在高中生物科学史教学中 培养学生核心素养的实践

【摘要】本文论述在高中生物教学中运用科学史培养学生生物学学科核心素养的途径，分享指向生命观念的生物学概念发展史、基于论证式的概念建构、角色替入的实验探究以及聚焦社会责任培养的故事汇等四种教学模型，认为四大核心素养不能截然分开、要侧重培养学生的科学品质、尽可能如实呈现相关事实、抱有“理解之同情”心态、要多讲中国科学家故事等五个开展高中生物科学史教学应注意的事项。

【关键词】高中生物 核心素养 科学史 教学模型

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2022）11-0128-06

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，它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、必备品格与关键能力。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》明确提出应聚焦培养和发展学生的核心素养。

科学史学科创始人乔治·萨顿（George Sarton）曾把科学史定义为“科学史是客观真理发现的历史，人类智能逐步征服自然的历史，它描述漫长而无止境的思想自由，为思想免于暴力、错误和斗争的历史”。生物学史实中，既有做出关键或突出贡献的科学家及其研究事迹，又有概念、定律、原理等基本学科知识产生及发展的历程。徜徉在生物科学史中的学生，循着前辈科学家的脚步、咀嚼着科学研究思维、玩味着独特的技巧方法、感受着科学家的不懈奋斗精神，直至深刻领悟科学的本质。可以说，生物科学史蕴含着非常丰富的教育价值，是一种非常重要的教学资源。在形式各异的教学手段中，生物科学史教学能有效实现核心素养的培养。

一、生物科学史教学能实现核心素养全要素培养

（一）科学史能加深对生物学概念的理解，进而促进生命观念形成

生命观念并非本身就存在，而是在生物学概念基础上形成的，是一种人们理解生命以及生命现象的意识、观念和思想方法。这种意识、观念和思想方法有助于人们在生活实践中或在科研探索中形成较为科学的、正确的解决问题的思路。学习科学史，既能明晰每一个知识点的产生过程，又能深刻理解生物学概念的内涵和外延，生命观念在点滴积累中潜移默化，获得发展。

例如学习“光合作用原理与过程”这一小节，根据科学研究的事实，层层厘清光合作用过程的物质变化和能量变化，最终形成和完善光合作用概念。在此过程中，学生在教师的引导下思考由光合作用过程的研究和发现到光合作用场所的研究和发现，逐渐构建出结构与功能观以及物质与能量观。

在水通道蛋白的发现过程中，结构与功能观对科学研究起到重要的作用。水分子较小，可以以较低的扩散速率通过细胞膜的磷脂双分子层而进出细胞。但是，在100多年前人们就发现肾近端小管、髓袢降支细段具有非常强的吸水能力，可达150 L/天。还有，白天植物每小时每平方米叶面积的蒸腾速率是15—250 g/（m2·h），根毛细胞吸收水分的速率得远大于该数值才能维持植物的生长发育。因此，科学家们推测细胞中还存在特殊的输送水分子的通道。直到1987年，美国科学家彼得·阿格雷（Peter Agre）研究红细胞时，才分离纯化出了第一种水通道蛋白CHIP28，并由此获得了2003年诺贝尔化学奖。

（二）科学史蕴含着科学思维本质的认识

科學思维本质是人对自然界中客观事物的一种认识行为、认知方式和认知品质的反映，其表现形式实际上就是认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。其中，逻辑思维是基本的、重要的表现形式，包括归纳与概括、演绎与推理、模型与建模等，这些在生物学概念、原理、规律的发现及发展中发挥了重要作用;批判性思维是关键表现形式，因为它在科学或研究新发现中发挥着关键作用;创造性思维往往是批判性思维的延伸，能帮助人们在开拓新领域或新认知过程中创想出异于常规的思路、方法，进而建立异于旧认知世界的全新领域。

在生物学史实中，有大量的内容能够帮助学生认识科学思维的本质。经典如孟德尔（G.J. Mendel）的豌豆杂交试验过程，运用了假说—演绎的科学思维方法，然后通过巧妙的测交实验证明，最终提出基因的分离和自由组合定律。在酶的发现史实中，针对胃对食物到底是物理性消化还是化学性消化问题，斯帕兰扎尼（L. Spallanzali）创造性地设计了将肉放入金属笼中让鹰吞下的实验，正是这个精妙设计才揭开了消化酶的存在，以及掀起了酶的研究热潮。而在促胰液素的发现历史中可以看出，批判性思维对科学发展与进步有着多么重要的作用。19世纪学术界普遍认为胰液分泌是受神经控制的。法国学者沃泰默（Wertheime）通过实验发现即使切断通向小肠的神经，仍有胰液分泌，可惜的是他仍认为胰液分泌的原因是存在一个十分顽固的神经反射。而正是英国科学家斯他林（E.H. Starling）和贝利斯（W.M. Bayliss）不认同沃泰默的研究结论，才最终通过实验发现了促胰液素。

（三）科学史如实呈现了科学家实验探究的思想、方法、技术手段

科学史就是一部科学探究历史巨著，每一次的科学成果或研究发现无不包含实验探究的所有要素，如现象或数据的观察、合理的猜想、科学的假设（假说）、合乎逻辑的推理、巧妙的实验设计、数据或结果分析、证明或否定。如孟德尔的豌豆杂交试验是一个完美的科学家实验探究案例，充满了生物学的理性、严谨性，科学方法的创造性以及科学家本人非凡的想象力。从孟德尔的豌豆杂交试验中，学生可以领略到科学实验探究工作的独特魅力。孟德尔的豌豆杂交试验中，至少有以下五个实验探究方面的启发：一是保持对周遭事物的敏锐观察力和好奇心，能对日常所见事物产生疑问，并持有继续探索的欲望。二是生物学试验需要采用大量的实验材料，因此实验材料的正确选择是保障试验成功的基础。孟德尔选择豌豆进行杂交试验，是其成功的重要原因之一。三是合理安排探究的路径。孟德尔先从一对相对性状开始研究，再研究两对相对性状。由简单到繁杂，这是很多试验成功的重要经验。四是正确运用假说—演绎法。孟德尔对分离和自由组合现象的解释在逻辑上环环相扣、十分严谨，在此基础上还巧妙地设计了测交实验进行证明。五是数据统计方法的完美应用。孟德尔发现并总结了试验中的比例——3∶1和9∶3∶3∶1。当然，除了孟德尔的豌豆杂交试验，在现代生物科学的发展道路上，这样的实验探究案例俯拾皆是。

（四）科学史就是科学家为人类进步而不懈努力的励志故事集

人类社会的进步与发展，离不开科学技术的进步与发展。在现代生物科学发展史上，每一次重大科学与技术的发现都是波澜壮阔的历程，尤其是遗传物质的探究历史，无论什么时候读来都令人感慨科学家拼搏钻研的精神，感慨成果取得的不易。重温科学史的经历，将使学生更加地明确身上所担的重任，更加清晰地认识科学与社会、科学与家国的关系，能更有效地培养学生主动承担科学探索责任的意识与家国情怀。在新冠疫苗的研发进程中，以我国陈薇院士为首的科研团队研发出腺病毒5型（Ad5）载体疫苗，该款疫苗率先进入临床试验并很好地验证了免疫原性和安全性。除了腺病毒5型载体疫苗，我国还同步推进研发3款灭活疫苗和1款重组蛋白疫苗，这些疫苗的研发和上市为全人类抵抗新冠肺炎疫情做出了伟大贡献。在生物学课堂教学中渗透我国科学家为国家、为人类社会发展而奋斗的故事，将激发学生强烈的民族自豪感，激发学生强烈的投身科学探索的热情。

二、四种教学模型

通过科学史教学实现核心素养的培养，关键在课堂。为了在高中生物学教学中更有效地利用科学史达成核心素养培养的目标，笔者初步构建了以下四种教学模型，每一种教学模型侧重培养其中一种核心素养。

（一）“指向生命观念的生物概念发展史”教学模型

生命观念具有生物学科独特性，其他核心素养如科学思维、科学探究和社会责任都具有自然科学共性，故生命观念被列为生物学学科四大核心素养首位。然而，生命观念的形成不是一蹴而就的，而是奠基于零碎的生物学知识，成型于深刻理解的生物学概念。当然，无论是零碎的学科知识，还是生物学概念，都无法脱离生物科学史。因此，学生生命观念的建立要以科学史教学为基础，将零碎的、具体的事实性知识积聚出生物学重要概念和大概念。基于此，笔者构建了“指向生命观念的生物学概念发展史”教学模型（如图1所示）。

例如，在人教版必修1《分子与细胞》第5章第4节《光合作用与能量转化》的教学中，笔者运用“指向生命观念的生物学概念发展史”教学模型，并充分融入生物科学史实，最后形成了教学思路如图2所示。

这种教学模式下形成的光合作用概念以及建构出的光合作用概念图，并不是靠记忆和背诵达成的，而是学生亲历科学家的探索历史后，再质疑、做出猜想、用研究结果及实验事实进行推理、论证的结果，是一种有意义的建构。这种建构过程，也使学生深刻理解了物质与能量关系、结构与功能关系，对生命观念的形成与固化起到关键作用。

（二）“基于论证式的概念建构”教学模型

科学研究领域的论证活动是科学发展的源泉。将论证活动引入课堂，使学生亲历搜集材料、提出主张、寻找证据、辩驳或评价自己和他人观点等过程，最终促进学生科学思维的发展。基于此，笔者提出“基于论证式的概念建构”教学模型（如图3所示）。学生通过阅读相关资料（科学史实）、思考分析、论证质疑，将新旧知识内容重新组织、整合，建构新知识体系，实现对概念的意义学习。

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图3 “基于论证式的概念建构”教学模型

在整个教学环节中，课前教师的准备工作尤为重要，笔者一般分三步进行：一是内容梳理，罗列可能的主张;二是确定需要论证的主张，并明确其呈现的逻辑顺序;三是搜集有关科学史料或资料，并印发给学生。课中主要是教师引导学生根据资料（生活实际、实验现象、数据等）进行推理，论证主张。因此，笔者将概念教学中的论证式教学划分为四个阶段：提出问题、观点猜想、支持或反驳（根据）、得出结论（认可主张），构成一个论证教学环。教师运用适当的教学策略组织学生利用相关的事实材料或科学史实对问题进行质疑和辩论。每经过一次教学环的学习，学生便在教师创设的情境中提出问题，做出假设，在分析解释中构建结论和完善概念。

以人教版必修2《遗传与进化》第4章第1节《基因指导蛋白质的合成》第1课时“基因的转录”教学为例，笔者运用“基于论证式的概念建构”教学模型，并充分融入生物科学史实，最后形成了以下教学思路（如下页图4所示）。

在“基因的转录”教学中，“DNA和蛋白质的信使是谁”是学生理解转录概念的关键。然而，人教版高中生物教材直接给出了答案——RNA是DNA和蛋白质之间的信使，然后陈述RNA的組成和结构以说明RNA适合作为信使。如果按这样的逻辑组织教学，很难激发学生的求知欲，学生只能死记硬背，被动认同教材知识，如此不利于培养学生的科学思维。而该教学模型能更好地培养学生的科学思维，如反驳能较好地培养学生的批判性思维，论证的过程实际就是学生运用创造性思维设计实验以支持自己观点的过程。长此以往，学生运用科学思维解决实际问题的能力将大幅提升。

（三）“角色替入的实验探究”教学模型

在生命科学发展历史中，几乎所有重大生物学概念的发现都依赖于一代代科学家的不懈努力。因此，在科学史教学中，教师可以让学生角色替入，使他们像科学家那样思考、亲历完整的科学探究过程：发现或提出问题、提出假设（猜想）、寻找可研究的变量、形成实验方案、探究过程、证实假设或推翻假设。基于此，笔者提出“角色替入的实验探究”教学模型（如图5所示）。

如教学人教版必修2《遗传与进化》第3章第1节《DNA是主要的遗传物质》，笔者运用上述模型设计了如下页图6所示的教学过程。

在生命科学的发展过程中，此类探索经历不胜枚举，如植物生长素的发现，从达尔文父子的研究，到鲍森·詹森、拜尔、温特等人的研究，到1931年人尿分离出生长素，再到1946年从高等植物中分离出生长素。目前的高中生物学课堂教学，受困于分数压力以及教师的教学能力有限，科学探究多是“假”的科学探究。这类科学探究的“假”体现在：往往是教师直接向学生提供实验材料、实验流程，并且学生已经知晓实验结果和结论。因此，学生的科学探究能力只能是停留在背记实验原理、实验过程以及实验结果。而本教学模型力求“真”的科学探究。

角色替入让学生站在那个时代科学家所具有的技术水平上思考问题，如学生角色替入科学家艾弗里，完整地经历艾弗里当时的科学探究过程：实验假设、形成实验方案、实施实验、预设实验结果、实验结果分析以及得出实验结论。同时，在形成实验方案时，学生必须像艾弗里那样思考如何选择合适的实验材料、恰当的技术手段等。并且整个实验探究过程，需要学生运用到现代自然科学研究的两大方法：“归纳—演绎”和“假说—演绎”。因此，该教学模型在培养学生的科学探究素养上是有效的。

（四）“聚焦社會责任培养的故事汇”教学模型

社会责任是学生在生物学知识基础上发展起来的正确的世界观、人生观、价值观，更是他们终身学习和终生发展的内驱力。虽然每一次科学史教学实践都能渗透社会责任的培养，但笔者认为利用某些高中生物学内容培养学生的社会责任的成效更显著，尤其是一些重大生命科学研究及成果，如DNA双螺旋结构的发现、RNA疫苗的发现、胰岛素的发现等。此外，在课堂上讲述中国学者的研究工作，教育的意义尤为显著。

在笔者看来，专注于培育社会责任的教学应这样进行：首先，确定一个亟待解决的问题，该问题的解决应极大地推动科学发展或有助于人类社会的进步，可以是科学史中的疑难问题，也可以是社会热点问题;其次，围绕问题安排学生课前搜集资料、挖掘其中涉及的主要科学家并撰写故事;接着，课中通过观看视频、聚焦科学家的研究重难点，高效完成课堂教学任务;最后，课后撰写小论文，加深学生对科学家及科学家工作的认识。基于此，笔者构建了“聚焦社会责任培养的故事汇”教学模型（如图7所示）。

以教学人教版必修2《遗传与进化》第3章第2节《DNA分子的结构》为例，笔者运用“聚焦社会责任培养的故事汇”教学模型，设计了如图8所示的教学过程。

常见的科学家及其研究故事，一般是由教师在授课过程中进行简要介绍，这样会导致学生的感受并不深刻。该教学模型，围绕一个亟待解决的生物学问题，让学生自主搜集相关科学家及其研究经历的资料，甚至阅读科学家自传等，使得学生对这些科学家及其研究的认识更为全面，从而使学生更认同科学家不懈努力的品质，激起学生学习科学家献身科学的精神。

三、高中生物科学史教学需要注意以下五个方面

（一）四大核心素养不能截然分开

虽然上述四种教学模型分别侧重培养不同的核心素养，但需要注意的是，科学史教学过程不能将这四大核心素养截然分开，应尽可能在每一次科学史教学中都涉及四大核心素养的培养，因为四大核心素养之间是紧密联系、相互交融的。

（二）侧重培养学生的科学品质

科学史教学应侧重培养学生具备科学家的研究精神，培养学生“为今人奋力，为来者前驱”的精神以及坚忍不拔的意志品质。在科学史教学中，科学家的实验过程、实验数据、实验结论固然是重要内容，但笔者认为科学家的求真务实、不畏艰辛、大胆质疑、敢于创新等品质更为重要。

（三）尽可能如实呈现相关事实

现行高中生物学教材中的科学史料是经过适当编辑的、不完整的。教师在进行科学史教学时，应适当补充课本呈现的内容，使学生更加全面地了解实验背景、实验过程、实验数据等。例如，达尔文在研究植物向光性时，为什么拿金丝雀虉草进行实验？这是因为达尔文养了许多鸟进行相关研究，而金丝雀虉草的果实常作为鸟类食物。在遗传物质发现过程中，格里菲斯有着重要的贡献，但是他为什么会将加热杀死的S型菌与R型菌混合，然后注射入小鼠体内？这与格里菲斯是军医有关，他想研究这两种菌混合液能否安全地引发人体对肺炎双球菌的免疫。在研究细胞核的实验中，伞藻嫁接实验，除了教材中出现的实验结果，还存在一种中间类型，即同时具有两种伞藻伞帽特征的实验结果。基于此，我们期望如实呈现科学家研究过程中的真实数据和事实，以培养学生实验求真、做事务真、做人本真的品行。当然，如实呈现科学家的研究事实，最好能有这些科学家的研究论文作为依据，因此搜索并下载这些论文是关键。但这对教师而言具有一定的难度，需要教师有一定的积累与鉴别能力。

（四）抱有“理解之同情”心态

中国历史学家陈寅恪先生提出考古需抱有“理解之同情”心态，这同样适用于高中生物科学史教学。每个科学探究的过程都是科学家通过严密的研究体系得出来的，但是囿于当时的器具、方法、技术、思维，可能会出现错误的结论。例如，对生物膜结构的探索中，罗伯特·森通过电镜下“暗—亮—暗”的现象提出了生物膜“蛋白质—脂质—蛋白质”结构模型。虽然这个模型有较大的纰漏，但也是科学家精心探究的结果，体现了结果与结论的一致性和严密性。因此，在生物科学史教学中，教师不能随意否认或否定，而要与学生一起深入当时科学家所处的研究背景，领悟科学家研究的重要意义。

（五）要多讲中国科学家故事

我们中国科学家的研究故事对学生来说更为真实、亲切。比如邹承鲁发起并参加世界首次人工合成蛋白质（胰岛素）、周光宇独创的花粉管通道法、以侯云德为首的研究人员成功研制出我国第一个基因工程药物——干扰素，还有袁隆平培育杂交水稻，等等。教师还可以在课堂上讲述当代科学家的研究成果。这些故事，无疑更能激发学生的学习兴趣和爱国热情、更能坚定其为祖国奋斗的志向。

总之，生物科学史含有丰富而翔实的史料，对实现普通高中生物学课程目标具有独特的积极意义，高中生物教师应深入挖掘其中的教育教学价值，并适时适当融入课堂，以实现对学生生物学学科核心素养的培养。

参考文献

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注：本文系广西教育科学“十三五”规划2018年度广西教育研究专项课题“广西普通高中生物学科教学关键问题实践研究-4”（2018ZJY239）的研究成果。

作者简介：王上锐（1983— ），海南澄迈人，高级教师，研究方向为高中生物教学及教育管理。

（责编 刘小瑗）