例談生物科學史在提升學生學科核心素養中的應用

馬小明

(甘肅省臨夏中學 臨夏 731100)

科學史是客觀規律、事實等發現的歷史[1]。生物科學史即生物科學發展的歷史，包括生命現象的探究過程，也包括生物學相關科學技術、方法的發展歷程，還包括科學家研究生命現象時所持有的觀點和態度的更替等[2]。生物科學史中蘊含著豐富的科學思想、科學方法、科學世界觀、科學精神和科學態度等內容，具有很高的教育價值[3]。現行的普通高中生物學教材涉及豐富多彩的科學史內容。有的是關于生物學概念、生命現象的探索歷程，如“光合作用的探究歷程”“生長素的發現過程”等；有的是生物技術、科學思維的發展歷程，如“對遺傳物質的探究歷程”“生物信息學”等；有的是生物學專家學者的生平事跡，如“染色體遺傳理論的奠基人——摩爾根”“從治蝗專家到生態學巨匠”等。這些科學史內容中，相對重要的科學史內容一般在正文中以主干內容形式呈現，如“光合作用的探究歷程”“細胞膜結構的探索歷程”“對遺傳物質的探究歷程”等。更多的則是在教材的特色欄目中呈現，例如“細胞學說建立的過程”“促胰液素的發現”等在“資料分析”欄目中出現；“授予諾貝爾化學獎的通道蛋白研究”等在“科學前言”欄目中出現；“穩態概念的提出與發展”等出現在“科學史話”欄目中；“從治蝗專家到生態學巨匠”則出現在“科學家的故事”欄目；“人類基因組計劃”出現在“資料搜集和分析”欄目中，等等。在高中生物學教學中，教師針對具體的教學目標、教學內容，恰當地選擇相關的生物科學史素材，并結合實際需要進行合理處理，進而將其融入教學之中，對提升學生學科核心素養具有積極的意義。

1 利用科學史素材促進生命觀念形成

生命觀念是對觀察到的生命現象及相互關系或特性進行解釋后的抽象，是人們經過實證后的觀點，是能夠理解或解釋生物學相關事件和現象的意識、觀念和思想方法[3]。生物學中重要的生命觀念有： 結構與功能觀、進化與適應觀、穩態與平衡觀、物質與能量觀等。科學的生命觀念是學習、研究生物學的基本保障和強大武器，只有樹立了正確的生命觀念，才能迅速、準確地把握生物學概念、規律。

教師在教學中可以有目的地選擇適合的生物科學史去促進生命觀念的形成。例如，在培養學生“結構與功能觀”時，教師可以選擇“授予諾貝爾化學獎的通道蛋白研究”這一科學史。因為在學習“物質跨膜運輸的方式”的過程中，教師往往強調“水分子、氣體分子、脂溶性小分子等是以自由擴散的形式進出細胞”。但是，其正文后的“科學前言”欄目設置的科學史素材——“授予諾貝爾化學獎的通道蛋白研究”(必修1第74頁)提出了水通道蛋白。“水通道蛋白”的發現，打破了以往對水分子跨膜運輸的認識，即水分子也可以以協助擴散形式進行跨膜運輸。在教學中，教師可以引導學生分析腎小球的重吸收功能，該功能僅僅依靠自由擴散是實現不了的，因此早在100多年前科學家就推測可能有特殊的輸送水的通道。后來科學家分離出了水通道蛋白，證實了以前的推測。該發現歷程中，科學家先是發現一種現象，而后推測和尋找實現該現象的結構，借此樹立一種功能的完成肯定需要相應結構支持的觀點，即結構與功能觀。再如，學習“穩態與平衡觀”時，可以選擇“穩態概念的提出和發展”這一科學史。對于該科學史，教師可以讓學生思考內環境為什么變化，為什么又不劇烈變化？先樹立內環境穩態概念。而后，根據資料內容將穩態概念拓展到分子水平(基因表達的穩態)、器官水平的穩態(心率等的穩態)以及種群、群落、生態系統層面的穩態等，從而樹立穩態與平衡這一重要生命觀念。

2 利用科學史素材提升科學思維

科學思維是指在尊重事實和證據基礎上，本著嚴謹、務實的求知態度，運用科學的思維方法去認識事物、解決問題的思維習慣與能力。包括歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等[3]。科學思維是智力發展的最終目標，是科學教育的核心目的所在[4]。它是學習和研究生物學的方法支持，也是自主學習者的必備素質。

生物科學史尤其是重大生物學現象和規律的研究歷程，從問題提出到假設和實驗驗證，以及結果分析等無不滲透科學思維。通過分析研究歷程中各環節，以提升學生科學思維是非常不錯的選擇。例如，在學習“對生物膜結構的探索歷程”時，教師可以設置表格(表1)，讓學生通過自主學習和合作學習完成表格，明確每個時間段取得哪些成果、得出什么結論，又有哪些局限性。自主學習填寫表格的過程，首先是對學生歸納與概括能力的鍛煉。其次，分析取得每個成果的依據又是對學生邏輯推理能力的鍛煉。指出研究的局限性則是對學生批判性思維的培養過程。同樣，在學習“關于酶本質的探索”“遺傳物質本質的探究”“DNA雙螺旋結構模型的構建”等科學史時也可設計合理表格或系列問題，引導學生自主學習、思考、總結、反思，從而真正達到學生科學思維提升的教學目的。

表1 對生物膜結構的探索歷程及分析

3 利用科學史素材實施科學探究

“科學探究”是指能夠發現現實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及結果的交流與討論的能力[3]。科學探究是落實、強化和檢驗科學思維的重要環節，也是培養學生創造性思維的主要場所。

教師在教學過程中選擇恰當的科學史為素材，營造歷史氛圍，讓學生置身于科學家的探究歷程中，或者組織科學探究實踐活動等，都可以有效提升學生科學探究素養。例如，在學習“促胰液素的發現”這一科學史的時候，教師可以要求學生通過閱讀資料整理出不同科學家發現什么問題，提出什么假設，是如何設計實驗證明假設的，實驗結果如何，是否支持假設，得出了什么結論。如此可以讓學生明確科學探究的一般過程。在此基礎上，教師引導學生去發現科學家實驗設計的不足，并設計實驗給予補充，這樣就可以很好地培養學生邏輯思維、發現問題、實驗設計能力，同時培養了學生敢于質疑權威的科學精神。另外，可以利用科學史提供的素材組織學生進行科學實踐活動。例如，在學習“生長素的發現過程”的時候，教材中以小楷體字介紹了另一種植物向光性的原因：“植物向光生長，是由于單側光照射下引起某些抑制生長的物質分布不均勻造成的”(必修3第48頁)。教師在教學中可以據此為探究課題，要求學生以小組為單位設計實驗方案，驗證“植物向光生長到底是生長素的作用還是某種抑制生長的物質的作用”。如果實驗條件允許，教師可以鼓勵學生進行具體的實施，以培養學生實驗設計能力、數據分析能力等科學探究素養。

4 利用科學史素材實現社會職責之擔當

“社會責任”是指基于生物學的認識，參與個人與社會事務的討論，作出理性解釋和判斷，解決生產生活問題的擔當和能力。教學中可讓學生關注相關社會議題，參與討論并作出理性解釋，辨別迷信和偽科學；形成生態意識，參與環境保護實踐；主動向他人宣傳健康生活和關愛生命等相關知識；結合本地資源開展科學實踐，嘗試解決現實生活中與生物學相關的問題，同時提升學生社會職業素養。

生物學教材中安排了很多涉及社會問題的科學史，這些是提升學生社會責任素養的良好素材。例如，“器官移植所面臨的問題”這一科學史素材，揭示了器官移植的限制因素——免疫排斥，指出了我國器官移植存在的困境——供體短缺。教師在教學中引導學生分析我國器官移植供體短缺的可能原因，如： 受到傳統觀念的影響，很多人難以接受捐獻親屬或自己的器官。然后從生物學角度指出捐獻器官的意義——實現了生命的延續，使器官的價值充分體現。在此過程中，首先利用討論器官移植供體短缺的根源，然后引導學生分析捐獻器官的意義，一方面讓學生理性地看待器官移植問題，另一方面為學生將來選擇服務社會提供了選項。再如，科學家的故事“從治蝗專家到生態學巨匠”，介紹了馬世俊先生在搞清了蝗災形成的過程和原因基礎上，利用化學防治和生物防治以及改造蝗災發生地等方法，成功打開了飛蝗綜合防治的大門。短小的一段科學史，但是卻告訴學生： 一個人的價值體現在他/她對社會、國家帶來多少利益，而非你自己擁有多少財富。將這些科學史素材適時地運用到教學中，可以在潛移默化中起到提升學生社會責任素養的目的。