基于诺贝尔奖视角培育学生生物学核心素养的实践研究

朱慧贞 郎小霞 包鹏科

（甘肃省定西市岷县第三中学，甘肃 定西）

一、诺贝尔奖与高中生物学学科的联系

2017 年颁布的《考试大纲》对“获取信息的能力”方面进行了调整，将“生物学重要事件”调整为“与生命科学相关的突出成就及热点问题”。诺贝尔生理学或医学奖、化学奖的研究历程往往离不开生物学学科的研究内容、方法及理论。经统计100 年以来的诺贝尔奖成就与人教版高中生物学教材中的关联章节达到了28 个，其中必修部分22 个，选修部分6 个。本文对人教版高中生物学必修2“遗传与进化”中与诺贝尔奖关联的内容进行了归纳与整合。

二、基于诺贝尔奖视角培育学生生物学学科素养的可行性分析

《普通高中生物学课程标准（2017 年版）》指出生物学学科的核心素养由生命观念、科学思维、科学探究以及社会责任四部分构成。任何一个诺贝尔奖成就都散发着科学工作者科学思维的火花，都是其科学探究过程的浓缩，这个过程是在遵循自然规律、符合生命观念的基础上不断进行的探索和尝试。诺贝尔奖在高中生物学教学中的引入价值不仅在于其科学素养，还有其丰富的人文价值。探索过程不可能一蹴而就、一帆风顺，大多是一个长期的、枯燥的、不断否定又不断被修正完善的过程。科学家凭着对科学研究的无限热忱，对生命现象的无限好奇，冲淡了科学研究本身的枯燥与艰难。其中不乏有趣的事例，摩尔根团队为了让果蝇发生变异，煞费苦心，甚至陪着果蝇不睡觉，一睡觉就摇瓶子，熬了两年也没看到一只突变的果蝇；也有踏破铁鞋无觅处，却有玛丽·亨特得来全不费工夫的惊喜；有富兰克林穷其一生，却未能分享这份殊荣的遗憾；也有屠呦呦以身试药，索克（发明了小儿麻痹症灭活疫苗）在自己三个年幼的孩子身上试药，这些看似疯狂的举动，实则是科学研究的必然选择，是为了大我牺牲小我的无私奉献精神。挖掘诺贝尔奖里的人文情怀，涵养学生情操，历练其深厚的家国意识及社会担当，才能更好地追求科学精神。

三、基于诺贝尔奖视角培育学生科学思维能力的实践研究（以“DNA 分子的结构”一节为例）

（一）核心素养目标

1.生命观念：掌握DNA 分子的组成元素、基本组成单位，DNA 分子的双螺旋模型的主要内容，形成结构与功能相适应的生命观念。

2.科学思维：在DNA 分子模型构建的过程中，结合相关科学史实，推理脱氧核苷酸之间的连接方式、DNA分子链的组成及碱基之间的配对方式，提升其逻辑思维能力及创新思维能力。

3.科学探究：通过建模过程，领悟物理模型建构法在科学研究中的重要作用。

4.社会责任：认识到诺贝尔奖成就的获得是一个多学科知识综合运用的过程；形成人类对遗传物质的研究是一个不断深化、完善的过程；追随着诺贝尔奖的诞生历程，感受科学探究的魅力；不畏挫折、锲而不舍的科学精神是科学研究者的必备素养。

（二）教学设计思路

【资料1】1944 年，美国细菌学家艾弗里通过肺炎双球菌体外转化实验，证明DNA 是遗传物质。DNA 成了科学家们的研究热点。20 世纪30 年代，科学家认识到：组成DNA 分子的基本元素是C、H、O、N、P，其基本单位是脱氧核苷酸，而且每个基本单位是由磷酸、脱氧核糖、含氮碱基三种小分子化合物构成的。

探究1：请用模型材料构建脱氧核苷酸的结构模型。

【资料2】科学家认识到，DNA 是由脱氧核苷酸连接而成的长链构成的。

探究2：4 种脱氧核苷酸如何形成长链？相邻核苷酸之间的连接方式是怎样的呢？请构建脱氧核苷酸长链模型。在讨论交流的基础上，可以提供以下（图1）连接方式启发学生思考。

图1 脱氧核苷酸之间可能出现的连接方式

【资料3】1951 年英国化学家富兰克林和生物物理学家威尔金斯用X 衍射技术拍摄到了DNA 晶体的衍射图谱，当时他们并不清楚图谱意味着什么，后来，物理学家克里克对图谱进行了详尽的数据分析，生物学家沃森加入了生物学的理解，二人一拍即合——DNA 呈双螺旋结构！

探究3：DNA 分子是由几条链构成的呢？学生思考交流以下两个问题：

①碱基位于外部的三螺旋还是碱基位于外部的双螺旋？

②两条链中的碱基是排在外侧，还是在内侧？哪种情况更稳定？

【资料4】1952 年春天奥地利生物化学家查哥夫定量分析了DNA 的碱基组成（如表1）。

表1 不同生物DNA 分子碱基分析量表

探究4：两条链的碱基之间如何配对呢？为什么嘌呤碱基不与嘌呤碱基或嘧啶碱基不与嘧啶碱基配对呢？请构建DNA 分子双螺旋结构模型，并简述其主要内容。

（三）延伸拓展，升华主题

学生思考以下问题：（1）回顾模型构建中有重大贡献的科学家，从他们的研究角度分析，对你有什么启发？（2）艾弗里证明了遗传物质是DNA，这为科学界研究遗传物质指明了方向；富兰克林拍摄的DNA 分子的X 射线衍射图谱，为发现DNA 的双螺旋结构做出了重要贡献，孟德尔作为遗传学之父，提出了两大遗传规律，但是他们并没有获得诺贝尔奖，对此你怎么看？

通过对DNA 分子双螺旋结构模型研究历程的学习，让学生意识到很多科学问题的解决都涉及多个学科的知识、理论、方法、技术，在学习过程中应注意学科间知识的迁移，形成跨学科学习的意识。同样，科学研究过程并不是一帆风顺的，但探索者们锲而不舍、不畏失败的科研精神是取得最终成功的关键。科学研究过程中往往艰辛与收获并存，有些结果看似偶然实则必然，都是日积月累的量变产生质变的结果。是否获得诺贝尔奖并不应该作为评判科学贡献的唯一标准，同理，衡量一个人人生价值的标准更应该看他对他人及社会所做出的贡献。在科学探究的历程中，为科学成就做出重大贡献的科学家，如孟德尔、艾弗里、富兰克林等虽然由于各种各样的原因并未获得过诺贝尔奖，但他们都是推动人类文明进步的先驱和奠基人。旨在让学生形成正视科学、热爱科学、尊敬科学家、崇拜科学家的人文情怀，落实其社会责任意识。

四、“诺贝尔奖”素材与高中生物学教学有效结合的问题分析

（一）选材切合学情

“诺贝尔奖”素材中不乏科学前沿、社会热点问题，涉及的科学知识、技术手段等并不一定完全符合高中生的认知水平。对某些高于学生认知水平、晦涩难懂的“诺贝尔奖”素材，需要教师在尊重科学史实的前提下适当转化甚至简化，结合学生已有的知识、内容、生活情景等进一步重构，降低学生内化“诺贝尔奖”素材的难度以及在课堂教学中引入的“违和感”，达到与高中生物学教学的有效融合。

（二）增加素材的趣味性

“诺贝尔奖”素材中涉及的科学史过程往往经历了较长的时间，是众多科学家持之以恒、不畏困难、前仆后继的奋斗史。科学研究过程本身的枯燥与乏味可能在教学过程中并不能充分赢得学生的偏爱，从而使得其中隐含的科学思维、科学探究过程、科学探究精神不能发挥其应有的作用，反而会降低课堂教学的效果。所以，教师对于“诺贝尔奖”素材的改编就显得尤为重要，教师要善于挖掘并适当“放大”诺贝尔奖诞生历程中有趣的、感人的、遗憾的……小细节，以缓冲其本身的枯燥感。也可以结合当下社会热点，甚至学生熟知的网络用语等增加学生对“诺贝尔奖”素材的接纳程度，激发其学习兴趣。

（三）感悟科学精神

切忌注重了科学本身而忽视了“诺贝尔奖”素材的育人功能。“诺贝尔奖”素材引入高中生物学教学过程的重要目的之一是感悟科学的人文性，让学生领悟到“诺贝尔奖”的诞生与人类社会的发展、与每位公民的生活密切相关。科学发现与科学家们锲而不舍、大胆质疑等科学精神息息相关，为学生求实、理性、创新等品质的形成提供模范和榜样的作用，启发学生崇拜科学家、走近科学家、了解科学家，甚至成为未来的科学家的社会责任意识。