挖掘生物科學史教育價值淺見

◎ 李明華

生物科學史是一部關于生物科學的發生、演變和進步的歷史,它里面包含生物科學家的科學思想、科學方法、科學世界觀、科學精神等方面的內容。新課程標準明確指出:“生物學科教學目標就是要注重培養學生的科學思考、科學方法、科學精神等為代表的科學素養”[1]。因此,在日常教學中就需要我們生物教師進一步轉變固有的教育理念,充分挖掘有限的生物科學史料中的教育價值,不斷拓寬和提升自己對于生物科學歷史的知識理解和駕馭廣度和深度,合理運用現代教學技術手段和授課技巧,以探索科學發現的過程為基礎,在教學中充分發揮學生的學習主體性作用的同時,提升科學素養課堂教育水平。

一、激發學習興趣、有效助力學生構建知識體系

課堂教學中引入生物科學家進行科學發現探索過程中所發生的有趣故事,足以引起廣大學生深入探究的強烈欲望和學習興趣。

比如:講解“光合作用”時,合理引用以下幾個史例:

史例一:1648 年海爾蒙特柳樹實驗。

結論:柳樹的營養和生長產出的物質來自水,而非來源于土壤。

史例二:1771 年英國的普里斯特利巧妙設計“綠色植物、燃燒的蠟燭和小鼠”實驗。

結論:植物光合作用可以更新空氣。

史例三:1779 年荷蘭的英格豪斯認真重復普里斯特利的實驗。

結論:是植物凈化空氣需要光照。

史例四:1782 年瑞士的謝尼伯“植物、氧氣、二氧化碳”實驗。

結論:二氧化碳是植物生長的一種原料。

史例五:梅耶依據“能量轉換和守恒定律”得出關于光合作用歷史性總結

結論:綠色植物在進行光合作用時,把光能轉換為化學性的能量貯藏起來。

史例六:1864 年德國的薩克斯設計“植物葉片+碘蒸汽”實驗。

結論:光合作用可能產生淀粉,并需要光。

史例七:1880 年德國的恩吉爾曼“水綿和好氧性細菌”實驗。

結論:葉綠體是綠色植株發生光合作用的地方。

史例八:20 世紀30 年代美國的魯賓和卡門利用氧18 同位素標記法實驗。

結論:光合作用產生的氧氣全部來自水。

史例九:20 世紀40 年代美國的卡爾文利用碳14 同位素標記二氧化碳實驗。

結論:綠色植物光合作用把吸收的二氧化碳轉化在有機產物中。

以上9 個典型的有關光合作用各階段探索實驗案例,是學習光合作用系列知識點的有效載體,教師可以引領學生親歷這段偉大的科學探究過程,讓他們從實驗過程中總結出光合作用的反應底物、產生物、實驗必須條件和實驗場所等知識要點,再由此引導學生嘗試完成光合作用反應過程表達式的書寫(注:不同學段表達式有不同表現形式),幫助學生主動構建綠色植物進行光合作用的概念。同時,教師還可以有選擇性地引導學生進行分析:科學家們在研究探索過程中在實驗材料的選取、實驗過程的設計、實驗結果的分析等技術方面的精妙之處,體會科學的思考方式,有利于培養學生的歸納總結、產生科學概念的能力。另一方面,其他學科的進步對光合作用探究歷程起到了極大的促進作用,比如直到1785 年,拉瓦錫發現了空氣的組成成分,人們才能明確光合作用產生的氣體是氧氣,吸收的是二氧化碳;放射性同位素研究理論的確立,然后才有了魯賓和卡門利用同位素示蹤法證明光合作用產生的氧氣來源于水,以及后來的卡爾文循環的偉大發現。如此引導學生去探究一系列問題的解決過程,有利于助力學生主動建構同一學科及不同學科間的知識體系。

二、激發學生的個人潛能,學習科學方法,養成科學思維習慣[2]

生物科學史給我們提供了豐富多彩的培養學生科學思維和學習科學方法的好素材。比如在講授“孟德爾遺傳規律”時我們要讓學生完成四個層次知識認知和能力訓練。其中“基因分離規律”和“自由組合規律”概念的認知,遺傳規律的證明和解釋,運用遺傳規律解釋遺傳現象為前三層,還有一層也是難點層,就是在引導學生完成遺傳規律學習的過程中,學習和掌握一定的科學探究方法,訓練和養成科學思維習慣。這里就需要老師巧妙引導學生分析研讀孟德爾發現遺傳規律的史料,親歷孟德爾的持久的科學探索過程,了解“假說演繹法”的工作流程:①觀察現象提出問題(解釋現象的新見解),②建立“猜想”或“假說”,③設計實施計劃和實驗方式,④實施實驗和檢驗過程和收集現象數據(證據),⑤分析數據(證據) 和演繹推理論證得出結論。感受正確運用“假設演繹推理”獲得探索成功的樂趣。其實在遺傳學發現史上諸如:“基因與染色體的關系”、“DNA 半保留復制模式”等重要發現都是依照孟德爾的科學實驗法得到檢驗論證的。

三、提升學生的科學思想水平,養成正確的科學態度和價值觀[3]

科學探索的過程中離不開高屋建瓴的科學思想的引領,以及正確的科學態度和價值觀的堅持。每個劃時代的生物學理論的確立,一般都是某個突破時代思想觀念的科學觀點,在長期的爭論中得到可重復的實驗驗證。科學探索發現的過程其實就是個科學觀點的發現、繼承、修正、突破和發展的過程。這一過程中展示了同一個研究領域科學家之間不同觀點之間的辯論與實驗驗證持續斗爭的情景。生物科學史本身其實就是一部反映生物科學家們的思想進步史。正確引領學生學習生物科學史可以有效提升學生科學思想水平,形成正確的科學態度和價值觀。比如:在“酶”的發現史上曾經發生過著名的學術爭論:“生命說”與“化學說”。其中“生命說”領軍人物巴斯德認為酒精發酵主要是由于酵母菌活細胞的參與,糖類才最終被發酵成酒精,而且提出一個新的假說:認為發酵主要可能是由一種“生命酵素”來幫助實現的,是“生命說”的一個重要代表;但“化學說”的一個重要代表人物——生物化學家李比希,卻一直非常堅持地認為糖的酒精發酵應該是由酵母菌細胞產生的某種化學物質促進的化學反應。1897 年,德國化學家畢希納在實驗中成功制作了無活細胞的酵母菌細胞提取液,再把提取液加入葡萄糖溶液中,觀察到酒精發酵現象,從而得到結論:“酒精發酵主要是由酵母細胞中產生的‘酵素’引起的化學反應”。學術在爭論中進一步提升,科學不迷信權威。

因此,在日常教學中,我們應該多角度分析、研究那些具有代表意義的經典的生物科學史資料,集思廣益,挖掘這些史料中潛在的教育價值,引導學生發揮他們在學習上的主觀能動性,以提升科學素養教育水平為目的,主動構建有效的生物課堂教學。