核心素養視域下科學史與概念教學融合探究

歐九生

摘 要 科學史是概念教學中的重要素材，對于建構重要概念起著舉足輕重的作用。因此，在概念教學中，教師應利用科學史創設問題情境，依托科學史進行科學探究，引導學生在分析科學史的過程中發展科學思維，并通過還原科學史、深度還原概念的建構過程來實現對概念的深度理解?？茖W史可為概念教學和發展核心素養提供重要支撐。

關鍵詞 高中生物 科學史 概念教學 科學思維

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》提出了“核心素養為宗旨，內容聚焦大概念，教學過程重實踐，學業評價促發展”[1]3-4的課程理念，要求一線教師“高度關注學科素養的達成，教師在設計和組織每個單元的教學活動時應圍繞大概念和重要概念展開”[1]3-4?？茖W思維和科學探究是生物學科核心素養的重要方面，在概念建構中發展核心素養符合學生的認知發展規律。生物科學史是生物學的重要內容，也是進行概念學習的重要素材。生物學教材包含了大量的科學史內容，如何有效利用科學史進行概念教學，促進學生核心素養發展是我們的重要任務之一。

一、科學史與生物學概念建構的關系

概念是人類思維的基本形式，是人們通過比較、分析、綜合、抽象概括而形成的人腦對客觀事物本質屬性的反映[2]。在科學教育領域里，安德森等學者將傳統意義上的概念與原理和理論都統稱為概念性知識[3]。生物學概念是人們在對生命現象的觀察研究過程中，通過科學的研究方法和理性的思維方式揭示生命現象和生命規律的本質屬性進而形成的，它包含了生物學基本概念和基本原理，如生態系統、光合作用等。這些概念的形成體現了科學發現的過程，具有科學史的特點。筆者總結了概念建構路徑和科學史之間的關系（詳見圖1）。

由圖1展現的概念建構與科學史之間的關系可以看出，在概念教學中，教師首先要為概念的建構創設一定的問題情境，這與科學史的發現問題是一致的。學生在問題情境中運用科學的思維方法去探究問題，探索現象產生的原因，進而生成生物學概念。而科學史恰好與這樣的認知過程相符合：科學家們在發現生物學問題后，先作出問題假設，然后尋找支撐假設的證據，最后解決問題，形成生物學概念或理論?？梢姡茖W史與生物學概念教學的關系是緊密的，利用科學史有助于學生構建概念和發展學科核心素養。

二、科學史在概念建構中的應用

（一）利用科學史，創設問題情境，作出假設，驗證假設

情境是概念生成的重要場域，學生基于生活中遇到或可能遇到的具體的問題情境，在分析問題、解決問題的過程中逐步生成概念。情境的來源有很多，其中，科學史是概念學習情境的重要來源。在教學中，利用教材提供的科學史來創設問題情境，可以有效激發學生的求知欲、探究欲。

例如，與“基因在染色體上”的教學相關的科學史是從摩爾根對孟德爾有誤解到開始認同孟德爾研究結論的過程：一開始，摩爾根利用家鼠的毛色、眼色等雜交實驗來證實孟德爾的分離比例，然而結果并不盡如人意，于是他開始懷疑和反對孟德爾的遺傳規律;后來，果蠅雜交實驗的結果使得他又成為孟德爾的堅定支持者[4]7-8。并且，摩爾根在研究果蠅的過程中發現了“基因在染色體上”。這一科學史實，為“基因在染色體上”這一概念的建立創設了問題情境，使學生親歷科學研究之路，進而完成建構生物學重要概念的過程。通過展示這樣的科學史故事可以大大提高學生的學習興趣，激發他們的求知欲。

[教學片段]首先展示摩爾根的白眼果蠅與紅眼果蠅的雜交實驗示意圖（圖2）。然后以此為情境提出問題：摩爾根的果蠅雜交實驗結果是否符合孟德爾的分離定律？你認為此現象與什么有關？學生經分析實驗發現，實驗結果與孟德爾實驗的比例是一樣的，但是白眼只出現在雄性中，與性別相關聯。

在展示果蠅染色體結構圖（圖3）后，再讓學生提出假設，并解釋現象，引導學生進行深度思考。學生基于分析提出假設：假設1，控制眼色的基因是在Y染色體上，X染色體上沒有它的等位基因;假設2，控制眼色的基因在X染色體上，Y染色體上不含有它的等位基因;假設3，控制眼色的基因在X和Y染色體上。此時，引導學生用證偽法來驗證假設，和學生一起分析假設1如果成立，所有雄性親本都應是白眼，因此，得出結論：假設1是不成立的。再讓學生將假設2和假設3代入遺傳圖解，親身體驗科學證實的過程，代入遺傳圖解后學生發現，兩種假設都可以解釋摩爾根的實驗結果，子一代全是紅眼，子二代紅眼∶白眼 = 3∶1，且白眼只出現在雄性中。此時，引導學生討論：如何根據科學史上摩爾根的驗證方法設計測交實驗來證明自己的觀點是正確的？引導學生利用白眼雌果蠅和紅眼雄果蠅雜交來驗證假說，使學生學會利用設計實驗來驗證觀點，培養學生的證據推理素養。最后，展示摩爾根的測交實驗結果，得出控制眼色的基因位于X染色體上的結論。

繼續重現科學史：果蠅雜交實驗中，經典的3∶1遺傳比例無疑證實了孟德爾理論的正確性。摩爾根和他的學生們發現，40多種的突變性狀都無一例外地遵循孟德爾遺傳定律，這些實驗數據讓摩爾根重新成為孟德爾最堅定的支持者[4]28。這樣的情境不但激發了學生的探究欲望，也讓學生在解決情境問題中建構了重要概念。

教材中還有很多科學史是可以作為學習情境素材的，例如，發現DNA是主要遺傳物質的科學史，沃森和克里克發現DNA結構的科學史都是創設情境的重要材料。教學情境和知識就像湯和鹽的關系，鹽需要溶入湯中才能被吸收，而知識需要融入情境中才能顯示出活力[5]103。利用科學史創設情境，讓學生在情境中發展思維、生成概念、完善核心素養是概念教學的重要手段。只有在情境中習得概念和發展素養，才能使學生將來能夠從容面對紛繁復雜的社會生活，具備知識的遷移與應用的能力、分析和解決問題的能力，這也是培養學生核心素養的最終目的。

（二）依托科學史，進行科學探究

概念不是直接灌輸給學生的，而是學生在基于事實和證據的基礎上，運用科學思維進行科學探究，逐步發展和建構形成的。很多生物學概念都是在科學史上經歷了很多代科學家的共同努力才得以建構形成的，可見，在教學中，科學史是進行科學探究的重要支撐。

例如，在“植物生長素的發現”教學過程中，可以先提供一盆單側生長的盆栽和一盆自然生長的盆栽，讓學生觀察兩者生長狀況的不同，并提出問題：引起植物單側生長的原因是什么？學生通過分析認為，植物單側生長是長期的單側光照引起的。再讓學生設計實驗證明自己的觀點，并引導學生觀察植物生長的部位和彎曲的部位。學生發現，生長的部位是尖端，而彎曲的部位是尖端以下。然后提出問題：尖端和尖端以下如何建立聯系的？在學生提出自己觀點的基礎上展示達爾文的推測：由于單側光照射使胚芽鞘尖端產生某種刺激并傳遞到其下部伸長區，再提出問題：為什么背光面會比向光面長得快，可能與什么有關？教師展示的詹森和拜爾的實驗，讓學生認真觀察、思考并給出自己的觀點。學生通過觀察科學家的研究歷史，建構了植物向光生長的內因是尖端產生的物質在伸長區分布不均引起的，導致背光面長得比向光面快。此時，再讓學生設計實驗證明自己的觀點。這就還原了達爾文發現植物單側生長并分析原因的過程，結合內因和外因，生成植物向光生長的原因。學生也在這個過程中理解了單側光是植物向光生長的外因。

基于科學史發現問題，通過分析生命現象產生的原因進而提出自己的解釋，再基于現象設計實驗證明自己的觀點，這一過程體現了科學知識是在探究過程中生成的。可見，科學史的確為科學探究提供了重要支撐。在教學中，有些教師忽略了科學史可以作為探究材料，沒有讓學生在探究中尋找生命現象背后的本質，而是直接把科學史當作史料或證據來用：單純講述科學家當時發現了什么現象，提出了什么問題，實驗是怎么做的。這樣做缺少了探究的過程，導致知識不是來源于科學探究而是來源于教師的灌輸，無法訓練學生思維、培養學科素養。而利用科學史進行科學探究，在科學探究中發展科學思維進而生成重要概念，才是我們在教學中應該采取的一種有效手段。

（三）分析科學史，培養科學思維

“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]57-58?？茖W思維是關鍵的核心素養之一，而讓學生在概念習得中發展科學思維是概念教學的主要目的之一?？茖W史是習得概念、發展科學思維的重要素材，學生在分析科學史的過程中也能夠形成良好的科學思維。

例如，在“光合作用”教學中，根據教材提供的恩格爾曼水綿與好氧菌的實驗提出問題：恩格爾曼的實驗方法有什么巧妙之處？實驗結論是什么？學生在分析科學史上恩格爾曼的實驗過程中發展了分析與推理、綜合與歸納等科學思維。

在教學“孟德爾發現遺傳規律的實驗”時可以還原科學史，如當時的主流觀點是融合遺傳，紅花和白花雜交后代為粉色花，但是孟德爾嘗試讓高莖豌豆和矮莖豌豆雜交，其后代并不是中等高度，子一代自交卻又重新出現了高莖和矮莖等問題。讓學生重新模擬完成一次豌豆雜交實驗，在實驗中經歷發現問題、提出假說、演繹推理等思維過程，整個過程并不提供孟德爾的解決辦法，讓學生自己思考討論，分析綜合，提出假說，驗證假說，最后才展示孟德爾的做法。這樣的教學過程培養了學生分析與綜合、歸納與演繹等思維能力。

概念教學本質上也是思維的教學，在教學中只有充分調動學生的思維，并根據不同概念的特點，引導學生進行意義的建構，才能使概念內化于學生的頭腦中，成為他們分析和解決問題時心智操作的工具[6]。而生物科學史展示了科學發現的過程，在該過程中包含了科學思維、科學方法和科學精神。教材為很多重要概念的生成提供了科學史，展示了當時科學家的研究過程。分析科學史是培養學生科學思維的重要手段，因此，在教學中要善于利用科學史來幫助學生發展科學思維。

（四）還原科學史，建構重要概念

概念的建構來源于眾多的生物學事實，在分析生物學事實的基礎上，通過歸納、概括、抽象等思維形成一般概念。吳成軍認為概念學習的一般路徑是“問題情境—科學探究、科學思維—重要概念”[5]79，而科學史恰恰體現了這樣的認知過程。在教學中，通過還原科學史，可以重現人們在生活中“遇到問題→尋找證據→發現規律”的過程;通過深度還原概念的建構過程，使學生在學習的過程中實現對概念的深度理解。

例如，在“細胞膜”的學習過程中，通過展示科學史：歐文頓通過對植物細胞通透性進行研究發現，凡是溶于脂質的物質比不溶于脂質的物質更容易透過細胞膜。引導學生思考并提出問題：細胞膜可能含有什么物質？（脂質）再次引導學生結合后來的研究發現——細胞膜中的脂質主要是磷脂，隨即展示磷脂分子結構圖，分析其親水頭部和疏水尾部的特性，然后提出問題：如果把磷脂鋪在水面上會怎么排列？并讓學生建構磷脂在水面排列的模型。學生已知細胞內是液態的，通過展示人體內環境圖片讓學生明白細胞生活在水環境中，提出進階問題：細胞內外都有水，那么單層磷脂分子的疏水尾部如何與水環境相融呢？學生在此基礎上可以推測細胞膜上的磷脂是雙層排列的，并建構出雙層磷脂分子模型。但是這只是基于磷脂分子化學特性的推測，無法直接觀察。而科學結論的得出要基于實驗分析，要有證據支持。這時候再展示科學史：荷蘭科學家把從紅細胞中提取出的脂質鋪在水面上，測定其面積是細胞表面積的兩倍。由此，學生可以得出細胞膜上的磷脂分子是雙層排列的結論。最后，結合羅伯特·森的電鏡實驗結果圖和其他科學家的實驗研究，讓學逐步建構細胞膜的流動模型這一概念。

三、總結與反思

許多生物學概念經都是歷了眾多科學家多年的科學研究而逐步形成、發展和完善的。這就要求我們在概念教學中要深度還原科學家們的關鍵研究過程，基于科學家的研究發現，通過分析歸納、演繹推理等科學思維方法建構概念?？茖W史是建構概念的重要載體，還原科學史，重走科學發現的過程，進而生成生物學概念是概念教學的有效方式。

生物學概念是生物學知識呈現的基本方式，也是人們認識生命現象和生命規律的基本思維方式。科學史富含科學家探索求真的科學精神和知識發現的探索軌跡，其本身就是一種重要的科學知識。教學中應當重視科學史的運用和挖掘，而不是把科學史僅僅當作歷史材料讓學生閱讀。在概念教學中，可以根據教學實際利用科學史創設情境，激發學生求知欲，依托科學史進行科學探究，在科學探究中建構重要概念。同時，由于科學史中還蘊藏著研究生命現象和生命規律的思維過程和科學方法，學生在分析科學史中就能發展科學思維，學習科學方法，領悟科學精神。通過還原科學史，重現科學家當時遇到的問題，引導學生尋找證據、解決問題，逐步生成概念。用好科學史有利于學生建構概念、理解概念、發展核心素養。

[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（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]盧家楣.學習心理與教學：理論與實踐[M].上海：上海教育出版社，2020：55.

[3]趙占良.概念教學芻議（二）：概念的組成要素與概念教學[J].中小學教材教學，2015（2）：23-26.

[4]沈兆瑞.回顧“基因在染色體上”的發現歷程[J].中學生物教學，2017（4）.

[5]吳成軍.生物學學科核心素養的教學與評價[M].上海：華東師范大學出版社，2020.

[6]趙占良.概念教學芻議（一）：對概念及其屬性的認識[J].中小學教材教學，2015（1）：40-42.

（責任編輯：趙曉梅）