以生物科學史培養學生學科核心素養的應用研究

摘要：當前生物科學史在教學中的應用正處于困境中，多數教師和學生認為其和教學關系不夠密切，對教學輔助作用有限。本文基于新課標背景，探討生物科學史對于培養高中生物學學科核心素養的重要作用。以“細胞膜的結構與功能”為例，總結生物科學史在突出教學重點、輔助教學、進行主線教學、設計課堂習題等方面的有效策略，引導學生樹立生命觀念、鍛煉科學思維能力、體驗科學探究過程、承擔社會責任，從而塑造正確的價值觀、必備品格和關鍵能力。

關鍵詞：生物科學史；生物學學科核心素養；有效策略

文章編號：1003-7586（2024）04-0046-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

在《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）中闡述了學科核心素養是學生通過學習而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關鍵能力。生物學學科核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任四部分。學生通過生物學課程學習，能運用生命觀念認識生命現象，在探索生命規律中逐步形成科學思維，掌握科學方法，體會科學價值，培養科學態度和科學精神，學會用生物學相關知識解決生產生活中的問題，形成社會責任。同時在《課程標準》的教學建議中也提到，學習生物科學史能夠使學生沿著科學家探索生物世界的道路，理解科學的本質以及科學研究的方法，學習科學家們的科學精神，同時強調在教學中注重生物科學史的學習，利用好生物科學史資源。基于此，教師在生物學教學中，通過靈活運用生物科學史，可以有效培養并提升學生的學科核心素養。

1 生物科學史對于培養學生核心素養的作用

生物學科學史在培養學生核心素養方面具有重要作用。首先，它可以通過展示科學家的創新精神和能力，激發學生的探究精神。通過對生物科學史的學習，學生可以了解到科學家是如何發現問題、提出假設并設計實驗驗證的，這有助于培養學生的探究意識和能力。其次，生物科學史可以幫助學生提高對生物學領域前沿技術和發展趨勢的認識。通過對現代生物學的起源和發展過程的學習，學生可以了解到新技術和新理論在生物學中的應用和意義，這將增強他們對生物學領域發展的敏感性和認識深度。通過對科學實驗和理論背后邏輯關系的分析，有助于學生更好地理解科學研究的嚴謹性和邏輯性，從而提高他們的邏輯思維能力。

2 利用生物科學史培養學生學科核心素養的有效策略

2.1 利用生物科學史突出教學重點，塑造學生的生命觀念

《課程標準》要求學生在對生物學概念有較好理解的基礎上，構建出生命觀念，如結構與功能觀、進化與適應觀、穩態與平衡觀、物質與能量觀等。其中，結構與功能觀是生命觀念之一，同時也是其他生命觀念的基礎。生命體的結構與其功能相對應，這一理念貫穿于學習生物學知識的過程始終。通過運用生物科學史教學，跟隨科學家的研究歷程的足跡去學習，從而使枯燥的生物學知識變得有趣，幫助學生深入理解知識的本質，體會結構與功能觀。

在講“細胞膜的結構與功能”一節時，教師可把“細胞膜的發現史”作為課堂內容的重要資料引入教學，使之與教學內容相結合，突出課堂教學重點，幫助學生理解抽象的生物學知識。教師需要有意識地把細胞膜的功能與結構結合起來講解，將結構與功能觀貫穿整節課。細胞膜的主要成分是脂質、蛋白質和少量糖類。細胞膜的基本支架是由磷脂分子構成的雙層磷脂膜。磷脂具有疏水性的脂肪酸尾部和親水性的磷酸頭部，這種特性賦予了細胞膜選擇透過性的功能特點。磷脂雙層形成了細胞膜的屏障作用，可以控制物質的進出。磷脂分子還可以通過翻轉和擴散來調節細胞膜的流動性和穩定性，從而維持細胞內外環境之間的平衡。蛋白質則通過嵌入或與磷脂雙分子層相互作用，實現了控制物質進出細胞、細胞信息交流等功能。教師可列舉一些實例，如載體蛋白能夠在細胞膜上運輸離子和小分子物質，受體蛋白可以感知外部信號并轉導到細胞內部，酶類蛋白在細胞膜上催化各種化學反應。有助于學生明白蛋白質的多樣性和特定的空間結構使得細胞膜具有多種功能；糖蛋白是細胞膜上含有糖鏈的蛋白質，細胞膜外表面糖類分子形成的糖蛋白和細胞表面糖脂形成糖被，進而影響細胞的識別、黏附和免疫等功能。糖蛋白的糖鏈結構和分布對于細胞進行細胞間的信息交流起著重要的決定作用。這些不同的結構成分共同協作，實現了細胞膜的多樣功能。通過將細胞膜的結構與功能相結合來講解，使結構與功能觀得到充分體現，幫助學生理解和認識細胞膜的結構和功能之間的密切關系，使學生的生命觀念得到了提升。細胞膜的結構與功能相互關系如圖1所示。

2.2 利用生物科學史輔助教學，培養學生的科學思維

在探究細胞膜的成分環節，通過歐文頓細胞膜物質通透性實驗推斷出細胞膜是由脂溶性物質組成的。教師據此可提出問題：在甘油酯和磷脂當中，哪一個才是細胞膜的成分？首先讓學生了解磷脂分子的基本結構，包括頭部和尾部，以及這些部分的特性和功能。磷脂分子的頭部具有親水性，可以與水分子相互作用；而尾部具有疏水性，可以與其他磷脂分子的尾部相互作用。而甘油酯的分子結構中沒有親水性的頭部和疏水性的尾部，因此不具備形成雙分子層的能力。然后教師可進一步解釋：由于磷脂分子的疏水性，它們傾向于形成內部的非極性“尾”面向內部的雙層結構，而極性“頭”面向外部的水環境。這種結構可以保護細胞內部的生物分子免受外部水環境的影響。接下來，引導學生進行邏輯推理，如果細胞需要與外部環境進行物質交換，那么細胞膜上的磷脂分子是否需要具有某種程度的流動性。因為如果磷脂分子完全固定，那么它們將阻止物質從外部通過細胞膜。而實際上，細胞膜上的磷脂分子具有流動性，這使得小分子（如氧氣、營養物質和離子）可以輕松地從外部通過細胞膜進入細胞。最后，教師通過上述講解和推導，強調磷脂分子在細胞膜結構和功能中的關鍵作用。并強調邏輯推理在科學研究和日常生活中的重要性，引導學生思考如何在其他領域應用這種思維方式。教師要注意在這個過程中提出問題，讓學生在問題中自己尋求答案的方法，用理性的邏輯思維去分析解決問題。通過這樣的方式，不僅可以讓學生了解細胞膜的結構和功能，進一步體會結構與功能觀，還可以培養他們的邏輯推理能力。同時，教師可以在講解過程中設置思考題，引導學生進行思考和討論，加深對磷脂分子的理解和應用能力。具體如例題所示。

例題將大量磷脂分子放入清水中，攪拌后靜置一段時間，下列圖示現象不可能出現的是（ ）。

另外，根據細胞膜成分的探索歷程，教師應該補充不同細胞的細胞膜的成分分析實驗、冰凍蝕刻掃描電鏡技術的應用兩個實驗的科學史資料，才能使整個探究過程的邏輯性連貫合理。教材中呈現了丹尼利、戴維森細胞膜張力實驗，隨后直接給出了細胞膜的成分含有蛋白質的結論。這一過程的邏輯并不嚴謹，在實際教學中可能有學生會疑惑：該實驗只是證明了細胞膜可能含有蛋白質，并沒有直接的證據證明細胞膜中確實含有蛋白質，那蛋白質成分是如何確定的？因此教師應當補充不同細胞的細胞膜的成分分析實驗的科學史資料，引導學生根據實驗數據，得出結論：細胞膜中確實含有蛋白質的成分。在明確了細胞的組成成分后，羅伯特森通過電子顯微鏡觀察到了細胞膜的“暗—亮—暗”三層結構，就提出了是蛋白質—脂質—蛋白質三層。教師在講解這部分內容時，可適當給學生擴展透射電子顯微鏡的成像原理的知識來輔助學生更好地分析并解決問題。由于羅伯特森在電鏡實驗中，認為蛋白均勻分布在磷脂雙分子層兩側，教師引導學生思考這一結論是否正確，隨后提供補充的冰凍蝕刻掃描電鏡技術的應用的科學史資料，實驗結果顯示膜蛋白并不是全部平鋪在脂質表面，有的蛋白質是鑲嵌在脂質雙分子層中的，從而對羅伯特森提出的“三明治模型”進行了修正。

2.3 利用生物科學史設計課堂主線，培養學生的科學探究能力

生物科學領域前沿的研究和發展十分迅速，這使得生物學教材難以及時更新和全面涵蓋。如果教師對科學史相關內容的來龍去脈以及相關的前沿技術不了解，一味按照教材中的內容教學，這樣的教學方式不利于學生的探究與邏輯思維能力的培養。因此，教師利用生物科學史作為課堂教學的主線，將生物科學史與生物教學相結合，根據學生的需求和特點以及教學目標的要求，創設一條順暢而高效的課堂教學主線，以培養學生的科學探究能力。一項生物科學史中的重大發現，其背后都蘊含著科學家們所遵循的一般科學研究方法，倘若教師能夠巧妙地把這些科學研究方法提取出來，并將其與科學史的課堂教學主線有機結合，進而有助于學生提高科學探究的能力。

本文結合“細胞膜的結構與功能”的教學內容，設計了關于“細胞膜結構與成分的探索過程”的教學主線，具體如圖2所示。在細胞膜的結構與功能這一節課中，細胞膜結構模型的探索過程反映了“提出假說”這一科學方法的作用。教師可以引導學生親身體驗科學家提出假說的過程，將各個實驗有機結合，形成一條科學探究的課堂教學主線，涵蓋了對科學事實真相的再現以及科學方法的學習。

在實際教學中，教師可采用提出問題的方式，讓學生進行自主探究，讓每位學生都能夠以科學家的身份去思考、分析并解決問題，進而在此過程當中對科學的研究方法加以掌握并運用。例如，在講解細胞膜結構的部分，向學生提問：細胞膜中有蛋白質，那它位于細胞膜的什么位置呢？展示羅伯特森電鏡實驗以及根據實驗現象所提出的假說：細胞膜由蛋白質—脂質—蛋白質三層結構構成的靜態統一的剛性結構，認為所有生物的細胞膜都是以蛋白質均勻、連續的鋪滿了磷脂雙分子層。引導學生根據以往的知識分析推理這個假說的正確性；再提供冰凍蝕刻技術的實驗結果、細胞的生長和變形蟲運動的動態現象以及熒光標記人鼠細胞融合實驗的實驗結果，使學生認同“細胞膜具有流動性”這一概念，明確蛋白質并不是均勻排布，而是鑲在脂雙層表面，有的部分或者全部嵌入脂雙層，有的貫穿于脂雙層。使學生認識到羅伯森特假說的缺陷性，從而引出后來被廣泛認可的流動鑲嵌模型。這樣設計可以使學生了解與掌握“提出假說”這一科學探究的方法，認識到科學家提出的假說不一定都是正確的，需要后續大量的實驗進行修正補充，并認識到科學探究的艱辛。教師通過完整的科學史教學主線貫穿整節課堂，讓學生既可以客觀、辯證地看待科學史，又能體會科學結論不斷修正完善的過程，培養起學生質疑、創新的科學精神。

2.4 利用生物科學史設計課堂習題，培養學生的社會責任

生物科學史料蘊含著豐富的科學精神與培養社會責任感的教育素材，這些素材可在生物學教學中得到充分利用，以實現學科核心素養的教育。

在“流動鑲嵌模型”這一部分，辛格和尼科爾森提出了大多數人所接受的流動鑲嵌模型。流動鑲嵌模型強調“擴散”和“鑲嵌”兩個方面：一方面是脂質和蛋白質都是動態的，在均勻的脂質雙分子層中隨機擴散；另一方面是蛋白質在細胞膜中不對稱分布。教材中僅介紹到此，由于科學技術的不斷發展，在之后的研究中發現，流動鑲嵌模型也存在一定的不足。新的證據表明，蛋白質的分布不是隨機的，橫向擴散受到膜結合受體與細胞骨架或細胞質分子相互作用的限制，表明膜的橫向異質性。流動鑲嵌模型還忽視了膜各部分流動性的不均勻性。這部分的生物科學史作為補充內容，不適宜作為課堂教學的重點，更適合放在講授新課之后的研究性作業讓學生進行探究。以科學史素材作為背景的思考題可以幫助學生了解生物膜的流動鑲嵌模型并非完美無缺。教師再對生物膜的流動鑲嵌模型的不足之處進行講解之后可進行拓展延伸，例如脂筏模型。西蒙斯（K．Simons）和易科寧（E. Konen）等人提出了“功能筏”的概念，一般稱為“脂筏”。脂筏是以甘油磷脂的生物膜上，膽固醇（就像膠水一樣）和鞘脂形成相對有序的脂相，如同漂浮在脂雙層上的“筏”一樣，載著具有生物學功能的膜蛋白。該模型在流動鑲嵌模型的基礎上，強調了鑲嵌塊的特征，揭示了膜結構和功能的更具體的細節，尤其是膜脂分布的不對稱性和不均勻性。這部分的生物科學史作為補充內容，能讓學生了解到人類對自然界的認識是沒有盡頭的，隨著科學技術的持續進步和創新，對膜的研究將會變得更加細致，對膜結構的更深層次的認識將能更好地解釋細胞膜的多種功能，從而持續地改進和發展生物膜模型。

在學習了本節課之后，教師可以引導學生思考細胞膜在生活中有何應用價值。細胞膜在細胞中扮演著重要角色，其結構與功能直接影響著細胞的正常生理活動。在醫學領域中，研究細胞膜和利用細胞膜相關技術已成為重要研究方向，如設計藥物、癌癥治療、病毒疫苗開發等。因此，教師可通過“紫杉醇脂質體藥物用于治療乳腺癌”的科學史設計一道拓展應用題來結束本節課的內容，即展示紫杉醇脂質體的應用資料并提出能利用本節課知識解答的相關問題。通過拓展應用，不僅可以使學生將所學生物學知識應用于生活，關注生命健康，即細胞膜在生活健康領域的實際應用，感受基礎科學研究與技術的發展為人們生活帶來的改變，培養社會責任意識，也能幫助學生了解相關的職業和學習方向，為他們進一步學習和步入社會做準備。

3 結論

在生物學教學中，學習并深刻領會核心素養體系，將滲透生命觀念、進行科學探究、啟迪科學思維、升華社會責任意識四個維度的核心素養培養有機地結合并付諸實踐。通過運用生物科學史突出課堂教學重點、輔助教學、進行主線教學、設計課堂習題等途徑，能夠激發學生的學習興趣和積極性，加深學生對生物學知識的理解和掌握，從而能夠更有效地培養學生的學科核心素養。