許東升

（南京師范大學(xué)附屬中學(xué) 江蘇南京 210003）

生命科學(xué)是一門研究生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律的學(xué)科。生命科學(xué)的發(fā)展大體經(jīng)過3 個階段。初級階段是人們在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中積累的關(guān)于動、植物和人類自身生長、發(fā)育和繁殖等方面的相關(guān)知識，屬于生命科學(xué)建立的奠基階段。第2 階段是人們對生命的研究從觀察走向?qū)嶒炑芯浚瑫r也催生了生命科學(xué)分支學(xué)科的出現(xiàn)。例如，18世紀(jì)以后的細(xì)胞學(xué)說、進(jìn)化論、遺傳學(xué)等學(xué)說的建立，標(biāo)志著現(xiàn)代生命科學(xué)創(chuàng)立和學(xué)科的分支發(fā)展期。第3 階段是隨著先進(jìn)的實(shí)驗儀器的發(fā)明、實(shí)驗思想的進(jìn)步及方法的創(chuàng)新，科學(xué)研究深入到了分子水平。DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)、中心法則的創(chuàng)立、人類基因組計劃的完成等，分子生物學(xué)的建立成為了20世紀(jì)生命科學(xué)發(fā)展的偉大成就。經(jīng)過許多科學(xué)家的艱辛努力，建立了一個內(nèi)容豐富、體系龐大的當(dāng)代生命科學(xué)。生命科學(xué)史是一部集生物學(xué)學(xué)科知識、科學(xué)思想、研究方法、科學(xué)精神等于一體的發(fā)展史。

生命科學(xué)史中翔實(shí)的資料記錄了科學(xué)家艱辛的創(chuàng)造性勞動，生動地描述他們進(jìn)行科學(xué)探索的思維過程和實(shí)驗方法等，同時也對生物學(xué)發(fā)展過程中的思維邏輯和重大發(fā)現(xiàn)作出評價。它是一門充滿活力的自然科學(xué)，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的生動教材［1］。在高中生物學(xué)課堂教學(xué)中高度重視生命科學(xué)史的教育，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)是值得每位生物學(xué)教師關(guān)注的課題。

1 引導(dǎo)學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗室，培養(yǎng)探究質(zhì)疑的精神

生物學(xué)是一門實(shí)驗性科學(xué)，生物學(xué)中大量的概念、定律及理論都是科學(xué)家經(jīng)過多次實(shí)驗獲得的。實(shí)驗的設(shè)計與開展是發(fā)現(xiàn)知識和規(guī)律的重要手段。例如細(xì)胞膜的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)；細(xì)胞學(xué)說的創(chuàng)立；酶的發(fā)現(xiàn)；光合作用的生理過程的研究及DNA 是遺傳物質(zhì)等。這些發(fā)現(xiàn)無不是科學(xué)家在實(shí)驗室經(jīng)過無數(shù)次的重復(fù)實(shí)驗獲得的，實(shí)驗過程中又會不斷發(fā)現(xiàn)問題，螺旋式提出問題并繼續(xù)實(shí)驗從而獲得真知，可見實(shí)驗的重要性。帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗室只是手段，更重要的是激發(fā)學(xué)生的好奇心，質(zhì)疑精神，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣提出問題并通過設(shè)計和開展實(shí)驗進(jìn)行研究。幾乎每一個重大的生物學(xué)成就都源于生物學(xué)家提出的一系列的好問題，提出好問題比解決問題更重要。例如，單克隆抗體技術(shù)的發(fā)明就源于英國科學(xué)家米爾斯坦和德國科學(xué)家科勒在探究如何通過培養(yǎng)效應(yīng)B細(xì)胞獲得更多量的抗體過程中提出的設(shè)想，他們在前人工作的基礎(chǔ)上，提出了“能否借用癌細(xì)胞無限增殖的特點(diǎn)帶動效應(yīng)B 細(xì)胞擴(kuò)增？”的問題正因為他們大膽地提出了這一前瞻性問題，并經(jīng)過不懈努力攻克重重難關(guān)，最終讓單克隆抗體的制備成為可能，為此獲得了1984年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。青霉素的發(fā)現(xiàn)是弗萊明在實(shí)驗室中從現(xiàn)象到疑問，再從實(shí)驗到獲得成功的經(jīng)典案例。這些科研成果為醫(yī)學(xué)的發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。

帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗室，引導(dǎo)他們像科學(xué)家一樣大膽猜想并嘗試設(shè)計與實(shí)施實(shí)驗。教師對學(xué)生產(chǎn)生的有價值的想法進(jìn)行指導(dǎo)，并提供相應(yīng)的條件讓學(xué)生動手操作，無論成功與失敗，對學(xué)生來說都會有收獲。例如，在探究溫度對酶活性的影響中，有的學(xué)生對教學(xué)中設(shè)計的實(shí)驗步驟提出疑問：實(shí)驗步驟中最后用碘液檢測反應(yīng)物是否存在作為判斷依據(jù)，能否改為先將碘液和淀粉混合，再通過實(shí)驗觀察每組實(shí)驗中藍(lán)色消失的情況以判斷酶的作用。這個問題提得非常好，可見課堂上學(xué)生是積極思維的，該問題本可以在課堂上討論解決，但讓學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗室自行設(shè)計實(shí)驗進(jìn)行驗證，最后的答案是否定的。實(shí)驗發(fā)現(xiàn)由于高溫會使碘液揮發(fā)，從而不能得出科學(xué)的結(jié)論。學(xué)生的想法在實(shí)驗中得到了證實(shí)，興奮之情溢于言表，對所學(xué)知識的理解更加深刻。其實(shí)，教材中的科學(xué)史材料，也可以讓學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗室通過實(shí)驗開展教學(xué)，讓學(xué)生真正做到像科學(xué)家一樣開展實(shí)驗，例如揚(yáng)·英根豪斯探究光合作用必需有光的實(shí)驗，薩克斯研究光合作用產(chǎn)物是淀粉的實(shí)驗等，通過實(shí)驗?zāi)芨玫嘏囵B(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神、積極思維的習(xí)慣及提升動手能力。

2 還原科學(xué)發(fā)現(xiàn)的本真，理解知識形成的過程

科學(xué)史中滲透著科學(xué)家探索與發(fā)現(xiàn)生命現(xiàn)象及規(guī)律的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S，科學(xué)家的思維方式與邏輯推理過程應(yīng)是科學(xué)史教學(xué)的重點(diǎn)。一方面，它可幫助學(xué)生了解所學(xué)知識的形成過程及其本質(zhì)，另一方面，也讓學(xué)生了解科學(xué)家在面對困難時是如何改變探索思路最后獲得成功，樹立不盲從于權(quán)威并勇于質(zhì)疑的精神。

例如，在DNA 是遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)過程中，格里菲思的肺炎雙球菌體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗應(yīng)是引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣推理思辨的經(jīng)典史料。實(shí)驗結(jié)論S型細(xì)菌中可能存在著某種轉(zhuǎn)化因子是格里菲思經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评矶_定的。最初的分析有多種可能：S 型菌的出現(xiàn)可能是R 型菌基因突變的結(jié)果；可能是S 型菌加熱殺死不徹底的殘留體起死回生的結(jié)果；也可能是S 型菌中某種物質(zhì)進(jìn)入R型菌體內(nèi)導(dǎo)致的。根本原因是什么？引導(dǎo)學(xué)生分析思辨如下：如果是R 型菌基因突變的結(jié)果，則第4組實(shí)驗中應(yīng)只有部分小鼠死亡，因為基因突變具有低頻性。如果是S 型菌加熱殺死不徹底，將第3組實(shí)驗中加熱殺死的菌液分成若干等份，分別注射到多只小鼠體內(nèi)，實(shí)驗結(jié)果也應(yīng)該是只有部分小鼠死亡，這些推理與原實(shí)驗結(jié)論都不吻合。最可能的原因應(yīng)是死亡的S 型菌中可能存在某種轉(zhuǎn)化因子。他的團(tuán)隊沒有研究出來轉(zhuǎn)化因子是什么，給出的結(jié)論也只能是一種猜測。雖然沒有得到最終結(jié)論，但它給后人的研究指明了方向。如果教學(xué)中只是將格里菲思的實(shí)驗結(jié)論告知學(xué)生，學(xué)生就不能體會到像科學(xué)家一樣嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评砗退急娴臉啡?，課堂顯得平淡無趣。教學(xué)中，教師對經(jīng)典的史料進(jìn)行精心設(shè)計，在提供經(jīng)典史料及數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生猜想、思辨，最好能設(shè)計并重演原始實(shí)驗。這樣的課堂生動有趣，學(xué)生的思維被激活，氣氛活躍，有些學(xué)生還會提出更深刻的問題引起大家的討論，從而真正達(dá)到培養(yǎng)能力和理解真知的目的。精心設(shè)計的科學(xué)史教學(xué)能幫助學(xué)生形成遇到問題會積極思維、推理判斷、提出問題的好習(xí)慣。DNA 分子研究史中的艾弗里、蔡斯、赫爾希等科學(xué)家對DNA 是遺傳物質(zhì)的研究素材，沃森、克里克提出DNA 分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)，布倫納與克里克證明遺傳密碼是并不重疊、無逗點(diǎn)的三聯(lián)體的推理過程等都巧妙得讓人驚嘆，以及尼侖伯格團(tuán)隊破譯密碼子等，研究和思辨過程都充滿了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬓院涂茖W(xué)性。教學(xué)中教師充分還原這些科學(xué)史素材的本真，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣思辨，體會到科學(xué)家在研究過程中的智慧，理解了科學(xué)知識的實(shí)質(zhì)，從而提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

3 學(xué)習(xí)科學(xué)探究的方法，養(yǎng)成理性思維的品格

任何一個生命活動規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和完善與科學(xué)的思想方法及先進(jìn)的實(shí)驗手段的運(yùn)用是分不開的，從某種程度上說科學(xué)的研究思想與方法是科研的精髓。

例如，人們對生物膜模型的建立雖然艱辛而漫長，但應(yīng)是先進(jìn)的思想方法與技術(shù)手段的革新而獲得成功的經(jīng)典案例。到1895年，歐文頓已經(jīng)用500 多種化學(xué)物質(zhì)對植物細(xì)胞膜的通透性進(jìn)行了上萬次的試驗，發(fā)現(xiàn)凡是可溶性脂質(zhì)比不溶于脂質(zhì)的物質(zhì)更容易進(jìn)入細(xì)胞，于是他提出膜由脂質(zhì)組成的假說；1925年，荷蘭生物學(xué)家歌特與格侖德爾將哺乳動物成熟紅細(xì)胞的膜提取出來漂于水面，發(fā)現(xiàn)鋪開的表面積是紅細(xì)胞表面積的2 倍，于是發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜具有雙分子層結(jié)構(gòu)；20世紀(jì)30年代，電子顯微鏡的發(fā)明加快了人們對膜的認(rèn)識，人們可直觀地觀察到膜有2 層磷脂分子；1953年，丹尼爾和戴維森提出單位膜的空間結(jié)構(gòu)模型；1959年，羅伯特森用電鏡觀察到了細(xì)胞膜暗-亮-暗3 層結(jié)構(gòu)，結(jié)合其他科學(xué)家的科研成果，提出了生物膜的“單位膜”模型；1970年，埃迪登用紅色和綠色熒光素分別標(biāo)記人和小鼠細(xì)胞膜表面蛋白質(zhì)，并進(jìn)行融合培養(yǎng)，提出了膜具有一定的流動性；隨著研究技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家又采用冰凍蝕刻技術(shù)將膜撕開，使2 層磷脂分開，暴露出膜的真面目；直到1972年，桑格和尼克森在單位膜模型的基礎(chǔ)上提出了膜的“流動鑲嵌模型”，強(qiáng)調(diào)了膜的流動和膜蛋白質(zhì)分子的不對稱性，并為多數(shù)科學(xué)家所接受［3］。在對生物膜的認(rèn)識過程中，科學(xué)研究的思維方法、實(shí)驗手段及實(shí)驗儀器的改進(jìn)對科研成功都起著至關(guān)重要的作用。

在生命科學(xué)史中，這樣的案例舉不勝舉。孟德爾和摩爾根分別采用假說-演繹法發(fā)現(xiàn)了三大遺傳學(xué)定律和得出了基因位于染色體上的重大結(jié)論；薩頓用類比法提出了基因和染色體成平行關(guān)系的觀點(diǎn)；魯賓和卡門、卡爾文、蔡斯和赫爾希等通過同位素標(biāo)記法研究生物體內(nèi)的生理變化；沃森、克里克通過建模的方法提出了DNA 分子的完美的雙螺旋結(jié)構(gòu)；美國生態(tài)學(xué)家林德曼通過定量分析法對天然賽達(dá)伯格湖的能量流動進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)能量流動的特點(diǎn)及其傳遞效率；1983年，美國生物學(xué)家穆利斯發(fā)明的PCR 技術(shù)推動了基因工程的發(fā)展；1985年，伍德發(fā)明的自動測序儀極大提高了人類基因組測序速率；1996年，文特爾和伍德通過改進(jìn)方法，并綜合運(yùn)用超級計算機(jī)、生物信息學(xué)和生物技術(shù)學(xué)等，提前4年完成了人類基因組測序計劃。

在科學(xué)研究的道路上，科學(xué)研究的思想方法和先進(jìn)技術(shù)手段的應(yīng)用是推動科學(xué)進(jìn)步的催化劑。教學(xué)中教師傳授的不僅是知識，更重要的是要教會學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家科學(xué)研究時的思維方式和尋找新的科研手段進(jìn)行研究的過程。在科學(xué)史的教學(xué)中，讓學(xué)生掌握相關(guān)的生物學(xué)知識的同時學(xué)會科學(xué)家開展科學(xué)研究的一般方法。對于教材中的史料實(shí)驗，有條件的學(xué)校，可讓學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗室，親歷實(shí)驗過程；也可在課堂中提供相關(guān)素材，學(xué)生通過設(shè)計實(shí)驗、分析實(shí)驗、評價實(shí)驗等多方面開展訓(xùn)練，真正參與科學(xué)探究，培養(yǎng)理性思維能力和學(xué)科素養(yǎng)。

4 認(rèn)識科學(xué)發(fā)展的艱辛，樹立科學(xué)的世界觀

在生命科學(xué)史的發(fā)展過程中，每一項重大科研都漫長而艱辛，其成果都展示了科學(xué)家在探究知識的過程中觀點(diǎn)的碰撞和論爭，科研思想、實(shí)驗對象、實(shí)驗方法選擇方面的求同存異，呈現(xiàn)了科學(xué)家的科學(xué)態(tài)度、合作精神和科學(xué)的世界觀。

例如，對光合作用生理過程的研究凝結(jié)著科學(xué)家艱辛的勞動，沒有堅忍不拔的毅力和不畏艱險的精神是不可能成功的。從對光合作用初步的了解到深入研究，直到生理機(jī)制揭示的歷史過程就是植物生理學(xué)產(chǎn)生和發(fā)展的歷史。從范·海爾蒙特通過5年的實(shí)驗提出了植物的生長需要水；普利斯特萊發(fā)現(xiàn)植物可以更新空氣；楊·英根豪斯通過500 多次實(shí)驗發(fā)現(xiàn)綠色植物更新空氣必需有光；梅耶提出綠色植物可將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來；薩克斯通過“氣泡法”測定植物光合作用強(qiáng)度及用“半葉法”證明光合作用產(chǎn)生淀粉；恩吉爾曼證明光合作用場所是葉綠體；直到20世紀(jì)30年代以后，魯賓、卡門、卡爾文等用同位素標(biāo)記法探究光合作用過程中物質(zhì)變化的生理過程。可見對光合作用的研究是多位科學(xué)家共同努力的結(jié)果。其實(shí)直至今天，人們尚未完全揭開光合作用的全部面紗。再如孟德爾用了8年時間進(jìn)行植物體雜交實(shí)驗，其實(shí)驗過程中工作量之大無人知曉，但他一直默默無聞地工作著，頑強(qiáng)的毅力和堅持不懈的精神讓他獲得了成功，在他去世16年后他的研究成果才得到其他科學(xué)家的證實(shí)。沃森和克里克的DNA 分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建被視為遺傳學(xué)史上具有劃時代意義的里程碑，但查哥夫、鮑林、威爾金斯和富蘭克林等人的研究成果也為DNA 分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型建立作出了貢獻(xiàn)?！爸行姆▌t”的修正與完善過程，“生長素”的發(fā)現(xiàn)過程前后大約經(jīng)歷了80年等，這些生物學(xué)中的成果都充滿了科研團(tuán)隊的汗水，可見科學(xué)的發(fā)展是艱辛和無止境的［3］。

由此可讓學(xué)生體會到科學(xué)的發(fā)展是一個不斷發(fā)現(xiàn)、不斷修正而致知的過程。在生命科學(xué)發(fā)展的歷史長河中，每個知識的形成都是科學(xué)團(tuán)隊共同努力的結(jié)果，每階段的研究都是對以前的理論提出的挑戰(zhàn)與補(bǔ)充，這是一種進(jìn)步，眾多科學(xué)家研究的小進(jìn)步匯成了科學(xué)前進(jìn)的一大步。同時，科學(xué)研究過程有時也會走彎路，也可能會犯錯誤，歷史會作出實(shí)事求是、客觀的評價。其實(shí)，人類對自然科學(xué)的研究始終在路上，這也正是科學(xué)研究中一種美的所在。

5 豐富科學(xué)史課堂形式，提升史料的教育價值

課程標(biāo)準(zhǔn)明確指出，高中生物學(xué)教學(xué)中要求注重科學(xué)史的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。生命科學(xué)史教學(xué)中忌只強(qiáng)調(diào)結(jié)果性的教學(xué)，忽略概念、定律和理論形成的過程性講解，導(dǎo)致學(xué)生對知識形成的認(rèn)識不夠深刻；或只講故事性的生命科學(xué)史以吸引學(xué)生興趣，不深入講解研究的思想和方法，導(dǎo)致學(xué)生的科學(xué)思維能力得不到應(yīng)有提升。如何有效發(fā)揮生命科學(xué)史在中學(xué)生物學(xué)教學(xué)中的功能，教師應(yīng)因地制宜，充分利用相關(guān)素材科學(xué)設(shè)計課堂教學(xué)過程。讓學(xué)生課外查閱相關(guān)資料進(jìn)行學(xué)習(xí)；采用角色扮演，課堂表演匯報等形式進(jìn)行學(xué)習(xí)；最有效的方法當(dāng)屬帶學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗室重演科學(xué)史實(shí)驗過程。教師也可篩選教材中最有價值的史料素材通過微視頻、圖片等多種媒體將原科學(xué)實(shí)驗的設(shè)計、實(shí)驗方法、操作過程、實(shí)驗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)于課堂，精心設(shè)計問題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思維、分析、甚至產(chǎn)生認(rèn)知沖突，再經(jīng)過邏輯推理，最后厘清事件發(fā)生的過程，從而掌握相關(guān)知識本質(zhì)?？茖W(xué)史應(yīng)是教師深度挖掘并進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和提升理性思維能力的重要素材。

生命科學(xué)史的教學(xué)對于提高學(xué)生核心素養(yǎng)具有重要作用，教學(xué)中教師需利用自己的智慧對史料進(jìn)行加工，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度思考，體會知識形成的過程，學(xué)習(xí)科學(xué)家的思想與方法、邏輯思維過程等，達(dá)到真正提升核心素養(yǎng)的目的。