科學史循環探究方式在高中生物學教學中的應用

何軍　黃文俞

【摘要】本文闡述生物科學史循環探究方式的內涵，以教學人教版高中生物學必修2《遺傳與進化》第3章第3節“DNA的復制”為例，詳細說明該探究方式在高中生物學教學中的應用，包括提出問題作出假設、選擇符合課題的素材、設計研究方案、實施方案并檢驗結果、理論演繹得出結論、評價與反饋等六個環節，旨在引導學生學習科學家的研究方法、科學精神等，發展學生的生物學學科核心素養。

【關鍵詞】科學史 循環探究 高中生物學 教學方式

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）20-0129-04

在生物學發展過程中涌現了許多做出卓越貢獻的科學家，他們具有寬廣的胸懷，以其辛勞與智慧推動了科技進步。在教學中引導學生學習科學家的研究方法和科學精神等，與實現新時代教育“立德樹人”的根本任務高度契合。本文闡述生物科學史循環探究方式的內涵，以教學高中生物學“DNA的復制”為例，闡述如何利用科學史循環探究方式促進學生理解科學的本質，發展學生的生物學學科核心素養。

一、生物科學史循環探究方式概述

科學史實呈現了科學家的生平事跡及其科學觀念、研究方法、技術手段等，生動地呈現了科學家發現新現象、完善新概念、解釋新規律、見證創新思維誕生的過程等，具有極其豐富的教育價值，是培養學科核心素養的生動素材，也是一種非常重要的教學資源。

筆者基于概念教學中的論證式教學，因地制宜構建科學史循環探究方式：提出問題、觀點猜想、設計方案、實驗檢驗、得出結論、評價反饋，六個環節構成一個論證教學環，形成思維循環。首先，教師營造有利于解決問題的探究氛圍，學生在教學目標引領下明晰探究主題，準備材料用具。其次，教師運用適當的教學策略組織學生對科學史實中的問題進行質疑和辯論，提升主題決策、問題求解、批判論證等高階思維能力，引發有意義的深度學習。最后，學生根據已有的科學概念設計實驗方案并進行檢驗，得出證據，支持或反駁現有觀點，系統建構科學理論。在理論建構過程中，教師引導學生用嚴謹的思維把前概念提升為科學概念，使學生逐步成為有批判性和創造性的優秀學習者。這些環節不再是要求學生單純地理解與接納科學理論，而是讓學生基于理解和批判的視野，對科學論證的過程進行細致考察和嚴謹推理，從而理解科學理論是如何演繹驗證的。該教學方式使課堂教學活動更加開放，讓學生敢于提出問題，并積極探討解決問題的方法，發展科學探究的關鍵能力。

生物科學史循環探究方式也是立足于學科核心素養的教學實踐過程，主要圍繞科學探究的認知、能力和情感態度三要素開展教學活動。發展科學探究認知是在科學實踐中實現的，是一個能動的、復雜的過程，是培養和發展科學探究能力的基礎。科學探究能力有七要素，主要包括客觀觀察現象、批判性地提出猜想、正確篩選材料用具、選擇恰當的實驗方法、設計務實的實驗方案、對實驗結果進行合理的解釋、合理推斷出結論。科學探究的情感態度是指學生從科學家的經典研究中得到啟迪，學習科學家積極發現、敢于質疑、勤于實踐、樂于合作、勇于創新等精神。

筆者基于教學實踐，構建生物科學史循環探究方式的實施流程如下頁圖1所示。

二、利用生物科學史循環探究方式教學“DNA的復制”

（一）教材分析

人教版生物學必修2《遺傳與進化》第3章第3節“DNA的復制”，是基于實驗的科學探究，涉及許多科學家的猜想、推論和實驗。教材針對DNA復制方式的推測只給出了半保留和全保留兩種方式，未提及散布式復制；展示結論的獲得經過了多次修正和完善。該研究過程能夠較好地呈現科學觀點的可變性與科學知識的發展性，讓學生體會到系統構建科學觀點過程是需要不斷修正的。正如《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）指出的，既能讓學生獲得基礎的生物學知識，又能讓學生領悟生物學家在研究過程中所持有的觀點，以及解決問題的思路和方法，充分體現了學科特點和育人價值。

（二）教學目標

以經典科學探究史料為主線，開展基于科學史的概念教學，運用假說—演繹法探究DNA的復制方式，構建DNA半保留復制的重要概念。通過學習科學家探索DNA復制方式的研究方法，培育科學探究能力和科學邏輯思維。補充科學家對DNA復制方式的研究經歷，認同科學探究是以質疑為出發點，以實證為依據去修正、求證結論，以科學邏輯為標尺的動態探索。

（三）教學設計思路

教材展示了沃森和克里克的論文《核酸的分子結構》中有關DNA復制方式的推測，設置了探究內容“DNA半保留復制的實驗證據”，但是僅用部分描述進行研究是不夠的。因此，教師查閱資料整理出探索DNA復制方式的生物學史實，還原當時科學技術發展的社會現實，引導學生發現問題，構建模型使隱性思維顯性化，運用假說—演繹法解決科學探究問題，在提出猜想—作出假設—方案設計—實驗檢驗—科學結論的探索過程中，尋找充足的證據來嚴謹解釋或辯駁DNA復制的方式，培養科學探究的關鍵能力，積累科學探究實踐經驗。

（四）教學過程

1.根據史實，提出問題

在梅塞爾森和斯塔爾設計巧妙實驗證明DNA的復制方式之前的科學事實是什么呢？1953年，沃森、克里克發現了DNA雙螺旋的結構。教師展示DNA分子物理模型，引導學生觀察并回顧DNA分子由兩條鏈反向平行盤旋成雙螺旋結構，兩條鏈上的堿基遵循堿基互補配對原則，通過氫鍵連接成堿基對。教師隨后提供史實資料。

資料一：沃森、克里克論文《核酸的分子結構》節選。我們并非沒有注意到，我們提出的這種堿基特異性配對方式，暗示著遺傳物質進行復制的一種可能的機制。

資料二：DNA分子復制方式猜想（如圖2所示）。（1）全保留復制：以DNA分子作為模板進行復制，子代DNA分子含有兩條全新的DNA鏈；（2）半保留復制：雙螺旋DNA分子復制時，雙鏈中互補的堿基對之間的氫鍵斷裂，解開的兩條單鏈均作為復制模板，從細胞中吸取游離的脫氧核苷酸，依據堿基互補配對原則結合到模板鏈上形成互補子鏈，母鏈和子鏈盤旋在一起，新產生的每個子代DNA分子含有一條來自親本DNA的母鏈和一條新合成的子鏈；（3）散布式復制：在雙螺旋DNA復制過程中，親代DNA分子兩條鏈被分割成許多大小不等的片段，與新合成的DNA單鏈片段連接，復制完成后在子代DNA每條鏈中，母鏈和子鏈片段鑲嵌。

筆者查閱科學史料知道，當時科學家大多認同DNA是能夠復制的，后來美國科學家科恩伯格也通過實驗驗證了DNA在一定條件下是可以復制的。圍繞科學史，基于核心素養還原科研實踐，使學生產生探究認同，綜合思考，解析探究活動主題并將其分成兩個階梯問題。首先，DNA復制過程中其穩定的雙螺旋結構有沒有解開？如果是解開的，如何解開？其次，合成DNA子鏈究竟以什么方式延伸？DNA復制以哪種方式進行？引導學生像科學家一樣提出問題，開展主題論證。

2.提出猜想，構建模型

面對科學史情境引發的認知沖突，分層設置問題推動學生自主探究，運用元認知策略處理主題信息，通過建模使隱性思維外顯。教師準備好資料包，包含白磁板、不同顏色的磁條、馬克筆等，組織學生進行小組合作探究活動。畫紅色條帶表示親代DNA分子的一條鏈，畫藍色條帶表示新合成的子鏈，在白磁板上分別構建半保留復制、全保留復制和散布式復制的模型。學生標注清楚親代與子代DNA鏈，用箭頭畫出親代DNA鏈傳遞到子一代和子二代的路徑，并補全假說的名稱。新舊概念融合的可視化思維建模活動，拓展了探究路徑的寬度，使學生把碎片化知識納入嚴謹的探究體系，促進推測DNA復制方式的深度建模。

借助模型構建對探究重難點內容進行延伸拓展，進一步提出問題：我們應如何設計實驗檢驗這三種假說的正確性？這個實驗要解決的關鍵問題是什么？學生分析構建的模型得知，要監測到DNA分子復制之后母鏈的去向，先要解決的技術問題就是將DNA母鏈與新合成的DNA子鏈區分開來。引領學生領悟科學探究工作需要敏銳的洞察力，科學本質的發現需要細致觀察、尊重史實、邏輯遞進、重視證據等科學思維屬性。

3.方案評估，實驗檢驗

科學探究既是探索未知，又是從百家思想中汲取精華。筆者查閱化學相關知識得知，氮是穩定型同位素，不能通過檢測放射性來推斷親代DNA鏈的去向。教師再向學生科普氮的同位素標記、密度梯度離心技術，為后續的創造性探究做好鋪墊，有助于學生感悟到科學探究是創造性工作，推動學生產生獲取事實證據的探究欲望，像科學家梅塞爾森和斯塔爾一樣想到創造性解決問題的方法，即以大腸桿菌和含有氯化銨的培養液為實驗材料，使親代DNA母鏈和新合成DNA子鏈標記上質量不同的氮同位素，用密度梯度離心技術處理親代DNA和子代DNA，分別記錄DNA帶的數量和位置。學生評估分析DNA的三種可能復制方式，預測得出不同的實驗結果，即離心管中相應的DNA帶分布情況，并在構建的模型旁畫出來。在評估方案過程中，各小組成員針對探究路徑進行多方向的辯駁，通過反饋補充修改論證過程，確保實驗方案的可靠性，檢驗方案是否真正體現科學探究的內涵。學生通過論證活動分析辨別信息，提煉重要概念，既能發展科學探究的邏輯推理能力，又能學習前人智慧，提高科學探究的實踐能力。

4.辯證解決問題，得出結論

教師簡單介紹紫外線吸收法的原理，展示梅塞爾森和斯塔爾利用紫外線吸收法所得到的真實實驗結果（如下頁圖3所示）。通過觀察，我們得知親代DNA帶的位置最靠右，說明其密度最大，因此在離心管中的位置對應的是重帶；而合成的子一代DNA只有一種帶，比親代的密度略小，在離心管中對應中帶（雜交帶）；圖中子二代DNA（1.9代）是兩條帶，且分別對應中帶和輕帶。用氮15標記的親代DNA具有單一的重帶，在氮14培養基中培養產生子一代DNA，其密度介于重帶和輕帶之間（雜交帶），此時可以排除全保留復制方式，但還無法證明DNA是半保留復制還是散布式復制。因此，教師要引導學生分析子二代、子三代的實驗結果，以繼續驗證猜想是否正確。隨著復制代數的增加，輕帶的量越來越多，而雜交帶始終存在且量保持相同，由此可以排除散布式復制，從而證明DNA是半保留復制。

教師評價各學習小組構建的DNA分子復制模型，引導學生用規范的語言表達科學概念。將實驗結果與模型猜想對照思考，辯證地解決問題。

蘇格拉底說過：教育不是灌輸，而是點燃火焰。采用科學史循環探究方式得到DNA復制的具體方式（如下頁圖4所示），著眼于學科核心素養，充分還原科學史實，引導學生發揚不懈的探究精神，在科學實踐中進行論證，拓寬已有科學探究技能的應用場景，明晰實驗原理和科學探究程序，培育批判性和創造性的科學思維，提升科學探究能力，發展學生的生物學學科核心素養。

三、反思與總結

《課程標準》指出，著眼于學生適應未來社會發展和個人生活的需要，從生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任等方面發展學生的學科核心素養。本文從生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任四個方面，反思與總結“DNA的復制”一課。

（一）生命觀念方面

如何在學科教學中培養學生的生物學學科核心素養，方法之一是讓學生在課堂活動中“會做事”。教學過程以重現生物科學史為線索，利用假說—演繹法引導學生循環探究DNA的復制方式，在發現生物科學史和驗證生物學規律過程中，訓練學生架構生物科學史之間的關聯的能力，形成DNA復制的概念，幫助學生深度理解DNA的半保留復制機制。生物科學史教學呈現了科學家的創造性勞動過程，有利于學生在物質觀、結構與功能觀、信息觀之間建立動態聯系，認同生物學科學發展演變規律，樹立正確的人生觀、世界觀和價值觀。

（二）科學探究方面

生物學課程目標之一是掌握科學探究的思路和方法。科學史循環探究以經典科學探究實驗為基礎，引導學生了解生物學經典實驗的一般研究方法，全面掌握科學探究工作的規范流程：提出有價值的問題、結合問題情境作出猜想、選用嚴謹的實驗研究方法設計完整的實驗方案、熟練地進行實驗操作、收集證據合理推斷出實驗結論等。基于實證的探究方式還提高了學生科學探究的實踐能力，增強了學生對科學探究過程和科學本質的理解。

（三）科學思維方面

科學史料中沃森和克里克基于DNA雙螺旋結構模型作出了DNA半保留復制的預測，有助于學生感悟科學探究工作的開展有賴于細心觀察并批判性作出推測。在基于實證的小組辯論過程中，引領學生體會疑問—猜想—證據論證—演繹推理—得出結論的探究路徑，并且認識到新概念都是在探究路徑不斷循環中得到修正和完善的，強化了論證式科學思維。已知氮的同位素相對穩定且無放射性，不能用同位素標記法來區分親代DNA和子代DNA。教師適時還原科學技術發展史介紹科學家運用密度梯度離心技術解決了以上問題。該技術是多學科融合發展的結果，體現了科學探究中跨學科交叉的必要性，也說明了科學家新穎的創造性思維對推進探究工作有積極的意義。

（四）社會責任方面

通過生物科學史深化生命觀念，使學生認同科學家敢于質疑、立足實踐探索求真等精神，喚起學生勇擔民族復興之重任，從而發揮科學史德育功能，落實教育立德樹人的根本任務。

總的來說，科學史循環探究教學方式以經典史料為線索，引導學生解釋生命現象，深化了生命觀念；基于實證的概念構建，運用假說—演繹法解決生物學問題，提升了科學思維能力。明確科學探究的基本程序并自主完成探究活動，培養了科學探究能力；利用史料事跡與科學家精神的契合點，提高科學史的教育價值和實踐價值，認同科學家格物致知的精神。

參考文獻

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［3］劉本舉.“DNA的復制”基于科學史探究的教學設計［J］.生物學教學，2008（3）.

［4］劉祖洞.遺傳學［M］.北京：高等教育出版社，1992.

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）及其子課題2020年度柳州市教育科學規劃課題“基于高中生物科學史的科學探究能力培養的實踐研究”（2020C136）的研究成果。

（責編 劉小瑗）