朱秀華 上海海事大學(xué)附屬北蔡高級中學(xué)

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》指出，“科學(xué)是一個發(fā)展的過程。學(xué)習(xí)生物科學(xué)史能使學(xué)生沿著科學(xué)家探究生物世界的道路，理解科學(xué)的本質(zhì)和科學(xué)研究的方法，學(xué)習(xí)科學(xué)家獻(xiàn)身科學(xué)的精神，這對提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)是很有意義的?！痹诟咧猩镎n堂教學(xué)中，教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容，積極查閱資料尋找恰當(dāng)?shù)目茖W(xué)史素材，充分挖掘其教育價(jià)值，智慧地將其融入課堂教學(xué)之中，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用生命觀念探索生命規(guī)律，學(xué)會用科學(xué)的思維解決問題，體驗(yàn)科學(xué)探究進(jìn)程，提升社會責(zé)任感，進(jìn)而提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)。本文以上海普通高中新教材生物學(xué)必修一《分子與細(xì)胞》第3 章第2 節(jié)“細(xì)胞各部分結(jié)構(gòu)既分工又合作”第二課時(shí)為例，探討高中生物課堂基于科學(xué)史提升學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)策略。

一、科學(xué)史創(chuàng)設(shè)情境導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

據(jù)筆者二十多年的生物課堂教學(xué)實(shí)踐，深刻認(rèn)識到：只要激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)知識的興趣，能夠點(diǎn)燃學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情進(jìn)而很好地學(xué)習(xí)并掌握生物知識。生物科學(xué)史展示了生命科學(xué)形成的歷史，記載了人們對生物界的探究歷程，記載了一代又一代生物科學(xué)家們的生平事跡、成敗得失，這樣的科學(xué)故事就非常吸引學(xué)生，可以作為課堂導(dǎo)入的材料。

例如，在本堂課伊始，筆者以胰島素的故事作為導(dǎo)入素材。教師介紹班廷醫(yī)生發(fā)現(xiàn)胰島素的事跡：班廷醫(yī)生在經(jīng)歷了無數(shù)次失敗后，終于在1921 年那個炎熱的夏天從狗的胰臟中提取到胰島素，由此徹底改變了糖尿病患者的命運(yùn)。在此之前糖尿病一直被認(rèn)為是不治之癥。為了紀(jì)念班廷醫(yī)生的這一巨大貢獻(xiàn)，世界衛(wèi)生組織把他的生日，每年的11月14日，定為世界糖尿病日。接著，教師再出示兩張胰島素分子結(jié)構(gòu)圖，提問：1.從第一張圖上可以看出胰島素的基本單位是什么？2.可以推測出其化學(xué)本質(zhì)是什么？3.由什么細(xì)胞合成？學(xué)生回答后，教師進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)它不僅是蛋白質(zhì)，而且還是細(xì)胞外發(fā)揮功能的分泌蛋白。第二張圖則是胰島素在細(xì)胞內(nèi)加工再加工之后的最終具有降糖功能的空間結(jié)構(gòu)圖。再提問：4.那么在胰島B 細(xì)胞內(nèi)，小小氨基酸們是如何轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢臻g結(jié)構(gòu)的大分子胰島素并分泌出細(xì)胞的呢？這個路徑在生物科學(xué)史上是如何被發(fā)現(xiàn)的呢？讓我們帶著這些問題來一起重溫20世紀(jì)60年代生物科學(xué)史上的這么一個精彩的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生就懷著好奇心帶著問題進(jìn)入新課核心概念“細(xì)胞生命活動由各結(jié)構(gòu)合作完成”的學(xué)習(xí)。就這樣，通過胰島素故事的巧妙運(yùn)用，既使學(xué)生感動于班廷醫(yī)生探尋胰島素鍥而不舍的精神，又使學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與積極性得到充分的激發(fā)與調(diào)動，主動將注意力全部集中到新課的探究中，取得了一舉多得的課堂教學(xué)效果。

二、科學(xué)史作為探究材料，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)，發(fā)展科學(xué)思維

科學(xué)探究是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的生物學(xué)問題，針對特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及結(jié)果的交流與討論的能力。而科學(xué)思維是指在尊重事實(shí)和證據(jù)基礎(chǔ)上，本著嚴(yán)謹(jǐn)、務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法去認(rèn)識事物、解決問題的思維習(xí)慣與能力。包括歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等。生物科學(xué)的發(fā)展本身就是科學(xué)家們探索和研究生物世界的一個歷史過程，它既能讓學(xué)生從中獲取生物學(xué)知識，又能讓學(xué)生體會科學(xué)家在探究過程中所持有的科學(xué)觀點(diǎn)和解決問題的思路及方法。筆者在高中生物教學(xué)實(shí)踐中，會有針對性地根據(jù)教材的內(nèi)容，挑選與本堂課知識點(diǎn)有密切聯(lián)系的生物科學(xué)史材料，如一些經(jīng)典的探究實(shí)驗(yàn)，將其整合到教學(xué)中，讓學(xué)生邊體會科學(xué)家實(shí)驗(yàn)探究過程邊進(jìn)行課堂探究性學(xué)習(xí)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)，發(fā)展科學(xué)思維。

例如，在本堂課中，筆者向?qū)W生提供了這樣的資料：20 世紀(jì)60 年代生物科學(xué)史上有這么一個精彩的實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)代細(xì)胞學(xué)之父帕拉德和同事在豚鼠的胰腺細(xì)胞中注射3H 標(biāo)記的亮氨酸。隨著時(shí)間的推移，科學(xué)家們不斷地提取細(xì)胞，在電子顯微鏡下拍攝大量的放射自顯影照片，然后選出三個最佳時(shí)間的照片，優(yōu)化出這三幅模式圖（PPT 出示圖片）。請學(xué)生根據(jù)科學(xué)史材料分析討論：1.為什么選擇豚鼠胰腺腺泡細(xì)胞為實(shí)驗(yàn)對象？2.為什么用3H 去標(biāo)記亮氨酸？3.為什么選擇亮氨酸作為3H的標(biāo)記物注入細(xì)胞？4.根據(jù)這三幅圖，同學(xué)們能推測出放射性顆粒物質(zhì)的運(yùn)動軌跡，經(jīng)歷了哪些細(xì)胞結(jié)構(gòu)？5.這些細(xì)胞結(jié)構(gòu)在分泌蛋白的形成過程中各有什么功能？6.請根據(jù)帕拉德實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，小組合作構(gòu)建分泌蛋白從合成到分泌出細(xì)胞外的流水線圖。這個過程教師以帕拉德的“同位素示蹤分泌蛋白實(shí)驗(yàn)”為載體，以問題串引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)過程等方面進(jìn)行合作討論探究，并鼓勵學(xué)生大膽說出自己的疑問。學(xué)生通過探究也體會到了進(jìn)行科學(xué)研究的基本思路和方法，嘗試以科學(xué)家身份思考觀察，解決疑惑，認(rèn)同科學(xué)研究成功的要素包括探究精神、理性思維和技術(shù)手段，從中培養(yǎng)了科學(xué)探究素養(yǎng)。隨后在討論探究出前5 題的基礎(chǔ)上，學(xué)生帶著第6 個問題回歸課本、研讀課本，小組合作歸納、概括、構(gòu)建分泌蛋白的整個合成和分泌流程圖，從中鍛煉了學(xué)生歸納概括能力和形象到抽象思維能力，發(fā)展了科學(xué)思維。

三、科學(xué)史完善知識體系，拓寬知識面，提升生命觀念

生命觀念是對觀察到的生命現(xiàn)象及相互關(guān)系或特性進(jìn)行解釋后的抽象概念，是人們經(jīng)過實(shí)證后的觀點(diǎn)，是能夠理解或解釋生物學(xué)相關(guān)事件和現(xiàn)象的意識、觀念和思想方法?？茖W(xué)的生命觀念是學(xué)習(xí)研究生物學(xué)的基本保障和強(qiáng)大武器，只有樹立了正確的生命觀念，才能迅速準(zhǔn)確地把握生物學(xué)概念和規(guī)律。因此，教師要有目的地選擇相契合的生物科學(xué)史，在生物課堂教學(xué)中合理運(yùn)用去促進(jìn)學(xué)生生命觀念的形成和提升。

例如，在本堂課中，學(xué)生在構(gòu)建了分泌蛋白形成過程的流程圖后，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考：為了機(jī)體正常生長發(fā)育，細(xì)胞每天要合成成千上萬種的物質(zhì)，它們是如何被區(qū)分進(jìn)而精確被運(yùn)送到特定地點(diǎn)并卸載的呢？這個問題涉及知識點(diǎn)多、雜，微觀抽象較難理解，因此教師播放關(guān)于2013 年諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎發(fā)現(xiàn)囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的重大意義的央視新聞視頻，將微觀抽象的內(nèi)容具體化。視頻中介紹了三位科學(xué)家羅斯曼、謝克曼和聚德霍夫的研究，從不同的角度揭示了細(xì)胞內(nèi)部復(fù)雜而又被精確調(diào)控的“物流運(yùn)輸系統(tǒng)”，解答了細(xì)胞中囊泡內(nèi)的物質(zhì)是如何被包裝運(yùn)輸、如何保證在準(zhǔn)確的時(shí)間送往目的地并卸載。緊接著教師繼續(xù)播放相關(guān)視頻“繁忙的細(xì)胞”。在視頻播放的過程中，教師提示學(xué)生重點(diǎn)觀察細(xì)胞內(nèi)囊泡運(yùn)輸過程中物質(zhì)的傳遞過程：許多科學(xué)家進(jìn)一步探索，使得我們對這一“物流系統(tǒng)”的了解更為深入。例如，最新研究表明，載有“貨物”的囊泡也是有軌道的，在熙熙攘攘的細(xì)胞環(huán)境下，為了讓囊泡朝著正確的方向前進(jìn)，細(xì)胞會布置堅(jiān)固的微絲和微管為囊泡構(gòu)筑“快速運(yùn)輸通道”。在這些細(xì)胞骨架之上，一些特別的分子馬達(dá)，如驅(qū)動蛋白會背負(fù)著囊泡一步一步向目的地邁進(jìn)。分子馬達(dá)與裝載特定貨物的囊泡之間是嚴(yán)格配對的?？戳诉@兩個視頻，學(xué)生感嘆細(xì)胞的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制之精妙，比無數(shù)物流師嘔心瀝血的杰作都更勝一籌，細(xì)胞能教給我們的知識還有很多很多，而科研人員的每一步探索，都是向生命求教，進(jìn)而促進(jìn)了生命觀念的形成。

為了進(jìn)一步提升學(xué)生生命觀念，教師趁熱打鐵提問：囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)相關(guān)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常會出現(xiàn)什么后果？進(jìn)而對生物體又會造成什么危害？教師出示科學(xué)史材料：20 世紀(jì)90 年代，蘭迪·謝克曼利用酵母作為模式生物，發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞結(jié)構(gòu)有缺陷的酵母菌突變體，提問：與正常的野生型酵母菌進(jìn)行比較，討論甲型和乙型突變體分別是什么結(jié)構(gòu)異常，進(jìn)而導(dǎo)致蛋白質(zhì)主要集中在什么部位，從而導(dǎo)致的蛋白質(zhì)“擁堵”現(xiàn)象。通過比較分析，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)：甲型突變體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)聚集了大量蛋白質(zhì)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)比正常細(xì)胞的腫大，而高爾基體中沒有蛋白質(zhì)，結(jié)構(gòu)萎縮；乙型突變體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)正常，但是高爾基體的結(jié)構(gòu)比正常細(xì)胞臃腫，此時(shí)它聚集了大量的蛋白質(zhì)，收了蛋白質(zhì)卻不包裝不分類也不發(fā)送，就像一個失控或者罷工狀態(tài)的“物流集散中心”，進(jìn)而理解細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)與功能是相適應(yīng)的。教師例舉2014年P(guān)NAS（美國科學(xué)院院報(bào)）上關(guān)于阿爾茲海默癥的一項(xiàng)研究成果中提到：科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在所有的阿爾茲海默癥患者的神經(jīng)細(xì)胞中都會發(fā)現(xiàn)高爾基體碎片，這或許就是引發(fā)疾病的主要原因。教師再例舉有部分糖尿病患者他們的胰島B 細(xì)胞就像甲種突變體一樣，就是因?yàn)閮?nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)的蛋白質(zhì)不折疊或折疊錯誤過多，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)向高爾基體轉(zhuǎn)運(yùn)減少，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)過度應(yīng)激反應(yīng)最終導(dǎo)致胰島B 細(xì)胞功能衰退甚至凋亡。如果科學(xué)家把這些細(xì)胞結(jié)構(gòu)的異常與這些疾病的具體關(guān)系搞清楚，就很有可能找到攻克這些疾病的方法。這樣將相關(guān)生物科學(xué)史中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)過程或?qū)嶒?yàn)結(jié)果作為課堂教學(xué)素材展現(xiàn)給學(xué)生進(jìn)行分析探討，加深學(xué)生對于科學(xué)研究本質(zhì)的感悟，理解細(xì)胞結(jié)構(gòu)異常和人體健康的關(guān)系，進(jìn)一步提升生命觀念。

四、科學(xué)史可以作為德育教育滲透的材料，樹立社會責(zé)任感

社會責(zé)任感是指基于生物學(xué)的認(rèn)識，參與個人與社會事務(wù)的討論，作出理性解釋和判斷，解決生產(chǎn)生活問題的擔(dān)當(dāng)和能力。在生物學(xué)史上，記載著科學(xué)家勇于承擔(dān)生物科學(xué)社會責(zé)任，并秉持科學(xué)世界觀與科學(xué)精神不斷探索生物現(xiàn)象的事跡，也記錄著很多涉及解決疾病和社會問題的生物科學(xué)探究成果，這些都是提升學(xué)生社會責(zé)任素養(yǎng)的良好素材。因此，科學(xué)史可以作為德育教育滲透的材料，讓學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)家鍥而不舍的科學(xué)探索精神的同時(shí)，使學(xué)生在生物學(xué)習(xí)中學(xué)會相互合作相互分享，樹立服務(wù)社會、回報(bào)社會的義務(wù)感和職責(zé)感。

例如，在本堂課接下來的環(huán)節(jié)，教師又帶領(lǐng)學(xué)生回到本節(jié)課伊始的胰島素的故事：那么在20世紀(jì)80年代，一方面為了提高胰島素的產(chǎn)量，拯救更多的糖尿病患者，另一方面也為了解決第一代胰島素動物胰島素注入人體內(nèi)引起的過敏反應(yīng)，科學(xué)家開始嘗試?yán)棉D(zhuǎn)基因技術(shù)，把人胰島素基因分別導(dǎo)入酵母菌、大腸桿菌，結(jié)果利用酵母菌可以得到分泌型胰島素，大腸桿菌卻不能，為什么？這個矛盾沖突激發(fā)學(xué)生思維高潮，結(jié)合本堂課所學(xué)知識進(jìn)行思考討論回答：酵母菌是真核細(xì)胞構(gòu)成的真核生物，不僅有核糖體，還具有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體可以將胰島素分泌出去。而大腸桿菌是原核細(xì)胞，細(xì)胞器只有核糖體。

教師追問：大腸桿菌不能產(chǎn)生分泌型胰島素，那么就把大腸桿菌給放棄了嗎？然而科學(xué)家并沒有，他們破解了大腸桿菌細(xì)胞，同學(xué)們，你們想一想能找到什么？為什么？有沒有降糖功能？學(xué)生思考討論回答：大腸桿菌是原核細(xì)胞，細(xì)胞器只有核糖體，只能形成胰島素A、B 兩條肽鏈，沒有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體可以將肽鏈加工再加工，所以沒有形成有一定空間結(jié)構(gòu)有降糖功能的胰島素。

教師再追問：既然大腸桿菌產(chǎn)生的胰島素的A、B兩條鏈沒有活性，是不是只能丟了嗎？科學(xué)家鍥而不舍地怎樣處理胰島素的A、B兩條鏈，讓它們轉(zhuǎn)換成也具有一定空間結(jié)構(gòu)的有活性的胰島素蛋白質(zhì)呢？經(jīng)過教師提示，學(xué)生分析得出可以利用科學(xué)技術(shù)對這兩條肽鏈進(jìn)行體外折疊加工，把它們轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢臻g結(jié)構(gòu)的胰島素，這樣的胰島素也就具有活性了。所以最終大腸桿菌和酵母菌一樣，都能為我們?nèi)祟惔笊a(chǎn)胰島素了。這就是第二代胰島素。教師繼續(xù)介紹目前在二代胰島素的基礎(chǔ)上又開發(fā)了第三代胰島素，降糖時(shí)間和降糖效果更好，價(jià)格也低廉，一支300 單位的胰島素注射液只要70.88 元左右，可以用15 天。歷經(jīng)三代胰島素的發(fā)展，終于讓糖尿病從一個“不治之癥”變成了可以控制的疾病。這樣利用胰島素的研發(fā)故事使學(xué)生從中學(xué)會用所學(xué)生物學(xué)知識解釋解決生命問題，意識到科學(xué)技術(shù)的規(guī)范在社會生活方面的應(yīng)用意義，感受到科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是人類進(jìn)步的階梯，生物科學(xué)的發(fā)展是能造福于人類的，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生學(xué)好生物學(xué)知識和樹立服務(wù)社會、回報(bào)社會的義務(wù)感和責(zé)任感。

進(jìn)入課堂小結(jié)環(huán)節(jié)，教師介紹：進(jìn)入21 世紀(jì)以來，科學(xué)家們對細(xì)胞的探索腳步越來越快，老師查了近十年諾貝爾生理學(xué)獎或醫(yī)學(xué)獎，幾乎都是和細(xì)胞有關(guān)的。今年的諾貝爾生理學(xué)獎在10 月份也揭曉了，有興趣的同學(xué)去查查看是否也是和細(xì)胞的研究有關(guān)的。這樣引領(lǐng)學(xué)生主動去課外拓展生物學(xué)知識，拓寬學(xué)生視野，在潛移默化中進(jìn)一步提升了學(xué)生的社會責(zé)任感。