基于科學史的高中生物核心素養培養
——以普利斯特利實驗為例

馬晉閩 王玉龍

（廣東實驗中學 廣東廣州 510055）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）指出“科學是一個發展的過程，學習生物科學史能使得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”。這將有助于學生對科學本質的理解，逐步發展科學思維。因此，教師應當充分利用科學史來開展教學，培養學生的生物學學科核心素養。

1 科學史教育需要認真考證

教師要想利用科學史進行教學，就必須正確認識真實的科學史過程，不能將故事與科學史混為一談。例如，牛頓被蘋果砸下后發現重力，瓦特通過爐具燒水發明蒸汽機等耳熟能詳的故事是否屬實，就需要教師在教學過程中認真考證，慎重引用。科學史必須基于真實的科學事實，2019年人教版的高中生物教材就對2004年版人教社的高中教材中部分科學史進行了修改。其中，典型例子為必修2“伴性遺傳”中道爾頓發現紅綠色盲的過程。2004年版教材中介紹道爾頓因為在圣誕節買襪子送給媽媽當禮物從而發現自己色覺異常，而2019年版中則改為道爾頓在觀察花色從而發現自己色覺異常。這一改動是因為2004年版的事例基于普遍流傳的故事，而2019年版的事例是基于道爾頓公開發表的論文中的介紹。

對光合作用的科學史，2019年版教材也做出修改。教材基于內容需要少而精的原則，對初中涉及過的有關科學史內容做出了刪除。但在實際教學中，教師需要明確光合作用的認識過程是經歷了海爾蒙特、普利斯特利等幾代科學家的努力，不能因為高中教材的刪減而對光合作用的認識過程出現偏差。

2 普利斯特利實驗對核心素養的培養

《課程標準》指出生物學學科核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。核心素養的培養是生物學科課程的宗旨。教師引導學生更好地理解普利斯特利實驗設計過程，選擇合適的實驗內容進行分析，能夠幫助落實生物學學科核心素養。

普利斯特利實驗是光合作用科學史中重要的實驗。他的實驗思路體現了人們對于光合作用過程的早期理解，實驗現象直觀且貼近學生的認知水平，他的實驗過程很好地闡明科學探究的一般性原則，是歷史上比較早期的探究性實驗。

針對普利斯特利究竟怎樣開展實驗這一問題，筆者通過《科學教學——科學史和科學哲學的貢獻》《發現空氣的人：普里斯特利傳》等有關書籍與人教版初高中教材、蘇教版初高中教材進行比較，結果發現，初中蘇教版教材較為完整地介紹普利斯特利實驗生物實驗過程。

2.1 訓練科學思維能力

單純地擺放植物無法直接得出植物更新空氣，除蘇教版初中教材外，其他版本教材不做介紹。但是，該組實驗是普利斯特利對植物更新空氣作用認識的契機，經歷了發現問題、作出假設、實施實驗、不符預期、重新假設等階段，可以讓學生體會到科學思維過程。

首先，普利斯特利基于一般認識做出預測：因為植物和動物生存都需要普通空氣，所以植物和動物都以相同方式影響空氣。同時，提出自己的探究性問題：如果動物在密閉容器里會迅速死亡。那么，植物在這樣的環境下多久才會死亡呢？并做出實驗預期：植物死亡。他進一步提出探究問題：植物的生存時間會超過老鼠或青蛙嗎？它們的生命力會更差嗎？實驗過程中，他詳細記錄植物生長情況，并與空氣環境進行比較。“那植物沒受什么影響，只是出現了一直被封閉后的必然變化。處于其他幾種空氣環境的植物，也都出現了相同的現象，新長出的葉子總比老葉子小、出現了爛根現象，莖也爛了，從根開始爛起。但該植物仍在生長，仍通過又黑又爛的莖汲取營養。”普利斯特利驚奇地發現植物在密閉環境下是可以生長的，推翻了原有的認識和假設，并由此才有了對密閉容器中植物和燃燒的蠟燭實驗探究、密閉容器中植物和動物實驗探究。

因此，在教學過程中，教師可以借鑒普利斯特利的發現過程，通過問題串的設計，訓練學生科學思維能力：“動物的生活需要空氣，植物的生活是否也需要空氣呢？如果動物在密閉容器里會迅速死亡，那么植物在密閉容器下多久才會死亡呢？如果將動物和植物一起放在密閉容器，是否會死亡速度變得更快？如何設計實驗證明自己的猜想，請簡要闡述自己的實驗思路。”

2.2 體會科學探究過程

普利斯特利具有較強的科學探究能力。他認為在自然研究中需要以下的習慣和技能——觀察、假設、找證據或反駁證據、進行對照實驗。普利斯特利設計了各種類型的對照實驗的，見表1。

表1 普利斯特利實驗的對照類型

普利斯特利除了重視通過對照實驗來獲得可靠結論外，還清晰地認識到科學結論的獲得離不開重復性實驗。教學時，教師可以補充介紹普利斯特利僅在1771年，他“在夏天剩余的時間里把這項實驗重復做了8次到10次，細節上一點變化都沒有”。一直到1778年，普利斯特利還不斷重復實驗。教師通過介紹上述細節，可以讓學生體會到重復性實驗對獲得科學結論的重要性，并提示：由于他沒有發現光照對植物恢復空氣的能力的影響，所以他對結論的確信程度降低了。另外，補充另一細節，讓學生感受到科學探究必須尊重事實，實事求是：“總的來說，今年的實驗否定了我以前的假設。因為無論是用呼吸過后的空氣做實驗，還是用蠟燭燃燒或其他物質燃燒過后的空氣做實驗，空氣質量不但沒有變好，反而變壞了。”

除了上述實驗內容外，教師可以引導學生進一步思考借助本實驗裝置及實驗材料，還可以提出哪些探究問題。在學生提出新的方案交流過程中，可以適當介紹普利斯特利提出的其他一系列問題，見表2。

表2 普利斯特利實驗的深入研究

普利斯特利對實驗目的、實驗操作的設計、實驗觀測指標的選擇等都做了深入的思考和實踐。教師挖掘科學史，提出這一系列問題，進一步激發了學生對于科學問題的思考，為學生科學思維和科學探究培養提供幫助。

2.3 樹立生命觀念

“細胞的生存需要能量和營養物質，并通過分裂實現增殖”是《課程標準》在必修1中要求的核心概念，體現了生命觀念里面的物質觀和能量觀。普利斯特利雖然是神職人員，空氣雖然看不見，但是普利斯特利堅定地認為世界是由物質組成，物質是可以相互轉化的。因此，在空氣更新的實驗中，他大膽假設空氣污濁可能是蠟燭燃燒或動物呼吸產生了有毒害的物質（燃素），空氣更新是因為植物產生了有用的物質（去燃素）。對于氣體的不斷研究，他由此寫出了《論各種不同的氣體》一書，并因此獲得英國皇家學會授予的科普利獎。普利斯特利意識到能量貫穿世上一切生命，他在另一篇論文《對呼吸和血液利用的觀察》中，將植物呼吸與動物的能量需求聯系了起來，并暗示涉及某種關鍵的能量轉移。由此，教師可以導入光合作用探究過程的進一步介紹，讓學生體會到任何科學的發展，離不開一代代科學家們的不斷努力，從而幫助學生落實對核心概念“細胞的生存需要能量和營養物質，并通過分裂實現增殖”的理解，體會到光合作用過程物質和能量的變化是不可分割。

2.4 培養社會責任

普利斯特利的實驗目的體現了他的社會責任感。他在1772年英國皇家學會演說時提到：“弄清火焰對空氣的組成成分帶來什么變化；為恢復空氣在這些過程中所受到的損失，自然界究竟需要采取什么措施。”英國皇家學會也在頒獎詞中寫道：“通過這些發現，我們確信任何植物的生長都是有價值的，從森林中的橡木到田野中的野草，每株植物都對人類有益。”

通過上述評論看出，普利斯特利已經具有一定的系統觀，并在這一生命觀念的引領下，認識到由于空氣的聯系，植物——動物——人在大自然中相互影響，形成一個整體。空氣惡化對自然界的影響會影響到人類生活，而植物在恢復空氣過程中起到重要作用。

總之，普利斯特利實驗，總結了科學探究的一般規律，掀開了18世紀關于對于各種物質分離和分類的化學革命，啟動了百年之后對生態系統物質循環、能量流動的認識，并驅使一代一代人對于生物與環境關系進行思考。對普利斯特利實驗重新認識，將有利于培養學生的生物學學科核心素養。