利用科学史提升学生的生物学学科素养*

郑继刚 王 涛 杨 帆 钱亚群 杨 容

（北京市第五中学 北京 100007）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称新课程标准）的基本理念中，第1 位就是以核心素养为宗旨，因为学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。如何发展学生的生物学学科核心素养，是每一位生物学教师都在思考的问题。在课程标准的实施建议中提及，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，这对提高学生的生物学学科核心素养是很有意义的［1］。如何有效地利用生物科学史进行教学，进而达成发展学生核心素养的目标？笔者所在的课题组通过教学实践进行了探索。

1 新课程标准中适合开展科学史教学的内容

经过上一轮的课程改革，一线教师对于科学史在教学中的重要作用都有了很大的认同，并将在教学中使用科学史作为一种重要的教学策略。为了能在新课程标准框架下更加充分发挥科学史对提升学生学科核心素养的作用，课题组成员在认真学习课程标准、重点解读其中有关学科核心素养方面的内容后，结合以往的教学实践，对现行人教版高中生物学教材中科学史资源进行整合与拓展，并学习了有关高中生物科学史教学的文献，从必修课程和选择性必修课程的重要概念和次位概念中选取了18 个适合应用科学史的内容（表1，见下页）。

2 构建通过科学史提升学科核心素养的教学策略

科学史具有多方面的教育功能，能促进学生核心素养的发展。如何使用科学史进行教学？本课题组总结了4 种运用科学史进行教学的策略。

2.1 以科学史作为线索组织教学 在进行重要概念的教学时，若能用一条主线将概念的各部分内容有机组织起来，必然会使教学更具有系统性和逻辑性，会更符合高中学生的认知规律。利用重要概念形成过程的科学史作为主线，组织一节课或一个主题的教学，在一些概念的教学上不失为好的方法。

例如，对新课程标准必修课程中“2.2.3 说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中，转化并储存为糖分子中的化学能”这一次位的概念进行教学，课题组成员利用现行教材和搜集的相关科学史资料，进行筛选和整合，向学生呈现了如图1所示的科学史主线。

图1 光合作用探索历程的科学史主线

简述教学过程如下：

呈现亚里士多德的观点，引发学生对此观点的赞同或质疑的情绪，激发学生的学习兴趣。出示赫尔蒙特的实验，提问赫尔蒙特得出了什么结论？他在分析实验时忽略了什么？引出普利斯特里的实验，提问普利斯特里的实验结论是什么？他的实验有时成功有时失败，他本人不知道原因，请你分析可能的原因是什么？引出英格豪斯的实验资料，出示其结论。展示拉瓦锡的资料，使学生了解对事物的认知不限于单一学科，还会受到其他相关学科的发展水平的限制。提问光能去哪里了？引出梅耶根据能量守恒定律作出的推断：植物在进行光合作用时，将光能转换成化学能储存。这一处理使学生对物质与能量观有较深刻的感受。提问梅耶所提及的化学能储存于什么物质中？引出萨克斯的实验，提问萨克斯的实验中暗处理的目的是什么？实验组和对照组分别是什么？实验结论是什么？至此，人类对于光合作用的原料、产物和能量来源已基本清楚，但光合作用的场所在哪里？引出恩格尔曼的实验，提问选用水棉作为实验材料的优点是什么？应如何设置对照组？实验的结论是什么？至此，人类已清楚光合作用的原料、产物、能量和场所，并于1897年提出了光合作用的概念，这是否意味着人们对于光合作用已经研究透彻？提问光合作用产物氧气中的氧原子来自于哪个原料？引出同位素标记法并提问该如何设计实验？如何选择实验材料？学生讨论后，教师展示鲁宾和卡门的实验以印证学生的实验设计。提问产物有机物中的碳来源于原料二氧化碳，二氧化碳中的碳经历了什么过程进入到终产物中？该如何设计实验加以研究？该选择何种实验材料？经学生讨论后，教师展示卡尔文的实验。最后进行总结并展示光合作用研究的最新进展和应用展望，激发学生的社会责任意识。

本节课以光合作用过程的发现历程为线索，整合现行教材中的科学史和补充的科学史，将光合作用的能量来源、原料，场所、产物等内容有机组织。学生在学习过程中较好地掌握了概念的内容及其背后的内涵，并在以科学史为主线的学习中体会了物质与能量的生命观念，尝试了演绎与推理的科学思维，进行了纯思维的科学探究。在落实概念学习的基础上发展了学生的学科核心素养。

2.2 以科学史为载体进行科学探究 科学史就是一部发现问题和解决问题的科学探究史。根据教学内容，选择相应的科学史内容作为载体，让学生在以科学史为载体的背景中思考、发现和解决问题，提高学生思维的积极性和主动性，既可以使学生获得新知，又促进了核心素养的发展。

例如对新课程标准必修课程中“3.1.1 概述多数生物的基因是DNA 分子的功能片段，有些病毒的基因在RNA 分子上”这一次位概念，现行人教版教材利用3 则科学史帮助学生构建这一概念，而在针对T2 噬菌体侵染细菌这则科学史进行教学时，课题组成员利用该策略进行了如下的设计：

向学生提供资料1：人们偶然发现了噬菌体这种生物，因为噬菌体的作用使得细菌死亡，噬菌体被人们认为是“治疗细菌感染”的新思路而被重视，进而被大量研究。资料2：通过化学分析，发现噬菌体是蛋白质和DNA 构成的，追问学生T2 噬菌体的遗传物质是DNA 还是蛋白质？资料3：提供电子显微镜下发现的一系列的照片，包括噬菌体附着在大肠杆菌表面、噬菌体在大肠杆菌细胞内、大肠杆菌被裂解释放了大量噬菌体。引导学生通过以上资料对噬菌体侵染细菌的过程进行猜想，通过这一过程的实施将“遗传物质是什么”的研究问题转化为“哪种物质进入大肠杆菌，哪种物质就是遗传物质”的认识。这样的问题转化立刻让学生抓住了解决问题的核心。教师鼓励学生利用已很熟悉的同位素标记法设计方案验证自己的猜想。当学生作出预期后，教师又呈现赫尔希和蔡斯的实验，结合视频让学生真正理解噬菌体侵染细菌的过程，仔细推敲赫尔希和蔡斯的实验过程，引导学生发现结果与其预期相悖之处，并引导学生解释出现这样结果的原因和实验设计的细节，让其在分析理解的过程中体会探究之美。

本节课以赫尔希和蔡斯所做的T2 噬菌体侵染细菌的实验这则科学史作为载体，让学生以研究者的身份亲历探索T2 噬菌体侵染细菌的科学过程，通过亲身参与在学习过程中体会了结构与功能、物质与能量（唯物观）的生命观念，运用了演绎与推理的科学思维，提升了科学探究能力。

2.3 利用科学史导入展开教学 上课伊始精心安排的导入，可使学生迅速进入角色，按要求进行学习和思索。而利用与教学内容有关的科学史进行导入，是很好的选择。经过选择和编排的科学史资料也可在导入环节中发展学生的核心素养。

例如对新课程标准选择性必修课程中“1.3.3阐明神经冲动在突触处的传递通常通过化学传递方式完成”这一次位概念的教学，在新课导入时可选用突触发现过程的2 个科学史资料进行。一个是英国神经生理学家谢灵顿对狗屈腿反射时兴奋在反射弧上和在神经纤维上传导速度不同进行的研究，另一个是德国生理学家勒维的蛙心灌流实验［2］。通过这2 个经典实验，学生迅速进入针对教学内容的学习状态，并通过对实验的分析感受结构和功能的生命观念，进行了演绎与推理的科学思维，体会了科学探究的简单过程。

2.4 开展以科学史为核心的活动 在教学中开展一些有趣的活动，例如课堂辩论、表演等。学生可以口、脑、手、耳多个感官参与学习，往往会收到比较好的效果。而利用科学史教学也可采用这样的策略，让学生在活动参与中提升学科的核心素养。

例如，对于新课程标准必修课程中“3.1.1 概述多数生物的基因是DNA 分子的功能片段，有些病毒的基因在RNA 分子上”这一次位概念，教学时即可采用该策略。教学案例如下：

课前将学生分为4 组：①格里菲斯组；②艾弗里组；③蔡斯组；④诺贝尔评委会。学生阅读肺炎双球菌体内转化实验过程。格里菲斯组汇报R 型和S 型细菌的比较。师生讨论分析4 组实验，教师提出：S 菌从哪来？学生交流和讨论，格里菲斯组学生回答：“被加热杀死S 型细菌中某种物质将R型活细菌转化为S 型活细菌。”教师表扬学生并提出：格里菲斯是否确定转化因子的本质？如何设计实验确定“转化因子”？学生讨论，获得实验设计方法：单独研究各种成分的作用。教师呈现艾弗里的实验和结果。教师对艾弗里实验的严谨性提出疑问。学生进行讨论时，诺贝尔评委会组的学生相对积极。学生回答：“艾弗里提取的DNA 不是100%。”教师利用多媒体呈现艾弗里增设的对照组，师生分析实验。师生互动讨论蔡斯的实验，并用多媒体展示实验过程和结果。教师提出：“蔡斯实验表明DNA 是真正的遗传物质。”学生接受此观点时，教师提出：“在科学实验中，严谨是至关重要的。假如你是诺贝尔奖评委会成员，你对该实验是否有质疑？”此时，诺贝尔评委会组提出：该实验中35S 标记的一组实验，沉淀物不应有放射性等。蔡斯组进行讨论，教师组织其他学生思考［3］。

本例案中将学生分组，模仿不同的科学家，提出问题，开展讨论活动，并激发学生的竞争性。教师先布置任务或提出问题，引导学生自主学习（例如比较S 型和R 型菌），小组讨论（例如分析对照实验，得出结论并汇报；教师组织小组间相互提出问题），进一步讨论，使教学“活”起来。在活动中，学生不仅获得了新知，还通过活动感受了结构与功能、物质与能量（唯物观）的生命观念，锻炼了演绎与推理、批判性思维等科学思维，提升了科学能力，使得学科核心素养得到发展。

以上为本课题组的一些研究心得，表1列出的可进行科学史教学的内容，是笔者的经验总结，但肯定还不充分，仅供各位同仁参考。此外，在应用科学史内容时，该选择何种教学策略并无一定之规，使用者可根据自身情况和具体学情进行选择。例如针对“DNA 是主要的遗传物质”这一科学史内容的教学，既可采取以科学史为载体进行科学探究的策略，也可采取开展以科学史为核心开展活动的策略。