在宏觀科學史視野中深度理解科學過程

趙麗芳 慕曉茹

在以培養學科核心素養為課程宗旨的高中生物學學科教學中，科學史議題得到教師的普遍關注。《普通高中生物學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》中給出了“注重生物科學史和科學本質的學習”的教學建議。當前，在高中生物學教學中，科學史議題的常態教學多是碎片化的，史實呈現欠缺整體性、反思解釋不到位等問題，導致學生對科學過程模式的理解、對“關于自然科學的知識”的學習等也都是碎片化的。

在“DNA 是主要的遺傳物質”一課所在單元常規教學階段，我們進行過前后科學事件的串聯，并在本節課教學中運用圖表理解策略以幫助學生感悟和建立對具體科學探究過程的完整性認識與理解，但限于課程學時安排及學情等實際情況，我們的科學史議題教學在提高學生學科核心素養的育人價值方面達成水平并不高，敘說欠缺整體性、反思解釋不到位的碎片化學習等也導致學生在科學探究能力相關測試中表現欠佳。

高中學生已經學習了許多生物學實驗，其中有直接體驗，也有間接經驗，每一個實驗都是一個科學過程的例子，即學生已經知道了許多科學過程的例子。對學生而言，隨著時間推移，這些科學過程實例中的事實細節大多會忘記，而我們的期望是學生能獲得對這些例子的共同特質的理解，包括科學實證思維、一般過程模式、觀念方法論和科學本質，這才是能永久留存并影響學生一生的學習結果。

要達成這樣的學習結果，解決前述教學問題，需要合適的教學時機，這個時機則需要具備三個條件：一是當學生積累了足夠多的科學過程的例子后；二是當科學過程例子密集循環出現時；三是當密集循環出現的科學過程之間有緊密的內在邏輯時，即在一個宏觀背景下的大科學史中審視科學過程，此時的科學史才足以承載“關于自然科學的知識”，支撐學生對科學史實背后的科學過程一般范式、科學思維、觀念方法及科學精神等的感悟與反思。

縱觀高中生物學課程教材內容體系，基因發現史及本質探索史是一個難得的教學內容載體，其有兩個教學階段可以選擇，一是必修模塊的常規教學階段，二是選考生物學科的系統復習教學階段。對于學生而言，必修模塊學習階段不能滿足前述三個條件。在“DNA 是主要的遺傳物質”這節課的內容復習之前，學生恰到好處地具備了三個必要條件。因此，我們選擇以“DNA 是主要的遺傳物質”復習課為契機，引導學生進行更有高度和深度的學習。

學生能獲得對科學過程一般范式的理解，包括科學實證思維、觀念方法論和科學本質，這是我們追求的深度學習結果（學習目標），這一學習結果的達成需要合適的任務、針對性的學習活動及序列。

一、置身史境，自主整合

在現實教學背景下，我們基于學情，曾對科學史議題教學進行了系統分析，在教學內容分析研究時繪制了基因發現及本質探索史的圖解（如下頁圖1）。置身史境，自主整合的學習任務主要通過導學案，由學生在課前自主完成。

教師先出示給學生一份基因探索史的圖解（如圖1 中虛線框出部分），將前面章節分散呈現的科學史整合呈現，讓學生置身宏觀史境中，開始本節內容的自主復習，也幫助學生感悟關于“DNA 是主要的遺傳物質”的探索是基因探索長河中的一個片段，科學是一個發展的過程，科學知識可能隨著研究的深入而改變。為了讓學生能在史境中駐目，教師可設計幾處填充處理，幫助學生區別觀察（現象、結果）與推論，區分假說（推論）與預期、結論。

然后，學生自主再現本節課內容。教師依序出示四個子任務：一是對遺傳物質的早期推測，二是肺炎鏈球菌轉化實驗，三是噬菌體侵染細菌的實驗，四是煙草花葉病毒實驗。其中的肺炎鏈球菌轉化實驗和噬菌體侵染細菌的實驗由教師設計類似表格式的內容梳理整合支架，即“實驗課題→實驗材料→實驗過程及結果（討論）→實驗結論”的內容組織架構。學生按此支架完成自主內容整合，并思考每一個實驗探究過程的問題、實證思維等關鍵科學過程環節或要素。

二、再入史境，擴展精煉

再入史境，擴展精煉的學習任務，由教師主導進行課前學習反饋及深化。

教師先通過再入史境引導學生梳理科學史，幫助學生認同“人類對遺傳物質的認識是隨著研究的深入而改變的”“科學研究始于問題、問題始于懷疑”“科學研究依賴觀察（實驗）和推論”“科學是假說推動的過程”等，這樣“關于自然科學的知識”就在學生的感悟和反思中生成。

然后，教師通過引導性設問引領學生對三個實驗探究進行擴展與精煉，包括：針對肺炎鏈球菌體內轉化實驗的設問——格里菲斯的研究課題（目的）是什么？哪組是最關鍵的？理由是什么？本實驗的結論是什么？針對肺炎鏈球菌體外轉化實驗的設問——這個實驗的自變量是什么？實驗操作中是如何設置自變量的？這個實驗的結果及結論是什么？針對噬菌體侵染細菌實驗的設問——噬菌體侵染大腸桿菌的文字描述中，兩次提到的T2 噬菌體是什么關系？在過程描述中可知，聯系親子代噬菌體的是什么？為什么要標記親代噬菌體？用什么標記？怎樣標記？子代噬菌體在哪兒？ 怎樣保證它的位置？如何分離親代和子代噬菌體？實驗結果和結論是什么？

通過以上引導與設問，通過師生對話，對學案暴露的問題進行澄清，對話過程中特別關注具體科學過程的問題和科學實證思維、結果與推論、預期與結論等。這樣，教師適時、適機地引導學生區分了實驗設計的減法原理與加法原理。

三、又入史境，建構解釋

通過對三個經典實驗的自主學習及拓展精煉，教師引導學生進行抽象概括，構建模型并運用模型解釋及反思。

教師先引導學生歸納總結了赫爾希和蔡斯所做的“噬菌體侵染細菌的實驗”的探究流程。在建立這個學習支架的基礎上，學生結合肺炎鏈球菌轉化實驗和噬菌體侵染細菌的實驗等探究過程，先自主建構“科學研究流程”模型，再通過小組合作進一步完善“科學研究流程”模型。

然后，教師選取小組代表對本組所構建的模型進行展示并講解。其他學生認真聆聽并結合本小組的討論結果進行質疑和補充，共同形成一份“科學探究流程”模型。這時，教師也展示一份較完整的科學過程模型（如圖2）。學生通過參與、思考和體驗模型構建，提升了科學思維和探究能力，同時，認可假說在科學發展中的推動作用，感悟嚴謹求實的科學精神、合作交流、多學科融合、技術發展等因素對科學發展所起到的促進作用。

最后，教師將教材中的煙草花葉病毒的實驗內容進行調整和補充，作為真實情境素材提供給學生，并利用交互軟件為學生提供模擬操作的工具箱和范例。同時，教師布置任務：小組合作，設計探究方案，探究煙草花葉病毒和車前草病毒的遺傳物質是什么。學生再次通過合作探究、展示交流和歸納總結，模擬從提出假說到得出結論的科學探究全過程，加深對模型的理解和對科學發展本質的認識。

此外，在課堂小結環節，教師再次引入導課時用到的“基因探索史”部分科學史圖解，引導學生結合本節課的內容，對圖解進行補充和引申，并做出反思性解釋。在梳理過程中，教師引導學生逐步形成生物學重要概念：親代傳遞給子代的遺傳信息主要編碼在DNA 分子上。通過這一教學環節及教學行為，教師引導學生站在歷史長河中審視科學研究過程及價值，認同科學是一個繼承發展、不斷深化的過程，科學知識可能隨著研究的深入而改變，科學工作采用實證的范式，等等。學生在反思中深度理解科學過程及“關于自然科學的知識”，科學素養得以完善與提升。

通過對基因發現及本質探索史的整體性處理、圖解呈現，學生在宏觀科學史視野中形成科學概念、體悟科學過程、獲得“ 關于自然科學的知識”，將個體思維發展與基因這一科學概念發展聯系了起來。

我們以“DNA 是主要的遺傳物質”復習課為契機的教學研究，基本形成了一個解決科學史議題中科學過程理解與“關于自然科學的知識”碎片化學習的教學問題的路徑，同時富于實效地回應了《普通高中生物學課程標準（2017 年版2020 年修訂）中提出的“注重生物科學史和科學本質的學習”的教學建議。在宏觀科學史視野中深度理解科學過程，也是教師要完善的學科教學知識。

（責任編輯：楊強）