賴旭初 黃東姐

摘要闡述了如何以史實(shí)為載體培養(yǎng)學(xué)生歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等能力，從而提升學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 生物科學(xué)史 科學(xué)思維 生物學(xué)科素養(yǎng)

中圖分類號G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

科學(xué)思維是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物、解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力。學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)過程中逐步發(fā)展理性思維，能夠基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會(huì)議題。

人教版高中生物三本必修加選修三教材中的許多章節(jié)都滲透著生物科學(xué)史的內(nèi)容。這些內(nèi)容可以讓學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)家的科學(xué)思維及科學(xué)精神，對培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)科素養(yǎng)有重要的作用。結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，談?wù)勅绾卫每茖W(xué)史來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

1可以培養(yǎng)學(xué)生歸納與概括的思維能力

思維品質(zhì)的提高離不開學(xué)生概括能力的培養(yǎng)，概括是一切思維品質(zhì)的基礎(chǔ)。歸納與概括思維要求學(xué)生能把對象的各個(gè)組成部分聯(lián)系起來，或把事物的個(gè)別特性、個(gè)別方面結(jié)合成整體，需要學(xué)生能從大量的生物學(xué)事實(shí)中歸納概括，形成基本的生物學(xué)規(guī)律。科學(xué)史實(shí)往往比較分散，要求在授課過程中教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生能獲取準(zhǔn)確的信息并進(jìn)行處理綜合、歸納概括。

如“光合作用的發(fā)現(xiàn)歷程”一節(jié)涉及了8個(gè)科學(xué)史實(shí)：1771年，英國科學(xué)家普里斯特利，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)植物可以更新空氣;1779年，荷蘭科學(xué)家英格豪斯做普里斯特利的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)只有在陽光照射下才能成功;1785年，卡文迪發(fā)現(xiàn)了空氣的組成，人們才明確綠葉在光下放出的氣體是氧氣，吸收的是二氧化碳;1845年，德國科學(xué)家梅耶指出植物在進(jìn)行光合作用時(shí)，將光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲(chǔ)存起來;1864年，德國科學(xué)家薩克斯，通過實(shí)驗(yàn)證明光合作用產(chǎn)生了淀粉;1880年，美國科學(xué)家恩格爾曼，通過實(shí)驗(yàn)證明葉綠體釋放氧氣，是植物進(jìn)行光合作用的場所;20世紀(jì)30年代，美國科學(xué)家魯賓和卡門用同位素標(biāo)記法證明光合作用中釋放的氧全部來自水;20世紀(jì)40年代，美國生物化學(xué)家、植物生理學(xué)家卡爾文，與其合作者開始利用放射性同位素標(biāo)記法研究光合作用，經(jīng)9年左右的研究，最終探明了CO2中的碳在光合作用中轉(zhuǎn)化成有機(jī)物中的碳的途徑，這一途徑稱為卡爾文循環(huán)。

對于這些科學(xué)史實(shí)，教師可以發(fā)現(xiàn)光合作用的歷史事件為順序，帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)家的探究歷程，讓他們總結(jié)光合作用的反應(yīng)物、生成物、條件和場所，再引導(dǎo)學(xué)生嘗試寫出光合作用的總反應(yīng)式，自主構(gòu)建光合作用的概念。同時(shí)，教師有選擇性地讓學(xué)生分析總結(jié)科學(xué)家在材料選擇、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、結(jié)論分析等方面的精巧之處，體會(huì)科學(xué)的思維方式，使學(xué)生的思維在課堂達(dá)到飛躍的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生歸納、總結(jié)、生成概念的能力。

培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)概括能力，引導(dǎo)他們從大量的或復(fù)雜的生物學(xué)事實(shí)中抽象出最重要、最本質(zhì)的東西，將豐富的生物學(xué)知識濃縮為自己內(nèi)化的知識，能運(yùn)用己學(xué)知識去解決新的問題，獲得新知識、新技能，做到舉一反三、觸類旁通、溫故知新。

2可以培養(yǎng)學(xué)生演繹與推理的思維能力

演繹與推理的思維能力是在高中生物學(xué)教學(xué)過程中發(fā)展科學(xué)思維重要途徑之一。新的課程標(biāo)準(zhǔn)明確要求學(xué)生能基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用演繹與推理等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會(huì)議題。以科學(xué)史實(shí)為素材，引導(dǎo)學(xué)生展開發(fā)現(xiàn)式的學(xué)習(xí)過程，通過演繹推理而獲得正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，可提高學(xué)生的演繹推理能力。

如“DNA分子的復(fù)制”一節(jié)中，教師可采用以下教學(xué)過程。教師先引導(dǎo)學(xué)生提出問題：DNA是如何進(jìn)行復(fù)制的？學(xué)生提出假說：復(fù)制方式可能是全保留復(fù)制、半保留復(fù)制和彌散式復(fù)制。教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)假說，演繹推理復(fù)制后子代DNA可能的情況。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行演繹推理，利用實(shí)驗(yàn)區(qū)別復(fù)制方式的關(guān)鍵在于能區(qū)分親代鏈和子代鏈，并提供同位素標(biāo)記和密度梯度離心技術(shù)等背景知識，并提出問題串：如何區(qū)別親代鏈和子代鏈？DNA用15N標(biāo)記的大腸桿菌在含有14N培養(yǎng)基中培養(yǎng)一代后，會(huì)形成怎樣的子代DNA？離心之后的結(jié)果是怎樣的？如何區(qū)別彌散式復(fù)制和半保留復(fù)制呢？教師引導(dǎo)學(xué)生在離心管的示意圖中標(biāo)出在三種可能的復(fù)制方式下，DNA復(fù)制一次之后所提取的DNA離心的結(jié)果。學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。最后，教師將真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示給學(xué)生，讓學(xué)生根據(jù)真實(shí)的離心結(jié)果，得出結(jié)論：DNA復(fù)制方式為半保留復(fù)制。

在合理利用科學(xué)史的情況下，學(xué)生運(yùn)用己學(xué)過的生物學(xué)規(guī)律，通過假說、演繹、推理預(yù)測和探討相關(guān)的生命現(xiàn)象，不斷思考可能的生命活動(dòng)過程并演繹推理出多種實(shí)驗(yàn)結(jié)果，再將自己推理的結(jié)果與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，逐漸獲得正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。在這樣的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生不斷發(fā)展自己的推理能力，使思維保持嚴(yán)密性、一貫性。

3可以培養(yǎng)學(xué)生模型與建模的能力

模型和建模思維能力的培養(yǎng)是生物學(xué)教學(xué)的重要方法，生物模型的建立使許多抽象的生物問題變得直觀、具體、形象。科學(xué)史上的生物學(xué)家建立的生物模型為學(xué)生提供了探究的典范，給學(xué)生以科學(xué)精神、科學(xué)方法的熏陶。利用科學(xué)史為學(xué)生提供了一個(gè)優(yōu)良的探究平臺，不僅能讓學(xué)生獲取新知，更有利于他們掌握模型建立的方法，激發(fā)興趣，提高建模能力，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度。

如“DNA分子結(jié)構(gòu)”一節(jié)，利用科學(xué)史實(shí)訓(xùn)練學(xué)生模型建構(gòu)，可以讓學(xué)生體驗(yàn)DNA分子模型的建構(gòu)過程，從而加深其對DNA分子結(jié)構(gòu)的理解。

①建構(gòu)脫氧核苷酸的模型。教師依據(jù)史實(shí)，弓I導(dǎo)學(xué)生利用模具進(jìn)行相應(yīng)的拼接。②建構(gòu)脫氧核苷酸鏈的模型。根據(jù)科學(xué)史，教師引導(dǎo)學(xué)生在前面的基礎(chǔ)上把單個(gè)脫氧核苷酸串成一條脫氧核苷酸鏈。③建構(gòu)DNA的空間結(jié)構(gòu)。教師提問：根據(jù)威爾金斯和富蘭戈林提供的DNA的分子x射線的衍射圖譜，DNA分子是幾條鏈構(gòu)成的呢？兩條鏈中堿基排列在外側(cè)還是內(nèi)側(cè)呢？教師提供當(dāng)時(shí)的研究資料：堿基具有疏水性，磷酸和脫氧核糖具有親水性。啟發(fā)學(xué)生參考前面學(xué)過的細(xì)胞膜流動(dòng)鑲嵌模型中磷脂分子的排布方式，類比推理得出結(jié)論：堿基排列在鏈的內(nèi)側(cè)。教師追問：堿基如何配對呢？是相同的堿基配對，還是同類堿基配對？還是其他的情況呢？教師展示當(dāng)時(shí)科學(xué)家們提供的數(shù)據(jù)：嘌呤堿基在分子結(jié)構(gòu)上要比嘧啶大。此時(shí)查哥夫又帶來了一個(gè)重要的信息：腺嘌呤的量總是等于胸腺嘧啶的量，鳥嘌呤的量總是等于胞嘧啶的量。于是，學(xué)生基本可以想到：A與T配對，G與C配對。最后，教師引導(dǎo)學(xué)生在已獲得的知識基礎(chǔ)上繼續(xù)建構(gòu)DNA的空間結(jié)構(gòu)模型。

用生物科學(xué)史引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行建模訓(xùn)練，讓學(xué)生親身體驗(yàn)并參與了模型建構(gòu)的過程，不但使學(xué)生深刻地掌握了有關(guān)的生物知識，還增強(qiáng)了其處理科學(xué)信息的能力及動(dòng)手能力，充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提升了學(xué)生科學(xué)思維的能力。

4可以培養(yǎng)學(xué)生批判性思維的能力

批判性思維要求學(xué)生能基于生物學(xué)原理和限定條件等對生物學(xué)問題或觀點(diǎn)提出質(zhì)疑或論證。教師在教學(xué)中，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生不要受他人思想的影響，嚴(yán)格地、正確地對他人和自己的觀點(diǎn)進(jìn)行評判，不一味迷信權(quán)威、教師或教材等。生物科學(xué)的發(fā)展中質(zhì)疑提問和合理論證反思的過程，是在批判、繼承、發(fā)展中曲折前行，因此生物科學(xué)史蘊(yùn)含了豐富的科學(xué)思想、科學(xué)方法，是培養(yǎng)批判性思維的好素材。

如在“生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型”一節(jié)，根據(jù)前面所學(xué)知識，學(xué)生已經(jīng)知道生物膜的成分是脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖類了。教師可以“問題串”引導(dǎo)學(xué)生思考：脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖類是獨(dú)立存在的還是相互結(jié)合的？它們跟功能有什么聯(lián)系？它們?nèi)绾闻帕校瓷锬さ慕Y(jié)構(gòu)是怎樣的，才能實(shí)現(xiàn)其功能？然后，教師和學(xué)生一起重走科學(xué)家的探究之路：羅伯特森于1959年提出的生物膜模型，所有的生物膜都是由蛋白質(zhì)一脂質(zhì)一蛋白質(zhì)三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，他把生物膜描述為靜態(tài)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)60年代后，人們對這一模型提出了異議。不少科學(xué)家對于生物膜是靜態(tài)的觀點(diǎn)提出質(zhì)疑：如果是這樣，細(xì)胞膜的復(fù)雜功能將難以實(shí)現(xiàn)，就連細(xì)胞的生長、變形蟲的變形運(yùn)動(dòng)這樣的現(xiàn)象都不好解釋。學(xué)生在親歷探索細(xì)胞膜的歷程中，一步一步地建構(gòu)流動(dòng)鑲嵌模型的概念。最后，教師提出問題：生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型是否完美無缺？談?wù)勛约旱目捶ā?/p>

通過科學(xué)史的學(xué)習(xí)，教師引導(dǎo)學(xué)生與科學(xué)先驅(qū)的思維進(jìn)行碰撞。學(xué)生經(jīng)歷了質(zhì)疑、分析、反思的過程，體驗(yàn)了科學(xué)家思維的巧妙，進(jìn)一步培養(yǎng)了思維的批判性。

學(xué)習(xí)科學(xué)史，學(xué)生可以感悟到構(gòu)思縝密獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)的巧妙，可以與科學(xué)先賢進(jìn)行對話和方法交流。生物學(xué)教師要善于挖掘、發(fā)現(xiàn)和利用這些科學(xué)史實(shí)故事來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，使學(xué)生的思維變得深刻、靈活、創(chuàng)新、富有批判性。