挖掘生物学史 培养科学精神

陈 维

( 江苏省连云港高级中学 222042)

科学精神是从科学活动、思想、方法、规范以及科学家的思想观念中提炼出的科学本质、核心和灵魂，能对科学活动主体及其他实践主体和社会的行为与意识产生积极的启蒙、感召和引导等作用的科学的文化精髓，是科学大系统得以形成、建构和发展的灵魂。作为一个复杂系统，科学精神主要包括求实精神、理性精神、创新精神、竞争精神、批判精神和自由开放精神六大要素[1]。认识学科价值，培养科学精神是生物学教学的核心目标。生物科学史记录着生命科学的研究历程，是科学家思维和智慧的结晶，蕴涵着丰富的人文教育内容。教学中挖掘并引入一些与知识相关的经典实验、典型事例、科学史实和科学家逸事等，能够让学生领悟到科学的崇高、神圣和对历史的巨大推动作用，感悟到科学家高贵、不屈的意志品质，这对培养学生的科学精神将起到极大的促进作用。

1 树立客观求实精神

求实精神反映出对世界及其本质和规律的客观实在性的信仰与追求。在生物科学史的教学中，介绍科学家注重通过观察和实验获取科学事实和检验理论等研究经历，能有效培养学生的求实精神。巴斯德曾经说过:“当你相信自己已经发现了一种重要的科学事实并热切的希望将它发表时，要将你自己克制几天、几周、几年，要与自己斗争，想方设法推翻自己的实验，只有在一切相反的假说统统排除以后，才能将你的发现宣布”。由此可见，巴斯德的伟大成就与他客观求实的科学精神是分不开的。孟德尔历时8年用豌豆做实验材料，反反复复、不厌其烦地进行了大量的杂交实验，仔细观察、如实记录了数以万计的实验数据，正如他自己所说：“从春到秋，天天都要全神贯注、小心翼翼的监视着实验。”在讲述“光合作用的发现史”这段内容时可以向学生介绍卡尔文研究暗反应机理的历程，感悟其严谨求实的科学精神。在这一历程中，卡尔文用有放射性同位素14C标记的CO2做实验材料，通入培养有小球藻的玻璃容器中，给予适当的光照，小球藻立即进行光合作用，反应进行到一定时间后，卡尔文立即取出小球藻，用滚烫的酒精把它们杀死，用滤纸层析法分离出小球藻中的化合物。他分别把滤纸上的一条条色斑拍成X光照片，进行分析研究，确定了这些化合物的成分。卡尔文根据放射性同性素14C标记的CO2的去向，精确分析不同反应时间内的产物，经过10年的实验研究，终于搞清楚了暗反应中合成葡萄糖的多种不同的反应过程，为探索光合作用机理作出了巨大贡献[2]。上述过程的讲解不仅有助于学生理解暗反应的过程，更有助于学生树立客观求实的科学精神。

2 追求逻辑理性精神

理性精神是对世界的统一性与规律性的信仰与追求，注重理性在科学活动中的运用，坚持用逻辑分析与演绎以及数学计算与推导等手段来构造的理论体系。生物科学史中经典结论的形成过程，无不依循“问题-假说-实验-结论”的探究逻辑，体现着理性精神对规律的追求。1903年，美国遗传学家萨顿根据基因和染色体行为之间明显的平行关系，提出假说:基因是由染色体携带着从亲代传递给子代的。也就是说，基因位于染色体上。遗传学家摩尔根却对此表示怀疑，后来他做了大量的果蝇杂交实验，用实验把一个特定的基因和一条特定的染色体——X染色体联系起来，从而消除了疑虑，证实了萨顿的假说。从这一历程可以看出，理性分析在科学理论建立中的重要作用。19世纪中期，孟德尔用豌豆做了大量的杂交实验，在运用数学统计的方法对实验结果进行分析后，他发现杂种后代中出现了特定比例的性状分离，通过严谨的推理和大胆的想象提出了假说，并巧妙设计测交实验加以检验，最终形成结论[3]。事实上通过测交实验并不是直接检验假说本身，而是验证由假说演绎出的推论，即:如果遗传因子决定生物性状的假说是成立的，那么，根据假说可以对测交实验结果进行理论推导和预测。在教学过程中，教师应该凸显“假设-演绎”法的逻辑方法与理性精神，让学生体会如何根据实验现象构思假设，基于假设进行演绎推理，设计测交实验并预期实验结果，最终论证子代产生配子时成对的遗传因子分离的真实性[4]。

3 感受自由开放精神

自由开放的科学精神注重科学知识体系的发展，注重不同学科或同一学科内部的不同理论间的相互影响与交融，重视科学的群体性(代际之间和同代之间)与协作性。只有在自由开放的环境中才能出现批判和竞争，才能实现知识的发展和更新。生物科学史展示了生命科学各个学科形成的历史，它能够从整体上说明各个学科是在解决什么问题的过程中发展起来的，还能告之各个学科之间的联系。这有助于发现尚未解决的问题和需要进一步解决的问题，有助于感受自由开放的科学精神，建立知识点之间的联系，建构完整的知识结构。如果孟德尔不运用数学知识对数据进行统计分析，就不能够发现遗传规律；如果没有细胞学的发展，萨顿和鲍维里就不能认识遗传因子与染色体之间的联系；如果塔特姆不精通微生物知识，基因与酶之间的关系就不能建立起来；如果沃森和克里克不曾从数学家格里菲斯、生物化学家查伽夫、化学家鲍林和多诺休那里得到启发和帮助，如果沃森和克里克也不曾合作，也许就没有他们今天令人瞩目的成就。克里克事后也说，不相信沃森和他自己能够单独完成这个发现。正是因为他们具有自由开放的科学精神，才使国籍不同、性格各异的科学家，为了科学事业，为了能攻克遗传物质 DNA 的结构难关而团结协作，最终取得了成功，开辟了分子生物学的新纪元。通过这些科学史的教学，可以使学生感受自由开放精神的重要，懂得在合作中学习和进步。

4 认同质疑批判精神

批判精神推崇在理性基础上的大胆怀疑，不承认有永恒的真理，不断言和盲信“绝对权威”。通过对原有知识体系的拷问，发现其错误或不足，从而推动知识体系的发展。生物科学知识是在科学家对前任的结论不断质疑、不断批判、不断求证的基础上进行自我更新的过程积累起来的，开展生物科学史的学习能够培养学生勇于质疑和批判的科学精神。例如，在讲授“激素调节”这部分内容时，介绍斯他林的故事，可以促进学生对质疑与批判精神的认同。1888年，巴甫洛夫发现迷走神经可以支配胰腺的分泌。如果把稀盐酸灌入狗的十二指肠，可以引起胰腺分泌加快。巴甫洛夫怀疑是交感神经在起作用。他又切断了交感神经，但只要在狗的十二指肠灌入一些稀盐酸，胰液分泌还是会加快。巴甫洛夫迷茫了，但又找不到正确的解答，他给这种现象起了一个名字叫做“顽固性神经反射”，认为这种神经现在还未发现。年轻的斯他林对巴甫洛夫的实验很感兴趣，但他认为巴甫洛夫的实验结论缺乏科学依据，并大胆地革新了实验方法[4]。1900年斯他林把一只狗的十二指肠黏膜刮下来，经过过滤后注射给另一只狗，结果这只狗的胰液分泌明显地增加了。他根据实验得出结论：两只狗之间没有神经联系，胰液分泌的增加并不是神经调节的结果。斯他林公布了自己的实验结果，提出了新的观点，对所谓的“顽固性神经反射”进行了质疑和批判，但这却遭到了巴甫洛夫等人的强烈反对。斯他林在反对声中并未放弃对真理的追求，而是继续进行实验研究，而充足的证据最终证实了“促胰液素”的调节作用。斯他林的这种追求真理、勇于质疑批判的科学精神，是所有科学家共有的精神，这将强烈的震撼着学生的心灵。

5 体悟碰撞竞争精神

科学上的竞争精神，表现为不同概念、假说、原理和理论之间的竞争，是不同个人、学派或学派内部不同观点之间的争论。生物科学史展示了在探究知识的过程中科学家所持观点之间的碰撞和争论，在碰撞与争论中，知识得到不断的澄清和完善。例如，达尔文的自然选择学说发表不久，有人提出了“自然选择作用于哪一种变异”的问题，成为当时争论的焦点。达尔文认为选择主要作用于连续的变异类型上。早期的生物统计学家高尔顿、皮尔逊与达尔文的判断一致。到了19世纪末，贝特森用事实证明了环境虽呈现连续的变化，而生物的变异却是不连续的，这种不连续性受遗传的控制，而不受环境控制。1904年，在英国科学促进协会的会议上，贝特森与韦尔登进行了最后的争论，贝特森取得了胜利。又如：针对是由什么物质引起发酵的问题，李比希和巴斯德曾经展开过争论。巴斯德提出酿酒中发酵是由于酵母细胞的存在，没有活细胞的存在，糖类是不可能变成酒精的；李比希则坚持认为引起发酵的是酵母细胞中的某些物质，这些物质只有在酵母细胞死亡并且裂解之后才能发挥作用。1897年，毕希纳用实验证明了李比希认为引起发酵的是酵母细胞中的某些物质的观点是正确的[5]。教学中适当的穿插这类史例，可以让学生直接体悟竞争精神对于发现真理形成正确结论的重要作用。当然，在科学研究中仅有竞争和碰撞是不够的，许多重大的生物学成就都是科学家互相帮助、精诚合作的结果。

6 形成开拓创新精神

创新精神是科学精神的核心，注重对新方法和新实验的探求和运用，注重理性思维和非理性思维在科学活动不同阶段的创新作用。强调突破现有理论的界限和束缚获取新现象、新事实，揭示新规律。在生物科学史的教学过程中，要选用科学家富有创造力的精彩史例启迪学生的心智，促进创造性思维的发展，培养开拓创新精神。例如，利用光合作用发现史、生长素发现史等过程可以学习科学家独特的思维方法；通过贝尔登和鲍维里研究细胞分裂，德尔布吕克、卢利亚和赫尔希研究噬菌体侵染细菌等实验学习选材与创新设计的关系。通过孟德尔的遗传因子假说到摩尔根的基因论，薛定谔关于遗传密码的假说到分子遗传学中心法则的建立，领悟“假设检验”这种创新思维模式的价值。在讲述酶与性状的关系时，可以介绍黑尿症的研究过程：伽罗德在临床工作中，发现黑尿症患者不能完成酪氨酸的正常代谢，因为缺少尿黑酸氧化酶，其中的一个环节被阻断。于是，他提出了一个根本性的问题:“什么原因造成了这种阻断?”在研究了黑尿症患者的家族史后，他发现这种疾病不是由微生物感染引起的，也不是因为某些一般的功能失调引起的，这种失调是遗传的，而且似乎按照孟德尔式隐性性状的模式遗传。这个发现指明了孟德尔遗传学可以应用于人类，暗示了基因和酶之间存有某种关系。这段历史的呈现可以帮助学生体悟伽罗德善于抓住问题本质、擅长联想分析的创新思维品质[6]。介绍比德尔和塔特姆的相关研究，同样可以促进创新精神的形成。比德尔曾试图通过研究果蝇眼睛色素的遗传控制来分析遗传的生物化学基础。后来，他和塔特姆发现，用果蝇作为研究材料，对于解基因和基因产物关系的生物化学研究来说是不能令人满意的。为此，他们逆向思考“是否可以把通常的过程颠倒一下，用特有的化学反应来鉴定特异基因呢？”。于是他们决定不再以突变体作为研究的起点，而是从已知的化学反应开始再回溯去寻找控制着这些反应的基因。他们还科学的选择了红色面包霉作为实验材料，终于获得成功。上述研究历史表现出了比德尔和塔特姆敢于否定，善于逆向思维的创新品质，体现了思维的敏捷性和深刻性。这有助于学生开拓视野，培养创新精神。