在高中生物科學史教學中 培養學生核心素養的實踐

【摘要】本文論述在高中生物教學中運用科學史培養學生生物學學科核心素養的途徑，分享指向生命觀念的生物學概念發展史、基于論證式的概念建構、角色替入的實驗探究以及聚焦社會責任培養的故事匯等四種教學模型，認為四大核心素養不能截然分開、要側重培養學生的科學品質、盡可能如實呈現相關事實、抱有“理解之同情”心態、要多講中國科學家故事等五個開展高中生物科學史教學應注意的事項。

【關鍵詞】高中生物 核心素養 科學史 教學模型

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2022）11-0128-06

生物學學科核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任，它是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格與關鍵能力。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》明確提出應聚焦培養和發展學生的核心素養。

科學史學科創始人喬治·薩頓（George Sarton）曾把科學史定義為“科學史是客觀真理發現的歷史，人類智能逐步征服自然的歷史，它描述漫長而無止境的思想自由，為思想免于暴力、錯誤和斗爭的歷史”。生物學史實中，既有做出關鍵或突出貢獻的科學家及其研究事跡，又有概念、定律、原理等基本學科知識產生及發展的歷程。徜徉在生物科學史中的學生，循著前輩科學家的腳步、咀嚼著科學研究思維、玩味著獨特的技巧方法、感受著科學家的不懈奮斗精神，直至深刻領悟科學的本質。可以說，生物科學史蘊含著非常豐富的教育價值，是一種非常重要的教學資源。在形式各異的教學手段中，生物科學史教學能有效實現核心素養的培養。

一、生物科學史教學能實現核心素養全要素培養

（一）科學史能加深對生物學概念的理解，進而促進生命觀念形成

生命觀念并非本身就存在，而是在生物學概念基礎上形成的，是一種人們理解生命以及生命現象的意識、觀念和思想方法。這種意識、觀念和思想方法有助于人們在生活實踐中或在科研探索中形成較為科學的、正確的解決問題的思路。學習科學史，既能明晰每一個知識點的產生過程，又能深刻理解生物學概念的內涵和外延，生命觀念在點滴積累中潛移默化，獲得發展。

例如學習“光合作用原理與過程”這一小節，根據科學研究的事實，層層厘清光合作用過程的物質變化和能量變化，最終形成和完善光合作用概念。在此過程中，學生在教師的引導下思考由光合作用過程的研究和發現到光合作用場所的研究和發現，逐漸構建出結構與功能觀以及物質與能量觀。

在水通道蛋白的發現過程中，結構與功能觀對科學研究起到重要的作用。水分子較小，可以以較低的擴散速率通過細胞膜的磷脂雙分子層而進出細胞。但是，在100多年前人們就發現腎近端小管、髓袢降支細段具有非常強的吸水能力，可達150 L/天。還有，白天植物每小時每平方米葉面積的蒸騰速率是15—250 g/（m2·h），根毛細胞吸收水分的速率得遠大于該數值才能維持植物的生長發育。因此，科學家們推測細胞中還存在特殊的輸送水分子的通道。直到1987年，美國科學家彼得·阿格雷（Peter Agre）研究紅細胞時，才分離純化出了第一種水通道蛋白CHIP28，并由此獲得了2003年諾貝爾化學獎。

（二）科學史蘊含著科學思維本質的認識

科學思維本質是人對自然界中客觀事物的一種認識行為、認知方式和認知品質的反映，其表現形式實際上就是認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。其中，邏輯思維是基本的、重要的表現形式，包括歸納與概括、演繹與推理、模型與建模等，這些在生物學概念、原理、規律的發現及發展中發揮了重要作用;批判性思維是關鍵表現形式，因為它在科學或研究新發現中發揮著關鍵作用;創造性思維往往是批判性思維的延伸，能幫助人們在開拓新領域或新認知過程中創想出異于常規的思路、方法，進而建立異于舊認知世界的全新領域。

在生物學史實中，有大量的內容能夠幫助學生認識科學思維的本質。經典如孟德爾（G.J. Mendel）的豌豆雜交試驗過程，運用了假說—演繹的科學思維方法，然后通過巧妙的測交實驗證明，最終提出基因的分離和自由組合定律。在酶的發現史實中，針對胃對食物到底是物理性消化還是化學性消化問題，斯帕蘭扎尼（L. Spallanzali）創造性地設計了將肉放入金屬籠中讓鷹吞下的實驗，正是這個精妙設計才揭開了消化酶的存在，以及掀起了酶的研究熱潮。而在促胰液素的發現歷史中可以看出，批判性思維對科學發展與進步有著多么重要的作用。19世紀學術界普遍認為胰液分泌是受神經控制的。法國學者沃泰默（Wertheime）通過實驗發現即使切斷通向小腸的神經，仍有胰液分泌，可惜的是他仍認為胰液分泌的原因是存在一個十分頑固的神經反射。而正是英國科學家斯他林（E.H. Starling）和貝利斯（W.M. Bayliss）不認同沃泰默的研究結論，才最終通過實驗發現了促胰液素。

（三）科學史如實呈現了科學家實驗探究的思想、方法、技術手段

科學史就是一部科學探究歷史巨著，每一次的科學成果或研究發現無不包含實驗探究的所有要素，如現象或數據的觀察、合理的猜想、科學的假設（假說）、合乎邏輯的推理、巧妙的實驗設計、數據或結果分析、證明或否定。如孟德爾的豌豆雜交試驗是一個完美的科學家實驗探究案例，充滿了生物學的理性、嚴謹性，科學方法的創造性以及科學家本人非凡的想象力。從孟德爾的豌豆雜交試驗中，學生可以領略到科學實驗探究工作的獨特魅力。孟德爾的豌豆雜交試驗中，至少有以下五個實驗探究方面的啟發：一是保持對周遭事物的敏銳觀察力和好奇心，能對日常所見事物產生疑問，并持有繼續探索的欲望。二是生物學試驗需要采用大量的實驗材料，因此實驗材料的正確選擇是保障試驗成功的基礎。孟德爾選擇豌豆進行雜交試驗，是其成功的重要原因之一。三是合理安排探究的路徑。孟德爾先從一對相對性狀開始研究，再研究兩對相對性狀。由簡單到繁雜，這是很多試驗成功的重要經驗。四是正確運用假說—演繹法。孟德爾對分離和自由組合現象的解釋在邏輯上環環相扣、十分嚴謹，在此基礎上還巧妙地設計了測交實驗進行證明。五是數據統計方法的完美應用。孟德爾發現并總結了試驗中的比例——3∶1和9∶3∶3∶1。當然，除了孟德爾的豌豆雜交試驗，在現代生物科學的發展道路上，這樣的實驗探究案例俯拾皆是。

（四）科學史就是科學家為人類進步而不懈努力的勵志故事集

人類社會的進步與發展，離不開科學技術的進步與發展。在現代生物科學發展史上，每一次重大科學與技術的發現都是波瀾壯闊的歷程，尤其是遺傳物質的探究歷史，無論什么時候讀來都令人感慨科學家拼搏鉆研的精神，感慨成果取得的不易。重溫科學史的經歷，將使學生更加地明確身上所擔的重任，更加清晰地認識科學與社會、科學與家國的關系，能更有效地培養學生主動承擔科學探索責任的意識與家國情懷。在新冠疫苗的研發進程中，以我國陳薇院士為首的科研團隊研發出腺病毒5型（Ad5）載體疫苗，該款疫苗率先進入臨床試驗并很好地驗證了免疫原性和安全性。除了腺病毒5型載體疫苗，我國還同步推進研發3款滅活疫苗和1款重組蛋白疫苗，這些疫苗的研發和上市為全人類抵抗新冠肺炎疫情做出了偉大貢獻。在生物學課堂教學中滲透我國科學家為國家、為人類社會發展而奮斗的故事，將激發學生強烈的民族自豪感，激發學生強烈的投身科學探索的熱情。

二、四種教學模型

通過科學史教學實現核心素養的培養，關鍵在課堂。為了在高中生物學教學中更有效地利用科學史達成核心素養培養的目標，筆者初步構建了以下四種教學模型，每一種教學模型側重培養其中一種核心素養。

（一）“指向生命觀念的生物概念發展史”教學模型

生命觀念具有生物學科獨特性，其他核心素養如科學思維、科學探究和社會責任都具有自然科學共性，故生命觀念被列為生物學學科四大核心素養首位。然而，生命觀念的形成不是一蹴而就的，而是奠基于零碎的生物學知識，成型于深刻理解的生物學概念。當然，無論是零碎的學科知識，還是生物學概念，都無法脫離生物科學史。因此，學生生命觀念的建立要以科學史教學為基礎，將零碎的、具體的事實性知識積聚出生物學重要概念和大概念。基于此，筆者構建了“指向生命觀念的生物學概念發展史”教學模型（如圖1所示）。

例如，在人教版必修1《分子與細胞》第5章第4節《光合作用與能量轉化》的教學中，筆者運用“指向生命觀念的生物學概念發展史”教學模型，并充分融入生物科學史實，最后形成了教學思路如圖2所示。

這種教學模式下形成的光合作用概念以及建構出的光合作用概念圖，并不是靠記憶和背誦達成的，而是學生親歷科學家的探索歷史后，再質疑、做出猜想、用研究結果及實驗事實進行推理、論證的結果，是一種有意義的建構。這種建構過程，也使學生深刻理解了物質與能量關系、結構與功能關系，對生命觀念的形成與固化起到關鍵作用。

（二）“基于論證式的概念建構”教學模型

科學研究領域的論證活動是科學發展的源泉。將論證活動引入課堂，使學生親歷搜集材料、提出主張、尋找證據、辯駁或評價自己和他人觀點等過程，最終促進學生科學思維的發展。基于此，筆者提出“基于論證式的概念建構”教學模型（如圖3所示）。學生通過閱讀相關資料（科學史實）、思考分析、論證質疑，將新舊知識內容重新組織、整合，建構新知識體系，實現對概念的意義學習。

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圖3 “基于論證式的概念建構”教學模型

在整個教學環節中，課前教師的準備工作尤為重要，筆者一般分三步進行：一是內容梳理，羅列可能的主張;二是確定需要論證的主張，并明確其呈現的邏輯順序;三是搜集有關科學史料或資料，并印發給學生。課中主要是教師引導學生根據資料（生活實際、實驗現象、數據等）進行推理，論證主張。因此，筆者將概念教學中的論證式教學劃分為四個階段：提出問題、觀點猜想、支持或反駁（根據）、得出結論（認可主張），構成一個論證教學環。教師運用適當的教學策略組織學生利用相關的事實材料或科學史實對問題進行質疑和辯論。每經過一次教學環的學習，學生便在教師創設的情境中提出問題，做出假設，在分析解釋中構建結論和完善概念。

以人教版必修2《遺傳與進化》第4章第1節《基因指導蛋白質的合成》第1課時“基因的轉錄”教學為例，筆者運用“基于論證式的概念建構”教學模型，并充分融入生物科學史實，最后形成了以下教學思路（如下頁圖4所示）。

在“基因的轉錄”教學中，“DNA和蛋白質的信使是誰”是學生理解轉錄概念的關鍵。然而，人教版高中生物教材直接給出了答案——RNA是DNA和蛋白質之間的信使，然后陳述RNA的組成和結構以說明RNA適合作為信使。如果按這樣的邏輯組織教學，很難激發學生的求知欲，學生只能死記硬背，被動認同教材知識，如此不利于培養學生的科學思維。而該教學模型能更好地培養學生的科學思維，如反駁能較好地培養學生的批判性思維，論證的過程實際就是學生運用創造性思維設計實驗以支持自己觀點的過程。長此以往，學生運用科學思維解決實際問題的能力將大幅提升。

（三）“角色替入的實驗探究”教學模型

在生命科學發展歷史中，幾乎所有重大生物學概念的發現都依賴于一代代科學家的不懈努力。因此，在科學史教學中，教師可以讓學生角色替入，使他們像科學家那樣思考、親歷完整的科學探究過程：發現或提出問題、提出假設（猜想）、尋找可研究的變量、形成實驗方案、探究過程、證實假設或推翻假設。基于此，筆者提出“角色替入的實驗探究”教學模型（如圖5所示）。

如教學人教版必修2《遺傳與進化》第3章第1節《DNA是主要的遺傳物質》，筆者運用上述模型設計了如下頁圖6所示的教學過程。

在生命科學的發展過程中，此類探索經歷不勝枚舉，如植物生長素的發現，從達爾文父子的研究，到鮑森·詹森、拜爾、溫特等人的研究，到1931年人尿分離出生長素，再到1946年從高等植物中分離出生長素。目前的高中生物學課堂教學，受困于分數壓力以及教師的教學能力有限，科學探究多是“假”的科學探究。這類科學探究的“假”體現在：往往是教師直接向學生提供實驗材料、實驗流程，并且學生已經知曉實驗結果和結論。因此，學生的科學探究能力只能是停留在背記實驗原理、實驗過程以及實驗結果。而本教學模型力求“真”的科學探究。

角色替入讓學生站在那個時代科學家所具有的技術水平上思考問題，如學生角色替入科學家艾弗里，完整地經歷艾弗里當時的科學探究過程：實驗假設、形成實驗方案、實施實驗、預設實驗結果、實驗結果分析以及得出實驗結論。同時，在形成實驗方案時，學生必須像艾弗里那樣思考如何選擇合適的實驗材料、恰當的技術手段等。并且整個實驗探究過程，需要學生運用到現代自然科學研究的兩大方法：“歸納—演繹”和“假說—演繹”。因此，該教學模型在培養學生的科學探究素養上是有效的。

（四）“聚焦社會責任培養的故事匯”教學模型

社會責任是學生在生物學知識基礎上發展起來的正確的世界觀、人生觀、價值觀，更是他們終身學習和終生發展的內驅力。雖然每一次科學史教學實踐都能滲透社會責任的培養，但筆者認為利用某些高中生物學內容培養學生的社會責任的成效更顯著，尤其是一些重大生命科學研究及成果，如DNA雙螺旋結構的發現、RNA疫苗的發現、胰島素的發現等。此外，在課堂上講述中國學者的研究工作，教育的意義尤為顯著。

在筆者看來，專注于培育社會責任的教學應這樣進行：首先，確定一個亟待解決的問題，該問題的解決應極大地推動科學發展或有助于人類社會的進步，可以是科學史中的疑難問題，也可以是社會熱點問題;其次，圍繞問題安排學生課前搜集資料、挖掘其中涉及的主要科學家并撰寫故事;接著，課中通過觀看視頻、聚焦科學家的研究重難點，高效完成課堂教學任務;最后，課后撰寫小論文，加深學生對科學家及科學家工作的認識。基于此，筆者構建了“聚焦社會責任培養的故事匯”教學模型（如圖7所示）。

以教學人教版必修2《遺傳與進化》第3章第2節《DNA分子的結構》為例，筆者運用“聚焦社會責任培養的故事匯”教學模型，設計了如圖8所示的教學過程。

常見的科學家及其研究故事，一般是由教師在授課過程中進行簡要介紹，這樣會導致學生的感受并不深刻。該教學模型，圍繞一個亟待解決的生物學問題，讓學生自主搜集相關科學家及其研究經歷的資料，甚至閱讀科學家自傳等，使得學生對這些科學家及其研究的認識更為全面，從而使學生更認同科學家不懈努力的品質，激起學生學習科學家獻身科學的精神。

三、高中生物科學史教學需要注意以下五個方面

（一）四大核心素養不能截然分開

雖然上述四種教學模型分別側重培養不同的核心素養，但需要注意的是，科學史教學過程不能將這四大核心素養截然分開，應盡可能在每一次科學史教學中都涉及四大核心素養的培養，因為四大核心素養之間是緊密聯系、相互交融的。

（二）側重培養學生的科學品質

科學史教學應側重培養學生具備科學家的研究精神，培養學生“為今人奮力，為來者前驅”的精神以及堅忍不拔的意志品質。在科學史教學中，科學家的實驗過程、實驗數據、實驗結論固然是重要內容，但筆者認為科學家的求真務實、不畏艱辛、大膽質疑、敢于創新等品質更為重要。

（三）盡可能如實呈現相關事實

現行高中生物學教材中的科學史料是經過適當編輯的、不完整的。教師在進行科學史教學時，應適當補充課本呈現的內容，使學生更加全面地了解實驗背景、實驗過程、實驗數據等。例如，達爾文在研究植物向光性時，為什么拿金絲雀虉草進行實驗？這是因為達爾文養了許多鳥進行相關研究，而金絲雀虉草的果實常作為鳥類食物。在遺傳物質發現過程中，格里菲斯有著重要的貢獻，但是他為什么會將加熱殺死的S型菌與R型菌混合，然后注射入小鼠體內？這與格里菲斯是軍醫有關，他想研究這兩種菌混合液能否安全地引發人體對肺炎雙球菌的免疫。在研究細胞核的實驗中，傘藻嫁接實驗，除了教材中出現的實驗結果，還存在一種中間類型，即同時具有兩種傘藻傘帽特征的實驗結果。基于此，我們期望如實呈現科學家研究過程中的真實數據和事實，以培養學生實驗求真、做事務真、做人本真的品行。當然，如實呈現科學家的研究事實，最好能有這些科學家的研究論文作為依據，因此搜索并下載這些論文是關鍵。但這對教師而言具有一定的難度，需要教師有一定的積累與鑒別能力。

（四）抱有“理解之同情”心態

中國歷史學家陳寅恪先生提出考古需抱有“理解之同情”心態，這同樣適用于高中生物科學史教學。每個科學探究的過程都是科學家通過嚴密的研究體系得出來的，但是囿于當時的器具、方法、技術、思維，可能會出現錯誤的結論。例如，對生物膜結構的探索中，羅伯特·森通過電鏡下“暗—亮—暗”的現象提出了生物膜“蛋白質—脂質—蛋白質”結構模型。雖然這個模型有較大的紕漏，但也是科學家精心探究的結果，體現了結果與結論的一致性和嚴密性。因此，在生物科學史教學中，教師不能隨意否認或否定，而要與學生一起深入當時科學家所處的研究背景，領悟科學家研究的重要意義。

（五）要多講中國科學家故事

我們中國科學家的研究故事對學生來說更為真實、親切。比如鄒承魯發起并參加世界首次人工合成蛋白質（胰島素）、周光宇獨創的花粉管通道法、以侯云德為首的研究人員成功研制出我國第一個基因工程藥物——干擾素，還有袁隆平培育雜交水稻，等等。教師還可以在課堂上講述當代科學家的研究成果。這些故事，無疑更能激發學生的學習興趣和愛國熱情、更能堅定其為祖國奮斗的志向。

總之，生物科學史含有豐富而翔實的史料，對實現普通高中生物學課程目標具有獨特的積極意義，高中生物教師應深入挖掘其中的教育教學價值，并適時適當融入課堂，以實現對學生生物學學科核心素養的培養。

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注：本文系廣西教育科學“十三五”規劃2018年度廣西教育研究專項課題“廣西普通高中生物學科教學關鍵問題實踐研究-4”（2018ZJY239）的研究成果。

作者簡介：王上銳（1983— ），海南澄邁人，高級教師，研究方向為高中生物教學及教育管理。

（責編 劉小瑗）