人文和科学背景情境下的“细胞学说”教学*

陈月艳（北京市第四中学 北京 100034）

细胞学说的建立时期，正处于人类科学、技术的革命性变化时代，科学、哲学、艺术彼此交融又趋于分化而呈现蓬勃发展的态势。科学技术的突破性进步逐渐改变了人们对世界的看法，人们在哲学思考的同时,有能力在科学探索中寻求生物界各类群之间、生物界与非生物界间统一的理论。笔者在“细胞学说”的教学中，希望尝试融合科学、哲学、艺术的发展成果，给学生以思想的启迪。在教学设计中，以细胞学说建立过程中的人文和科学背景为情境，以亲自观览过的艺术品和文物背后的故事及生命的层次性为线索，以师生再现经典的显微观察结果为体验，阐释细胞学说的深刻内涵和意义，渗透生命观念，同时希望本节课教学有助于提升学生的人文及科学素养。

本节课确定以下主要教学目标：阐述细胞学说的主要内容，认识其深刻含义；认同细胞学说对于人们思想观念的改变和生物学发展的突破性意义；从生物体结构层次性的角度理解生命结构的有序性及生命结构和功能的适应；从统一性和差异性的角度形成和强化生命进化的观念；感受人类社会发展过程中科学、哲学、艺术发展的彼此促进和交融，提升人文和科学素养。教学环节如图1。

图1 教学环节

1 联系生活实际，以如何鉴定人造“海参”为题导入课题

教师发现在市场上购买的海参体壁及内部结构简单而均质，产生质疑：这是海参吗？如何准确鉴别？该问题的本质是“这是生命吗？”。针对学生提出“用显微镜观察其是否由细胞构成”的建议，教师呈现所购“海参”和真海参的显微观察结果，由此导入课题：人类何时发现细胞并认识到细胞是生命的基本单位？

2 从人类认知的角度，呈现动物和人体解剖研究层次，提出“生物的基本单位是什么”的质疑

细胞学说的建立显然是显微镜技术发展的直接产物。但若从人类认识过程的角度来看，细胞的发现也是解剖学长期发展的结果。自古以来人们就疑惑并要回答的问题是：我们是什么？有机体是什么？

2.1 通过解剖研究在器官层面上形成对人体的认识 教师介绍盖伦、列奥纳多·达·芬奇和安德烈·维萨里的成就。

1）古希腊伟大的哲学家、医学巨匠盖伦的动物解剖学研究。从对医学和生物学发展的影响角度，教师主要从2 个方面介绍盖伦的研究：①盖伦的理论和研究方法对医学发展的贡献。其医学成就建立在经验及大量解剖学研究和生理学实验研究的基础上。由于当时人体解剖是被严格禁止的，盖伦通过解剖猪、山羊、猿类了解人体。②盖伦的理论对医学研究的阻滞与束缚。在盖伦之后的1 400年里，其理论一直被奉为医学圣经，直至15—16世纪的文艺复兴运动。

2）“欧洲文艺复兴三杰” 之一的伟大画家列奥纳多·达·芬奇的解剖学研究。达芬奇是学生比较熟知的画家，教师提供如下信息引发学生对达芬奇在其他领域尤其是解剖学领域研究的关注：2013年8月，在英国爱丁堡国际艺术节上展出了达芬奇30幅解剖学素描作品，这些作品即使与现代医学3D扫描图像对比，也具有“令人震惊的精确性”。教师通过PPT 与学生分享达芬奇如何将艺术与科学研究完美结合的故事：达芬奇手稿记录解剖过程中产生的系列问题和研究计划，他在解剖一位百岁老人遗体时发现人类的动脉硬化；达芬奇写一本有关人体的著作的宏伟计划；达芬奇关于如何能完成30余次人体解剖的自述等。最后，教师为学生提供相关资源，利于感兴趣的学生课后进一步了解这位艺术巨匠与他的科学和艺术，例如书籍《列奥纳多·达·芬奇传》、视频《达·芬奇的人生密码》等。

3）安德烈·维萨里的人体解剖学研究及其巨著《人体构造》。教师以展示艺术作品和讲故事的方式，引发学生对维萨里研究的兴趣，感受其不畏权威追求真理的精神。

首先展示国家博物馆承办的“威尼斯画派展”中提香所绘的安德烈·维萨里的肖像画(图2)。肖像画的主人公为什么会引发一个生物学教师长时间的驻足和关注？提出问题后，请学生欣赏肖像画作及主人公手中厚厚的书籍——具有划时代意义的维萨里的《人体结构》巨著，并展示这部书籍中部分精美的人体素描画作（图3），介绍近代人体解剖学的创始人安德烈·维萨里学习和研究的故事。例如，维萨里在巴黎大学就读期间，与其同学为观察人体骨骼偷取绞刑架上犯人遗存的骨架；维萨里在意大利帕多瓦大学公开解剖人和猿而挑战盖伦的观点；维萨里所服务的皇室家族的“哈布斯堡唇”遗传了23 代。

图2 提香绘"安德烈·.维萨里"肖像画

图3 《人体构造》中的插图

2.2 生物学家对“器官由什么组成”的思考及“组织”术语的提出过程 为体现人类对于人体奥秘的思考和从宏观到微观的研究思路，设计了如下教学环节。

①质疑器官的组成：人们这样评价同于1543年出版的标志着近代科学的开端的2 部巨著：哥白尼的《天体运行论》改变了人类对“大宇宙（天体）”的看法，维萨里的《人体构造》则改变了人类对“小宇宙（人体）”的看法。维萨里的《人体构造》真的让人们了解了人体这个小宇宙了吗？

②“组织”概念的提出：通过解剖认识了人体器官后，医生认识到：若要理解疾病，需揭示器官的组成成分。法国解剖学家比萨想在更深一层的结构中寻找不同器官组成的相似性。根据肉眼观察的结果，比萨提出了“组织”这一概念。他认为器官由组织构成，组织是机体基本的结构成分和功能成分。比萨区分了21 种不同的组织，他的研究使一些科学家和医生认为：组织是机体的终极可分层次，是机体结构和功能的基本单位。

③质疑“组织”的构成：肉眼可见的组织例如脂肪或血液，真的没有更细微的结构了吗？失血过多就会死亡，血液里到底有什么？仅仅是养料吗？你确信一袋血液和一瓶红墨水一样，没有任何结构吗？人们相信，组织一定有和其功能相适应的更微观更精细的结构，动、植物表现了共同的生命特性，应该有共同的发生单元，“组织”不能将动、植物的结构统一起来，这个共同的发生单元或更微观的结构是什么？

3 追踪显微镜下细胞的发现和细胞学说建立的过程

3.1 分享17世纪科学家发现和观察细胞的故事

1）罗伯特·胡克于1665年首次观察到细胞。教师通过还原罗伯特·胡克的多方面贡献、展示文物、模仿罗伯特·胡克的实验观察、分享其首次观察到细胞后的思考等策略，丰富历史事件背景，体现科学家对自然万物的好奇和研究热情，让学生感受艺术追求、技术进步和科学发展的相互促进关系。

教师首先展示2017年国博举办的大英博物馆百件文物展上的展品——1650—1700年制造的复式显微镜，同时展示其文字介绍：自16世纪中期以来，欧洲兴起科学和发明的热潮，这一时期被称为“科学革命”的时代。这时期的许多发现改变了人们对世界的认识，标志着现代科学的开端。显微镜的发明使科学家第1次观察到自然界中肉眼看不到的部分……英国著名科学家罗伯特·胡克使用这一发明观察到了植物细胞的结构。你听说过罗伯特·胡克吗？他因为首次观察到和记录细胞而名垂青史。作为英国皇家学会会员，他更是一个出色的天文学家、物理学家（发现弹性定律）、建筑师（参与1666年伦敦大火后包括圣保罗教堂等建筑物的设计）、博物学家，被称为“伦敦的达·芬奇”“被遗忘的科学天才”。为学生提供可课后观看的BBC《艾萨克·牛顿：最后的魔术师》的视频信息，以便感兴趣的学生更多地了解罗伯特·胡克，以及他和牛顿的恩怨。

简介罗伯特的生平之后，展示其自制的显微镜及他在《显微图谱》一书中绘制的霉菌、昆虫、羽毛、跳蚤等图片，并呈现他的观察心得。罗伯特的显微图谱向人们展示了奇妙的微观世界。人类有史以来最先观察到的细胞是怎样的？这个问题本身就能引起学生的极大兴趣，教师提出问题后不急于揭秘，而是设计以下2 个环节进一步调动学生一睹为快的渴望：首先呈现罗伯特·胡克观察到软木切片上细胞时的瞬间感受：“我一看到这些现象，就认为是我的发现，因为它的确是我第1次见到而从未见到过的微小孔洞，也可能是历史上的第1次发现。”罗伯特到底观察到了什么？如果你重复他的实验，会观察到什么？教师展示自制如图4、图5 的葡萄酒瓶软木塞和不同树种材质的木块的显微切片（也可以为学生提供材料，让学生用少许时间在课堂上观察），学生惊叹、欣赏显微镜下奇妙结构的同时，展示罗伯特看到的、也是人类第1次观察并描绘的蜂窝状的“小室：cell”。善于思考的罗伯特·胡克将观察到的微观结构和软木塞的特性结合起来，用这些海绵状的多孔的“小室”结构解释软木塞轻软、易膨胀、易压缩等特性。

2）列文·虎克观察多种多样的活细胞。教师先提出质疑：罗伯特·胡克虽是第1个观察到细胞的科学家，但他所观察到的是软木的物理结构，并推想“小室”是为植物生长供应液体的通道，因而罗伯特·胡克没有赋予“cell”一词真正的细胞涵义。现在知道罗伯特·胡克观察到的是内部结构已解体只剩下细胞壁的死细胞；是谁最先观察到并记录了活细胞？

提出质疑后，教师继续通过展示教师的观察结果、提供活细胞的动态运动视频等教学策略引发学生对列文·虎克研究的兴趣和关注。具体环节为：①展示教师受列文·虎克观察内容的启发和吸引，在显微镜下观察到的鲫鱼红细胞的形态（图6）；②播放水滴中草履虫、眼虫、变形虫等的运动状态视频的同时，介绍列文·虎克观察一滴水中的原生动物的热情；③播放运动中的精子视频，并介绍：有科学家首次在显微镜下观察到淋病患者精液中的精子，将精子与疾病相联系，认为精液中的这些“微小动物”是寄生虫。列文·虎克通过观察发现狗、兔、人的精液中都含有精子，这些研究使人们逐渐认识到精子在生殖过程中的意义。列文·虎克所观察到的红细胞、精子、原生动物和牙垢中的细菌等都是游离的活细胞，他的观察同时将人们对于生命的认识带到了微生物的研究领域。

3）马尔比基从探讨不同器官的功能视角观察器官的微观结构。与同时代其他观察者根据个人的好奇心和喜好而盲目地观察不同，作为一个医学家，意大利的马尔比基更想通过显微镜下的观察，探讨微观结构和人体生命活动的关系。他发现了毛细血管的动、静脉吻合、肺泡、肾小体等，这些研究使人们开始逐渐理解循环、呼吸、消化、泌尿的本质。

图4 软木塞切片显微结构

图5 某种木筷切片显微结构

图6 鲫鱼红细胞

图7 显微镜下的氯化钠结晶

3.2 与学生分享由发现细胞到概括出“生物由细胞构成”结论的过程 即使有了一定的证据，一个科学理论也不是轻而易举产生的，理论的建立需要敏锐的洞察力和高瞻远瞩的概括性。为了说明这个问题，以及让学生更深刻地理解细胞学说的伟大意义，在“细胞学说的建立”教学内容中，设置了如下2 个教学环节。

1）分析为什么人们难以得出“生命由细胞构成”的结论。在发现细胞以后长达170 多年的历史中，人们尽管不断积累和丰富着细胞观察的资料，为什么一直没有科学概括细胞的知识及其与机体的关系？师生共同在观察技术的局限性、细胞的多样性、科学家之间的交流3 个方面分析人们统一对细胞的认识的过程。

①观察技术的局限：一些学者看不起用各种显微镜的观察工作，例如，提出21 种组织的比萨（1771—1802）没有用显微镜继续观察探讨他所提出的组织的本质，因为他不信任显微镜下的观察结果。他说：“当人们在黑暗的镜筒中注视时，每个人看到了以他自己的方法看到的东西，自然结果就受到影响了。”确实，由于技术问题，研究者曾将细胞笼统地描述为小球或微粒，某些研究者确实看到了细胞，另外一些学者只看到了光学干涉所形成的光环“小球”赝相。除了上述资料外，教师还展示图片列举学生在课堂上经常出现的误将杂质、气泡等当做细胞的现象。学生在会心一笑的同时，理解当时人们意见不统一的原因。图7 看起来更像生命的东西，不过是显微镜下氯化钠的结晶。

②细胞多样性的困惑：用图片展示不同的植物细胞（图8），并提出质疑：人们能认为显微镜下的这些稀奇古怪如此不同的结构在本质上是一样的，从而给它们一个统一的名称“细胞”吗？显然不容易，除非能找到这些结构的一致性。

2）科学交流使人们在寻找结构一致性的基础上揭示了细胞本质的一致性。

将显微镜下形态不同的微观结构在本质上统一起来得益于学术借鉴和交流。教师以细胞核为主线将布朗、施莱登和施旺等科学家的工作和研究对象统一起来。

图8 形态不同的植物细胞

①布朗发现细胞核。1827年英国植物学家布朗观察花粉时，发现一些微小粒子表现出的无规则运动，即布朗运动。但作为一个植物学家，他的重要发现是在多种植物细胞中发现了“细胞核”。

②在布朗启发下，德国植物学家施莱登的发现。在他人的启发下，人们会有目的地再认识曾经观察到的事物。例如前面教师展示的形态迥异的洋葱鳞片叶外表皮细胞、百合叶片下表皮保卫细胞等，若再仔细观察，调暗光线，就能观察到大小、形态基本一致细胞核。施莱登在布朗的启发下，将注意力集中在细胞核上。他经过大量的观察，认识到细胞核是植物细胞普遍存在的结构，通过细胞核将形态迥异的微观结构的本质相统一。既然每个细胞都有细胞核，其对于细胞应该是非常重要的。施莱登进一步致力于研究细胞核与细胞发生之间的联系，并于1838年发表“植物发生论”，指出：“所有植物都是由细胞组成的，细胞是植物各种功能的基础。”

③在施莱登的启发下，德国动物学家施旺的发现。教师利用图片展示不同的动物细胞，例如脂肪细胞、神经细胞、软骨细胞、平滑肌细胞等，同时提出质疑：与植物细胞相比，不同种类的动物细胞形态差异更大，更加变化多端，因而人们一直未能建立动、植物微观结构上的联系，动物是否也和植物一样，是由所谓的细胞构成的？教师提供施旺受施莱登启发后的顿悟，他说：“一天，当我和施莱登一起用膳时，这位著名的科学家向我指出，细胞核在植物的细胞发生中起着重要作用。我立刻回想起曾在脊索细胞中看见过的同样的‘器官’。在这一瞬间，我领悟到，如果我能够成功地证明脊索细胞中的细胞核起着和在植物细胞发生中同样的作用，这个发现将是极其重要的。”在施莱登的启发下，为了证明动、植物微观结构的一致性，施旺观察了动物各种组织的细胞，明确指出有无细胞核的存在是有无细胞存在的最重要和最充足的证据。1839年，施旺发表《关于动、植物在结构和生长中的一致性的显微研究》一文，进一步指出：一切植物和动物都是细胞的集合体。施旺将细胞学说扩展到动物界，使之具有更普遍的理论概括和更广泛的适用范围。

④菲尔肖等对细胞来源的探讨。施莱登和施旺在揭示动、植物细胞统一性的同时，还更深入地探讨细胞来源的问题。他们认为：新细胞从老细胞中产生，从老细胞的细胞核中长出一个新细胞。他们将细胞的发生看作是一种以核仁为起点的结晶化的物理过程。这个观点虽然基于观察，但是由于当时显微观察技术的局限性和人们认识的局限性，该观点显然是错误的。在施莱登和施旺之后，很多科学家观察到细胞分裂。1855年，德国医生和病理学家菲尔肖总结自己和他人观察到的结果，提出至理名言：“一切细胞都来自于细胞。”

3.3 师生共同总结细胞学说的基本论点 基于上述教学内容，学生可总结得出细胞学说的基本论点，教师着重通过以下教学环节，加深学生对细胞学说的理解。

①通过展示鸡产卵过程的图片，说明鸡卵不仅仅由卵细胞构成，还由排卵过程中由输卵管分泌物构成的非细胞结构例如卵清、卵壳等组成，此外生物体的细胞之间有细胞间质，以此说明生物体由细胞和细胞产物组成；②分析人体血细胞、肌肉细胞、神经细胞、生殖细胞等细胞的功能，说明“每个细胞作为一个独立的单位，既有它自己的生命，又对与其他细胞共同构成的整体生命起作用”，从而从细胞功能分化的角度让学生理解“细胞是生命的基本单位”；③图片展示鸡、牛、猪、羊脂肪组织的显微照片（图9），从细胞层面上体现不同动物脂肪组织的一致性，从而说明细胞学说给予比萨提出的“组织”术语以更清晰深刻的意义：形态、结构功能相同的细胞构成了生物体的组织结构层次；④从科学发展的角度强调说明：人们认为正式提出细胞学说的科学家是施莱登和施旺，但是细胞学说的建立是许多科学家共同努力的结果。

图9 不同动物的脂肪组织细胞

4 总结细胞学说的意义

由于上述教学环节的铺垫，学生能领会细胞学说的意义。正如施旺所说：“……现在我们已经推倒了分隔动、植物的巨大障碍，细胞学说是一个统一的理论,它证明了动、植物两大有机界的本质联系。”

教师展示在2017年国博大英博物馆百件文物展上拍摄的另一件让教师有意外收获之喜的展品——达尔文环球旅行所乘坐的“小猎犬号”（Beagle，又称“贝格尔号”）上的精密计时器，并进行如下陈述：一次展览上同时展出了2 个不同年代的精密仪器——显微镜和精密计时器（图10），让人感慨万千，因为它们不仅彰显17—19世纪科学技术的蓬勃发展，同时体现了科技的发展给人们的思想观念带来的巨大转变。显微镜的发明导致了一个伟大理论“细胞学说”的建立，而仪器设备精良的“贝格尔号”使达尔文能顺利地完成环球旅行，其所见、所闻、所思孕育了进化论的伟大思想。你能否阐述“细胞学说”和“进化论”的内在联系？在学生讨论的基础上，教师总结陈述：哈布斯堡家族的“哈布斯堡唇”延续了23 代，是因为他们同源同祖；盖伦通过解剖猿而不是解剖鱼推知人体的结构，是因为人和猿有着更近的亲缘关系。而细胞学说的建立在细胞水平上找到了人和鱼的一致性，动、植物的一致性，甚至是动、植物和细菌的一致性。细胞学说的建立，为当时饱受争议的“所有生物同源同祖”的进化论，提供了令人信服的微观证据，而进化论将所有的生物相联系，成为统一生物学的理论。正因为如此，恩格斯将“细胞学说”“能量守恒与转换定律”“进化论”并列为19世纪自然科学的三大发现。这3 个理论都是努力将事物联系起来的统一的理论。细胞学说揭示了生物界结构的统一性；进化论揭示了生物界同源同祖的统一、预示了有机界与无机界的统一；能量转化和守恒定律不仅揭示了无机界运动的统一，还从能量转换的角度将有机界与无机界相统一。后续的深入研究使人们认识到，细胞是最完美的能量转换器，细胞与环境之间物质和能量的交换，以及细胞内物质和能量的转变是能量守恒与转化定律的最有力诠释。

图10 细胞学说为进化论提供了微观证据

5 回顾总结细胞学说建立过程渗透生命观念

对本节课的教学内容进行总结，也是在一定程度上对高中生物学内容框架的一个概述。教师首先用图11 概括本节课教学内容所体现的思想观念，即生物界乃至自然界的层次性。自然界、生物界中各种物质系统之间所表现出来的层次性关系，是自然界长期进化过程中所表现出来的状态和规律。生命结构的有序性体现在其层次性上，当代生命科学的发展，从微观和宏观2 个方面研究生物界的多层次性，是对生物界认识日益深刻的体现。

图11 人类研究认识生物界的有序性和层次性

在上述观念引领的基础上，教师以下面一段文字和图片结束教学内容，激发学生期待在后续学习过程中，从细胞中寻找生命的答案：理查德·费曼曾说过，科学会带给人们更多的令人激动的和神秘的东西。例如图12，可以通过观察，在细胞水平上解释花的美丽色彩，这看起来似乎很简单，花色是由细胞的颜色决定的，但是问题真的很简单吗？是什么在控制细胞的色彩？如今能在细胞的水平上揭示达·芬奇“人为什么会欢笑、会哭泣”的问题吗？早在1925年，生物学大师Wilson 就提出：“一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找”。在接下来的学习过程中，将在细胞水平上寻找生命的答案。

图12 白花射干的花朵与细胞的色彩

不同于传统的“细胞学说”的教学设计，教师花费了更多的时间，附加了本节课更多的“节外生枝”的内容，这些附加内容似乎超出了生物学课程范围，笔者如此进行教学尝试，基于以下思考：1）引领学生分享人类的思想和智慧财富，提升学生的科学和人文综合素养。科学受到社会和文化的影响,是科学的本质之一。科学的不同学科、科学与艺术、科学与哲学本身不是截然可分的，尽管在人类认识过程中，为了使研究更深入，科学与艺术、科学与哲学、科学的学科之间逐渐分化，但是就客观事物本身而言，它们是集中在事物对象上的统一整体。教师应该有能力综合多个学科的内容，抓住契机，以合适的教学内容为载体，还原知识和观念发展的本来面貌，使学生在真实的客观历史背景中理解科学知识的形成过程。科学与艺术的融合、技术的进步、人类的好奇心和痴迷的求索、人类视野的拓展和和思想观念的变革……“细胞学说的建立、内容和意义”就是体现科学、艺术、哲学相互促进、综合发展、体现科学与社会文化的关系的最恰当、最适合的内容之一。

2）在生命观念的框架下引领高中生物学教学。细胞学说的内容不仅是后续细胞结构、代谢、增殖等教学内容的起始课，也可以说是高中生物学课程的起始课。本节课突出了统领生物学的2 个生命观念：生物界结构的有序性和层次性；进化论是统一生物学的主题。在这样的观念框架引领下的生物学学习，会带给学生更多的思考和感悟。

3）通过教学艺术实现教学理想。实现上述教学目标会存在一定的困难，例如，科学和人文课程的不当综合容易使教学内容浮夸和肤浅，在教学中渗透生命观念容易产生说教和“贴标签”的教学效果。本节课的教学设计中，教师精心选取、整合教学资料，用知识或观念的主线组织看似“杂乱”的素材，努力做到“形散而神不散”。例如，达·芬奇的素描、提香的肖像作品、17世纪的显微镜和精密计时器，教师以饱满的热情，将亲临的这些艺术品和文物贯穿于课堂，不仅在一定程度上给予学生艺术的熏陶，更重要的是它们融汇了生命的层次性和生命进化的主线。又如，盖伦的猿类解剖、列文·虎克对鱼细胞的观察、哈布斯堡唇的世代延续，这些素材不仅仅增加教学内容的趣味性，更重要的是它们体现了生物之间的亲缘联系。笔者希望通过有效组织这些体现人类伟大智慧丰富生动的素材，将生命观念真正扎根于学生内心深处，融汇于学生的世界观中。此外，在本节课中，笔者努力设置带有“悬念”的巧妙设问，以吸引学生的强烈关注。例如，没有先展示罗伯特·胡克的观察结果，而是引用罗伯特的话“我一看到这些现象，就认为是我的发现……也可能是历史上的第1次发现”，然后进行如下设问：罗伯特到底观察到了什么？又如教师不急于展示列文·虎克的研究成果，而是设置如下悬念：列文·胡克说：“没有什么比看到一滴水中生活着如此多的生物更让我高兴的。”在肉眼什么也看不到的一滴水中，列文·虎克到底观察到了什么？列文·虎克在显微镜下观察鱼红细胞的形态。作为一个生物学教师没有观察过鱼的红细胞，真是汗颜，于是立刻去市场上购买了鲫鱼，取血观察，显微镜下的红细胞真是太美丽了，你想知道它是什么样子的吗？最初观察到人类精子的人可能被吓到了，他们看到了什么？本节课以教师的讲授为主，教师精心地搜集、组织教学素材，设计每一个教学环节的呈现方式，琢磨、凝练深刻而富有吸引力的教学语言，就是希望在绘声绘色与学生分享科学故事的同时，让学生感悟科学故事中蕴含的更深刻的人类的思维方式和思想观念。