基于諾貝爾獎視角培育學生生物學核心素養的實踐研究

朱慧貞 郎小霞 包鵬科

（甘肅省定西市岷縣第三中學，甘肅 定西）

一、諾貝爾獎與高中生物學學科的聯系

2017 年頒布的《考試大綱》對“獲取信息的能力”方面進行了調整，將“生物學重要事件”調整為“與生命科學相關的突出成就及熱點問題”。諾貝爾生理學或醫學獎、化學獎的研究歷程往往離不開生物學學科的研究內容、方法及理論。經統計100 年以來的諾貝爾獎成就與人教版高中生物學教材中的關聯章節達到了28 個，其中必修部分22 個，選修部分6 個。本文對人教版高中生物學必修2“遺傳與進化”中與諾貝爾獎關聯的內容進行了歸納與整合。

二、基于諾貝爾獎視角培育學生生物學學科素養的可行性分析

《普通高中生物學課程標準（2017 年版）》指出生物學學科的核心素養由生命觀念、科學思維、科學探究以及社會責任四部分構成。任何一個諾貝爾獎成就都散發著科學工作者科學思維的火花，都是其科學探究過程的濃縮，這個過程是在遵循自然規律、符合生命觀念的基礎上不斷進行的探索和嘗試。諾貝爾獎在高中生物學教學中的引入價值不僅在于其科學素養，還有其豐富的人文價值。探索過程不可能一蹴而就、一帆風順，大多是一個長期的、枯燥的、不斷否定又不斷被修正完善的過程。科學家憑著對科學研究的無限熱忱，對生命現象的無限好奇，沖淡了科學研究本身的枯燥與艱難。其中不乏有趣的事例，摩爾根團隊為了讓果蠅發生變異，煞費苦心，甚至陪著果蠅不睡覺，一睡覺就搖瓶子，熬了兩年也沒看到一只突變的果蠅；也有踏破鐵鞋無覓處，卻有瑪麗·亨特得來全不費工夫的驚喜；有富蘭克林窮其一生，卻未能分享這份殊榮的遺憾；也有屠呦呦以身試藥，索克（發明了小兒麻痹癥滅活疫苗）在自己三個年幼的孩子身上試藥，這些看似瘋狂的舉動，實則是科學研究的必然選擇，是為了大我犧牲小我的無私奉獻精神。挖掘諾貝爾獎里的人文情懷，涵養學生情操，歷練其深厚的家國意識及社會擔當，才能更好地追求科學精神。

三、基于諾貝爾獎視角培育學生科學思維能力的實踐研究（以“DNA 分子的結構”一節為例）

（一）核心素養目標

1.生命觀念：掌握DNA 分子的組成元素、基本組成單位，DNA 分子的雙螺旋模型的主要內容，形成結構與功能相適應的生命觀念。

2.科學思維：在DNA 分子模型構建的過程中，結合相關科學史實，推理脫氧核苷酸之間的連接方式、DNA分子鏈的組成及堿基之間的配對方式，提升其邏輯思維能力及創新思維能力。

3.科學探究：通過建模過程，領悟物理模型建構法在科學研究中的重要作用。

4.社會責任：認識到諾貝爾獎成就的獲得是一個多學科知識綜合運用的過程；形成人類對遺傳物質的研究是一個不斷深化、完善的過程；追隨著諾貝爾獎的誕生歷程，感受科學探究的魅力；不畏挫折、鍥而不舍的科學精神是科學研究者的必備素養。

（二）教學設計思路

【資料1】1944 年，美國細菌學家艾弗里通過肺炎雙球菌體外轉化實驗，證明DNA 是遺傳物質。DNA 成了科學家們的研究熱點。20 世紀30 年代，科學家認識到：組成DNA 分子的基本元素是C、H、O、N、P，其基本單位是脫氧核苷酸，而且每個基本單位是由磷酸、脫氧核糖、含氮堿基三種小分子化合物構成的。

探究1：請用模型材料構建脫氧核苷酸的結構模型。

【資料2】科學家認識到，DNA 是由脫氧核苷酸連接而成的長鏈構成的。

探究2：4 種脫氧核苷酸如何形成長鏈？相鄰核苷酸之間的連接方式是怎樣的呢？請構建脫氧核苷酸長鏈模型。在討論交流的基礎上，可以提供以下（圖1）連接方式啟發學生思考。

圖1 脫氧核苷酸之間可能出現的連接方式

【資料3】1951 年英國化學家富蘭克林和生物物理學家威爾金斯用X 衍射技術拍攝到了DNA 晶體的衍射圖譜，當時他們并不清楚圖譜意味著什么，后來，物理學家克里克對圖譜進行了詳盡的數據分析，生物學家沃森加入了生物學的理解，二人一拍即合——DNA 呈雙螺旋結構！

探究3：DNA 分子是由幾條鏈構成的呢？學生思考交流以下兩個問題：

①堿基位于外部的三螺旋還是堿基位于外部的雙螺旋？

②兩條鏈中的堿基是排在外側，還是在內側？哪種情況更穩定？

【資料4】1952 年春天奧地利生物化學家查哥夫定量分析了DNA 的堿基組成（如表1）。

表1 不同生物DNA 分子堿基分析量表

探究4：兩條鏈的堿基之間如何配對呢？為什么嘌呤堿基不與嘌呤堿基或嘧啶堿基不與嘧啶堿基配對呢？請構建DNA 分子雙螺旋結構模型，并簡述其主要內容。

（三）延伸拓展，升華主題

學生思考以下問題：（1）回顧模型構建中有重大貢獻的科學家，從他們的研究角度分析，對你有什么啟發？（2）艾弗里證明了遺傳物質是DNA，這為科學界研究遺傳物質指明了方向；富蘭克林拍攝的DNA 分子的X 射線衍射圖譜，為發現DNA 的雙螺旋結構做出了重要貢獻，孟德爾作為遺傳學之父，提出了兩大遺傳規律，但是他們并沒有獲得諾貝爾獎，對此你怎么看？

通過對DNA 分子雙螺旋結構模型研究歷程的學習，讓學生意識到很多科學問題的解決都涉及多個學科的知識、理論、方法、技術，在學習過程中應注意學科間知識的遷移，形成跨學科學習的意識。同樣，科學研究過程并不是一帆風順的，但探索者們鍥而不舍、不畏失敗的科研精神是取得最終成功的關鍵。科學研究過程中往往艱辛與收獲并存，有些結果看似偶然實則必然，都是日積月累的量變產生質變的結果。是否獲得諾貝爾獎并不應該作為評判科學貢獻的唯一標準，同理，衡量一個人人生價值的標準更應該看他對他人及社會所做出的貢獻。在科學探究的歷程中，為科學成就做出重大貢獻的科學家，如孟德爾、艾弗里、富蘭克林等雖然由于各種各樣的原因并未獲得過諾貝爾獎，但他們都是推動人類文明進步的先驅和奠基人。旨在讓學生形成正視科學、熱愛科學、尊敬科學家、崇拜科學家的人文情懷，落實其社會責任意識。

四、“諾貝爾獎”素材與高中生物學教學有效結合的問題分析

（一）選材切合學情

“諾貝爾獎”素材中不乏科學前沿、社會熱點問題，涉及的科學知識、技術手段等并不一定完全符合高中生的認知水平。對某些高于學生認知水平、晦澀難懂的“諾貝爾獎”素材，需要教師在尊重科學史實的前提下適當轉化甚至簡化，結合學生已有的知識、內容、生活情景等進一步重構，降低學生內化“諾貝爾獎”素材的難度以及在課堂教學中引入的“違和感”，達到與高中生物學教學的有效融合。

（二）增加素材的趣味性

“諾貝爾獎”素材中涉及的科學史過程往往經歷了較長的時間，是眾多科學家持之以恒、不畏困難、前仆后繼的奮斗史。科學研究過程本身的枯燥與乏味可能在教學過程中并不能充分贏得學生的偏愛，從而使得其中隱含的科學思維、科學探究過程、科學探究精神不能發揮其應有的作用，反而會降低課堂教學的效果。所以，教師對于“諾貝爾獎”素材的改編就顯得尤為重要，教師要善于挖掘并適當“放大”諾貝爾獎誕生歷程中有趣的、感人的、遺憾的……小細節，以緩沖其本身的枯燥感。也可以結合當下社會熱點，甚至學生熟知的網絡用語等增加學生對“諾貝爾獎”素材的接納程度，激發其學習興趣。

（三）感悟科學精神

切忌注重了科學本身而忽視了“諾貝爾獎”素材的育人功能。“諾貝爾獎”素材引入高中生物學教學過程的重要目的之一是感悟科學的人文性，讓學生領悟到“諾貝爾獎”的誕生與人類社會的發展、與每位公民的生活密切相關。科學發現與科學家們鍥而不舍、大膽質疑等科學精神息息相關，為學生求實、理性、創新等品質的形成提供模范和榜樣的作用，啟發學生崇拜科學家、走近科學家、了解科學家，甚至成為未來的科學家的社會責任意識。