何淺慧

摘要：最新修訂的IBDP生物課程文件的一個重要變化是增加了科學本質的課程模塊，通過對IBDP生物教材中科學本質內容的分析，發(fā)現(xiàn)在呈現(xiàn)方式方面，科學本質以顯性的方式呈現(xiàn)，并與知識論課程整合;在內容設計方面，強調跨學科，重視科學史和科學論證。

關鍵詞：IBDP生物教材 指南 科學本質

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

1引言

國際文憑課程（International Baccalaureate DiDlo-ma Programme，IBDP）是為16～19歲學生提供的、為期兩年的大學預科項目。在最新修訂的IBDP生物學課程文件（Biology guide：first assessment 2016）（以下簡稱《指南》）的一個重要變化就是增加了“科學本質（Nature of science，NOS）”這一全新的課程模塊，旨在鼓勵教師理解科學的本質，并在2014年哈佛大學出版社（Oxford University Press）出版的的高中生物學教材（Biology Course Companion：IB Diploma Program）（以下簡稱IBDP生物學教材）中安排了較豐富的實例。將對IBDP教材中的科學本質內容從呈現(xiàn)方式和內容設計進行分析，以期為我國高中生物學教材的設計提供有益的啟示。

2鮮明的呈現(xiàn)方式

2.1顯性呈現(xiàn)，排版鮮明

IBDP生物指南中通過對“科學本質”這一部分的表述，對各章節(jié)均詳細列出科學本質的核心概念，并將其特定的內涵與生物學內容相聯(lián)系。在IBDP生物學教材中也是以獨立的欄目來闡述科學本質的內容，例如，如圖1所示的實驗設計：酶實驗中確定量測量需要重復以確?？煽啃浴Ｎ覀儗γ富钚缘牧私馐腔趯嶒炞C據(jù)，為了獲得有力的證據(jù)，必須精心設計這些并遵循一些基本原則：實驗的結果應該是定量的而不是描述性的測量應該是準確的，這在科學上意味著對接近真實值;實驗應該重復，這樣可以比較重復的課來評估它們的可靠性教材中與指南中對科學的要求一一對應“尋找趨勢和差異：盡管大多數(shù)生物符合細胞理論，但也有例外，研究的論理意義：涉及于細胞的研究越來越好，并提出倫理議題”（圖2）。這種顯性的呈現(xiàn)方式明確了科學本質教學的生物學科內容載體，使得科學本質不再是抽象的理論，有助于學生在概念的學習過程中增進對科學本質的認識和理解，為課堂教學開展科學本質教育提供豐富的素材。

2.2整合知識論，培養(yǎng)理性思維

知識論（Theory of Knowledge，TOK）是IBDP體系中的核心課程，這門課程不以教授具體的專業(yè)知識為目的，而是通過追問知識的本質來培養(yǎng)學生對問題的理性思維能力。在生物學教材中的旁欄中專門設置了知識論一欄（圖3），它是以生物學科內容為背景來探索某一潛在的知識論問題。例如，“酶”這一節(jié)中的知識論欄目的問題——“為什么鎖與鑰匙模型沒有被誘導契合模型完全取代？”，學生通過對這個問題的思考，更加深入地理解酶的作用原理，并對模型的提出歷程有一定的了解，認識到沒有哪個科學發(fā)現(xiàn)是輕而易舉的，沒有哪個模型是真正完美的，它需要不斷地被完善。再如，“DNA和RNA的結構”這一節(jié)中的知識論設置了“競爭和合作在科學研究中的相對作用是什么？”，學生通過對DNA結構發(fā)現(xiàn)的科學史的回顧，深入地思考什么是科學探究，認識到在科學研究小組內部合作很重要，而另一方面，競爭可能會激勵雄心勃勃的科學家不懈地工作。通過對知識論欄目問題的思考和回答，學生能夠對生物學科有更深入的學習，有利于批判性思維和探究式學習習慣的培養(yǎng)，從而建立科學本質觀。

3巧妙的內容設計

3.1體現(xiàn)跨學科，形成大概念

IBDP生物學教材中科學本質的內容強調和化學、物理、數(shù)學等學科的融合，打破學科間的界限，完整地展示科學事業(yè)的發(fā)展。例如，在“細胞的超微結構”這一部分中介紹了從光學顯微鏡到電子顯微鏡的發(fā)展歷程，強調了在物理上電子顯微鏡的發(fā)明促進了對細胞超微結構的理解。再如，“染色體”部分介紹了放射自顯影技術從用來發(fā)現(xiàn)特定物質在細胞和組織中的位置，到凱恩斯用此技術來確定染色體中DNA分子的長度并揭示復制叉，進一步說明了生物學的發(fā)展離不開物理和化學研究在技術上的革新。又如，在“神經元和突觸”中介紹了不同專業(yè)領域的科學家之間合作致力于記憶和學習的研究，并以牛津大學的光遺傳學的研究技術為例，強調生物學的發(fā)展離不開各學科的融合，離不開不同專業(yè)領域的科學家小組之間的協(xié)作……讓學生理解生物學不是一門獨立發(fā)展的學科，而是與其他學科相互促進，關聯(lián)發(fā)展的。

3.2重視科學史，激發(fā)學生興趣

IBDP生物學教材對科學歷史和文化的科學本質教學非常重視。在內容的編排上，特別注重對科學知識形成、發(fā)展的歷程進行深入的闡述，側重于通過科學歷程的體驗來學習科學知識和研究方法，從中讓學生挖掘蘊含的科學家的思維品質，并認識到科學的發(fā)現(xiàn)是要經歷數(shù)代科學家不懈的工作，科學知識可能會隨著科學研究的深入而發(fā)生改變。例如，“膜結構模型”這一部分從戈特（Gorter）和格倫德爾（Grendel）開始提出膜具有雙層磷脂到辛格（Singer）和尼克爾森（Nieolson）提出流動鑲嵌模型，呈現(xiàn)了膜結構模型的來龍去脈，涉及了使用模型作為現(xiàn)實世界的表示，以及一種理論被另一種理論取代的科學本質教學，有利于學生理解科學知識是不斷修正、不斷發(fā)展的，并且深刻體會到敢于質疑是科學不斷發(fā)展的動力，激發(fā)了學生學習的興趣。這種以科學史發(fā)展歷程的教學潛移默化地培養(yǎng)了學生全面的科學思維和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，促進學生樹立科學本質觀。

3.3強調科學論證，保證客觀性

IBDP生物學指南中特別強調，為了增強科學的客觀性，要重視科學研究中的數(shù)據(jù)，通過重復測量、增加樣本量、避免隨機誤差和系統(tǒng)誤差以及利用多種技術手段來提高數(shù)據(jù)的可靠性;理解誤差、不確定性、準確性與精確性之間的差異;認識到認知的偏差產生的影響;重視大數(shù)據(jù)的應用，等等。例如，在“設計滲透實驗”中就要求精確地定量測量，并且列出一系列的清單來評估設計：如果可能，結果應該是定量的;使用最合適和最優(yōu)質的儀器或其他設備，測量應盡可能準確;需要重復測量;必須控制可能影響實驗結果的所有因素，只允許調查中的因素發(fā)生變化，其他的因素不變。此清單可用于確保實驗設計的嚴謹。在IBDP生物的科學本質教學中，指南要求學生完成一定量的定量實驗，在實驗和課題中測量數(shù)據(jù)，對自變量、因變量的選取、數(shù)據(jù)的處理、結果的誤差判斷都做了詳細的規(guī)定。這種對證據(jù)和數(shù)據(jù)的重視，能夠保證科學的真實性和客觀性，進一步培養(yǎng)了學生的科學素養(yǎng)。

4啟示

2002年4月我國頒布了《全民科學素養(yǎng)行動計劃》，目標是到2049年中華人民共和國成立100周年時，全體公民都達到“人人具備科學素養(yǎng)”。而“什么是科學素養(yǎng)”“怎樣提高學生的科學素養(yǎng)”這些問題還缺乏可操作的實驗方案。吳堅在他的著作《全球教育發(fā)展新趨勢》中指出：“由于對科學哲學缺乏探索而帶來的對現(xiàn)代科學的片面認識，我國學校的科學課程與教學幾乎都不涉及科學自身的局限性、科學的本質和精神，以及科學技術與社會的互動等重大問題。在大多數(shù)國人的眼里，科學即真理，因而科學是不可錯的;科學知識是精確的證實知識，因而它有著至高無上的權威。這種科學觀必然導致科學‘神圣的心理，成為滋生唯科學主義的心理基礎，其直接結果反映在科學教育上，便是不能培養(yǎng)學生的懷疑精神、批判精神和創(chuàng)新精神?！蔽覈目茖W教育還注重基礎知識和技能的傳授，大量的教學內容以講述結論和定論為主，很少討論這些結論發(fā)展的過程，對于科學精神、科學研究能力很少涉及，對于科學素養(yǎng)的培養(yǎng)還不夠重視。其實，科學不僅僅是知識體系，它也是一種探究的過程，并在不斷的探究歷程中形成科學研究特有的思維方式。生物科學本質上是一門自然科學，與物理、化學、地球科學有著一樣的自然科學屬性，它不僅是一個結論豐富的知識體系，也包括了人類認識自然世界和規(guī)律的一些特有的思維方式和探究過程。所以要培養(yǎng)良好的科學素養(yǎng)就必須對科學有一個比較全面的了解，要重視科學本質的教學。在中學生物教學過程中，教師要倡導學生合理的懷疑，“以懷疑作審視的出發(fā)點”，重視邏輯和實證，強調數(shù)據(jù)和證據(jù)對科學研究的重要性，“以實證為判別尺度，以邏輯作論辯的準繩”，理解科學的本質并形成科學的態(tài)度和價值觀，培養(yǎng)學生的科學探究精神，讓學生通過嚴密的邏輯推理和審慎的實驗，來理解科學是客觀、真實的。這樣，學生才會對科學產生興趣，才會信服科學。著眼新冠肺炎的控制提升學生生物學學科核心素養(yǎng)

張小明

2019年12月下旬，湖北省武漢市陸續(xù)出現(xiàn)不明原因肺炎病例。人們認識到這是一種能導致急性呼吸道傳染病的新型冠狀病毒。2020年1月31日，此次疫情被世界衛(wèi)生組織（WHO）列為國際關注的突發(fā)公共衛(wèi)生事件。2020年2月8日，國家衛(wèi)生健康委員會決定將“新型冠狀病毒感染的肺炎”暫命名為“新型冠狀病毒肺炎”，簡稱“新冠肺炎”（novel coronaviruspneumonia，NCP）。2月11里，WHO將新型冠狀病毒感染的肺炎命名為COVID-19（Corona Virus Disease2019）。2月11日晚，國際病毒分類委員會的冠狀病毒研究小組（CSG）正式將新冠病毒命名為“SARS-CoV-2”。疫情初期，人們對病毒認知有局限，從地理位置上，武漢四通八達，春運大潮使武漢人流通向全國各地，疫情猝不及防地蔓延開來。我國政府及時果斷采取行動應對疫情，展現(xiàn)了驚人的速度和果斷的決策力;14億人民聯(lián)防聯(lián)控，各盡其力，萬眾一心，攻克疫情，終于控制住疫情在我國的蔓延。目前，新冠肺炎病例己在全球多個國家發(fā)現(xiàn)，受到了世界的廣泛重視。3月11日，WHO宣布新冠肺炎具有全球大流行的特征。這是首個冠狀病毒傳播引發(fā)的全球大流行。

此次疫情的抗擊中，每個學生都參與其中，履行著自己的義務，保衛(wèi)自己，保衛(wèi)家園。生物學教師在教學中可以針對此次疫情，開展校本專題，拓展教學，培養(yǎng)學生的生物學學科核心素養(yǎng)。

1從生命觀念出發(fā)，解讀SARS-CoV-2

本次疫情發(fā)生突然，發(fā)展迅速。教師要引導學生從生命觀念的角度，科學了解本次疫情的發(fā)生，堅信疫情最終能夠被控制。尤其，教師要使學生樹立人是自然的一個部分，促進學生樹立人與自然和諧相處的平衡觀。

1.1從結構與功能觀認識病毒

冠狀病毒（Coronaviridae/Coronaviruse，CoV）在自然界中廣泛存在。它是一類嚴重危害人類及家畜家禽健康的病原微生物，目前發(fā)現(xiàn)的冠狀病毒有十幾種。從形態(tài)學上來說，冠狀病毒略呈球形，因外形類似中世紀歐洲帝王的皇冠而得名。病毒進入宿主細胞后迅速增殖，對敏感細胞造成損傷乃至引發(fā)細胞裂解死亡。

SARS-CoV-2是一種冠狀病毒，是一類具有囊膜、基因組為線性單股正鏈的RNA病毒，是自然界廣泛存在的一大類病毒。臨床統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，此次由新冠狀病毒引發(fā)的肺炎以發(fā)熱、呼吸困難、乏力為主要表現(xiàn)，少數(shù)有腹瀉、鼻塞和咽痛等癥狀。重癥患者多在發(fā)病后一周出現(xiàn)呼吸困難、低氧血癥，嚴重者會快速發(fā)展為急性呼吸窘迫綜合征、膿毒性休克等，甚至死亡。

學生已經具備對病毒結構認識的能力，教師可引導學生回顧病毒的相關內容，提出問題，促進學生思考，從而使學生理解SARS-CoV-2的特點：SARS-CoV-2的結構是什么？它如何侵入到細胞內？在細胞內，病毒遵循了那些遺傳信息流？為什么會致??？新冠病毒在體外可以進行增殖嗎？

在學生思考后，教師提供資料，要求學生修正關于遺傳信息流的回答：SARS-CoV-2有包膜結構，由蛋白質衣殼包裹遺傳物質，遺傳物質是單鏈RNA。病毒進入宿主細胞后，不需要經過逆轉錄過程，而是直接以病毒RNA為模板表達出RNA聚合酶;隨后，RNA聚合酶參與合成mRNA以及病毒遺傳基因組RNA的復制;mRNA參與各種蛋白質合成。接著，教師追問：為什么新冠病毒的變異快？學生從而可以知道：在新冠病毒的增殖過程中，和DNA生物不一樣，RNA病毒的錯誤修復機制的酶活性很低，幾乎是沒有，所以變異很快。

教師補充：在SARS-CoV-2侵染宿主細胞過程中，作用于細胞受體血管緊張素轉化酶II（ACEII），從而特異性感染人的呼吸道上皮細胞，引發(fā)的肺炎以發(fā)熱、呼吸困難、乏力為主要表現(xiàn)。

學生從結構與功能出發(fā)，認識SARS-CoV-2，可以幫助理解疫情的發(fā)生原因與應對措施，減少不必要的恐慌，能夠科學地看待問題。

1.2從進化和適應觀看待新冠病毒是如何跨界傳播的

1937年，科學家首次從雞身上分離獲得第一株冠狀病毒，從此開啟對冠狀病毒微生物的研究。2020年2月，中科院聯(lián)合國內相關機構和科研所收集四大洲12個國家的93個SARS-CoV-2基因組數(shù)據(jù)，根據(jù)研究，發(fā)現(xiàn)SARS-CoV-2可能在11月下旬就已經開始人傳人。

教師提出問題：科學家為什么要尋找病毒的發(fā)源地？病毒是如何傳播到人體的？從而引發(fā)學生思考科學家推測有中間宿主的原因，并明確：尋找病毒的來源以及確定中間宿主，對疫情的控制和避免再次爆發(fā)具有至關重要的意義。

教師追問：為什么SARS-CoV-2并沒有使中間宿主患上嚴重的流行性疾病呢？教師引導學生分析，得出病毒和中間宿主共同進化：免疫力低的中間宿主在自然選擇中被淘汰;毒性特別強的毒株也隨中間宿主的死亡而被淘汰;存留下來的病毒與中間宿主發(fā)生了共同進化。

教師補充資料：曾有研究在2008年做過統(tǒng)計，當出現(xiàn)新的傳染病時，60%是人畜共患。SARS-CoV（引起嚴重急性呼吸道綜合癥）源自中華菊頭蝠，MERS-CoV（引起中東呼吸綜合征）源自駱駝，HIV來自靈長類近親黑猩猩，野生大雁身上的病毒造成甲型流感。野生動物貼近人類、爬上餐桌，身上所攜帶的病毒也實現(xiàn)了一次從畜到人的跨越。這些未知病毒可能在人群中肆虐傳播，對人的免疫系統(tǒng)是一個巨大挑戰(zhàn)。

學生通過這樣的分析，知道了要敬畏自然，要科學地看待感染病毒后所患的COVID-19。

1.3從穩(wěn)態(tài)和平衡觀，理解感染了SARS-CoV-2的個體被治愈的過程

免疫系統(tǒng)像戰(zhàn)士一樣，時刻保護著人體不受侵犯。人體有三道免疫防線抵抗外界病原體。SARS-CoV-2借助空氣傳播，繁殖周期非常短，主要攻擊人的肺部細胞，容易突破人的第一、二道防線，并通過大量繁殖對身體的穩(wěn)態(tài)產生影響。因此，人體主要靠淋巴細胞消滅病毒。人們生活的環(huán)境非常復雜，淋巴細胞儲備數(shù)以百萬計不同種類的抗原受體時刻準備迎戰(zhàn)病原體。現(xiàn)代免疫學理論認為，這是淋巴細胞內有關基因隨機重新組合的結果。一個人的全部B淋巴細胞和T淋巴細胞的基因都是相同的，其中包括為抗原受體編碼的基因。在淋巴細胞成熟的過程中，由于抗原受體編碼的基因中的不同部分隨機地移動（重新組合），可以造成數(shù)以百萬計的重排。對于一個B細胞或一個T細胞，這種隨機重排的過程中只產生一種基因，它編碼出一個抗原受體，這種受體只能特異識別一種抗原。一個人會有10¹⁰以上不同抗原受體的淋巴細胞。當一種抗原入侵時，只有一種基因型的淋巴細胞受體能識別抗原的“非我”標志的特定結構，即抗原蛋白，并與之結合，這種淋巴細胞被激活后產生一個免疫學上同一的克?。寺【褪沁z傳學上由一個細胞增殖來的相同的細胞群體）來對抗這種抗原。這構成了免疫學上特異性的分子和細胞基礎。

教師提出問題：是不是所有的人接觸SARS-CoV-2都會產生一樣的反應？只要感染SARS-CoV-2就會發(fā)展成為重癥或危重癥患者嗎？教師聯(lián)系免疫的相關內容，使學生理解：在本次新冠病毒感染人體的過程中，還是需要依靠人體自身的免疫力抵抗病毒。這也是一些免疫力強的病人能自愈的原因。因此不是所有的人感染了都會患病，只有少數(shù)的人才會發(fā)展成重癥或危重癥患者。

教師追問：治愈后的人群還會有再感染的風險嗎？學生經過分析后，明確：在一次對付一種抗原的免疫應答中并不是全部克隆出來的T淋巴細胞和B淋巴細胞都消耗干凈，而是有一部分保留在血液循環(huán)中成為記憶細胞。以后一旦遇到同一抗原，這些記憶細胞便會更快更大規(guī)模地增殖，做出強有力的反應。所以被治愈的患者具備了快速消滅同種病毒的能力，并且他們的體內產生了抵抗病毒的抗體。他們的血清也成為治療重癥患者的高效物質。

只有科學了解生物學的生命現(xiàn)象，形成科學的自然觀，才能展開對生命活動規(guī)律的探究，從而解決實際問題。只有正確地認識病毒與疫情，才能在遇到身體不適時，不發(fā)生恐慌，正確對待。

2體驗我國科學家利用科學思維通過科學探究尋找控制疫情的歷程

肺炎傳播后，如何確認病原體侵入人體的路徑？如何快速診斷疑似患者？只有運用科學的思維方法認識疫情，才能解決實際問題。教師可以引導學生簡單梳理我國科學家和醫(yī)護工作人員進行科學思維、找出確診患者的歷程，從而使學生明白對確診患者進行治療、有效切斷傳播路徑才是減少疫情傳播的重要手段。

2.1快速認清病毒

此次疫情開始后，曾有人懷疑是不是SRAS病毒?？蒲腥藛T將SARS-CoV-2的序列和SARS-CoV進行比對，發(fā)現(xiàn)兩者很相似。因為冠狀病毒的S蛋白對病毒識別和入侵有著關鍵作用，于是科學家比對了這兩種冠狀病毒的S蛋白，再通過計算機建立模型，發(fā)現(xiàn)雖然相互作用的5個氨基酸有4個都發(fā)生了突變，但是SARS-CoV-2的S蛋白與人體的ACEII蛋白整體上依舊有相互作用的能力。這也加深了科研人員對新冠病毒感染人體機制的研究。

2.2利用病毒的特點準確找出患者

感染SARS-CoV-2后，人體早期癥狀類似于流感。怎樣確診？理論上，可以進行抗體檢測、病毒的基因測序和核酸檢測。采用抗體檢測方法有不足之處，因為患者體內產生抗體需要一定的時間延遲，容易產生假陰性結果。目前，分子生物學手段上常用的方法有病毒的基因測序與核酸檢測?；驕y序對于技術的要求比較高，所以目前進行的確診主要是病毒的核酸檢測過程。

有不少民眾認為：只要用病毒的檢測試劑盒就能檢測出是否被感染。事實非然，每種病毒檢測試劑盒都具有專一性，對于這種新的病毒，首先需要研制針對性的核酸檢測試劑盒。因此在核酸檢測的前期，首先從患者細胞中提取出病毒RNA。然后依賴反轉錄酶將RNA反轉錄成cDNA，利用PCR方法進行擴增，通過機器熒光分析實時檢測定量擴增的產物，最后確診。開始使用核酸檢測，得到結果一般需要5 h左右。為了加快檢測速度，我國科研人員、各個醫(yī)療結構和核酸試劑盒生產企業(yè)也加快開發(fā)針對SARS-CoV-2的試劑盒。

教師可引導學生理解核酸檢測的原理和方法，并促進學生思考：在實際檢測中，為什么會存在假陰性？假陰性的出現(xiàn)是不是說明了病毒出現(xiàn)了變異呢？學生需要運用批判性思維，辯證看待問題，找出可能的原因。學生聯(lián)系免疫學和基因工程的內容，分析后，可以知道：假陰性的出現(xiàn)與采樣方法、采樣部位、采樣量、運輸、實驗室檢測條件以及疾病發(fā)展的階段都有關系;另外，試劑盒的靈敏度也可能是影響因素。

教師可以追問：那么，如果將診斷COVID-19的主要依據(jù)改為CT，是否可靠？這種檢測試劑盒的檢測效果能一勞永逸嗎？學生思考后，才會明白：胸部CT的結果只能表明病人的肺部是否出現(xiàn)病變，而導致病變的原因并不清楚。因此核酸檢測與CT各有應用價值，可以用CT檢測作為輔助篩查的重要手段。但是，確診標準仍是試劑盒檢測陽性和基因測序與新冠病毒同源。由于，此次疫情爆發(fā)得突然，因此國家藥監(jiān)局規(guī)定所研制的核酸試劑盒僅為新型冠狀病毒感染的肺炎輔助診斷及應急儲備，有效期一年;如果想延續(xù)注冊使用，還要提交實驗室的臨床數(shù)據(jù)。

2.3尋找遏制疫情發(fā)展的突破口

科學家和醫(yī)護人員通過分析SARS-CoV-2，在治療COVID-19的過程中尋找病毒的傳播途徑，從而提出未感染者的預防措施。我國政府迅速應對，采取了一系列措施，并號召人們減少外出，勤洗手，戴口罩，降低人與人之間的接觸概率。這些舉措大大遏制了病毒的肆虐傳播，提高了我國控制疫情的有效性。

3樹立人與自然和諧共處的社會責任感

每個學生都親身經歷這次疫情，知道了生物學關聯(lián)著每個人的每一天。教師要引導學生跳出課本，厘清科學知識，基于生物學的認識，參與個人與社會事務的討論，作出理性解釋和判斷，解決生產生活問題。教師要利用這次的疫情，使學生更加理解人是自然的一員，要學會和自然的和諧相處;宣傳對野生動物的保護，只有保持適當?shù)木嚯x感，才能保證人類社會和自然環(huán)境的和諧共進，從而使學生樹立造福人類的態(tài)度和價值觀，形成生態(tài)意識，參與環(huán)境保護實踐。在面對問題和社會言論時，教師要引導學生積極運用生物學的知識和方法，不盲從，要勤于思考，注重實踐，利用科學的解釋來辨別迷信和偽科學，并能主動向他人宣傳正確的觀念和知識，盡到普通公民的義務。

未來，人們還有可能遇到自然界的其他考驗，只有不斷提高學生的生物學學科核心素養(yǎng)，才能使學生更好地促進生態(tài)文明，迎接挑戰(zhàn)。