利用科學史培養學生生物學學科核心素養的探究

（上海師范大學教育學院 上海 200234）

生物學經歷了漫長的發展歷史，生物科學知識的產生是一個過程，且是不斷變化發展的。這是生物科學的本質特點之一。生物學科學史記錄了科學家在生物科學產生和發展中不斷探索的過程，展示了科學家進行創造性勞動的經過和成果，以及他們進行科學探索的思維過程和方法。因此，生物學科學史教學的內容除了科學知識，還應包含科學家的科學態度和人文精神?！镀胀ǜ咧猩飳W課程標準（2017年版）》中明確提出要重視生物學科學史的學習。把生物學科學史融入高中生物教材和課堂教學中，不僅可以讓學生了解科學家的探索過程，理解科學的本質。并且，學生通過學習生物學科學史，從而掌握蘊含其中的科學研究方法和思維，在潛移默化中提高科學探究能力，培養創新意識和不畏艱難的探索精神。

因此，深入挖掘高中生物教材中科學史這一寶貴教育資源的價值，對高中生物課程與教學的進一步改革和發展具有重要的啟發和借鑒意義。下面對高中生物學教材中科學史在培養學生的生物學學科核心素養方面的價值進行簡要的探討。

1 生物科學史的教育價值

1.1 體會概念的形成過程，加深對知識的理解，培養生命觀念

生命觀念是指人們能夠對觀察到的生命現象或事件進行解釋的品格和能力。在高中生物學中具體表現為結構與功能觀、物質與能量觀、穩態與平衡觀、進化與適應觀等。高中生物學教材中有很多概念是以定論的形式出現的，以學生現有的知識水平很難真正理解這些概念的內涵和外延。而生物學科學史記錄著一些概念的形成過程，可以啟發學生的思維，使學生隨科學家一起思考，親自見證概念的產生過程，從而體會到概念的本質，加深對知識的理解，而不僅僅是一個需要死記硬背的結果。在此基礎上，學生形成生命觀念，為日后工作或生活中解釋生命現象、探索生命規律打下基礎。

例如，在學習“酶的化學本質”時，教師介紹介紹酶研究的科學史，描述科學家對酶本質的探索過程，使學生加深對“酶的本質”的理解，即“酶是活細胞所產生的具有催化作用的有機物，并且大多數的酶是蛋白質，少數是RNA”的理解。這樣，學生不需要死記酶的概念，而是通過教材呈現的科學家探究之路，經歷了類似科學研究的過程，從中不斷發現問題、解決問題、得出結論，并不斷修正、完善結論。在這個過程中，學生經歷了由知識的接受者到知識探索者的角色轉變，從而理解了“絕大多數酶是蛋白質，而少部分酶是RNA”的事實。學生通過科學史探索概念的發展過程，更好地掌握概念的實質，更深刻地理解概念的內涵與外延，初步形成“結構與功能相適應”的生命觀念；同時，也能認識到生物學概念的最終形成不是一蹴而就的，而是在探索中不斷發展和完善的。

1.2 引導學生進入探究情境，激發學習興趣，發展科學思維

科學思維貫穿于科學本質學習的全過程，是一種基于證據和邏輯推理的思維方式。興趣是學生學習的動力和源泉。布魯納認為，學生應該用自己的頭腦主動獲取知識，而不是做一個被動的信息接收者。學生只有對知識的獲取充滿興趣，才能在學習中由被動轉變為主動?？茖W史是優秀科學家充滿智慧的探索和發現過程。教師再現生物學科學史，為學生創設科學探索的真實情境，讓學生跟隨科學家的步伐一起發現問題，讓學生進行推理得出假說，并鼓勵學生提出質疑，師生共同探討，對觀點進行辯駁，最后得出相關主張。整個過程中，師生進行激烈的思維碰撞，學生的批判與質疑、歸納與總結、演繹與推理等科學思維方法都得到充分的呈現與發展。教師要激發學生思考，給學生創造繼續探究的機會，以滿足學生解決問題、理解并掌握相關概念和原理的興趣。

例如，學習“免疫調節”時，教師呈現人類與天花病的抗爭史以及器官移植的研究歷程，使學生感受到病人被病痛折磨的痛苦，喚起學生的同情心，從而使學生對“如何使人類免于天花病毒的折磨”和“降低器官移植的排異反應”等與人類息息相關的問題產生探究興趣，對人體的免疫調節產生極大的探索欲望。繼而，學生嘗試針對疑問思考解決的措施，根據科學家的實驗過程解釋問題，分析并尋找結論，甚至可以根據現有的知識做出自己的假設。再如，具有很強故事性的植物生長素發現歷程可吸引學生隨著達爾文、詹森、拜爾、溫特等科學家進行的胚芽鞘向光彎曲及相關改良實驗一步步得出結論并提出新的問題，最終揭開生長素的迷紗。這些科學家也正是憑借著對生命現象的強烈好奇心和探究興趣，才共同完成了植物生長素發現史的“接力賽”。他們從問題提出到進行假設、驗證實驗以及結果的分析等都滲透著科學思維。因此，學生通過分析研究歷程中的各個環節，可以提升科學思維。

1.3 體悟探究歷程，掌握科學探究的方法，提高科學探索能力

科學探究是一種基于觀察、設計實驗等的綜合能力，滲透著科學態度和科學精神。其核心內涵主要包括提出問題、自主設計實驗方案、收集并記錄數據、小組合作討論交流、得出相關結論。《課程標準》重點強調要培養學生自主探究的能力，在掌握生物知識的同時，習得一些科學的探究方法和思維方式，對于學生今后的生物學習及其他科目的學習都大有裨益。科學的研究方法是認識自然以及獲取科學知識的重要程序或過程，生物學科學史揭示了科學家在進行探究活動時思考和解決問題的思想歷程和方法。這無疑可以幫助學生掌握科學的研究方法并在以后的學習和探索中應用，提高學生的探索能力。

例如，在學習“DNA是主要的遺傳物質”時，教材選取在遺傳物質探索歷程中具有里程碑式意義的重要實驗來讓學生親歷探索之路，包括格里菲斯和艾弗里的肺炎鏈球菌的轉化實驗、赫爾希和蔡斯的噬菌體侵染大腸桿菌的實驗，引導學生與科學家一起發現問題、提出假設、設計實驗、預測實驗結果，指示學生科學的探究過程。他們對實驗材料的選擇、實驗變量的控制等都讓學生置身于實驗探究的全過程，使學生在了解科學史的同時，掌握科學的思路和科學的方法。這些是進行獨立探索的必備技能。

1.4 學習科學家的可貴品質，塑造科學精神，培養社會責任感

社會責任是指學生基于對生物科學的認識，能參與到個人與社會事務的討論中，能對其作出理性的解釋和判斷，并有嘗試解決生產生活中的生物學問題的擔當和能力。科學史中科學家具有的可貴的品質和精神是進行科學探索必不可少、值得學生學習的。其中，敢于質疑權威、不畏艱苦、嚴謹求實的態度和精神在進行科學研究時尤為重要。生物學科學史讓學生追尋科學家探索的曲折歷程，以史為鏡，從中逐漸領悟到做研究要敢于否定和批判，敢于提出自己創造性的觀點，而不是人云亦云。同時，科學研究也不是拍著腦袋想問題，在經歷一次次實驗的失敗后，仍要堅韌不拔，用嚴謹的態度和科學的方法不斷探索?？茖W史可以促進學生學習科學家百折不撓、追求真理的探索精神，樹立回報社會、保護環境等社會責任感。

摩爾根在發現基因連鎖和交換這一規律之前，孟德爾的兩大遺傳規律已經作為生物遺傳的“金科玉律”。然而，摩爾根在發現自己所做的實驗并沒有取得與孟德爾的豌豆雜交實驗相似的實驗結果時，并沒有就此放棄或自我懷疑，而是對孟德爾遺傳規律的適用性提出了質疑，認為還存在未被發現的規律。于是，他利用果蠅做了大量的實驗，充分發揮自己的想象力，經過嚴謹的實驗設計，得到了基因位于染色體上并呈直線排列的實驗證據，從而得出了不同于孟德爾兩大遺傳定律的第三定律——基因連鎖和交換定律。這一規律的獲得離不開摩爾根的質疑精神，同樣離不開科學家面對實驗時嚴謹的科學態度和鍥而不舍、為追求真理而探索的科學精神。

2 生物科學史教學策略

高中生物學教材中的生物學科學史蘊含著極大的教育價值。教師應該在教學中選取合適的材料、運用恰當的手段，讓學生身臨其境般地感受和領悟科學探索的過程，學習科學家的思維方法和科學方法，形成一定的生命觀念和社會責任，從而提升生物學學科核心素養。然而，在實際的教學實踐中，科學史的教學存在很多問題，使得科學史的教育價值無法充分挖掘出來，不能真正發揮科學史培養學生學科核心素養的育人價值。主要存在的問題有：①教師思想上不重視科學史的教學價值，從而在課堂教學中很少滲透科學史的內容。②教師獲取科學史內容的途徑單一，對材料的篩選過于盲目，無法對科學史進行合理的取舍和安排。③教師進行科學史教學的方法單一，以“平鋪直敘式”的直接講授為主，使學生覺得索然無味，無法達到培養目標。

教師只有認同科學史的價值，才能落實其在生物教學中的重要地位。下面以高中生物教科書中具體的科學史內容教學設計為例，探討運用生物科學史培養學生學科核心素養的方法。

2.1 還原科學史內容，提煉重要概念，滲透生命觀念

教師直接向學生展示重要概念的界定；學生在沒有對該知識的直觀體驗的情況下，概念對學生來說無疑是“晦澀難懂”的，從而阻礙學生生命觀念的形成。在高中生物學教學中，教師可以利用生物學科學史有目的地讓學生關注生命觀念，從中提煉出重要的概念，在理解生物學相關知識的基礎上，形成生命觀念，使其對生命本質有更加科學、系統的認識。

例如，在進行“物質的跨膜運輸方式”這一章節的教學時，教師可以借助視頻資料和實驗模式圖依次呈現水分子穿過半透膜的自由擴散過程、科學家分離出了水通道蛋白，從而證實了以前的推測“可能有特殊的輸送水的通道”。這樣呈現科學家發現水通道蛋白的過程，學生可以發現：在這個歷程中，科學家通常發現一種現象，而后做出合理的推測，并為證實該推測尋找實現該現象的結構。接著，教師再逐步引導學生歸納總結出自由擴散、協助擴散等重要概念的涵義和特征，促進學生樹立一種“生物功能的完成需要相應物質結構支持”的觀點，即結構與功能觀。

2.2 再現探究歷程，巧設疑問，發展科學思維

生物科學史中的每一項研究發現、每一個實驗結果的得出，都是經過科學家們不斷地觀察、質疑、推理、思考的過程。因此，教師在生物學科學史尤其是有關實驗的教學中，要引導學生運用批判性思維去分析科學家的實驗過程，及時引導學生提出質疑并做出猜想。在此過程中，教師可采用分組的形式，引導小組成員提出問題，做出猜想，利用已有的知識經驗解決問題，從而培養學生的科學思維能力。

例如，在學習“光合作用發現史”時，教師可以展示薩克斯的實驗，引導學生根據薩克斯提出的實驗假設，思考其實驗過程中采用的實驗方法的目的。并提出問題：為什么要將選用的葉片事先進行黑暗處理一晝夜？葉片如何進行遮光處理？實驗變量是什么？用酒精處理葉片的目的是什么？根據用碘液檢驗，可推測出薩克斯實驗的假設是什么?這些問題可以有效地推動學生的學習進程，并以此幫助學生運用已有的知識和邏輯進行思考或論證，嘗試對實驗現象和結論做出解釋，培養他們的批判質疑能力和科學思維。

2.3 關注科學史探究方法，安排實驗活動，提升科學探究能力

實驗是生物學得以建立的基礎，是進行科學研究和取得一系列研究成果的的重要方法和手段之一。因此，生物學實驗是生物科學的重要組成部分，在生物學教學中應給予足夠的重視。科學史資料中蘊含有大量的實驗探究活動，教師可以帶領學生親身體會科學家如何提出問題、作出假設、設計實驗方案、收集實驗數據、得出實驗結論等，使學生從中學習科學探究的方法，提高其科學探究能力。

例如，在學習“生長素的發現過程”的時候，教師可應用幾位科學家發現生長素的經典實驗，引導學生進行科學探究：先向學生介紹達爾文的胚芽鞘向光彎曲實驗，對實驗現象進行分析，作出自己的假設；在此基礎上，學生分組討論、分析詹森和拜爾的瓊脂片插入實驗的目的和意義；接著，學生分組自主完成溫特的實驗設計，教師可以在此過程中強調實驗設計的原則和注意事項，并對溫特的實驗過程提出改進的建議。這部分的科學史教學過程不僅讓學生了解了生長素的發現歷程，還在學生自主參與的過程中深化了學生對向光性原理的理解，使學生學到了科學探究的方法，從而提升了科學探究能力。

2.4 拓展學習材料，感悟科學家精神，承擔社會責任

生物學科學史描繪著人類科學家探索生命的起源、發現生命規律、促進社會的進步和生物技術的發展等過程。教師通過科學史的教學，能夠幫助學生辨別科學和迷信，并對個人生活及社會生活中的相關事務做出理性的判斷與解釋，對科學家的質疑和不懈奮斗有敬佩之心，珍惜生命的來之不易，能自覺保護生態環境、關愛生命，并積極參與社會實踐，承擔相應的社會責任。

例如，在“器官移植所面臨的問題”這一科學史的教學時，教科書中展示了器官移植面臨的問題和困境。但是，這些資料簡短且缺乏前沿性。此時，教師可以展示一些器官移植病人或患處的圖片以及一些成功病例的視頻資料，甚至是一些因找不到匹配的供體而悄然逝去病人的案例。學生在此過程中體會到生物科學的進步給生命延續提供的機會，也意識到目前生物學發展的局限和生命的珍貴，從而理性地看待器官移植問題。另外，教師還可以要求學生在課后分組搜集資料，關注器官移植技術的發展動態，培養學生的社會責任。