生物科學史在高中生物教學中的教育價值探索

卞璇璇

[摘要]雖然生物科學史有著重要的教育價值，但由于多方面的限制，不可能以生物科學史為高中生物教材的編寫藍本，且現行的高中生物教材中介紹的大量生物科學史的有關內容也沒有得到應有的重視。經過教學研究和論證，可以從增強學生的歷史感、培養學生的質疑精神、體會科學探究過程、學習科學方法這四個方面發掘生物科學史在高中生物教育教學中的價值。

[關鍵詞]生物科學史；高中生物；教育價值

生物科學史展示了生命科學的發生、發展歷程，以及人們對生命的認識與思考，它既是一部科學探究的歷史，也是一部思想發展的歷史。生物科學史由生物學的理論和事實構建而成，又與科學探究相伴成長。近年來，越來越多的人意識到生物科學史對生物教育具有重要的價值和意義。但是，在教學實踐中生物科學史往往被當成包裹生物知識的“糖衣”。究其原因是，人們對生物科學史的教育價值和教育方式認識不夠。這種現象在高中生物教學中尤為明顯。

高中課程關注的是學生的全面發展，力求提高學生的核心素養和終身學習能力。《普通高中生物課程標準》在“課程目標”中提出了“獲得生物學基本事實、概念、原理、規律和模型等方面的基礎知識，知道生物科學與技術的主要發展方向和成就，知道生物科學發展史上的重要事件”的要求，并且列舉實例強調了“科學是一個發展的過程。學習生物科學史能使學生沿著科學家探索生物世界的道路，理解科學的本質和科學研究的方法，學習科學家獻身科學的精神。這對提高學生的科學素養是很有意義的”，還特別說明“對于課程標準中沒有列出的其他生物科學史實也應注意引用”。在不同版本的高中生物教材中也都很好地體現了這一目標，有的甚至巧妙地按科學發展的歷史線索來安排教材內容，例如人教版必修2《遺傳與進化》以及必修1《分子與細胞》的某些章節。

但是長期以來，高中生物一線教師并不重視教授生物科學史的內容，即使偶有教授，其教學思路狹窄、創造性不強、照本宣科也成為很普遍的現象，最終導致學生在學習生物基本概念和原理時往往重結果而輕過程，常知其然而不知其所以然。多數學生沒能真正理解知識的來龍去脈，尤其是對蘊含在其中的科學思想與方法更是知之甚少，所學知識膚淺，不能從歷史發展的角度來把握學科的知識體系，學習效果不盡如人意。基于此，筆者從以下四個方面發掘生物科學史在高中生物教學中的教育價值，以促進高中生物科學史教學有效開展。

一、增強學生的歷史感

弗朗西斯培根曾說過：“讀史使人明智。”在高中生物教學中融合生物科學史，可以讓學生以歷史的眼光看待生物學。以進化論為例，無論是在生物教學中還是在生物學史上，進化論都占據著十分重要的地位，又以達爾文在1859年提出的“進化論”最為著名。恩格斯評價達爾文的進化論是"19世紀自然科學的三大發現之一”，后人評價進化論是“思想史上劃時代的理論”。要理解達爾文的進化論為什么有這么重大的意義，就有必要了解有關進化問題的歷史發展。

幾千年來，人類一直在思考一個問題：我們是誰？從哪里來？公元前5世紀的古希臘，阿納西曼德就曾提出“人是從那些似魚的生物中產生出來的，人在胚胎期仍然保留著似魚生物的形態，直到成熟”。《莊子·寓言》里則提到“萬物皆種也，以不同形相禪”。但是，我們不能把他們看成是進化論的先驅，由于缺乏事實的根據，這些天才的想象很快就被歷史的軌跡淹沒了。在這期間，人類一直在探求生命起源以及演變的問題，事實上，經歷了兩千多年的時間，花費了無數生理學家與博物學家的心血，才收集到足夠的觀察與實驗證據，使得進化論觀念被科學家接納。其中包括從公元4世紀就開始在西方世界占統治地位的“神創論”、中世紀經院哲學的“上帝造萬物說”、18世紀法國生物學家拉馬克的“用進廢退”理論、18至19世紀法國古生物學家居維葉對化石的研究等。我們可以將他們的工作稱之為“進化論上演前的序幕”。

進化論是達爾文跟隨“貝格爾號”環球航行5年，積累了大量的第一手資料并受馬爾薩斯的《人口論》的啟發而提出的。達爾文的進化論將統治西方思想長達一千多年的“上帝”請出了生命現象的研究領域。在高中生物教學中，只有引導學生了解這些背景知識，才能使學生真正理解達爾文進化論的本質意義，進而增強學生的歷史感。

二、培養學生的質疑精神

科學家的品質中，質疑是最為可貴的品質之一。質疑是對不確定的事物持懷疑態度，而人類對世界的認識是一個無限的過程，是一個從不知到認知再到新的認知的循環過程，甚至有時候人們的認識是在真理和謬誤的交替中發展的，而那些看似唾手可得的真理實際上卻需要經歷幾個世紀甚至十幾個世紀的累積才能完成，而且科學的產生也離不開歷史的條件。因此，生物科學教育，不能只是簡單的生物知識的介紹與記憶，而應在各種促進發展的活動中培養學生的質疑精神、批判意識和求異精神。

例如，在高中生物教學中，教師可進行相關的科學史教學，滲透質疑精神的培養。如20世紀20年代，人們對于蛋白質的結構已經有了一定的認識，各種氨基酸通過脫羧反應形成種類多樣的蛋白質，這樣自然讓人們想到氨基酸多種多樣的排列順序可能蘊含著遺傳信息。1928年，英國科學家格里菲斯通過肺炎雙球菌的體內轉化實驗證明了S型細菌體內含有某種“轉化因子”。1944年，美國科學家艾弗里通過肺炎雙球菌的體外轉化實驗最終證明了DNA是遺傳物質。但是，由于艾弗里實驗中提取出的DNA純度最高時也還有0.02%的蛋白質，因此仍有科學家對此結論表示懷疑。1952年，赫爾希和蔡斯用T2噬菌體作為實驗材料，運用同位素標記法完成了更有說服力的實驗。后來，又有科學家證明了RNA在某些病毒中也可以作為遺傳物質。從中，學生體會到了科學探究進程中質疑精神的重要性。

三、體會科學探究過程

[案例]赫爾希和蔡斯的研究表明DNA是遺傳物質，只有DNA參與噬菌體的復制過程。隨之而來的問題是：噬菌體是如何完成復制的？DNA分子到底具有什么樣的性質使它可以進行復制？生物體的功能和結構是緊密聯系在一起的，想要了解其功能，必須揭示其結構。作為載體的DNA分子，應具有怎樣的結構才能擔負儲存遺傳信息的任務呢？對這個問題的研究，從20世紀50年代一直延續到20世紀60年代中期。正是在這個時期，科學家們將生化遺傳學的研究成果與對大分子的研究成果結合了起來，從而推導出DNA的實際結構，及DNA的許多功能特性。沃森和克里克的工作在這一時期占據了重要的地位。沃森善于集思廣益、博采眾長，善于用他人的思想充實自己，善于在科學家之間建立有益的互相合作關系；克里克有不斷談論和思考的習慣，能夠吸引其他科學家一起探討問題。沃森是噬菌體遺傳學家，對遺傳物質感興趣，克里克不僅了解x射線結晶學，還有研究蛋白質分子結構的經驗，也對基因的結構與生物學功能很感興趣。他們的共同之處就是都對研究生物學大分子的結構感興趣。endprint

沃森和克里克都閱讀過物理學家薛定諤的著作《生命是什么》。在該書中，薛定諤的重要思想是生命物質的運動必然服從于已知的物理學定律。遺傳和變異的實質性問題是信息傳遞問題，即信息如何被編碼？從一代細胞到另一代細胞，其傳遞是如何保持穩定的？偶然的變異究竟如何產生？他預測：必定有一種由同分異構的連續體構成的非周期性晶體，其中含有大數量的排列組合，從而構成遺傳密碼的稿本。他在書中還提出“對遺傳物質的正確認識不可能直接通過物理學來獲得”，只能“在生理學和遺傳學指導下”通過生物化學的進展而獲得。沃森和克里克共同的志趣使他們決定研究DNA的結構（當時，赫爾希和蔡斯還未進行DNA是遺傳物質的判決性實驗），并且打算設計一種模型來解釋DNA的自我復制和指導蛋白質合成的功能。

沃森和克里克在研究時所掌握的基本資料有英國生物物理學家威爾金斯及其同事富蘭克林等，用x射線衍射方法（一種在原子水平上間接觀測晶體物質的分子結構的方法）獲得DNA晶體結構的資料：DNA結構的螺旋周期性（DNA分子由許多亞單位的堆積層組成，這些亞單位具有規則的螺旋狀幾何形狀，每3.4×10。m重復一次）、堿基的空間取向等；DNA分子是長鏈的多聚體，其直徑保持恒定不變。這方面的資料對沃森和克里克構建DNA雙螺旋結構模型起了關鍵性的作用。

建立模型需要考慮以下因素：DNA分子中核苷酸的排列方式、核苷酸鏈的條數、堿基之間的連接方式。在研究的過程中，三個觀點影響了沃森和克里克的思路。一是劍橋大學年輕數學家約翰格里菲斯通過幫助沃森和克里克計算DNA分子中相同堿基間的吸引力，發現不是相同堿基間相互吸引，而是不同堿基之間相互吸引，從而讓克里克看到了另一種可能性，即堿基的互補配對。二是生化學家埃爾溫查哥夫應用紫外分光光度法結合紙層析等技術對不同來源的DNA進行了堿基定量分析，得出了組成DNA的四種堿基的比例關系。他的發現啟發了克里克。克里克終于認識到不同類型的堿基配對可能是DNA分子結構的基礎，這一重要認識揭示了DNA分子如何被維系在一起，以及如何自我復制。三是來自萊納斯鮑林對于蛋白質a-螺旋的研究，重要的并不是這項研究的內容，而是這項研究中所采用的方法。鮑林提供了一個獨特的查看分子緯度的物理方法，即先據理論建立模型，再用x射線衍射結果來檢驗模型。沃森和克里克采用了這種方法，他們建立了一大堆嘌呤堿基和嘧啶堿基模型，以確定什么樣的緯度和排列才能既符合形成氫鍵的要求，又符合查哥夫的堿基組成規律。經證明，這種方法非常有效，他們從而提出了多種可供選擇的模型，并將模型與x射線衍射圖像進行對比和檢驗，觀察是否會有某些相關性。

經過不停地試錯和調整以及驗證，最終沃森和克里克成功構建了DNA結構模型，并于1953年4月在《Nature》雜志的一篇短文中對外公布。這個模型有兩條螺旋鏈構成，它們彼此纏繞如同螺旋的樓梯，階梯由配對的堿基構成，磷酸一脫氧核糖骨架分布在外側；兩條鏈彼此互補，遵循堿基互補配對原則。最后，鮑林又更正G和C之間是以三個氫鍵相連而非兩個氫鍵。沃森和克里克對DNA結構的闡明，使長期以來神秘的基因變成了真實的分子，從而誕生了分子遺傳學。

由上述案例可知，沃森和克里克提出的“DNA分子的雙螺旋結構模型”是在綜合前人各種相關研究成果和自己的創造性思考提出的，這些探索的過程會給學生以很大的啟發，從而有效培養學生的科學探究精神。

四、學習科學方法

孟德爾的遺傳定律是高中生物的重要內容。孟德爾揭示遺傳定律的過程表明，要在科學研究中取得成果，不僅需要持之以恒的意志和執著精神，還必須有正確的研究方法。為此，教師應結合相關的科學史引導學生學習科學學習方法。

1843年，孟德爾來到奧地利的布隆，成為一名修道士，在修道院里他利用一塊園地進行豌豆雜交實驗，經過8年的嘗試和數據分析，他終于發現了生物遺傳的規律。在孟德爾之前也有很多學者從事植物雜交實驗，但為什么只有孟德爾發現了遺傳規律呢？

與那些早期研究者相比，孟德爾的成功有以下三個原因：首先他選擇了合適的實驗材料。孟德爾從豆科植物中選擇了自花傳粉、閉花授粉的豌豆作為雜交實驗的材料。雜交實驗從純種出發，是他實驗成功的保證，只有這樣才能得到具有研究價值、可分析的雜種。而且豌豆花的結構特點使得用人工方法去雄和異化授粉很方便。此外，他還對豌豆進行了品種和性狀的選擇，選擇有明顯差異且穩定的相對性狀。

其次，孟德爾在實驗中遵循了從簡單到復雜的原則，先研究一對相對性狀的雜交實驗，最大限度地排除各種復雜因素的干擾，發現了分離定律；再研究兩對相對性狀的雜交實驗，發現了自由組合定律。他還首創了測交的方法，巧妙地設計測交實驗，證明他的假設是正確的，而且他的方法令人信服。

最后，孟德爾對雜交實驗的子代性狀進行精確的統計分析，分類、計數、數學歸納，他甚至從一個簡單的二項式展開式的各項系數中找到了豌豆雜交實驗顯示出的規律。

綜上可知，生物科學史在高中生物教學中具有重要的教育價值，教師在教學中應充分發揮其教育價值，進而培養學生的生物學核心素養。

（責任編輯 黃春香）endprint