基于科学史的高中生物核心素养培养——以普利斯特利实验为例

马晋闽 王玉龙

（广东实验中学 广东广州 510055）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）指出“科学是一个发展的过程，学习生物科学史能使得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”。这将有助于学生对科学本质的理解，逐步发展科学思维。因此，教师应当充分利用科学史来开展教学，培养学生的生物学学科核心素养。

1 科学史教育需要认真考证

教师要想利用科学史进行教学，就必须正确认识真实的科学史过程，不能将故事与科学史混为一谈。例如，牛顿被苹果砸下后发现重力，瓦特通过炉具烧水发明蒸汽机等耳熟能详的故事是否属实，就需要教师在教学过程中认真考证，慎重引用。科学史必须基于真实的科学事实，2019年人教版的高中生物教材就对2004年版人教社的高中教材中部分科学史进行了修改。其中，典型例子为必修2“伴性遗传”中道尔顿发现红绿色盲的过程。2004年版教材中介绍道尔顿因为在圣诞节买袜子送给妈妈当礼物从而发现自己色觉异常，而2019年版中则改为道尔顿在观察花色从而发现自己色觉异常。这一改动是因为2004年版的事例基于普遍流传的故事，而2019年版的事例是基于道尔顿公开发表的论文中的介绍。

对光合作用的科学史，2019年版教材也做出修改。教材基于内容需要少而精的原则，对初中涉及过的有关科学史内容做出了删除。但在实际教学中，教师需要明确光合作用的认识过程是经历了海尔蒙特、普利斯特利等几代科学家的努力，不能因为高中教材的删减而对光合作用的认识过程出现偏差。

2 普利斯特利实验对核心素养的培养

《课程标准》指出生物学学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。核心素养的培养是生物学科课程的宗旨。教师引导学生更好地理解普利斯特利实验设计过程，选择合适的实验内容进行分析，能够帮助落实生物学学科核心素养。

普利斯特利实验是光合作用科学史中重要的实验。他的实验思路体现了人们对于光合作用过程的早期理解，实验现象直观且贴近学生的认知水平，他的实验过程很好地阐明科学探究的一般性原则，是历史上比较早期的探究性实验。

针对普利斯特利究竟怎样开展实验这一问题，笔者通过《科学教学——科学史和科学哲学的贡献》《发现空气的人：普里斯特利传》等有关书籍与人教版初高中教材、苏教版初高中教材进行比较，结果发现，初中苏教版教材较为完整地介绍普利斯特利实验生物实验过程。

2.1 训练科学思维能力

单纯地摆放植物无法直接得出植物更新空气，除苏教版初中教材外，其他版本教材不做介绍。但是，该组实验是普利斯特利对植物更新空气作用认识的契机，经历了发现问题、作出假设、实施实验、不符预期、重新假设等阶段，可以让学生体会到科学思维过程。

首先，普利斯特利基于一般认识做出预测：因为植物和动物生存都需要普通空气，所以植物和动物都以相同方式影响空气。同时，提出自己的探究性问题：如果动物在密闭容器里会迅速死亡。那么，植物在这样的环境下多久才会死亡呢？并做出实验预期：植物死亡。他进一步提出探究问题：植物的生存时间会超过老鼠或青蛙吗？它们的生命力会更差吗？实验过程中，他详细记录植物生长情况，并与空气环境进行比较。“那植物没受什么影响，只是出现了一直被封闭后的必然变化。处于其他几种空气环境的植物，也都出现了相同的现象，新长出的叶子总比老叶子小、出现了烂根现象，茎也烂了，从根开始烂起。但该植物仍在生长，仍通过又黑又烂的茎汲取营养。”普利斯特利惊奇地发现植物在密闭环境下是可以生长的，推翻了原有的认识和假设，并由此才有了对密闭容器中植物和燃烧的蜡烛实验探究、密闭容器中植物和动物实验探究。

因此，在教学过程中，教师可以借鉴普利斯特利的发现过程，通过问题串的设计，训练学生科学思维能力：“动物的生活需要空气，植物的生活是否也需要空气呢？如果动物在密闭容器里会迅速死亡，那么植物在密闭容器下多久才会死亡呢？如果将动物和植物一起放在密闭容器，是否会死亡速度变得更快？如何设计实验证明自己的猜想，请简要阐述自己的实验思路。”

2.2 体会科学探究过程

普利斯特利具有较强的科学探究能力。他认为在自然研究中需要以下的习惯和技能——观察、假设、找证据或反驳证据、进行对照实验。普利斯特利设计了各种类型的对照实验的，见表1。

表1 普利斯特利实验的对照类型

普利斯特利除了重视通过对照实验来获得可靠结论外，还清晰地认识到科学结论的获得离不开重复性实验。教学时，教师可以补充介绍普利斯特利仅在1771年，他“在夏天剩余的时间里把这项实验重复做了8次到10次，细节上一点变化都没有”。一直到1778年，普利斯特利还不断重复实验。教师通过介绍上述细节，可以让学生体会到重复性实验对获得科学结论的重要性，并提示：由于他没有发现光照对植物恢复空气的能力的影响，所以他对结论的确信程度降低了。另外，补充另一细节，让学生感受到科学探究必须尊重事实，实事求是：“总的来说，今年的实验否定了我以前的假设。因为无论是用呼吸过后的空气做实验，还是用蜡烛燃烧或其他物质燃烧过后的空气做实验，空气质量不但没有变好，反而变坏了。”

除了上述实验内容外，教师可以引导学生进一步思考借助本实验装置及实验材料，还可以提出哪些探究问题。在学生提出新的方案交流过程中，可以适当介绍普利斯特利提出的其他一系列问题，见表2。

表2 普利斯特利实验的深入研究

普利斯特利对实验目的、实验操作的设计、实验观测指标的选择等都做了深入的思考和实践。教师挖掘科学史，提出这一系列问题，进一步激发了学生对于科学问题的思考，为学生科学思维和科学探究培养提供帮助。

2.3 树立生命观念

“细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖”是《课程标准》在必修1中要求的核心概念，体现了生命观念里面的物质观和能量观。普利斯特利虽然是神职人员，空气虽然看不见，但是普利斯特利坚定地认为世界是由物质组成，物质是可以相互转化的。因此，在空气更新的实验中，他大胆假设空气污浊可能是蜡烛燃烧或动物呼吸产生了有毒害的物质（燃素），空气更新是因为植物产生了有用的物质（去燃素）。对于气体的不断研究，他由此写出了《论各种不同的气体》一书，并因此获得英国皇家学会授予的科普利奖。普利斯特利意识到能量贯穿世上一切生命，他在另一篇论文《对呼吸和血液利用的观察》中，将植物呼吸与动物的能量需求联系了起来，并暗示涉及某种关键的能量转移。由此，教师可以导入光合作用探究过程的进一步介绍，让学生体会到任何科学的发展，离不开一代代科学家们的不断努力，从而帮助学生落实对核心概念“细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖”的理解，体会到光合作用过程物质和能量的变化是不可分割。

2.4 培养社会责任

普利斯特利的实验目的体现了他的社会责任感。他在1772年英国皇家学会演说时提到：“弄清火焰对空气的组成成分带来什么变化；为恢复空气在这些过程中所受到的损失，自然界究竟需要采取什么措施。”英国皇家学会也在颁奖词中写道：“通过这些发现，我们确信任何植物的生长都是有价值的，从森林中的橡木到田野中的野草，每株植物都对人类有益。”

通过上述评论看出，普利斯特利已经具有一定的系统观，并在这一生命观念的引领下，认识到由于空气的联系，植物——动物——人在大自然中相互影响，形成一个整体。空气恶化对自然界的影响会影响到人类生活，而植物在恢复空气过程中起到重要作用。

总之，普利斯特利实验，总结了科学探究的一般规律，掀开了18世纪关于对于各种物质分离和分类的化学革命，启动了百年之后对生态系统物质循环、能量流动的认识，并驱使一代一代人对于生物与环境关系进行思考。对普利斯特利实验重新认识，将有利于培养学生的生物学学科核心素养。