許東升

（南京師范大學附屬中學 江蘇南京 210003）

生命科學是一門研究生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律的學科。生命科學的發(fā)展大體經(jīng)過3 個階段。初級階段是人們在長期的生產(chǎn)實踐中積累的關于動、植物和人類自身生長、發(fā)育和繁殖等方面的相關知識，屬于生命科學建立的奠基階段。第2 階段是人們對生命的研究從觀察走向實驗研究，同時也催生了生命科學分支學科的出現(xiàn)。例如，18世紀以后的細胞學說、進化論、遺傳學等學說的建立，標志著現(xiàn)代生命科學創(chuàng)立和學科的分支發(fā)展期。第3 階段是隨著先進的實驗儀器的發(fā)明、實驗思想的進步及方法的創(chuàng)新，科學研究深入到了分子水平。DNA 雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)、中心法則的創(chuàng)立、人類基因組計劃的完成等，分子生物學的建立成為了20世紀生命科學發(fā)展的偉大成就。經(jīng)過許多科學家的艱辛努力，建立了一個內容豐富、體系龐大的當代生命科學。生命科學史是一部集生物學學科知識、科學思想、研究方法、科學精神等于一體的發(fā)展史。

生命科學史中翔實的資料記錄了科學家艱辛的創(chuàng)造性勞動，生動地描述他們進行科學探索的思維過程和實驗方法等，同時也對生物學發(fā)展過程中的思維邏輯和重大發(fā)現(xiàn)作出評價。它是一門充滿活力的自然科學，是培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的生動教材［1］。在高中生物學課堂教學中高度重視生命科學史的教育，提升學生的核心素養(yǎng)是值得每位生物學教師關注的課題。

1 引導學生走進實驗室，培養(yǎng)探究質疑的精神

生物學是一門實驗性科學，生物學中大量的概念、定律及理論都是科學家經(jīng)過多次實驗獲得的。實驗的設計與開展是發(fā)現(xiàn)知識和規(guī)律的重要手段。例如細胞膜的化學組成、結構及其特點；細胞學說的創(chuàng)立；酶的發(fā)現(xiàn)；光合作用的生理過程的研究及DNA 是遺傳物質等。這些發(fā)現(xiàn)無不是科學家在實驗室經(jīng)過無數(shù)次的重復實驗獲得的，實驗過程中又會不斷發(fā)現(xiàn)問題，螺旋式提出問題并繼續(xù)實驗從而獲得真知，可見實驗的重要性。帶領學生走進實驗室只是手段，更重要的是激發(fā)學生的好奇心，質疑精神，引導學生像科學家一樣提出問題并通過設計和開展實驗進行研究。幾乎每一個重大的生物學成就都源于生物學家提出的一系列的好問題，提出好問題比解決問題更重要。例如，單克隆抗體技術的發(fā)明就源于英國科學家米爾斯坦和德國科學家科勒在探究如何通過培養(yǎng)效應B細胞獲得更多量的抗體過程中提出的設想，他們在前人工作的基礎上，提出了“能否借用癌細胞無限增殖的特點帶動效應B 細胞擴增？”的問題正因為他們大膽地提出了這一前瞻性問題，并經(jīng)過不懈努力攻克重重難關，最終讓單克隆抗體的制備成為可能，為此獲得了1984年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。青霉素的發(fā)現(xiàn)是弗萊明在實驗室中從現(xiàn)象到疑問，再從實驗到獲得成功的經(jīng)典案例。這些科研成果為醫(yī)學的發(fā)展作出了重大貢獻。

帶領學生走進實驗室，引導他們像科學家一樣大膽猜想并嘗試設計與實施實驗。教師對學生產(chǎn)生的有價值的想法進行指導，并提供相應的條件讓學生動手操作，無論成功與失敗，對學生來說都會有收獲。例如，在探究溫度對酶活性的影響中，有的學生對教學中設計的實驗步驟提出疑問：實驗步驟中最后用碘液檢測反應物是否存在作為判斷依據(jù)，能否改為先將碘液和淀粉混合，再通過實驗觀察每組實驗中藍色消失的情況以判斷酶的作用。這個問題提得非常好，可見課堂上學生是積極思維的，該問題本可以在課堂上討論解決，但讓學生走進實驗室自行設計實驗進行驗證，最后的答案是否定的。實驗發(fā)現(xiàn)由于高溫會使碘液揮發(fā)，從而不能得出科學的結論。學生的想法在實驗中得到了證實，興奮之情溢于言表，對所學知識的理解更加深刻。其實，教材中的科學史材料，也可以讓學生走進實驗室通過實驗開展教學，讓學生真正做到像科學家一樣開展實驗，例如揚·英根豪斯探究光合作用必需有光的實驗，薩克斯研究光合作用產(chǎn)物是淀粉的實驗等，通過實驗能更好地培養(yǎng)學生的質疑精神、積極思維的習慣及提升動手能力。

2 還原科學發(fā)現(xiàn)的本真，理解知識形成的過程

科學史中滲透著科學家探索與發(fā)現(xiàn)生命現(xiàn)象及規(guī)律的嚴謹?shù)倪壿嬎季S，科學家的思維方式與邏輯推理過程應是科學史教學的重點。一方面，它可幫助學生了解所學知識的形成過程及其本質，另一方面，也讓學生了解科學家在面對困難時是如何改變探索思路最后獲得成功，樹立不盲從于權威并勇于質疑的精神。

例如，在DNA 是遺傳物質的發(fā)現(xiàn)過程中，格里菲思的肺炎雙球菌體內轉化實驗應是引導學生像科學家一樣推理思辨的經(jīng)典史料。實驗結論S型細菌中可能存在著某種轉化因子是格里菲思經(jīng)過嚴謹?shù)倪壿嬐评矶_定的。最初的分析有多種可能：S 型菌的出現(xiàn)可能是R 型菌基因突變的結果；可能是S 型菌加熱殺死不徹底的殘留體起死回生的結果；也可能是S 型菌中某種物質進入R型菌體內導致的。根本原因是什么？引導學生分析思辨如下：如果是R 型菌基因突變的結果，則第4組實驗中應只有部分小鼠死亡，因為基因突變具有低頻性。如果是S 型菌加熱殺死不徹底，將第3組實驗中加熱殺死的菌液分成若干等份，分別注射到多只小鼠體內，實驗結果也應該是只有部分小鼠死亡，這些推理與原實驗結論都不吻合。最可能的原因應是死亡的S 型菌中可能存在某種轉化因子。他的團隊沒有研究出來轉化因子是什么，給出的結論也只能是一種猜測。雖然沒有得到最終結論，但它給后人的研究指明了方向。如果教學中只是將格里菲思的實驗結論告知學生，學生就不能體會到像科學家一樣嚴謹?shù)耐评砗退急娴臉啡?，課堂顯得平淡無趣。教學中，教師對經(jīng)典的史料進行精心設計，在提供經(jīng)典史料及數(shù)據(jù)的基礎上，引導學生猜想、思辨，最好能設計并重演原始實驗。這樣的課堂生動有趣，學生的思維被激活，氣氛活躍，有些學生還會提出更深刻的問題引起大家的討論，從而真正達到培養(yǎng)能力和理解真知的目的。精心設計的科學史教學能幫助學生形成遇到問題會積極思維、推理判斷、提出問題的好習慣。DNA 分子研究史中的艾弗里、蔡斯、赫爾希等科學家對DNA 是遺傳物質的研究素材，沃森、克里克提出DNA 分子的雙螺旋結構，布倫納與克里克證明遺傳密碼是并不重疊、無逗點的三聯(lián)體的推理過程等都巧妙得讓人驚嘆，以及尼侖伯格團隊破譯密碼子等，研究和思辨過程都充滿了嚴謹?shù)倪壿嬓院涂茖W性。教學中教師充分還原這些科學史素材的本真，引導學生像科學家一樣思辨，體會到科學家在研究過程中的智慧，理解了科學知識的實質，從而提升學生的核心素養(yǎng)。

3 學習科學探究的方法，養(yǎng)成理性思維的品格

任何一個生命活動規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和完善與科學的思想方法及先進的實驗手段的運用是分不開的，從某種程度上說科學的研究思想與方法是科研的精髓。

例如，人們對生物膜模型的建立雖然艱辛而漫長，但應是先進的思想方法與技術手段的革新而獲得成功的經(jīng)典案例。到1895年，歐文頓已經(jīng)用500 多種化學物質對植物細胞膜的通透性進行了上萬次的試驗，發(fā)現(xiàn)凡是可溶性脂質比不溶于脂質的物質更容易進入細胞，于是他提出膜由脂質組成的假說；1925年，荷蘭生物學家歌特與格侖德爾將哺乳動物成熟紅細胞的膜提取出來漂于水面，發(fā)現(xiàn)鋪開的表面積是紅細胞表面積的2 倍，于是發(fā)現(xiàn)細胞膜具有雙分子層結構；20世紀30年代，電子顯微鏡的發(fā)明加快了人們對膜的認識，人們可直觀地觀察到膜有2 層磷脂分子；1953年，丹尼爾和戴維森提出單位膜的空間結構模型；1959年，羅伯特森用電鏡觀察到了細胞膜暗-亮-暗3 層結構，結合其他科學家的科研成果，提出了生物膜的“單位膜”模型；1970年，埃迪登用紅色和綠色熒光素分別標記人和小鼠細胞膜表面蛋白質，并進行融合培養(yǎng)，提出了膜具有一定的流動性；隨著研究技術的進步，科學家又采用冰凍蝕刻技術將膜撕開，使2 層磷脂分開，暴露出膜的真面目；直到1972年，桑格和尼克森在單位膜模型的基礎上提出了膜的“流動鑲嵌模型”，強調了膜的流動和膜蛋白質分子的不對稱性，并為多數(shù)科學家所接受［3］。在對生物膜的認識過程中，科學研究的思維方法、實驗手段及實驗儀器的改進對科研成功都起著至關重要的作用。

在生命科學史中，這樣的案例舉不勝舉。孟德爾和摩爾根分別采用假說-演繹法發(fā)現(xiàn)了三大遺傳學定律和得出了基因位于染色體上的重大結論；薩頓用類比法提出了基因和染色體成平行關系的觀點；魯賓和卡門、卡爾文、蔡斯和赫爾希等通過同位素標記法研究生物體內的生理變化；沃森、克里克通過建模的方法提出了DNA 分子的完美的雙螺旋結構；美國生態(tài)學家林德曼通過定量分析法對天然賽達伯格湖的能量流動進行研究發(fā)現(xiàn)能量流動的特點及其傳遞效率；1983年，美國生物學家穆利斯發(fā)明的PCR 技術推動了基因工程的發(fā)展；1985年，伍德發(fā)明的自動測序儀極大提高了人類基因組測序速率；1996年，文特爾和伍德通過改進方法，并綜合運用超級計算機、生物信息學和生物技術學等，提前4年完成了人類基因組測序計劃。

在科學研究的道路上，科學研究的思想方法和先進技術手段的應用是推動科學進步的催化劑。教學中教師傳授的不僅是知識，更重要的是要教會學生學習科學家科學研究時的思維方式和尋找新的科研手段進行研究的過程。在科學史的教學中，讓學生掌握相關的生物學知識的同時學會科學家開展科學研究的一般方法。對于教材中的史料實驗，有條件的學校，可讓學生走進實驗室，親歷實驗過程；也可在課堂中提供相關素材，學生通過設計實驗、分析實驗、評價實驗等多方面開展訓練，真正參與科學探究，培養(yǎng)理性思維能力和學科素養(yǎng)。

4 認識科學發(fā)展的艱辛，樹立科學的世界觀

在生命科學史的發(fā)展過程中，每一項重大科研都漫長而艱辛，其成果都展示了科學家在探究知識的過程中觀點的碰撞和論爭，科研思想、實驗對象、實驗方法選擇方面的求同存異，呈現(xiàn)了科學家的科學態(tài)度、合作精神和科學的世界觀。

例如，對光合作用生理過程的研究凝結著科學家艱辛的勞動，沒有堅忍不拔的毅力和不畏艱險的精神是不可能成功的。從對光合作用初步的了解到深入研究，直到生理機制揭示的歷史過程就是植物生理學產(chǎn)生和發(fā)展的歷史。從范·海爾蒙特通過5年的實驗提出了植物的生長需要水；普利斯特萊發(fā)現(xiàn)植物可以更新空氣；楊·英根豪斯通過500 多次實驗發(fā)現(xiàn)綠色植物更新空氣必需有光；梅耶提出綠色植物可將光能轉化為化學能儲存起來；薩克斯通過“氣泡法”測定植物光合作用強度及用“半葉法”證明光合作用產(chǎn)生淀粉；恩吉爾曼證明光合作用場所是葉綠體；直到20世紀30年代以后，魯賓、卡門、卡爾文等用同位素標記法探究光合作用過程中物質變化的生理過程。可見對光合作用的研究是多位科學家共同努力的結果。其實直至今天，人們尚未完全揭開光合作用的全部面紗。再如孟德爾用了8年時間進行植物體雜交實驗，其實驗過程中工作量之大無人知曉，但他一直默默無聞地工作著，頑強的毅力和堅持不懈的精神讓他獲得了成功，在他去世16年后他的研究成果才得到其他科學家的證實。沃森和克里克的DNA 分子雙螺旋結構模型的構建被視為遺傳學史上具有劃時代意義的里程碑，但查哥夫、鮑林、威爾金斯和富蘭克林等人的研究成果也為DNA 分子雙螺旋結構模型建立作出了貢獻。“中心法則”的修正與完善過程，“生長素”的發(fā)現(xiàn)過程前后大約經(jīng)歷了80年等，這些生物學中的成果都充滿了科研團隊的汗水，可見科學的發(fā)展是艱辛和無止境的［3］。

由此可讓學生體會到科學的發(fā)展是一個不斷發(fā)現(xiàn)、不斷修正而致知的過程。在生命科學發(fā)展的歷史長河中，每個知識的形成都是科學團隊共同努力的結果，每階段的研究都是對以前的理論提出的挑戰(zhàn)與補充，這是一種進步，眾多科學家研究的小進步匯成了科學前進的一大步。同時，科學研究過程有時也會走彎路，也可能會犯錯誤，歷史會作出實事求是、客觀的評價。其實，人類對自然科學的研究始終在路上，這也正是科學研究中一種美的所在。

5 豐富科學史課堂形式，提升史料的教育價值

課程標準明確指出，高中生物學教學中要求注重科學史的學習，培養(yǎng)學生的生物科學素養(yǎng)。生命科學史教學中忌只強調結果性的教學，忽略概念、定律和理論形成的過程性講解，導致學生對知識形成的認識不夠深刻；或只講故事性的生命科學史以吸引學生興趣，不深入講解研究的思想和方法，導致學生的科學思維能力得不到應有提升。如何有效發(fā)揮生命科學史在中學生物學教學中的功能，教師應因地制宜，充分利用相關素材科學設計課堂教學過程。讓學生課外查閱相關資料進行學習；采用角色扮演，課堂表演匯報等形式進行學習；最有效的方法當屬帶學生走進實驗室重演科學史實驗過程。教師也可篩選教材中最有價值的史料素材通過微視頻、圖片等多種媒體將原科學實驗的設計、實驗方法、操作過程、實驗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)于課堂，精心設計問題引導學生進行思維、分析、甚至產(chǎn)生認知沖突，再經(jīng)過邏輯推理，最后厘清事件發(fā)生的過程，從而掌握相關知識本質。科學史應是教師深度挖掘并進行探究性學習，激發(fā)學習興趣和提升理性思維能力的重要素材。

生命科學史的教學對于提高學生核心素養(yǎng)具有重要作用，教學中教師需利用自己的智慧對史料進行加工，引導學生進行深度思考，體會知識形成的過程，學習科學家的思想與方法、邏輯思維過程等，達到真正提升核心素養(yǎng)的目的。