例談如何利用科學史創設教學情境

張琳琳

[摘 ? 要]生物科學史包含大量的科學實驗，蘊含著科學思維的嚴謹性、批判性和繼承性，體現科學探索的艱辛過程，是生物教學的優質教學資源之一。利用科學史創設教學情境可以加深學生對核心概念的理解，有效培養學生的科學思維能力。文章以“噬菌體侵染細菌實驗”為例談談如何利用科學史創設教學情境。

[關鍵詞]科學史;教學情境;噬菌體侵染細菌實驗

[中圖分類號] ? ?G633.91 ? ? ? ?[文獻標識碼] ? ?A ? ? ? ?[文章編號] ? ?1674-6058（2020）26-0090-03

教材內容的呈現應當有利于學生通過活動建構新知識。有效的教學情境，能夠激發學生的好奇心和求知欲，點燃學生的學習熱情，使學生形成良好的求知心理，從而使學生主動參與對所學知識的探索發現和認識過程[1]。教學情境創設的方式較多[2]，本文以“噬菌體侵染細菌實驗”教學為例談談如何利用科學史創設教學情境。

一、 利用科學史創設教學情境的內涵分析

生物科學史包含大量的科學實驗，凝結著科學家的智慧，蘊含著科學思維的嚴謹性、批判性和繼承性，也展現了科學探索的艱辛過程，因此成為生物學核心概念形成的源泉，是生物教學的優質教學資源之一。然而，科學的發展是螺旋前進的過程，其中有科學家的困頓，有新發現的欣喜，有堅持傳統觀念的偏執，有科學實驗的深奧。因此，利用科學史創設教學情境，不應是科學事件的簡單堆砌，而應當以核心概念為中心對科學史進行研究、甄選和加工，以活潑的方式、清晰的歷史路線展現科學史資源，恰當地引導學生進行思維，從而實現教學的基本目標，落實對學生生物學學科核心素養的培養。

利用科學史創設教學情境需要教師關注、選擇和收集科學史材料，并對其進行恰當的處理后作為教學情境設計的資料和學生課堂討論的素材。以“噬菌體侵染細菌實驗”教學為例，在創設教學情境時可收集以下科學史材料。

[科學史材料]1915年，英國著名細菌學家Twort在培養化膿性葡萄球菌時發現有些菌落上長了透明斑，從而推測可能是細菌分泌的一種酶將菌體裂解了[3]。1917年，法國D' Herelle以恢復期病人志賀氏痢疾桿菌為材料觀察到噬菌現象，并分離出這種能使細菌裂解的過濾因子，命名為“Bacteriophage”，即噬菌體[3]。隨著噬菌體研究的深入，發現噬細菌體、噬藍細菌體和噬放線菌體等，它們廣泛存在于自然界中。因此，噬菌體被定義為能夠感染細菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物的病毒的總稱[4-5]。

20世紀40年代是研究噬菌體的重要時期，隨著第一批電子顯微鏡的制造，1941年開始陸續報道出對噬菌體形態的觀察。1942年，Luria和Thomas F.Anderson利用電子顯微鏡首次看到了吸附在細菌表面的噬菌體。次年，美國M.Delbrück（噬菌體學派創始人）也加入到電子顯微鏡觀察噬菌體的行列中，觀察到了四株噬菌體侵染大腸桿菌并吸附的過程。1942年，Delbrück和Luria合作，憑借他們良好的物理學訓練和物理學研究經歷，他們的思想更加解放、更富有創造力，最終分離出大腸桿菌噬菌體T系列、[?]X174等，發現噬菌體的釋放是一個爆發過程，包括潛伏期、生長期和裂解釋放期，并設計了一步生長實驗，測定了烈性噬菌體T2侵染細菌和成熟噬菌體釋放的時間間隔，繪制出每個被侵染細胞釋放噬菌體的生長曲線，即T2噬菌體一步生長曲線[6]。

噬菌體如何侵染細菌？是何種物質在噬菌體增殖中起作用？1949年，生物化學家Cohen利用同位素標記的方法發現噬菌體幾乎全部由蛋白質和DNA組成。同年，美國Anderson發現在高濃度NaCl溶液中噬菌體會失去侵染的活性，利用滲透壓的驟變可使噬菌體失活。電子顯微鏡可清晰地顯示被滲透壓沖擊失活的噬菌體釋放DNA的過程，噬菌體成為一個空殼的“幽靈”。1951年，Herriott研究發現滲透壓驟變能使噬菌體頭部釋放DNA，而“空殼”仍可以吸附到細菌上。Benzer Dulbecco于1952年也發現在不引起生長的緩沖液中，噬菌體吸附到細菌上后，其DNA變得對DNA酶敏感了[7]。在前人的基礎上，為了更好地驗證噬菌體吸附細菌后DNA從外殼中排出，1952年，赫爾希和蔡斯用35S和32P標記的噬菌體吸附細菌碎片，在37 ℃保溫30 min，離心15 min，然后對沉淀和上清液分別進行分析，其結果證實了噬菌體DNA具有感染性。

自此，科學家基本上弄清了噬菌體的吸附、侵入、復制、組裝、釋放這一由親代到子代的生命周期。1969年，諾貝爾生理學或醫學獎授予了德爾布呂克、盧里亞和赫爾希三位遺傳學家，以表彰他們“利用噬菌體作為實驗材料，發現了病毒的復制機制和基本結構”[8]。

二、依據核心概念進行科學史甄選

情境創設需要根據課程和學生的接受能力做相應的調整，使其具有針對性。筆者認真研究了噬菌體侵染細菌實驗的相關歷史材料，并根據課程標準和高中生的思維特點，圍繞核心概念對科學史事件進行篩選（如表1）。

三、利用科學史創設教學情境

1.利用科學史創設真實的歷史情境，激發學習興趣

真實情境的創設貼近學生的生活或認知范疇，容易激發學生的情感。噬菌體侵染細菌實驗以印度恒河為真實情境，展示印度恒河的照片，提供歷史資料：200年前，英屬東印度公司的貨船專門補充恒河水，為什么呢？1896年，英國細菌學家在印度的Gangs和Jumna河的水域中發現一種有明顯抗霍亂弧菌的物質，因此恒河水經過幾個月的長途航行依然甘甜如初，不會變質。該故事引發了學生的認知沖突，使學生迅速產生探究欲望。

2. 利用科學史設計科學家對話情境，引發學生自主探究

設計多位科學家的自述，體現科學歷史發展規律。

德爾布呂克的自述：“我是德爾布呂克，一名原子物理學家。我為生命著迷，但是成天與果蠅打交道實在太難，感謝噬菌體拯救了我。我和盧里亞成立了噬菌體俱樂部來研究噬菌體的生長特點。我們對它的生長進行定量研究，寄主菌和噬菌體的實驗結果分析十分簡單，實驗1天內就能完成，而且技術容易掌握。瞧，這是噬菌體一步生長曲線，你看到了什么？”

Anderson的自述：“1949年注定是我不平凡的一年，我利用電子顯微鏡觀察到因滲透壓的驟變而失活的噬菌體呈蝌蚪形的空殼‘幽靈，真不可思議。”

Herriott的自述：“在1951年，我發現滲透壓驟變能使噬菌體的DNA釋放到溶液中，而‘空殼仍可以吸附到細菌上。難道噬菌體的增殖首先要除去保護性的外殼？”

Benzer Dulbecco的自述：“我發現在不引起生長的緩沖液中，噬菌體吸附到細菌上后，其DNA變得對DNA酶敏感了。難道噬菌體侵染細菌過程中注入的是DNA？天啊，難道噬菌體的遺傳物質是DNA？這怎么可能？”

教材中“噬菌體侵染細菌實驗”的表述并不能直接激發學生的學習興趣，而通過歷史事件的梳理，學生可以自主構建噬菌體的結構和噬菌體的增殖過程。加工歷史資料，用科學家自述的口吻展現科學研究的發展，引導學生做出假設、設計實驗、預期結果，從而激發學生自主探究的激情，讓原本枯燥的實驗數據和實驗過程增添一些人文情懷，讓學生走近豐滿的歷史人物，尊重科學的發現歷史，培養學生的探究思維和閱讀能力。

四、注重圖文展示科學史中的重要研究結果

噬菌體侵染細菌實驗難以開展學生實驗，很難讓學生親身體驗實驗過程并完成實驗結果分析。為此，巧用科學史中的實驗結果曲線圖展示，能更有效地促進學生對結果的討論和結論的獲得，培養學生實驗設計的邏輯嚴謹性。例如，M.Delbrück的噬菌體侵染大腸桿菌一步生長曲線（如圖1），為學生了解噬菌體侵染過程提供直觀的生長曲線，讓學生感受噬菌體生長有潛伏期、生長期和釋放期。

赫爾希和蔡斯的Worling攪切器實驗結果曲線（如圖2）幫助學生佐證自己的假說，培養學生的圖像分析能力，同時促使學生進一步思考實驗結果中的“意外”：怎樣設計實驗去除噬菌體不能百分之百侵染細菌對實驗結果的影響？攪拌實驗真的可以影響實驗結果嗎？讓學生感知科學研究中的批判性思維和假說—演繹法。

綜上，教師需要有目的地創設生動活潑的情境去營造一種富有吸引力的學習氛圍，促使學生自主參與知識認識和探索的過程。科學史本身就是科學知識的來源，是眾多科學家創新精神和創造能力的記載。但是，科學史的發展是交叉性的，涉及的研究方向較多，沒有明確的發展主線，一線教師需要研究科學史材料，圍繞教學目標選擇、挖掘和加工科學史材料，為學生提供較為合適的材料信息，這樣才能有效地發展學生的科學思維，讓學生感受到有血有肉的科學家形象，培養學生的批判性思維，使其體會科學發現中的人文精神，從而有效培養學生的學科素養。

[ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻 ? ]

[1] ?中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] ?沈海燕.高中生物課堂教學中創設多種活動情境的研究[J].中學生物學，2011（11）：34-35.

[3] ?傅杰青.究竟是誰發現了噬菌體？[J].自然辯證法通訊，1985（6）：50-54+80.

[4] ?王盛，童貽剛.噬菌體治療研究進展[J].微生物學通報，2009 （7）：1019-1024.

[5] ?周德慶.微生物學教程[M].3版.北京：高等教育出版社，2011.

[6] ?羅成，徐斌.噬菌體研究的歷史與現狀[J].生物學雜志，1987（5）：20-23.

[7] ?黃建華.以“科學思維邏輯”組織“噬菌體侵染細菌實驗”的教學建議[J].生物學教學，2016（9）：61-63.

[8] ?程銳創.生物課堂教學情境創設存在問題和解決策略[J].中學生物學，2016（3）：15-17.

（責任編輯 黃春香）