利用生物科學史提升學生科學思維素養(yǎng)的教學設(shè)計

周 梅

（中國人民大學附屬中學朝陽學校 北京 100028）

生物學是一門自然科學，也是一門實驗科學，它不僅要求培養(yǎng)學生掌握生物學最基本的知識，還要求培養(yǎng)學生形成一定的動手能力和科學探究精神。在學習知識的同時，學生提升科學思維能力是教學目標。

正如教育家加里森和勞威爾認為的那樣，如果教學的目標是引發(fā)學生對于科學探究過程的理解，則科學史是科學教學的必備要素。教師不僅要使學生了解科學的事實，還要使其知曉科學產(chǎn)生的過程，從中領(lǐng)會正確的科學方法并逐漸形成良好的科學素養(yǎng)。教師開展科學史教學，在促進學生生命觀念的形成、科學思維和探究素養(yǎng)的提升以及社會責任的樹立等方面都有著潛移默化影響。

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《標準》）中明確提出，要“注重生物科學史的學習”“學習生物科學史能使學生沿著科學家探索生物世界的道路，理解科學的本質(zhì)和科學研究的方法，學習科學家獻身科學的精神”。在課程目標的知識目標中，要求學生“知道生物科學和技術(shù)的主要發(fā)展方向和成就，知道生物科學發(fā)展史上的重要事件”，同時還建議“對于《標準》中沒有列出的其他生物科學史實也應(yīng)注意引用”。很多教育工作者對科學史教育的研究做出了巨大的貢獻，直至今天，對科學史教育的研究得到了越來越多教育工作者的重視。

1 生物科學史和科學思維的概念

生物科學史是將人類對生物科學認識的歷程為基本輪廓，以歷程中重要意義的研究為主要線索，用詳細的史實資料講述研究者們的研究活動，記錄其在研究中邏輯思維和方法，同時也會對生物學發(fā)展的邏輯和當時的社會背景等重大問題進行述評。

科學思維是指尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴謹務(wù)實的求知態(tài)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。科學思維的表現(xiàn)形式是科學思維方法，認識事物的本質(zhì)及其相互聯(lián)系需要一定的方法才能得出正確的結(jié)論，不同的思維方法對個體不同的成長和發(fā)展階段具有不同的作用。科學思維既是常規(guī)邏輯思維在科學領(lǐng)域的具體運用，又需要批判審視、質(zhì)疑包容的思維取向和心理品格，還要靠想象、聯(lián)想、直覺和靈感等非邏輯思維提出創(chuàng)造性見解。

科學思維的含義主要指以下幾個方面：①科學思維是生物學課程的重要教育目標。②科學思維是一種思維習慣或認識方式，這種習慣表現(xiàn)為有邏輯、重實證。③科學思維是一種思維能力。科學思維不應(yīng)只存在于科學家的頭腦中，普通人也應(yīng)該具有科學的思維方式，因此，對學生進行科學思維能力的培養(yǎng)具有重要意義。為了讓學生有能力面對未來各項挑戰(zhàn)，科學思維培養(yǎng)應(yīng)該成為學校教育明確的目標，科學課堂中這一任務(wù)就聚焦在科學思維培養(yǎng)上。

2 利用生物科學史提升學生科學思維的實例

利用生物科學史實施教學，是教師通過適時呈現(xiàn)史實資料、按照科學家研究的思路層層深入引導學生進行實驗設(shè)計和科學思維，最終學生形成科學概念的過程。學生通過解決教師設(shè)計的問題和學生學習中生成的問題等一系列問題，提升科學思維素養(yǎng)。下面以高中生物《必修1·分子與細胞》第二章第五節(jié)“核酸是遺傳信息的攜帶者”為例，簡要介紹核酸的發(fā)現(xiàn)過程中學生科學思維訓練的方法。

2.1 早期實驗，粗提定性分析

教師呈現(xiàn)資料1：1868年，當時還是研究生的瑞士籍的米舍爾，在研究膿血細胞的化學成分時，發(fā)現(xiàn)用酒精處理掉細胞中的脂肪性物質(zhì)，再用豬胃黏膜的酸性提取液（一種能除掉蛋白質(zhì)的胃蛋白酶粗制品）進行處理后，細胞的大部分被分解了，而細胞核只是縮小了一點兒但仍然完整。他得到了細胞核，隨后對細胞核的物質(zhì)進行化學分析。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：細胞核內(nèi)含有與細胞內(nèi)其他有機物明顯不同的物質(zhì)，這種物質(zhì)是一種含磷很高而含硫很低的呈酸性的有機物質(zhì)，對蛋白酶有耐受性。后被米舍爾的導師霍佩·賽勒所驗證，并把這種新物質(zhì)命名為“核素”，這為人類揭示自己拉開了序幕。并提出問題：最初的實驗推斷細胞核中含有什么物質(zhì)，具有什么特點？

學生提取信息，概括得出結(jié)論：核素是含磷很高而含硫很低的呈酸性的有機物質(zhì)。教師追問：僅僅在膿血細胞中有核素嗎？其他生物材料中有沒有？

2.2 收集素材，分析基本成分

教師呈現(xiàn)資料2：1879年，德國的科塞爾在研究來自胸腺和酵母的核素時，發(fā)現(xiàn)核素是蛋白質(zhì)和核酸的復合物，并且證明了存在著脫氧核糖核酸和核糖核酸等2種核酸。他小心地水解核酸，發(fā)現(xiàn)2種核酸都含有鳥嘌呤、腺嘌呤、胞嘧啶這3種堿基，在DNA中還含有胸腺嘧啶，而在RNA中則是尿嘧啶，除了含有這些堿基以外，還含有糖類性質(zhì)的物質(zhì)和磷酸。斯托伊德爾通過分析，發(fā)現(xiàn)核酸中糖類物質(zhì)、每種嘌呤或嘧啶、磷酸的比例為1∶1∶1。并提出問題：組成核酸的基本成分是什么？這些成分的比例如何？核酸的組成元素有哪些？

教師簡單介紹堿基的相關(guān)知識，引導學生總結(jié)出核酸的元素組成為：C、H、O、N、P；DNA中的堿基主要有腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶；RNA中的堿基主要有腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶。鳥嘌呤、腺嘌呤、胞嘧啶這三種堿基是它們共有的堿基。教師追問：組成核酸基本成分當中的糖類物質(zhì)具體是什么呢？

2.3 對比比較，確定組分結(jié)構(gòu)

教師呈現(xiàn)資料3：1911年，科塞爾的學生列文證明核酸所含的糖類由5個碳原子組成，并將這種糖類命名為核糖。由于核酸有2種，他找到了它們之間的區(qū)別：它們中的五碳糖不同，還有一種糖比核糖少一個氧原子，稱為脫氧核糖，脫氧核糖核酸和核糖核酸的名稱是由此而來的。教師進一步展示核糖和脫氧核糖的結(jié)構(gòu)式，促進學生比較。

2.4 類比比較，構(gòu)建基本模型

教師呈現(xiàn)資料4：20世紀30年代，哈馬斯頓等人的研究證明，DNA是一種高分子量的長鏈結(jié)構(gòu)，分子量約為5×105～10×105之間。作為生物大分子的蛋白質(zhì)，其基本組成單位是氨基酸。那么同樣是生物大分子的核酸，是否也有其小分子的基本單位呢？1934年，列文發(fā)現(xiàn)核酸可被分解成含有一個堿基、一個核糖或脫氧核糖和一個磷酸的片段，這樣的組合叫核苷酸。

學生根據(jù)資料，嘗試搭建核苷酸的結(jié)構(gòu)圖。教師展示核苷酸結(jié)構(gòu)模式圖，引導學生思考：核酸的基本組成單位是什么？包括哪些成分？這兩種核苷酸的異同點是什么？

學生通過對比和分析，結(jié)合堿基和糖的種類，總結(jié)出：核苷酸分為2大類8種。脫氧核苷酸和核糖核苷酸的堿基各有4種，所以脫氧核苷酸和核糖核苷酸各有4種；核酸的基本單位核苷酸共有8種。

2.5 推理計算，認識結(jié)構(gòu)多樣性

教師呈現(xiàn)資料5：弄清物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最直接證明是能合成出這種物質(zhì)。核酸的相對分子質(zhì)量可以達到幾十萬甚至幾百萬，糖類和堿基都是結(jié)構(gòu)復雜的組分，它們有多種連接的可能，而且還有磷酸基團的位置問題。英國生物化學家托德成功地合成了核苷酸，并于1955年成功合成了二核苷酸。并提出問題：核苷酸如何形成長鏈核酸的？

教師簡單介紹3′，5′-磷酸二酯鍵，引導學生連接2個核糖核苷酸，找尋成鍵的部位，建構(gòu)多核苷酸長鏈的大分子。

2.6 遷移應(yīng)用，明確遺傳信息

教師要求學生以DNA中6×106個堿基對的大腸桿菌為例，計算其一條鏈可能的堿基排列順序的種類。學生通過計算得出，堿基數(shù)目多、排列順序不同使得核酸蘊含不同的序列信息。

3 教學反思

本節(jié)教學從科學家對核酸發(fā)現(xiàn)過程的資料分析入手，學生通過分析、比較、對比得出核苷酸的種類，再通過堿基排列順序的多樣性變化，計算和推理得出DNA分子結(jié)構(gòu)具有多樣性。DNA主要位于細胞核中，含量穩(wěn)定，具有作為生物遺傳物質(zhì)的基礎(chǔ)。教師設(shè)計一系列的問題，把整體問題劃分為系列小問題，及時給予學生生物科學史的相關(guān)閱讀資料，使學生思考方向明確，提升科學思維能力。

教師與學生分享科學家研究的探究過程的史實，既培養(yǎng)了學生的科學思維方式，又使學生學習了科學家的探究思路。學生通過對比，啟發(fā)和修正思維，感悟科學的認識形成過程中證據(jù)和邏輯的重要性。高中生物教材中有豐富的科學研究史實素材，體現(xiàn)了特定的思維方法，教師有計劃、有目的地設(shè)計學習活動，讓學生體驗并總結(jié)，結(jié)合問題串的設(shè)計與啟發(fā)，使科學思維方法的訓練走向深入化，為學生自主應(yīng)用提供基礎(chǔ)。