提出這種觀點的主要依據是他發現植物細胞具有相似的細胞核和細胞壁。

關于施旺：1834年施旺成為當時著名生理學家繆勒的助手，主要從事動物組織的顯微結構研究，之后施萊登也加入繆勒實驗室。在一次共同用餐時，施萊登談到植物細胞的細胞核具有重要作用。施旺因此得到很大的啟發，他也從細胞核入手進行研究，發現動物組織細胞中都存在細胞核，并且細胞核是闡明動物細胞性質的關鍵。1839年，施旺發表了論文《動植物結構和生長一致性的顯微研究》，他的目的是要闡明“兩大有機界中最本質的聯系”。在論文中，施旺對他的研究進行了強有力的概括，提出了兩個論點：其一，無論有機體的各部分有何不同，在它們的發生和發育上有一個普遍原則，那就是形成細胞原則;其二，細胞的產生過程是：在原有細胞內部或物質圍繞已有細胞，按照一定的規律形成新細胞，進而形成生物體的各個組成部分。

思考：（1）施萊登和施旺是通過什么方法提出“細胞學說”的？

（2）施萊登和施旺的“細胞學說”有何缺陷？你認為他們產生這種錯誤認識的原因是什么？

過渡：既然施萊登和施旺對細胞產生方式的解釋是錯誤的，那細胞究竟是如何產生的呢？

資料三：1855年，魏爾肖發表了一篇關于“細胞病理學”的文章，文章中有一個著名的論點“所有的細胞都來源于先前存在的細胞”，這句話簡明扼要地概括了細胞的產生方式。

至此，通過施萊登、施旺和魏爾肖三位科學家的研究成果，和許多其他科學家的辛勤付出，終于形成了比較完備的細胞學說。

思考：（1）在這170多年中，影響“細胞學說”創立的重要因素是什么？

（2）為什么細胞學說在胡克發現細胞的170年后才被創立？

三、 小結

通過“細胞學說建立的過程”相關科學史哲的學習，使學生意識到科學研究的道路漫長而曲折，科學源于細致地觀察，但也受科學家自身看待事物的方式和當時文化背景的影響，同時也讓學生體會科學理論的形成和發展進步的過程，感悟科學家持之以恒的探究精神。

參考文獻：

[1]（美）國家研究理事會.美國國家科學教育標準[M].戢守志等譯.北京：科學技術文獻出版社，1999：213-216.

[2]教育部.普通高中生物課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2018：1-4.

[3]陳錦美.當前初中生物教學現狀分析及建議[J].考試周刊，2010（36）.

[4]朱小燕.新課程背景下高中生物學生實驗開設的現狀調查[J].中學生物學，2010（1）.

[5]胡興昌，田穎.新課標下的高考后效調查——以上海生物高考為例[J].中國考試（研究版），2009（12）.

[6]盧文祥，鄭世忠.我省初中生物教師隊伍與教學現狀的調查與思考[J].吉林教育，2009（Z2）.

[7]段異兵，余江.國家自然科學基金促進學科均衡協調可持續發展的政策內涵[J].中國科學基金，2009（3）.

作者簡介：

王芳，北京市，北京市延慶區教育科學研究中心。