基于科学史建构生物学重要概念的实践分析

孟凡龙　刘满希

摘要 基于实证研究、问题探究、模型实践建构生物学中的一些重要概念，引导学生深度分析、深入理解、迁移应用有关的生物学重要概念。

关键词 科学史 重要概念 教学实践

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

生命科学史描绘了生命科学的起源和概念、原理的發展过程，揭示了自然科学的本质，展现了客观真理的发现历史，蕴含了科学的本质和科学研究的思路和方法，呈现了科学家的科学态度、科学精神和科学世界观，具有重要的教育价值。将生命科学史融入生物课堂教学中，教师既可以依托实证教学，逐步呈现各种基本概念和原理在实验中产生和发展的历史，挖掘和阐述生物科学知识的形成过程，全面提高学生的概念理解水平；还可以在基础知识教学中，通过问题探究方式，使学生深入理解科学家独特的科学方法，体悟到创造性的科学思维；还可以将历史重演，通过模型实践还原知识的形成过程，让学生建构新的重要概念，培养学生良好的科学思维品质和科学思维能力。

1基于实证研究建构重要概念

实证研究是指研究者亲自收集观察资料，为提出理论假设或检验理论假设而展开的研究。实证研究的基本原则是科学结论要注重客观性和普遍性，强调知识必须建立在观察和实验的经验事实上，通过经验观察的数据和实验研究的手段来揭示一般结论，并且要求这种结论在同一条件下具有可证性。

在建构“DNA分子进行半保留复制”这一重要概念时，教师先后呈现背景资料1：①每个DNA上具有特定的遗传信息，一个亲代DNA分子复制产生的两个子代DNA的遗传信息必须完全相同。②碱基互补配对原则是DNA分子的结构基础，在DNA复制过程中也起着重要的指导作用。学生通过分析资料1，预测DNA分子的复制可能是通过全保留复制、半保留复制或弥散复制进行的。

资料2：1958年，美国科学家米西尔森和斯塔尔设计了很巧妙的实验。将大肠杆菌在以¹⁵NH₄Cl为唯一氮源的培养基上生长，获得15N标记的大肠杆菌，再将其转移到普通培养基（含¹⁴N的氮源）中培养，经过一代培养后得到的子一代DNA两条链分别含有哪种N元素？将子一代DNA进行氯化铯密度梯度离心，其结果如何分布？若将每个子一代DNA通过加热得到两条单链，再进行离心，其结果又会如何分布？各学习小组根据资料2，在教师的指导下讨论、预测不同复制情况下的实验结果，并绘制子一代DNA在氯化铯溶液中的位置，并了解：由于这类实验所研究的复制中的DNA在提取过程中已被断裂成许多片段，得到的信息只涉及DNA复制前和复制后的状态，无法观察到完整的DNA复制过程。

资料3：1963年Cairns用放射自显影技术将³H-脱氧胸苷标记大肠杆菌DNA，然后用溶菌酶消化掉细胞壁，释放出完整DNA，铺在一张透析膜上，在暗处用感光乳胶覆盖于干燥的表面上几星期。期间³H由于放射性衰变而放出B粒子，使乳胶曝光生成银粒。显影后银粒黑点轨迹勾画出DNA分子的形状，黑点数目代表了³H在DNA分子中的密度。把显影后的片子放在显微镜下即可观察到大肠杆菌DNA全貌。学生分析资料3，深入理解DNA分子的复制结果特点表现为半保留复制。

教学过程中，教师引导学生立足科学史中的实证资料，经历“预测实验结果、观察实验现象、分析实验本质”的过程来深入理解DNA的复制方式是半保留复制的原因，有利于培养学生依据观察、推论、实证来理解科学研究的思路和方法，进而认同生物学科的科学本质和理科属性，提升学生生物学学科素养。

2基于问题探究建构重要概念

问题探究法是指在教学过程中精心创造条件，激发学生提出问题，并以问题为主线，通过师生共同探讨研究，得出结论，从而使学生获得知识、发展能力的一种教学方法。问题探究法本质上是一种发现教学，侧重于让学生通过自己的探索来发现知识。教学通过问题探究研究学生的常规思维方法和能力水平，帮助学生发现问题并确定问题性质，鼓励学生作出大胆假设，并进行讨论。

在建构“DNA是主要的遗传物质”这一重要概念时，教师呈现1928年格里菲思进行了肺炎双球菌的体内转化实验，请学生叙述实验流程。教师设计问题引导学生讨论：肺炎双球菌有无毒性主要取决于什么？在第三组中被加热杀死的S型细菌还有没有毒性？在第四组的加热杀死的S菌+R菌'S菌+R菌中，是哪种球菌导致小鼠死亡？第四组小鼠体内分离出S型活细菌是在开始时注射进去的，还是混合后重新出现的？

针对格里菲思的实验主张，教师引导学生分析实验变量和对照实验，使学生进一步深入理解实验的设计思路。学习小组交流讨论，尝试设计科学实验或改进格里菲思的实验设计来支持格里菲思的实验主张。教师追问：20世纪中叶，科学家发现，染色体主要由蛋白质和DNA组成。那么，DNA和蛋白质，哪种物质才是遗传物质呢？如何去证明呢？

教师呈现1944年艾弗里的实验，引导学生质疑：仅根据S菌的DNA+R菌→S菌+R菌，能否肯定S菌的DNA就是转化因子，即遗传物质呢？可以再设计一个对照实验：S菌的DNA+DNA酶+R菌→R菌，当然也可以设计S菌的RNA+RNA酶+R菌→R菌，R菌的DNA+DNA酶+S菌→S菌。根据实验结果，说明只有保持DNA结构的完整性才能体现转化作用，进一步说明了DNA是转化因子。

教师呈现1952年T₂噬菌体侵染细菌的实验，要求学生分析下列问题：①由于肉眼无法观察T2噬菌体侵染细菌的过程，科学家如何知道DNA进入到细菌细胞内，而蛋白质没有进入呢？②如何对元素进行标记才能区分DNA和蛋白质？实验要设计成几组？为什么？③如何用放射性同位素³²P标记T2噬菌体的DNA？如何用放射性同位素³⁵S标记T2噬菌体的蛋白质？④用³²P标记DNA的T₂噬菌体侵染普通细菌，经搅拌、离心后实验结果将会如何？请解释原因。⑤用³⁵S标记蛋白质的T₂噬菌体侵染普通细菌，经搅拌、离心后实验结果将会如何？请解释原因。⑥根据这个实验，你能得出什么结论？

同时，教师引导学生设计验证性实验：用¹⁵N标记的噬菌体侵染未标记的细菌、用未标记的噬菌体侵染³⁵S标记的细菌，经搅拌、离心后检测到放射性主要部位应该在哪里呢？

最后，教師引导学生分析下列问题，促进学生形成“DNA是主要的遗传物质”这一重要概念：①大多数生物以什么作为遗传物质？这些生物有哪些？②少数生物以什么作为遗传物质？这些生物有哪些？③DNA是主要的遗传物质，你如何理解“主要”的含义？以此来加强学生对遗传物质的深度理解。

教学过程中，教师精心设置问题，引导学生发散思维、设计探究实验，进而发展学生的科学思维。问题的设置有利于激发学生的学习能力，提升学生的思维能力，使教学源于科学史但又超越科学史，从而推动学生的推理、再认知，使学生深入理解科学探究的本质，发展批判性思维，提升科学素养。

3基于模型实践建构重要概念

模型和建模在生物学教学中有着重要的教育意义，也是生物学核心素养中理性思维的重要组成部分。模型实践是通过构建模型来研究、揭示原型的形态、特征和本质的实施过程，一般采用集体教学和小组活动两个互补性基本教学方式构成，有利于培养学生主动学习和创造性学习的精神，提高课堂教学效率。

在建构“细胞膜的流动镶嵌模型”这一重要概念时，教师呈现以下资料。

资料1：1895年，欧文顿选用500多种化学物质对植物细胞膜的通透性进行了上万次的研究，发现：凡是易溶于脂质的物质，易通过细胞膜；反之，不易溶于脂质的物质，不易穿过细胞膜，并且细胞膜会被溶解脂质的溶剂溶解。同时，有科学家对细胞膜化学成分深层分析发现，细胞膜会被蛋白酶分解。

资料2：1917年朗缪尔将提取的膜质铺展在水盘的水面上，发现脂质在水面上形成脂单层。

资料3：1925年荷兰科学家戈特和格伦德尔，分离纯化了红细胞中的脂质，发现提取的脂质铺展后所测得的面积同实际测量的红细胞的表面积之比为（1.8～2.2）：1，约为两倍。

资料4：1959年罗伯特森根据电子显微镜的观察，发现细胞膜是类似铁轨结构，两条暗线被一条明亮的带隔开，显示暗一明一暗的三层，总厚度为7.5 nm，中间层为3.5 nm，内外两层各为2 nm。并推测：暗层是蛋白质，透明层是脂，并建议将这种结构称为单位膜。

教师呈现资料5：1970年费雷等将人和鼠的细胞膜用不同的荧光抗体标记，让两种细胞融合，杂交细胞的一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。

教师呈现资料6：1972年桑格和尼克森根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，在“单位膜”模型的基础上提出“流动镶嵌模型”。

师生针对资料1，分析实验材料，推测细胞膜可能的化学成分。教师提供磷脂分子特性，引导学生根据资料2，利用软磁铁在黑板上建构磷脂分子在空气-水界面上的排布模型。学生分析资料3，尝试使用多个软磁铁在黑板上建构细胞膜中磷脂分子的排布模型。学生分析资料4，尝试使用多个软磁铁建构单位膜上磷脂和蛋白质分子的排布模型。学生分析资料5，回答问题：该实验说明了细胞膜上的分子具有怎样的特性？学生分析资料6，尝试建构细胞膜完整的结构模型。

教师充分利用科学史资料，遵循科学家的发现历程，培养学生的科学思维，使学生逐步建构细胞膜的结构模型。教学中，教师注重科学史的教育引领作用，不断激发学生的科学探究兴趣，培养学生的科学

2教学目标

（1）描述遗传物质探索过程中几个经典实验的实验步骤、设计思路、实验方法及实验结论。

（2）说出推导实验结论时的思考过程，通过分析、比较、推理和归纳培养理性思维能力。

（3）通过学习遗传物质的发现过程，认同科学认识是不断深化、不断完善的过程，体验科学家严谨的科学态度和不断探究的科学精神。

3教学过程

3.1创设情境，提出问题

教师展示一株“智慧树”，要求学生结合学案思考下列问题：

①19世纪中期，孟德尔通过豌豆杂交实验证明了生物的性状是由什么控制的？精神。科学是一个发展的过程，学习生物科学史能使学生沿着科学家探索生物世界的道路，理解科学的本质和科学研究的思路和方法，学习科学家献身科学的精神，对提高学生的生物学核心素养是很有意义的。在平时的教学过程中，教师要充分挖掘相关科学史，采用多种教学策略帮助学生深度理解有关生物学重要概念的内涵与外延；同时，还要关注科学史本身的哲学、社会学等人文研究价值及其现实意义，引导学生正确、全面地理解科学史实，培养学生的科学思维，提升学生的生物学核心素养。