例析中學生物“科學史融入課程”教學模式

摘 要：生物科學史進教材、進課堂是近年來中學生物課程改革與研究的熱點問題。但囿于課程設計的邏輯順序與教師相關知識的匱乏，生物科學史教育一直處于起步階段。為了更好的進行中學生物科學史教育，本文對比科學史教育的新發展——HPS教育理論，以中學課程“孟德爾的豌豆雜交實驗”為例，對“科學史融入課程”進行探索和研究。

關鍵詞：中學生物；科學史教學模式；豌豆雜交實驗

隨著新一輪基于“核心素養”的中學生物課程教學改革拉開序幕，課標中明確指出要重視學習生物科學史，引導將科學史教育融入課程真正走向實處。關于生物科學史學習的內涵，課標指出：“科學是一個發展的過程，學習科學史能使學生沿著科學家探索生物世界的道路，理解科學本質和科學研究方法，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。”可見在中等教育階段，將科學史融入課程教學是大勢所趨。探究科學史教育的教學模式有助于教師把握課程結構、優化課程設計，將科學史教育真正融入課堂，使之建構入學生的精神世界。

一、 中學生物科學史教育現狀

科學史代表了人類知識產生、發展、總結的整體進程。它既是一種人類公認的知識體系，又是人類不斷校對、改進知識結構的過程。將科學史，尤其是生物科學史融入中學課程，對于學生理解科學本質，提高核心素養，建立正確的科學觀具有重要意義。在西方教育史中，自從孔德（Augste Comte）將科學史引入通識教育以來，20世紀很多偉大的教育家如薩頓（Sarton）、布拉什（Brush）等都將科學史教育理論向前發展，一直到80年代初陸續出現了《2061計劃》《美國國家科學教育標準》等官方文件最終確立了科學史教育的地位。可以說科學史最大程度地繼承了人類自然科學發現的寶貴財富，學生在學習科學史的過程中不僅發現了真理，也發展了自身的價值觀。具體到中學生物的科學史教育，有學者總結出以下教育價值：1. 促進學生理解科學本質。2. 促進學生的知識建構。3. 提高學生的人文素養。4. 培養學生的批判精神。5. 促進學生了解科學過程。6. 培養學生的科學方法和科學精神。可見生物科學史對于基礎生物教育的價值是被學界所肯定的。但由于我國科學史教育起步較晚，尤其是生物科學史教育素材一直隱含在教材中而常常被教師忽略。

二、 科學史教學新發展：HPS教學模式

審視本土傳統生物課堂，科學史往往作為一種附屬品，被教師以知識的形式灌輸給學生，事實上這種做法將科學史與生物教學相分離，是一種低效低質形式化的教學方式。科學發展始終是一種復雜的狀態，課本的編排是經過篩選、提煉過的科學史片段，如果以知識的形式教授學生，學生獲得的僅僅是嚴格邏輯順序的被歪曲或者美化了的歷史和錯覺，極易形成一種科學就是簡單易得的實驗這種危險的思維方式。為了避免這種誤解，使科學史真正成為教學內容內化部分，西方學者以建構主義為基礎提出了HPS（history， philosophy and sociology of science）教學模式。這種模式要求把科學史、科學哲學和科學社會學的有關內容融入課程，以期促進學生對科學本質的理解，培養他們的科學精神和創作力。這種教學模式以促進學生認知科學本質為首要目標，建議把科學史融入課程與教學的策略，所學的課題應該是歷史上科學家曾經真實研究過的自然科學實驗，如食物的消化、物體墜落等。本文就以“孟德爾的豌豆雜交實驗”這一遺傳學真實經典實驗為例，參考HPS教學模式將教學程序優化，探討如何加工科學史內容，融合科學史精髓，貼近學生與課堂，從而實現其獨特教育價值。

三、 例析科學史融入課程教學模式

人教版必修二“遺傳與進化”開篇就是孟德爾的豌豆雜交實驗，引領學生通過本章學習進入遺傳學領域。審視教材中選取的科學史部分發現以下幾個問題：第一，對孟德爾當時的研究背景并未提及，只是在附錄“問題探討”中有關于遺傳融合觀點的描寫；第二，教材中只呈現了從P（親本）到F1（子一代）代再到F2（子二代）的個體情況，對F2代中3∶1的解釋不夠充分，在這個比例背后隱藏著什么關系？F2代高莖豌豆是完全相同的嗎？如何更準確地剖析F2代，展現孟德爾發現分離定律的全過程呢；第三，孟德爾采用“假說—演繹法”進行研究，他究竟如何根據雜交實驗的現象思考推導假說內容呢？比如，他如何想到體細胞中的遺傳因子一定是兩個而不是四個甚至更多呢？教材以科學探究的一般順序進行設計，優化了真實科學史中孟德爾思維探究的過程，如果想要重現這一過程就應當創設當時的問題情境，不僅僅研究P→F1→F2的過程，還應該補充F2→F3的思維探究過程，讓學生能嘗試站在科學家的角度進行完整的思考，故將本課程從以下幾個環節進行優化：

優化一：根據科學史初步構建孟德爾的遺傳假設

利用多媒體視頻技術展現當時的科學背景，19世紀遺傳學說中占統治地位的是“融合遺傳”，可是孟德爾受道爾頓“原子學說”的啟發認為“遺傳因子在遺傳時是相互獨立、顆粒式的傳給后代”，從而初步引出對分離現象的第一個解釋：生物性狀由遺傳因子控制。這種“顆粒”遺傳的提出，是孟德爾結合化學知識得出的結論，跟當時科學的發展密不可分，教師應提供孟德爾當年的科學背景和孟德爾的經歷相結合引出概念。

優化二：與真實情景相結合提出探究問題

教師在展示P→F1→F2的過程中，引發學生思考科學史中孟德爾同樣遇到的問題：F1代中的矮莖哪里去了？為什么F2代中矮莖又出現了？F2代中類似3∶1的比例是偶然還是必然呢？背后又隱藏著什么秘密？最后根據探究結論應該如何根據雜交實驗一步一步推導出對分離現象的解釋，建立假說呢？

優化三：根據F2代表現型比例分析，進一步推導孟德爾的假說內容

真實科學史中孟德爾在看到子二代表現型比例有數量關系：優化后接近3∶1。據此他認為F2代表現型可能包含兩種解釋方法：可以是親本P的性狀遺傳，也可以是子代F1的性狀。為了驗證解釋，只能將F2代再自交。此時他提出假設：如果F2代同親本性狀一致，那么其后代性狀應該不變，若與F1相同，那么其自交后代繼續出現性狀分離。事實證明F2自交產生的F3代中，所有具有隱性性狀的類型都不“分離”，就是說它們的性狀不再進一步改變，保持穩定。表現顯性性狀的類型中，2/3的F2代所產生的子代會再次“分離”（其F3代出現3∶1的顯性和隱性），而另外1/3的F2代其F3代都是顯性表型（即F2代顯性個體中，純種和雜種的比例關系為1∶2）。于是，孟德爾將F2的3∶1中的3，進一步分成2和1即3∶1就被分解成1∶2∶1。對于這個比例孟德爾又將如何去思考，去解釋呢呢？

孟德爾有著很高的數學造詣，除了在研究中應用了統計學的方法，還把數學公式模型應用到遺傳學過程，成功地進行了學科交叉。他聯想到數學模型，上課時可以把孟德爾的數學推導過程優化聯系數學的完全平方公式（a+b）2=a2+2ab+b2來幫助學生攻克難點。如果顯性遺傳因子用D表示，隱性遺傳因子用d表示，則這個公式可以表示成（D+d）×（D+d）=DD+2Dd+dd，進一步簡化為Dd×Dd=DD+2Dd+dd，等號前面為F1，等號后面為F2。由此可以跟學生一起探討對此的遺傳學發現：第一，F1的遺傳因子組成為Dd，F2的遺傳因子組成為DD、Dd、dd，所以，體細胞中遺傳因子成對存在，Dd為雜合子，dd為純合子。第二，F1每個個體的遺傳因子組成為Dd，只有一個顯性或隱性遺傳因子，但自交后代卻出現了DD、dd的遺傳因子組成，這又是為什么呢？由此推導結論生物體在形成生殖細胞時，成對的遺傳因子彼此分離。第三，F2代為什么有三種遺傳因子組成且比例為1∶2∶1，說明受精時，雌雄配子的結合是隨機的。

優化之后的教學模式，能合理有效地幫助學生一步一步從雜交實驗的各種真實情景中推導出課本第五頁中對分離現象的四個解釋，而不是硬生生地把解釋套用到實驗現象中，只讓學生死記硬背，從而禁錮學生的思維探究能力。只有強調科學史融入的觀點讓學生能真正感受孟德爾的科學研究過程，才能深深被孟德爾的知識儲備、思維推導、實驗堅持所折服，繼而學會該實驗、理解該定律、培養實證的科學精神。

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作者簡介：

孫曉紅，江蘇省蘇州市，蘇州大學附屬中學。