巴斯德的研究脈絡與核心素養教育價值分析

趙婷婷

(天津師范大學教師教育學院 天津 300387)

巴斯德(Louis Pasteur， 1822—1895)被后人譽為“微生物學之父”，他一生的研究幾乎對微生物學的各個領域都有所影響。

1 巴斯德的研究脈絡

巴斯德說過：“在觀察的領域內，機遇只偏愛那些有準備的頭腦。”在開創微生物學研究之前，他是一位出色的化學家，早期研究化學中的晶體問題，26歲時成功地將酒石酸鹽外消旋晶體拆分成兩種旋光異構體，開創了立體化學的研究領域。通過對分子不對稱性的研究，巴斯德發現有機化合物往往具有手性，而無機化合物往往沒有[1]，這可能是他對生命現象產生興趣的原因之一。

1.1 發酵問題 巴斯德是從發酵問題開始進行微生物研究的，這一研究開始得頗為偶然。當時啤酒在釀出之后經常會變酸。1856年，法國里爾有一家工廠為此遭受重大損失，而巴斯德當時是里爾自然科學院的院長，所以被請去出主意[2]。酒廠是想請巴斯德作為化學家來解決這一問題的，但卻自此改變了他的科學道路，巴斯德由晶體化學轉入了前人未曾開辟的微生物學領域。

當時，化學家普遍認為發酵是一個純化學過程。細胞學說的提出者之一施旺曾發現酵母菌，并指出酒精發酵與這種生命體有關，但被當時最知名的化學家們一致反對[2]。而同樣作為化學家，巴斯德沒有固守發酵是純化學過程的信條，在化學手段沒有起效的情況下，他另辟蹊徑，通過多次實驗，終于在顯微鏡下觀察到下列現象：發酵正常的酒液和變酸的酒液中酵母菌的形狀是不同的，分別呈圓球狀和桿狀。巴斯德認為，這是兩種不同的酵母菌，圓球狀酵母菌產生酒精，桿狀酵母菌(乳酸桿菌)使酒變酸[3]。從而有力地證明發酵過程與微生物有關。那么，如何應對酒的變質呢？巴斯德嘗試用各種不同的溫度來殺死酒中的微生物，最終發現以50～60℃的溫度加熱啤酒0.5h，然后將酒密封，就可以保證酒的質量了。這就是大名鼎鼎的巴氏滅菌法，目前主要應用于牛奶滅菌。

1.2 對自然發生說的否定 自然發生說是一種古老的學說，即認為生命體可以從無生命的物質中自發產生。這在世界各國都有相關的記載，我國古代也有“枯草化螢”“腐肉生蛆”的說法。自然發生說是符合古人認知水平的，但隨著生物學知識的逐漸積累，該學說逐漸受到了挑戰。到19世紀時，人們已不再認為宏觀世界存在自然發生，爭論的陣地轉移到了顯微鏡下的微觀世界。

在對微生物學產生興趣之后，巴斯德致力于從實驗上證明自然發生說的錯誤。首先，他通過實驗證明空氣中攜帶微生物：讓空氣通過棉絮，然后將棉絮放在酒精和乙醚中，以收集空氣中的物質，果然在顯微鏡下發現了大量微生物，這為肉湯腐敗等現象找到了原因。此后，巴斯德進行了一系列研究，其中最有說服力的是“曲頸燒瓶”實驗，這種巧妙的實驗器材設計能力源于他早年學習化學時導師對其動手設計能力的鼓勵。巴斯德將燒瓶拉出彎曲的長頸，這種長頸可以阻擋空氣中非氣體物質的進入，瓶中的培養液安然無恙；而如果將燒瓶傾斜使液體通過長頸的彎曲處或是將長頸折斷，培養液就成為微生物滋生的溫床。這一實驗有力地證明了培養液中的微生物是從空氣中帶入后大量滋生的。1877年，巴斯德在寫給別人的信中表示：他反對自然發生說是出于醫學上的考慮，因為他覺得如果醫生都相信自然發生說，就會不利于治療與預防[1]，這一信念是他堅持與當時的一些著名學者進行論戰的原動力。

1.3 傳染病學 在早期，傳染病被視為與“瘴氣”有關，雖然也有一些學者提出傳染病由微生物引起，但并未真正引起實踐上的重視[1]。

傳染病學的奠基人是巴斯德，他的研究是從低等動物的傳染病開始的。在成功地“治療”了“酒病”之后，1865年，巴斯德又被請去治療“蠶病”，這是一種在蠶中爆發出的奇怪疾病。巴斯德秉持著研究發酵問題時的思路，最終成功地分離出了兩種致病微生物，并且建議蠶農將染病的蠶和桑葉全部毀掉，然后選取不帶病菌的蠶卵重新開始養殖，以防止疾病的傳染。這成功地將法國的絲綢業從蕭條的邊緣拯救回來[3]。

從“蠶病”開始，巴斯德逐漸走上對高等動物和人類的傳染病的研究之路。從1877年起，他研究了炭疽病、雞霍亂和狂犬病，并分離出雞霍亂的病原菌[2]。他曾建議過醫生對手術刀和其他器械進行嚴格的消毒，但是醫生們反應漠然，可能是因為他沒有醫學方面的學位。好在英國醫生李斯特(Joseph Lister， 1827—1912)贊同巴斯德的疾病病菌說，創立了外科消毒法并予以推廣。到了19世紀末，整個醫學界終于普遍接受了在醫療中要注重消毒滅菌的觀點。

1.4 疫苗 英國醫生琴納(Jenner， 1749—1823)于1796年發明的牛痘接種法是大家最熟悉的疫苗的應用，不過這一發明主要出自經驗積累與大膽實踐，沒有對免疫的機理進行分析，真正開啟現代免疫學的是巴斯德。

1879年，巴斯德在對分離出的雞霍亂病原菌進行檢驗實驗時發生了意外，接種病原菌培養液的雞并未發病，這就無法證明他所分離的微生物是雞霍亂的致病菌了。經過仔細檢查實驗步驟之后，巴斯德發現可能的原因是培養液不夠新鮮，導致致病微生物失活。他很快重復了實驗，接種新鮮的病原菌培養液，結果發現：雖然一部分雞如預測般很快死亡，但還是有一部分雞沒有發病。巴斯德非常意外，檢查后發現沒有發病的正是上一次實驗中接種了失活培養液的雞。他沒有任由這兩次實驗的結果從眼前溜過，而是敏銳地發現了其中蘊藏的重要信息：雞霍亂的病原菌長期培養后毒性降低，用這種減毒的培養液給健康的雞接種可以使它們獲得抵抗這種疾病的能力，而這也正是琴納發明的牛痘接種法的機理。巴斯德的這個實驗與實驗解釋是現代免疫學的開端[2]。

1881年，巴斯德再接再厲，發明了牲畜炭疽病的疫苗。接著，他向人類傳染病進軍。巴斯德考慮到人體實驗的倫理性問題，決定研究人畜共患病，最終選擇了狂犬病。與他所研究過的其他問題不同的是，狂犬病是由病毒傳染的，病原體并不能在光學顯微鏡下觀察到。但是，巴斯德相信它一定也是某種微生物造成的。一系列疫苗濃度的摸索實驗后，巴斯德成功地研發出了對動物有效的狂犬病疫苗。鑒于倫理考慮，起初巴斯德將研發成功的狂犬病疫苗束之高閣，直到1885年，一個小男孩被狗咬傷，他的母親絕望之下找到巴斯德，這種疫苗才第一次應用于人體，并順利地預防了男孩的發病。此后，巴斯德發明的狂犬病疫苗成功地幫助了許多人[1]。

2 科學史材料蘊涵的生物學核心素養教育價值

發展生物學核心素養是新一輪課程改革的重要目標，需要滲透于日常教學中，以達到學生自主吸收、內化于心的效果。科學史是發展核心素養的優秀材料，以上述巴斯德的研究為例，核心素養的四個維度都有所體現。

2.1 生命觀念 通過梳理，可以看出巴斯德的研究建立在一個重要觀念之上：一切現象都有其物質原因。他的研究關注的是微生物所引起的現象：發酵由微生物引起，不同微生物有不同的發酵產物；傳染病由微生物引起，可以通過一定方法研發疫苗預防傳染病；微生物不會由無到有自發產生，必然有其源頭——在教學中引導學生認同這一點后再進行與其他知識的聯系與發散，從而形成結構與功能、物質與能量辯證統一的生命觀念。

2.2 科學思維 巴斯德的研究中體現出多維度的科學思維：他對發酵問題的研究，沒有盲從當時的權威觀點，體現了批判性思維；在設計曲頸燒瓶實驗否定自然發生時，實際上是運用了假說—演繹的研究方法，體現出良好的演繹推理能力；在雞霍亂病原菌相關研究中，他敏銳地抓住實驗現象背后的機理，并通過后續研究對免疫機理加以證明，體現了歸納與演繹的綜合運用。教師在講述科學史材料時，不要只將其當作有趣的故事，而要通過合理的問題設計引導學生共同學習科學家的思維方式。

2.3 科學探究 巴斯德所做的每一個實驗，都有著巧妙的實驗設計，并體現了優秀的觀察與分析能力和學術敏感性。教師在教學時要深刻挖掘相關材料，讓學生學習科學家的探究思路、方法與態度。

2.4 社會責任 作為一名熱愛祖國且有著強烈責任感的知名學者，巴斯德的每一步研究都體現著他的社會責任感。研究“酒病”拯救了法國的釀酒業，研究“蠶病”治愈了法國的絲綢業，研究傳染病和免疫問題更是為全世界人民的健康事業作出貢獻，甚至否定自然發生說這一看上去與應用性關聯不大的研究，其根本出發點也是為了喚起醫學界對消毒的重視，這對整個社會的影響不言而喻，特別是在研究狂犬病疫苗時所體現出的對倫理道德的自覺遵守，閃爍著人性的光芒。科學家是學生的天然榜樣，教師在教學中進行點撥，讓學生感受到科學家的態度，這對培養學生的社會責任感有著非常重要的作用。

(基金項目：天津市2017年度哲學社會科學規劃課題“基于學科核心素養的生物教師教育行動研究”，No.TJJXQN17-006)