基于科学史时间轴分步培育生物学核心素养——以《核酸是遗传物质》的教学为例

刘春生 浙江省衢州第二中学

生物学发展过程中的科学史不仅承载着生物学知识的发现历程，更蕴含着科学家探索真知的智慧和锲而不舍、求证真理的科学研究精神，它是培育学生适应未来发展所必须具备的正确价值观、必备品格和关键能力的十分重要的教学资源。将科学史以时间轴的形式运用于课堂教学，符合《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“《课程标准》”）提出的“核心素养为宗旨、教学过程重实践”的基本理念。因此，在高中生物学教学中，教师可以通过创设科学史时间轴，帮助学生梳理科学发展的线索，使其循着科学家探索生物世界的足迹，理解科学的本质，掌握科学研究的方法，领悟科学家献身科学、锲而不舍的精神。下面以《核酸是遗传物质》的教学为例详细阐述。

一、学习内容的梳理与分析

明确科学史所承载的学习内容以及要建构的概念，是创设科学史时间轴的前提。浙科版普通高中教科书《生物学》必修2《遗传与进化》第三章第一节《核酸是遗传物质》，包含DNA 是遗传物质的直接证据（“肺炎链球菌转化实验”“噬菌体侵染细菌实验”）和有些病毒的遗传物质是RNA（“烟草花叶病毒感染与重建实验”）等知识。

《课程标准》分模块列出了生物学最基本的重要概念。为使逻辑更为清晰，笔者将《课程标准》中列出的概念按照层级从上到下依次称为大概念、重要概念和课时概念。大概念是指学生通过整本书学习要建立的基本观念，重要概念是指学生通过单元学习要建构的概念，课时概念是指学生通过课时学习要建构的概念。多个课时概念的建构支撑起重要概念的建构，而多个重要概念的建构则支撑起大概念的建构。

学生通过《核酸是遗传物质》的学习，要建构该课的课时概念，并明确课时概念所支撑建构的重要概念和大概念。同时，该课时还涉及多个已构概念（前面学习中已经完成建构的概念）和后续概念（后面章节教学中要建构的概念）。这些概念及其之间的关系具体如图1所示。

图1 《核酸是遗传物质》一课中各概念之间的关系

二、科学史的提炼及科学史时间轴的建构

科学史是科学家揭示科学的历程。与《核酸是遗传物质》一课相关的科学史主要包括：1865年，孟德尔提出遗传因子控制生物性状；1882 年，弗莱明提出有丝分裂这一术语；1883年，范·贝内登发现减数分裂；1903年，萨顿运用类比推理提出基因在染色体上；1909年，摩尔根用假说演绎法证明基因在染色体上；1928年，格里菲思发现S型肺炎链球菌存在转化因子；1944年，艾弗里证明肺炎链球菌转化因子是DNA；1952年，赫尔希和蔡斯证明噬菌体遗传物质是DNA；1956 年，弗雷恩克尔·康拉特证明TMV 遗传物质是RNA。这些史实，有的教材中有呈现，有的是笔者查阅资料补充的。补充相关史实是为了使科学史实之间具有更强的逻辑关联，便于引导学生体会科学家不懈探索、严谨求证的精神。

这些科学发现不仅揭示了性状与遗传因子（即基因）、染色体与基因、遗传物质与核酸之间的关系，而且体现了科学家们随着时间的演进和研究技术的发展所经历的从现象到本质、从理论到实践、从假说到验证的科学探索历程。基于上述科学史实建构时间轴并开展教学实践，能够使学生：从“像科学家一样思考”的视角去梳理染色体、DNA、基因的关系，发现科学家先后选择肺炎链球菌、噬菌体、烟草花叶病毒作为实验探究对象的巧妙之处，培育结构功能观；从1928年和1944年肺炎链球菌活体、离体转化实验和1952 年噬菌体侵染细菌实验中，总结科学研究的一般思路和方法，发展分析概括、推理演绎和批判性等科学思维和科学探究素养；从科学史发展过程中饱含的科学家探索精神和辛勤付出中，获得拼搏求真、锲而不舍的科研精神［1］。基于上述分析，按照科学发现的先后顺序，笔者创设该课的科学史时间轴，具体如图2所示。

其中，“1909 年，摩尔根用假说演绎法证明基因在染色体上”及其之前的部分为学生已知部分，后面为在该课教学中呈现的部分。

三、基于科学史时间轴分步培育生物学核心素养的教学实践

在《核酸是遗传物质》一课的教学中，笔者以科学史时间轴的不断延伸为主线，分别将科学史作为课时学习的情境、评价探究活动的参照、思维培育的支架和致敬科研的载体，进行如下实践。

（一）以史为境、铺设主线，初育社会责任素养

此环节为导入环节，也是开启科学史时间轴的过程。笔者呈现科学史时间轴（将图2中1909年及其之前部分完全呈现，用实线表示，其后内容不呈现，用虚线表示）。该时间轴分为学生已知和未知两个部分：实线部分为已知部分，串联了学生前面已构概念中涉及的遗传科学史，这一部分具有复习回顾已构概念的承前作用；虚线部分为未知部分，是该课教学及以后学习中要逐步添加的科学史事件，具有引导新概念建构的启后作用。

将科学史时间轴作为课时探究学习的情境线索，不仅能按照时间先后真实还原科学探究事件，而且能将其作为整体概念建构的主线脉络，引导学生在梳理相关史实的同时，关注科学发现是多位科学家共同努力的成果，从而初步树立甘为人梯、团结协作的社会责任，以及崇尚科研的热情。具体实践如下。

师（创设情境并提问）：遗传学的研究与发现离不开众多科学家的执着追求和辛苦付出。图中所示的科学史时间轴上的几个节点，呈现了几位在遗传学上有重大贡献的科学家的科学史事件。从这些科学史事件中，同学们可以回忆起前面建构的哪些概念？

［学生活动］学生结合科学史时间轴，回顾“遗传因子（基因）控制生物性状，基因的遗传遵循分离和自由组合定律”“有丝分裂中染色体复制后平均分配”“减数分裂前后染色体数目减半”“基因在染色体上，染色体是基因的主要载体”等概念。

师（追问）：科学家通过前赴后继的努力，阐明了基因与性状、基因与染色体之间的关系。我们知道，染色体含有DNA 和蛋白质两种主要成分，那么基因分布在哪种成分上？哪种成分是遗传物质？科学家又是如何找出遗传物质的证据的？今天我们就一起打开时间轴后面隐藏的节点，继续循着科学家探索的足迹来寻找答案吧。

设计意图：该环节以学生已构概念中的一些重要科学史事件组成的时间轴作为情境，既是对已学知识的复习，也延伸出了将时间轴中未知的部分作为这节课探究的情境主线，引出这节课要探讨的问题。

（二）以史为镜、对照评价，培育生命观念和科学探究素养

所谓以史为镜，是指将科学史中真实的发现过程作为评价学生探究活动的参照，引导学生在与科学史的比较评价中发现自身的不足并及时修正［2］，掌握科学探究的一般方法，发展科学探究素养。具体实践如下。

师（创设情境）：肺炎链球菌有光滑型（S型，菌体有多糖荚膜，菌落光滑）和粗糙型（R型，菌体无荚膜，菌落粗糙）两种类型（以下简称“S型菌”和“R型菌”）。1928年，英国细菌学家格里菲思用这两种肺炎链球菌在小鼠体内进行了如下转化实验：

①以活的S 型菌感染小鼠→小鼠患败血症死亡；

②以活的R型菌感染小鼠→小鼠存活；

③以加热杀死的S型菌感染小鼠→小鼠存活；

④以活的R 型菌与加热杀死的S 型菌混合感染小鼠→小鼠患败血症死亡。

师（提问）：S型菌和R型菌存在哪些差别？比较①②组，你能得出什么结论？请分析两个组存在差异的原因。比较③④组，推测第④组小鼠死亡的原因是什么？依据格里菲思的实验，你能得出什么结论？

［学生活动］学生分析肺炎链球菌活体转化实验，回答上述问题。

师（追问）：格里菲思为什么没有找出肺炎链球菌的转化因子？如果你是科学家，你会怎样设计实验从中找出转化因子？

［学生活动］学生以小组为单位设计实验，探究S 型菌体内的转化因子。可能的探究实验方案有：用DNA酶和蛋白酶分别水解S型菌体内的相应成分后，再与R 型菌一起感染小鼠；提取其中的DNA 或蛋白质成分，分别与R型菌一起感染小鼠；等等。

［师生活动］小组派代表交流自己组的设计思路，组间评价，教师评价。

［教师活动］教师呈现1944年艾弗里所做的肺炎链球菌离体转化实验（如图3所示），引导学生将真实的科研设计与自己的实验设计进行对照，并分析艾弗里实验的结论。

图3 肺炎链球菌离体转化实验

师（追问）：为什么格里菲思通过活体转化实验无法找出转化因子，而艾弗里通过离体转化实验可以证明DNA是转化因子呢？得出转化因子结论最关键的思路是什么？

［学生活动］学生讨论之后认为，得出结论的关键思路是“设法把DNA与蛋白质分开，单独地、直接地去观察DNA或蛋白质的作用”。

设计意图：该环节引入格里菲思实验和艾弗里实验两个科学史。前者作为情境支架，驱动学生分析实验、设计实验；后者则作为评价手段，为学生提供实验设计思路的科学参照。借助两个科学史素材，引导学生得出“把DNA与蛋白质分开，单独地、直接地去观察DNA或蛋白质的作用”的关键思路，培育结构功能观（生命观念的一种），使其在问题的分析解决中培育分析推理的科学思维素养，并通过小组合作设计以及将自己的设计与艾弗里的设计进行比照，认同或修正自己的设计，培养发现问题、设计实验解决问题以及对实验结果进行评价交流的科学探究素养。

（三）以史为径、搭建支架，培育生命观念和科学思维素养

以史为径，是指将科学史作为思维培育的支架。在这一环节中，基于艾弗里实验、赫尔希和蔡斯实验、弗雷恩克尔·康拉特实验三个科学史素材，笔者设计了一系列具有逻辑性的问题，引导学生通过合作解决问题，发展批判性及分析推理等思维素养。具体实践如下。

师（创设情境并提问）：艾弗里在做DNA提纯实验时受技术所限，纯度最高的DNA 中依然含有0.02%的蛋白质。你认为艾弗里实验能否有力说明DNA是遗传物质？为什么？

师（创设情境）：1952 年，赫尔希和蔡斯用噬菌体（只含DNA 和蛋白质）和大肠杆菌做了侵染实验。他们用35S 和32P分别标记两组噬菌体，然后分别与大肠杆菌一起保温一段时间，搅拌、离心后检测悬浮液和沉淀物的放射性。结果显示：当用35S 标记的噬菌体感染大肠杆菌时，放射性只存在于悬浮液；当用32P标记的噬菌体感染大肠杆菌时，放射性主要存在于沉淀物。

［教师提供支架］教师介绍噬菌体的结构和寄生的生活方式。

师（设置问题链）：（1）你推测噬菌体侵染细菌的过程是将什么物质注入了大肠杆菌？（2）用35S 和32P 分别标记的是两组噬菌体的什么成分？如何标记噬菌体？（3）搅拌和离心的作用分别是什么？离心后大肠杆菌在沉淀物还是在悬浮液？（4）用35S标记的噬菌体感染细菌时，放射性只存在于悬浮液——说明什么？（5）用32P标记的噬菌体感染细菌时，放射性主要存在于沉淀物——又说明什么？（6）依据两组实验结果，你能得出什么结论？（7）如果用35S 标记的噬菌体感染细菌时，沉淀物有较高的放射性，会是什么原因？（8）如果用32P 标记的噬菌体感染细菌时，悬浮液也有较高的放射性，会是什么原因？（9）本实验与肺炎链球菌离体转化实验在方法上有何不同之处？二者的实验设计思路有何相同之处？

［学生活动］学生以小组为单位进行讨论分析，从科学史情境及支架中提炼信息解答上述问题。

［师生活动］小组派代表交流，组间互评完善，教师点评并补充。

设计意图：该环节运用噬菌体侵染细菌的科学史素材作为情境和分析支架，引导学生基于科学史事实，采用分析归纳、推理演绎和批判性的思维对上述问题进行分析解答，理解同位素示踪法，得出噬菌体的遗传物质是DNA。

师（创设情境并提问）：为了弄清楚RNA病毒的遗传机制，1956年弗雷恩克尔·康拉特把TMV（一类只含有RNA和蛋白质的病毒）置于水和苯酚（石碳酸）混合液中震荡，使蛋白质与RNA 分开，然后分别感染烟草，发现：只有RNA可以使烟草感染，产生正常后代，用RNA酶处理过的RNA，没有感染效力；来自不同病毒株系的RNA和蛋白质混合后感染烟草，所繁殖的病毒类型取决于提供RNA的株系，而不是提供蛋白质的株系。请同学们思考，只有RNA而没有DNA的病毒中，遗传物质是什么？

设计意图：在学生建立起肺炎链球菌和噬菌体的遗传物质是DNA 的基础上，通过新的科学史素材补充完善“有些病毒的遗传物质是RNA”的概念，帮助学生培育结构功能观、提升分析推理科学思维素养。

（四）以史为敬、提升意识，再育社会责任素养

通过前面几个环节的教学，《核酸是遗传物质》一课相关科学史也逐渐由未知转为已知，所以在最后一个环节中，笔者引导学生补充完善科学史时间轴。

师（创设情境及学习任务）：科学是不断发展的，这节课我们又在科学的海洋中找到了一些珍贵的发展史素材。请同学们在科学史时间轴（如图2所示，只是将1928年至1956年部分空缺）上补充填写这节课所学的科学史。

师（提问）：在“核酸是遗传物质”的探索中，科学家们经历了“推测遗传因子—证明遗传因子—质疑提取的纯度—提出更加完善的实验证据—补充RNA 是遗传物质的证据”这一过程。同学们从这一科学史时间轴上除了了解到核酸是遗传物质的发现历程之外，还学到了什么？

［学生活动］围绕问题，学生充分讨论后发表观点：（1）科学家前赴后继、团结协作的科学研究精神；（2）要了解多种成分中某一种成分的功能，需要将各种成分分开，可以分离提纯，也可以用同位素示踪，从而单独地、直接地对某成分的作用进行分析；（3）科学家基于实验的严谨求真的科学态度；（4）科学的发展与科技的进步是密不可分的……

设计意图：要求学生在科学史时间轴上补充填写，一方面是引导学生对这节课的学习内容进行梳理，完成“核酸是遗传物质”这一概念的建构，另一方面是引导学生以史为敬，即致敬科学研究中科学家的科研精神和科研态度，进一步培育创新求真、严谨治学、潜心研究、团结协作等社会责任素养。而科学史时间轴上尚未完善的虚线部分，是为引导学生认同科学发现是不断发展、永无止境的。

总之，科学史中蕴含着丰富的科学知识、科学方法、科研态度和科研精神，既是课堂教学中的宝贵资源，也是培育生物学核心素养四个维度的良好载体。对此，教师在课堂教学中应该充分而合理地加以开发与运用。