高中生物科學哲學史在建模教學中的應用

摘要 在“DNA分子的結構”一節教學中，將高中生物科學哲學史融入到建模教學中，以科學家的研究背景為起點來確定研究方法，再聚焦問題提出各種假設來逐步推進研究進程，最后再比較分享研究成果來歸納成功哲學，從而培養學生模型與建模的科學思維和假設與質疑的科研態度。

關鍵詞 高中生物 科學哲學史 建模教學 科學思維 科研態度

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

1引言

培養學生的科學素養，已成為國際教育改革的共同理念。HPS教育成為科學教育界大力倡導的主流之一，即科學史、科學哲學、科學社會學。在美國科學促進協會（簡稱AAAS）擬定的報告《2061計劃：面向全體美國人的科學》中，提出將培養學生對科學歷史的了解和科學的歷史認識觀作為科學教學的重要基礎，并使用專門的章節來討論科學史。英國科學促進會（簡稱BAAS）也曾在1917年的年會上提出，科學史教育是融通學校課程中人文科學和自然科學的良方。隨著我國教育改革的發展，立足學科核心素養培養的《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課標》）也應時而生。《課標》在教學建議中提出，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思路和方法，學習科學家獻身科學的精神，這對提高學生的生物學學科核心素養是很有意義的。

2高中生物科學哲學史與建模教學的聯系

科學史學科的創立者喬治·薩頓認為，科學史是指科學知識發生和發展的歷史，具體內容包括學科知識的產生背景、發生、發展歷程、科學家研究工作有關的內容以及科學家的故事等。簡單地說，科學史是科學產生和推進的歷史，是過去實際發生的科學故事，其中包含著科學知識的變化、科學研究方法的創新和科學家的科學精神。通過解讀《課標》，劉恩山和曹保義圍繞“加強科學本質的教育要求”，在國內首次提出“科學哲學史”的概念。他們認為，科學哲學史是哲學領域中專門研究自然科學的一個方向，通過思考科學家怎樣構建科學知識，來凸顯科學與其他領域工作的截然不同之處，也就是說，科學研究的結果具有更好的持久性和可信賴程度。

科學哲學史是由“科學史”和“科學哲學”兩部分有機組合而成。前者致力于科學事實的陳述，后者致力于研究科學本身和科學方法，它主要回答的問題包括：為何要開展科學工作？如何開展科學工作？為什么科學使用了一個可以被認為是好的方法？也就是，科學史只是零散的基本事實，而科學哲學則將無序的基本事實串聯成線索，更能充分展示科學研究的原因、過程以及方法，也更能體現學科本質的發展。

科學哲學史的教育要求與建構主義的觀點基本吻合。建構主義認為，知識不是對現實世界的絕對表述，不是在任何情境中都準確的教條，而是在不斷地推進和發展的，而且在不同的現實問題中會被重新加工、分析、選擇、重組乃至改造。教師在建模教學中滲透科學哲學史的教學思想，有利于學生從被動“記知識”轉變到主動“獲取知識”，使學生從單純分析“科學事實”轉變到理解“科學概念”。因此，融入科學哲學史的建模教學，必須具備3個基本環節：1要求學生根據已有的知識體系來認識科學史背景，促進學生在把握基礎事實后能找準建模起點;2通過補充和豐富融入“科學哲學史”的相關材料、以“問題”來推進歷史進程，促進學生在解決問題的過程中大膽假設并主動構建模型;3通過比較模型來構建自身知識體系，通過回顧探究歷程、總結科學成功經驗，促使學生深入理解“科學哲學”中的研究原因、研究過程和研究方法。

3高中生物科學哲學史在建模教學中的應用案例——以“DNA分子的結構”為例

3.1教學分析3.1.1教材分析

“DNA分子的結構”是人教版高中生物必修2第三章第二節的內容，位于第一節“DNA是主要的遺傳物質”之后，在第三節“DNA的復制之前”，發揮著承上啟下的作用。教材中關于DNA分子結構的建立過程，以歷史敘事的形式介紹了沃森和克里克不斷推測、重建、修訂DNA物理模型的過程;結合“思考與討論”，引導學生獨立構建DNA分子空間結構、總結DNA分子結構的主要特點;通過“模型構建”的環節，促進學生討論DNA如何攜帶遺傳信息、并比較不同小組之間DNA物理模型的異同，進而得出DNA分子結構的特異性、多樣性和穩定性，為學習“DNA的復制方式”做好了鋪墊。

2.1.2學情分析

在學習本模塊之前，學生已經知道“DNA的基本組成單位是脫氧核苷酸”“脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵相連”，已經初步得知“DNA是主要遺傳物質的實驗證據”，但并不理解DNA如何儲存遺傳信息。為了培養“結構決定功能”的生命觀，教學時，教師需要借助沃森和克里克的探索歷程，以科學哲學史發展的角度來促進學生逐步構建DNA分子物理模型，從而增強學生模型與建模的科學思維，促進學生認識到正確科學結論的得出需要不斷地假設、重構和修訂。

3.2教學目標

1通過回顧沃森和克里克構建DNA分子結構模型的探究歷程，提升觀察、提問的科學探究能力，以及模型與建模的科學思維。

2通過比較各組DNA雙螺旋結構模型的異同，總結出DNA分子具備特異性、多樣性和穩定性的特性，形成結構與功能觀。

3通過討論沃森和克里克成功的原因、DNA分子檢測的原理和應用領域，培養應用生物學知識參與社會事務討論的能力與擔當。

3.3教學過程

教學情境是課堂教學的問題源泉，與學習主題相互照應。一個好的教學情境應具備以下特點：1簡短、精煉;2可以作為典型社會議題，與學習主題密切相關;3喚起學生主動學習、解決問題的興趣。在實施科學哲學史的教學時，教師要找到科學探究的起點，并梳理清楚當時社會背景下的已有科學事實;再通過分析科學事實，引導學生確定出科學研究的重要方法，即模型與建模。科學哲學史教學的核心在于圍繞中心主題（即構建物理模型）來設計階梯式問題，再利用歷史事實的推進過程，對階梯式問題逐一進行假設、驗證、修正、突破，最終構建出基于科學哲學史的物理模型。科學哲學史教學的精髓在于將科學事實串聯成線索，在線索的發展過程中體驗科學研究的嚴謹過程、在問題的分析中總結科學研究的成功哲學，促使學生形成正確的科研態度、掌握嚴謹的科研方法。

3.3.1提供情境，引出學習主題——促進學生關注社會議題、激發學習興趣

教師播放視頻“尋親節目《等著我》”，展示父母尋找失散多年的小兒子，警察采集血樣的故事經歷，并提出問題：為什么可以利用DNA進行親子鑒定？檢測的原理是什么？

現實中的故事給學生以心靈上的震撼，教師結合提問的形式引入科技技術“DNA檢測”，激發學生探究興趣、明確建模目標，即構建DNA分子空間結構。

3.3.2立足基礎，梳理認知背景——幫助學生樹立科學事實、確定研究方法

教師展示沃森、克里克、威爾金斯的相識過程。11951年春，沃森在意大利生物大分子會議上，遇到了威爾金斯，見到了DNA的X射線衍射圖譜。21951年秋，沃森來到劍橋大學卡文迪許實驗室工作，遇到了物理學家克里克。并提出問題：生物學家出身的沃森，能看懂X射線衍射圖譜嗎？物理學家出身的克里克對沃森有什么幫助？

生物學科學問題的解決需要不同學科領域人才的交流與合作。教師點明當時沃森和克里克對DNA的認知水平（科學事實1），即DNA分子是以4種脫氧核苷酸為單位連接而成的長鏈。這四種脫氧核苷酸分別含有A、T、C、G四種堿基，其物理模型如圖1所示。

接著，教師展示科學事實2：沃森和克里克的競爭對手美國化學家鮑林構建了三鏈結構模型，DNA靠磷酸基團之間的氫鍵支撐。但有化學家指出，細胞中pH峰值是7時，磷酸基團的氫鍵無法存在。教師引導學生站在沃森和克里克的角度思考，用模型與建模的思想去構建DNA分子結構物理模型，促進學生在不斷嘗試中確定：DNA是一個規則的雙鏈分子，雙鏈呈平行關系。這樣，教師才能啟發學生把握基礎事實、找準建模起點。

3.3.3聚焦問題，推進歷史進程——引導學生提出科學假設、構建物理模型

教師提出階梯式問題：雙鏈之間是通過什么基團連接的？并組織學生討論模型，提出三種雙鏈相連的假設，如圖2所示。

同時，展示科學事實3，即磷酸和脫氧核糖具有親水性，堿基具有疏水性。學生修正模型，排除“磷酸-磷酸”和“堿基-磷酸”的連接方式，突破問題。

教師繼續提出階梯式問題：雙鏈的兩個堿基之間是如何互補配對的？并組織學生討論、提出四種堿基配對的假設（即1A-A，G-G，C-C，T-T;2A-G，C-T;3A-C，G-T;4A-T，C-G，如圖3所示）。

同時，展示科學事實4：DNA分子的直徑恒為2nm，以及四種堿基的分子結構式。學生修正模型，排除假設12;展示科學事實5，即奧地利生物化學家查戈夫發現堿基含量：A≈T、G≈C。學生修正模型，排除假設3。教師繼續展示科學事實6：化學家格里菲斯通過

計算表明，DNA中A必須與T成鍵，C必須與G成鍵。其他科學家發現A-T之間有兩個氫鍵，G-C之間有3個氫鍵，肯定假設4。

學生模仿科學家不斷探索的過程，在不斷假設、否定、再次嘗試中，提升“觀察”“提問”的科學探究能力，形成“模型與建模”的科學思維。然后，教師補充科學事實7：英國物理學家富蘭克林發現“DNA的雙鏈是反向的”，以促進學生完成DNA平面物理模型的構建。

3.3.4比較模型，回顧探究歷程——促進學生構建知識體系、歸納成功哲學

各組學生呈現DNA分子平面模型，對比其相同點和不同點，由此歸納出DNA分子的特性（穩定性、多樣性、特異性）。教師展示富蘭克林、威爾金斯、沃森和克里克在構建DNA雙螺旋模型中的貢獻，組織學生結合科學探究歷程討論沃森和克里克成功的原因。學生討論、交流，歸納出“科學研究離不開技術的進步、跨學科的合作、借鑒經驗、不斷嘗試、模型構建等”成功哲學，為獨立開展科學研究奠定認知基礎和方法論。

4高中生物科學哲學史在建模教學中的應用價值

4.1促進建模教學追根溯源、講究方法

模型與建模是指借助具體實物或其他形象化的手段，來表達認識對象的特征。按照模型形式通常分為物理模型、概念模型、數學模型。如何選擇正確的建模方式將直接決定科研成果的直觀效果。

在DNA分子結構模型的構建過程中，美國化學家鮑林建立的三鏈結構模型不僅為沃森和克里克提供了模型建構的思路，而且為學生的探究方法指明了方向，即構建以脫氧核苷酸為基本組成單位的雙鏈物理模型;富蘭克林的X射線衍射圖譜指明了DNA的空間呈現雙螺旋結構。因此，高中生物科學哲學史使建模教學回歸到科學研究的起點事件，并立足有效的研究方法開展探究，減少了探究過程中的無效彎路。

4.2促進建模教學假設演繹、注重探究

要保證模型與建模的推進，就必須在探究過程中大膽提出各種假設，再基于科學事實進行演繹驗證，排除各種不當的假設、保留合理的推論。在探究過程中如何演繹推理是建模質量的重要保障。

在建立DNA分子平面模型的過程中，教師首先圍繞階梯式問題“DNA雙鏈之間是通過什么基團連接的”，組織學生提出3種連接方法，結合科學事實排除兩種假設后，得出“堿基-堿基相連”結論。再圍繞階梯式問題“雙鏈的兩個堿基之間是如何互補配對的”，組織學生提出4種堿基互補配對的方式。結合科學事實，教師引導學生排除3種假設后，得出“A-T、C-G配對”的結論。因此，高中生物科學哲學史確保了建模教學能夠遵循科學探究的研究思路，培養學生假設、質疑的科研態度，幫助學生體驗學科知識（概念或原理）的形成過程。

4.3促進建模教學交流分享、學會借鑒

科學探究的過程離不開經驗的交流和討論，而模型與建模也是如此。建模離不開不斷摸索、不斷假設，學生只有不斷借鑒各種科學家的研究成果，分享自己的假設推論，再經過其他人的檢驗、修正，才能構建出經得起推敲的物理模型。

在學習中，學生體會到“沃森和克里克的成功離不開跨越學科的合作”，如研究DNA分子衍射圖譜的物理學家富蘭克林和威爾金斯，研究DNA堿基比例的化學家查哥夫等。同時，學生在交流中以科學事實為依據，逐步修正、構建出正確的DNA分子平面模型;在小組作品比較中交流DNA分子結構的異同，深入理解DNA分子的結構特性，為解釋DNA檢測技術的原理奠定基礎。

綜上所述，教師在高中生物建模教學中引入生物科學哲學史，一方面能使學生深入體會模型建構的過程，形成模型與建模的科學思維;另一方面更能培養學生大膽假設和質疑、敢于分享和借鑒的科研態度，從而實現“立德樹人”的育人目標。

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