基于HPS教學模式培養學生科學思維

宋晨辰 （上海市位育中學 上海 200231）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》提出要重視科學思維這一核心素養的培養。科學思維是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力[1]?？茖W史、科學哲學與科學社會學（history，philosophy and sociology of science，HPS）[2]反映了科學家創造性地進行科學工作的歷程，蘊含著科學家嚴謹客觀、求真求實、質疑批判、創新協作、執著堅持的科學思維和科學精神。HPS 教學對于學生科學思維的養成是有價值的[3]，拓展了教師進行科學思維培養的教學資源和教學思路。教師在HPS 教學過程中應明確科學的首要價值不在“物”的層面，而是指向“人”的教育，要重視科學思維在落實立德樹人根本任務中的關鍵作用。本文以“遺傳物質”的HPS 教學為例，挖掘在探索遺傳物質本質的過程中所體現的科學思維，為學生科學思維的培育提供參考。

1 遺傳物質HPS 教學中培養科學思維的科學史資源

1.1 從科學家對真知的崇尚和探索感悟客觀和實證的科學思維 科學研究具有客觀性和實證性?？茖W家通過求真和實證，從客觀依據中獲取科學事實，從而正確認識科學的本質，這反映了科學家對真知的渴望。1935—1944年,美國洛克菲勒學院的3 位免疫化學家艾弗里（Oswald Theodore Avery）、麥克勞德（Colin Munro MacLeod）和麥卡提（Maclyn McCarty）進行了肺炎雙球菌（Streptococcus pneumoniae）轉化實驗。他們通過不斷去除S 型細菌中的各種成分，得到純化的“轉化因子”［4］。實驗發現“轉化因子”中DNA 純度越高，轉化效率越高；當用DNA 酶處理“轉化因子”后，則沒有轉化功能；當用蛋白質酶處理，轉化效率并未降低，從而提出了DNA 是肺炎雙球菌的遺傳物質。科學家為了求證遺傳物質的化學本質，有針對性地設計實驗，不斷反復驗證，以確保實驗結果的可重復性和真實性。1952年，赫爾希（Alfred Day Hershey）和蔡斯（Martha Cowles Chase）將噬菌體作為研究對象，再一次探索遺傳物質的真相。他們通過同位素標記和離心技術，分別用35S 和32P 追蹤蛋白質和核酸在噬菌體感染細菌過程中的去路，證實了只有DNA 參與噬菌體顆粒的復制過程。在后來的Phi X174 噬菌體實驗中,將病毒分離成DNA 和蛋白質衣殼2 個部分,發現僅病毒的DNA 具有感染能力［5］。由此可見，遺傳物質的發現過程，是許多科學家通過不同的實驗手段，反復探索、求證，這也說明事物的本質和規律是需要理性的思考和切實的依據去證明和支持的。通過這些科學史實可促進學生對科學的正確認識，形成客觀、實證的科學思維方法。

1.2 從科學的相對性和局限性習得質疑和批判的科學思維 科學本身具有時代的局限性，科學理論不是絕對的真理，在漫長的科學發展中有可能會被推翻、更新。質疑和批判的科學思維是基于理性的思考或研究基礎上，對已有的知識、理論和權威進行質疑、拷問、求證。在遺傳物質發現的過程中，存在著很多質疑，主要是集中在遺傳物質是蛋白質還是核酸的討論上，正是這些懷疑和批判推動著科學家對遺傳物質的不斷探索。1925年，瑞典物理化學家斯韋德貝里（Theodor Svedberg）研制出了超速離心機［6］，明確了蛋白質是有確定大小的生物大分子。之后，胃蛋白酶和脲酶被成功結晶，馬丁（Archer John Porter Martin）和辛格（Richard Laurence Millington Synge）通過層析法分析蛋白質水解物［7］，人們逐步接受了蛋白質是具有特定結構和一定組成的純凈大分子。然而，對于核酸的研究卻走上了彎路?？瀑悹枺ˋlbrecht Kossel）第1 個分離出腺嘌呤、胸腺嘧啶和組氨酸［8］，他曾提出一些關于核酸的功能及現代遺傳信息的思想，但因缺少證據并未引起科學界的重視。美國生物化學家萊文（Phoebus Aaron Theodor Levene）在對核酸的研究中，由于測定不夠精確，誤認為4 種堿基的含量相等。1921年，他提出了關于核酸組成的“四核苷酸”假說，認為核酸是線性排列的四核苷酸多聚體，這一假說直接說明了核酸結構簡單，并不能蘊含復雜而龐大的遺傳信息［9］。所以，盡管艾弗里成功進行了實驗并提出DNA 是遺傳物質，大多數科學家對這一結果仍持觀望態度。還有人提出質疑，認為轉化實驗中DNA 并未能完全提純，可能是殘存的蛋白質雜質在起轉化作用［4］。也有科學家認為即使“轉化因子”確實是DNA，但也可能是DNA 對莢膜的形成起某種化學效應，而不是充當遺傳信息的載體。在當時的科學背景下，由于人們對DNA 結構的認識還不充分，生命科學探究的技術手段尚不成熟，人們對遺傳物質的化學本質抱有懷疑態度，這種質疑是合理的，也是科學發展所需要的。

1.3 從科學的復雜性和接續性體會守正和創新的科學思維 科學研究是一項復雜的工作，是需要一代又一代科學家在前人的基礎上不斷繼承、發展、創新，是一個長期的過程。教師要引導學生學會認識研究問題的背景，借助已有的科學成果，進一步實踐和創新。遺傳物質的發現正是由許多科學家接續奮斗的結果。米舍爾（Friedrich Miescher）是第1 個發現核酸的科學家，他將這類物質命名為“核素”。細胞學家赫特維希（Oscar Hertwig）提出核素可能負責受精作用和遺傳性狀的傳遞。遺傳學家威爾遜（Edmund B. Wilson）推測染色質與核素是同一物質，可能是遺傳物質的基礎［10］。1928年，英國科學家格里菲斯（Frederick Griffith）以小鼠為實驗材料，研究肺炎雙球菌是如何使人患肺炎的，當時他并未意識到這與遺傳物質有關。道森（Martin Henry Dawson）和西婭（Richard Sia）成功地在體外進行了肺炎雙球菌轉化實驗，排除了因小鼠體內免疫物質誘導轉化的可能。阿洛維（Lionel J. Alloway）通過實驗表明，轉化并不是S 型細菌“復活”這么簡單，而是與遺傳物質有關。艾弗里敏感地抓住了格里菲斯這個實驗所反映的問題，并作了進一步改進，大膽地提出DNA 是遺傳物質［8］。這一創新性的想法和這些早期的研究為赫爾希和蔡斯的實驗提供了參考，加之當時同位素示蹤技術和離心技術的日漸成熟和廣泛應用，為實驗提供了技術保障，他們通過大膽的假設和實踐發現了噬菌體遺傳物質的本質。

1.4 從開放和協作的角度建立嚴謹和合作的科學思維 科學的發展離不開不同學科或同一學科內部的相互影響和交融。科學的發展和理論的完善是一批科學家相互協作的結果，正是他們或緊密或跨越時空限制的合作，嚴謹和客觀的科學思維和科學態度，促進了人們對遺傳物質的認識不斷深入和全面。赫爾希和蔡斯的實驗設計巧妙，雖然得到了大多數科學家的認可，但也存在一些在當時不能被解釋的實驗現象。例如，離心后仍有25%的35S 標記在沉淀中，15%的32P 位于上清液中。若干年后其他科學家證實了這25%35S 主要由噬菌體的尾部碎片構成,這些碎片與細菌表面黏附過于緊密,不能通過離心攪拌去除；而上清液中的32P，一部分是攪拌時細菌破裂造成的，還有一部分是附著在細菌上有缺陷的噬菌體顆粒造成的，這些噬菌體顆粒不能注射它們的DNA 進入細菌。通過后者的補充，讓赫爾希和蔡斯的實驗結論更加完善［9］。此外，對DNA 結構的不斷探索和認識，在功能和結構的統一性上進一步證實了DNA 作為遺傳物質的可能。英國物理化學家富蘭克林（Rosalind Elsie Franklin）及其同事威爾金斯（Manrice Wilkins）用X 射線衍射方法獲得了DNA 晶體結構的資料［10］。查哥夫（Erwin Chargaff）提出DNA 的堿基數量總是A=T、G=C，糾正了“四核苷酸”假說。沃森（James Dewey Watson）和克里克（Francis Harry Compton Crick）提出DNA雙螺旋結構模型，解釋了DNA 以自身分子為模板準確復制成2 個拷貝，并分配到2 個子細胞中，從而完成遺傳信息載體的使命?？茖W家從未停止對遺傳物質化學本質的探索。1957年，格勒（Girer）和施拉姆（Schramm）用石碳酸處理煙草花葉病毒，證明了RNA 起著遺傳物質的作用［11］。之后，還有科學家將煙草花葉病毒的RNA 與車前草病毒的蛋白質相結合，進行侵染實驗，進一步證明了RNA 在遺傳上的作用。1982年,科學家在研究瘋牛病時發現了朊病毒,證明了在某些情況下僅有蛋白質而沒有核酸類遺傳物質的生物體的存在［10］。

1.5 從科學發展的曲折與艱辛中感悟堅韌和執著的科學精神 DNA 分子是攜帶遺傳信息的主要物質，這一結論的得出經歷了大約80年的時間，是許多科學家在無數次實驗失敗、不斷總結、繼續實踐、深入探索后的結果。艾弗里的實驗歷經了10年的反復研究。赫爾希從1938年就開始利用噬菌體研究遺傳物質，直至14年后才完成噬菌體侵染細菌實驗。即便如此，這個實驗在嚴謹性和精確度上仍不斷被后來的科學家所完善和補充。在對DNA 結構的研究上，經歷了長達30年的“誤判”期，直到查哥夫、沃森、克里克等許多科學家用執著的科學精神，堅韌的求知態度，力排眾議，大膽猜測，在一次次失敗、一次次總結中研究得出。

2 遺傳物質HPS 教學中培養科學思維的教學策略

2.1 重視HPS 教學，合理選取科學史素材 科學的發展，是一個艱辛而漫長的過程，是無數人前赴后繼的探索過程。學生的學習由于受時空的限制，不能事事親歷。教師若僅結合教材進行知識講解，重科學結果、輕探索過程，將不利于學生科學思維的培養。HPS 融合了科學與迷信、真理與謬誤、唯物和唯心、辯證法和形而上學，蘊含了科學家嚴密的邏輯思維和求真的科學態度。學生在基于HPS 的學習中，可充分感悟其中體現的科學思維。HPS 教學的素材不在于全，而在于精，在于有針對性。教師首先要重視HPS 教學，理清科學發展的思路，提取其中蘊含的科學方法和態度，對素材進行適當的選擇，注重科學性和思想性相結合，注重挖掘科學實踐背后的意義和內涵，在潛移默化中培養學生的科學思維。

2.2 基于真實的科學情境，精心設計問題 HPS中豐富的科學史素材為課堂活動提供了大量的情境，教師可通過還原真實場景、模擬科學探索思路，設計動手、動腦的教學活動?；顒拥脑O計應以培養核心素養為目標，促進學生對活動任務展開分析和思考，加強學生的主體地位，從而讓學生建立生命科學知識體系，進行辯證思考、批判感悟，發展科學思維，提升解決問題的能力。

1）問題的設計應有利于挖掘學生的思維潛能。例如，艾弗里成功證明了DNA 是遺傳物質，但由于技術所限，艾弗里提純的DNA 純度最高時仍有0.02%的蛋白質雜質。1946年，艾弗里進入諾貝爾獎第2 輪提名，諾貝爾獎初審哈馬斯登卻未通過艾弗里的提名。教師可設問：艾弗里未被通過的原因可能是什么？學生進行思考回答，教師再給出哈馬斯登的理由：他認為艾弗里的實驗中DNA 被蛋白質污染，蛋白質才是轉化因子。教師可進一步提問：如果你是艾弗里，如何進行實驗證明DNA 是轉化因子？學生思考、討論后，教師再展示艾弗里對實驗的改進：在實驗中增加“DNA+DNA 酶”這一實驗組。DNA 在DNA 酶的作用下被破壞，R 型細菌不能轉化為S 型細菌，與只加入DNA 的對照組相比，說明有且只有DNA 才能使R 型細菌轉化為S 型細菌。將科學史材料與思維活動相結合，通過問題不斷推進，挖掘思維的潛能，讓學生在與科學家思路的“不謀而合”中，獲得成就感，也培養了學生求真、嚴謹的科學思維。

2）注重問題的開放性，培養學生發散思維。例如，在講解噬菌體侵染細菌實驗時，提問：赫爾希和蔡斯在實驗中發現35S 標記的1 組沉淀物中有少量放射性，32P 標記的1 組上清液中也有少量的放射性，如何解釋這些現象？學生大膽猜測：可能是攪拌不充分，被標記的蛋白質衣殼吸附在大腸桿菌上，隨大腸桿菌進入沉淀物；也有可能是保溫時間過短，部分被標記的噬菌體未來得及侵染細菌；還有可能是保溫時間過長，細菌裂解釋放出被標記的噬菌體，通過離心進入上清液。教師可進一步提問：在真實的實驗過程中，赫爾希和蔡斯為何不攪拌充分？保溫的時間是否是隨意設定的？再引出科學家對這個現象的解釋。在問題的引導下，教師既要鼓勵學生大膽推測，也要能“腳踏實地”地論證，當學生的思維被激發后，他們的發散力和創造力是無窮的。

3）在評價中思考，鼓勵質疑與批判。教師可通過展示科學史故事，鼓勵學生表達自己的觀點。例如，當科學界普遍認為蛋白質是遺傳物質，艾弗里通過實驗否定了這一觀點。而大部分遺傳學家因為艾弗里實驗的局限性，對他的觀點產生質疑。這些合理的質疑，讓學生體會到面對已有的科學理論，如何用批判性思維進一步探索，同時認識到科學發展的曲折與不易。再如，教師還可請學生對“蛋白質是遺傳物質”和“四核苷酸”假說這2 種觀點進行評價，引導學生認識到科學的發展并不是一帆風順的，這些“試錯”都是必然的，是促進科學進一步發展的，從而培養科學的批判精神。

2.3 注重實踐，在探究中提升科學思維 僅通過“說”教，對于科學思維的培養還是浮于表面，而通過“做”科學，讓學生在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據、檢驗假設、發現規律等過程中習得生物學知識，養成科學思維習慣，形成積極的科學態度。

1）將科學史思想與探究相結合。例如，在進行肺炎雙球菌轉化實驗的教學時，可提出：加熱殺死的S 型細菌中可能會有哪些物質？要確定轉化因子，是分別對這些物質進行實驗還是同時實驗？怎樣的實驗結果能說明它是轉化因子？讓學生自主設計實驗，并對比實驗方案，請學生分析：一種思路是分別將S 型細菌的蛋白質、DNA、RNA 等物質去除，觀察轉化效果；另一種思路是將各種物質分離提純，分別與R 型細菌混合，觀察效果。哪一種方法更好？最后，教師再展示真實的科學探究史實。再如，當學生掌握了如何證明DNA 是遺傳物質的探究過程，教師引導學生進一步探究：某些病毒的成分只有RNA 和蛋白質，如何設計實驗證明其遺傳物質是RNA 還是蛋白質？通過之前科學史的滲透，學生很容易在新的情境中，對知識進行遷移。將科學史思想和探究相結合，設計有價值的探究活動，而探究本身就是思維深層加工的過程，也是知識構建和深化的過程。

2）積極為學生創造探究的機會。除了課堂問題引導，開展模擬實驗，教師還可組織學生開展研究性課題，親歷科學家的探究過程，在實踐中不斷感悟和領會。例如，可讓學生進行噬菌體侵染細菌實驗，明確混合、保溫、離心等各步驟的意義和作用，科學分析實驗數據，將自己的實驗結果與科學家的結果進行比較，通過思辨，提出進一步改進和提高的措施。學生在動手操作中，將科學思維外顯于實踐，體會科學探究的嚴謹與艱辛。