高中生物科学哲学史在建模教学中的应用

摘要 在“DNA分子的结构”一节教学中，将高中生物科学哲学史融入到建模教学中，以科学家的研究背景为起点来确定研究方法，再聚焦问题提出各种假设来逐步推进研究进程，最后再比较分享研究成果来归纳成功哲学，从而培养学生模型与建模的科学思维和假设与质疑的科研态度。

关键词 高中生物 科学哲学史 建模教学 科学思维 科研态度

中图分类号 G633.91

文献标志码 B

1引言

培养学生的科学素养，已成为国际教育改革的共同理念。HPS教育成为科学教育界大力倡导的主流之一，即科学史、科学哲学、科学社会学。在美国科学促进协会（简称AAAS）拟定的报告《2061计划：面向全体美国人的科学》中，提出将培养学生对科学历史的了解和科学的历史认识观作为科学教学的重要基础，并使用专门的章节来讨论科学史。英国科学促进会（简称BAAS）也曾在1917年的年会上提出，科学史教育是融通学校课程中人文科学和自然科学的良方。随着我国教育改革的发展，立足学科核心素养培养的《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课标》）也应时而生。《课标》在教学建议中提出，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。

2高中生物科学哲学史与建模教学的联系

科学史学科的创立者乔治·萨顿认为，科学史是指科学知识发生和发展的历史，具体内容包括学科知识的产生背景、发生、发展历程、科學家研究工作有关的内容以及科学家的故事等。简单地说，科学史是科学产生和推进的历史，是过去实际发生的科学故事，其中包含着科学知识的变化、科学研究方法的创新和科学家的科学精神。通过解读《课标》，刘恩山和曹保义围绕“加强科学本质的教育要求”，在国内首次提出“科学哲学史”的概念。他们认为，科学哲学史是哲学领域中专门研究自然科学的一个方向，通过思考科学家怎样构建科学知识，来凸显科学与其他领域工作的截然不同之处，也就是说，科学研究的结果具有更好的持久性和可信赖程度。

科学哲学史是由“科学史”和“科学哲学”两部分有机组合而成。前者致力于科学事实的陈述，后者致力于研究科学本身和科学方法，它主要回答的问题包括：为何要开展科学工作？如何开展科学工作？为什么科学使用了一个可以被认为是好的方法？也就是，科学史只是零散的基本事实，而科学哲学则将无序的基本事实串联成线索，更能充分展示科学研究的原因、过程以及方法，也更能体现学科本质的发展。

科学哲学史的教育要求与建构主义的观点基本吻合。建构主义认为，知识不是对现实世界的绝对表述，不是在任何情境中都准确的教条，而是在不断地推进和发展的，而且在不同的现实问题中会被重新加工、分析、选择、重组乃至改造。教师在建模教学中渗透科学哲学史的教学思想，有利于学生从被动“记知识”转变到主动“获取知识”，使学生从单纯分析“科学事实”转变到理解“科学概念”。因此，融入科学哲学史的建模教学，必须具备3个基本环节：1要求学生根据已有的知识体系来认识科学史背景，促进学生在把握基础事实后能找准建模起点;2通过补充和丰富融入“科学哲学史”的相关材料、以“问题”来推进历史进程，促进学生在解决问题的过程中大胆假设并主动构建模型;3通过比较模型来构建自身知识体系，通过回顾探究历程、总结科学成功经验，促使学生深入理解“科学哲学”中的研究原因、研究过程和研究方法。

3高中生物科学哲学史在建模教学中的应用案例——以“DNA分子的结构”为例

3.1教学分析3.1.1教材分析

“DNA分子的结构”是人教版高中生物必修2第三章第二节的内容，位于第一节“DNA是主要的遗传物质”之后，在第三节“DNA的复制之前”，发挥着承上启下的作用。教材中关于DNA分子结构的建立过程，以历史叙事的形式介绍了沃森和克里克不断推测、重建、修订DNA物理模型的过程;结合“思考与讨论”，引导学生独立构建DNA分子空间结构、总结DNA分子结构的主要特点;通过“模型构建”的环节，促进学生讨论DNA如何携带遗传信息、并比较不同小组之间DNA物理模型的异同，进而得出DNA分子结构的特异性、多样性和稳定性，为学习“DNA的复制方式”做好了铺垫。

2.1.2学情分析

在学习本模块之前，学生已经知道“DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸”“脱氧核苷酸通过磷酸二酯键相连”，已经初步得知“DNA是主要遗传物质的实验证据”，但并不理解DNA如何储存遗传信息。为了培养“结构决定功能”的生命观，教学时，教师需要借助沃森和克里克的探索历程，以科学哲学史发展的角度来促进学生逐步构建DNA分子物理模型，从而增强学生模型与建模的科学思维，促进学生认识到正确科学结论的得出需要不断地假设、重构和修订。

3.2教学目标

1通过回顾沃森和克里克构建DNA分子结构模型的探究历程，提升观察、提问的科学探究能力，以及模型与建模的科学思维。

2通过比较各组DNA双螺旋结构模型的异同，总结出DNA分子具备特异性、多样性和稳定性的特性，形成结构与功能观。

3通过讨论沃森和克里克成功的原因、DNA分子检测的原理和应用领域，培养应用生物学知识参与社会事务讨论的能力与担当。

3.3教学过程

教学情境是课堂教学的问题源泉，与学习主题相互照应。一个好的教学情境应具备以下特点：1简短、精炼;2可以作为典型社会议题，与学习主题密切相关;3唤起学生主动学习、解决问题的兴趣。在实施科学哲学史的教学时，教师要找到科学探究的起点，并梳理清楚当时社会背景下的已有科学事实;再通过分析科学事实，引导学生确定出科学研究的重要方法，即模型与建模。科学哲学史教学的核心在于围绕中心主题（即构建物理模型）来设计阶梯式问题，再利用历史事实的推进过程，对阶梯式问题逐一进行假设、验证、修正、突破，最终构建出基于科学哲学史的物理模型。科学哲学史教学的精髓在于将科学事实串联成线索，在线索的发展过程中体验科学研究的严谨过程、在问题的分析中总结科学研究的成功哲学，促使学生形成正确的科研态度、掌握严谨的科研方法。

3.3.1提供情境，引出学习主题——促进学生关注社会议题、激发学习兴趣

教师播放视频“寻亲节目《等着我》”，展示父母寻找失散多年的小儿子，警察采集血样的故事经历，并提出问题：为什么可以利用DNA进行亲子鉴定？检测的原理是什么？

现实中的故事给学生以心灵上的震撼，教师结合提问的形式引入科技技术“DNA检测”，激发学生探究兴趣、明确建模目标，即构建DNA分子空间结构。

3.3.2立足基础，梳理认知背景——帮助学生树立科学事实、确定研究方法

教师展示沃森、克里克、威尔金斯的相识过程。11951年春，沃森在意大利生物大分子会议上，遇到了威尔金斯，見到了DNA的X射线衍射图谱。21951年秋，沃森来到剑桥大学卡文迪许实验室工作，遇到了物理学家克里克。并提出问题：生物学家出身的沃森，能看懂X射线衍射图谱吗？物理学家出身的克里克对沃森有什么帮助？

生物学科学问题的解决需要不同学科领域人才的交流与合作。教师点明当时沃森和克里克对DNA的认知水平（科学事实1），即DNA分子是以4种脱氧核苷酸为单位连接而成的长链。这四种脱氧核苷酸分别含有A、T、C、G四种碱基，其物理模型如图1所示。

接着，教师展示科学事实2：沃森和克里克的竞争对手美国化学家鲍林构建了三链结构模型，DNA靠磷酸基团之间的氢键支撑。但有化学家指出，细胞中pH峰值是7时，磷酸基团的氢键无法存在。教师引导学生站在沃森和克里克的角度思考，用模型与建模的思想去构建DNA分子结构物理模型，促进学生在不断尝试中确定：DNA是一个规则的双链分子，双链呈平行关系。这样，教师才能启发学生把握基础事实、找准建模起点。

3.3.3聚焦问题，推进历史进程——引导学生提出科学假设、构建物理模型

教师提出阶梯式问题：双链之间是通过什么基团连接的？并组织学生讨论模型，提出三种双链相连的假设，如图2所示。

同时，展示科学事实3，即磷酸和脱氧核糖具有亲水性，碱基具有疏水性。学生修正模型，排除“磷酸-磷酸”和“碱基-磷酸”的连接方式，突破问题。

教师继续提出阶梯式问题：双链的两个碱基之间是如何互补配对的？并组织学生讨论、提出四种碱基配对的假设（即1A-A，G-G，C-C，T-T;2A-G，C-T;3A-C，G-T;4A-T，C-G，如图3所示）。

同时，展示科学事实4：DNA分子的直径恒为2nm，以及四种碱基的分子结构式。学生修正模型，排除假设12;展示科学事实5，即奥地利生物化学家查戈夫发现碱基含量：A≈T、G≈C。学生修正模型，排除假设3。教师继续展示科学事实6：化学家格里菲斯通过

计算表明，DNA中A必须与T成键，C必须与G成键。其他科学家发现A-T之间有两个氢键，G-C之间有3个氢键，肯定假设4。

学生模仿科学家不断探索的过程，在不断假设、否定、再次尝试中，提升“观察”“提问”的科学探究能力，形成“模型与建模”的科学思维。然后，教师补充科学事实7：英国物理学家富兰克林发现“DNA的双链是反向的”，以促进学生完成DNA平面物理模型的构建。

3.3.4比较模型，回顾探究历程——促进学生构建知识体系、归纳成功哲学

各组学生呈现DNA分子平面模型，对比其相同点和不同点，由此归纳出DNA分子的特性（稳定性、多样性、特异性）。教师展示富兰克林、威尔金斯、沃森和克里克在构建DNA双螺旋模型中的贡献，组织学生结合科学探究历程讨论沃森和克里克成功的原因。学生讨论、交流，归纳出“科学研究离不开技术的进步、跨学科的合作、借鉴经验、不断尝试、模型构建等”成功哲学，为独立开展科学研究奠定认知基础和方法论。

4高中生物科学哲学史在建模教学中的应用价值

4.1促进建模教学追根溯源、讲究方法

模型与建模是指借助具体实物或其他形象化的手段，来表达认识对象的特征。按照模型形式通常分为物理模型、概念模型、数学模型。如何选择正确的建模方式将直接决定科研成果的直观效果。

在DNA分子结构模型的构建过程中，美国化学家鲍林建立的三链结构模型不仅为沃森和克里克提供了模型建构的思路，而且为学生的探究方法指明了方向，即构建以脱氧核苷酸为基本组成单位的双链物理模型;富兰克林的X射线衍射图谱指明了DNA的空间呈现双螺旋结构。因此，高中生物科学哲学史使建模教学回归到科学研究的起点事件，并立足有效的研究方法开展探究，减少了探究过程中的无效弯路。

4.2促进建模教学假设演绎、注重探究

要保证模型与建模的推进，就必须在探究过程中大胆提出各种假设，再基于科学事实进行演绎验证，排除各种不当的假设、保留合理的推论。在探究过程中如何演绎推理是建模质量的重要保障。

在建立DNA分子平面模型的过程中，教师首先围绕阶梯式问题“DNA双链之间是通过什么基团连接的”，组织学生提出3种连接方法，结合科学事实排除两种假设后，得出“碱基-碱基相连”结论。再围绕阶梯式问题“双链的两个碱基之间是如何互补配对的”，组织学生提出4种碱基互补配对的方式。结合科学事实，教师引导学生排除3种假设后，得出“A-T、C-G配对”的结论。因此，高中生物科学哲学史确保了建模教学能够遵循科学探究的研究思路，培养学生假设、质疑的科研态度，帮助学生体验学科知识（概念或原理）的形成过程。

4.3促进建模教学交流分享、学会借鉴

科学探究的过程离不开经验的交流和讨论，而模型与建模也是如此。建模离不开不断摸索、不断假设，学生只有不断借鉴各种科学家的研究成果，分享自己的假设推论，再经过其他人的检验、修正，才能构建出经得起推敲的物理模型。

在学习中，学生体会到“沃森和克里克的成功离不开跨越学科的合作”，如研究DNA分子衍射图谱的物理学家富兰克林和威尔金斯，研究DNA碱基比例的化学家查哥夫等。同时，学生在交流中以科学事实为依据，逐步修正、构建出正确的DNA分子平面模型;在小组作品比较中交流DNA分子结构的异同，深入理解DNA分子的结构特性，为解释DNA检测技术的原理奠定基础。

综上所述，教师在高中生物建模教学中引入生物科学哲学史，一方面能使学生深入体会模型建构的过程，形成模型与建模的科学思维;另一方面更能培养学生大胆假设和质疑、敢于分享和借鉴的科研态度，从而实现“立德树人”的育人目标。

参考文献：

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