例談如何將科學(xué)史融入生物課堂教學(xué)

例談如何將科學(xué)史融入生物課堂教學(xué)

摘要老師在高中生物教學(xué)中充分發(fā)掘并利用生命科學(xué)史資源的教育價值，設(shè)計課堂教學(xué)新思路和開拓課堂教學(xué)新途徑，從而提高同學(xué)的生物科學(xué)素養(yǎng)。圍圍著該主題，結(jié)合教學(xué)實踐中的一些課例，淺談如何將科學(xué)史融入生物課堂教學(xué)。

關(guān)鍵詞科學(xué)史教學(xué)生物學(xué)教學(xué)科學(xué)方法

中圖分類號G633.91文獻(xiàn)標(biāo)識碼B

在人教版現(xiàn)行的高中生物教材中很多章節(jié)都滲透著生物科學(xué)史的內(nèi)容。無可厚非，科學(xué)史的教育在培育同學(xué)的情感、態(tài)度與價值觀的目標(biāo)上有著舉足輕重的作用。例如，體會討論生命科學(xué)的價值，感受科學(xué)家們崇高的精神境界，養(yǎng)成敢于質(zhì)疑、嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度，培育探究意識和創(chuàng)新精神等。然而如何讓生命科學(xué)史教育在學(xué)問與技能、過程與方法這兩個維度的教學(xué)目標(biāo)中也充分體現(xiàn)其價值，則值得老師探究和追尋。

利用科學(xué)進(jìn)展史，能為素養(yǎng)教育課堂服務(wù)，充分培育和提高同學(xué)的科學(xué)探究力量和生物科學(xué)素養(yǎng)，實現(xiàn)教學(xué)模式和學(xué)習(xí)方式的重大變革。筆者結(jié)合教學(xué)實踐，以必修二《遺傳與進(jìn)化》中的幾節(jié)課的教學(xué)設(shè)計為例，談?wù)勅绾螌⒖茖W(xué)史融入課堂教學(xué)。

1在科學(xué)史中領(lǐng)悟科學(xué)方法，并實現(xiàn)方法的遷移運(yùn)用

從“孟德爾的豌豆雜交試驗”到“基因在染色體上”，實現(xiàn)假說-演繹法在遺傳學(xué)上的遷移運(yùn)用。

孟德爾兩大遺傳定律的發(fā)覺離不開科學(xué)的試驗設(shè)計程序以及重要的討論方法――假說-演繹法。孟德爾先進(jìn)行了一對相對性狀的豌豆雜交試驗，用純種的高莖豌豆與純種的矮莖豌豆雜交，發(fā)覺子一代全是高莖的；接著讓子一代的高莖豌豆自交，得到的子二代中有高莖也有矮莖，并且消失3∶1的性狀分別比。他在試驗和觀看的基礎(chǔ)上發(fā)覺并提出問題：子一代為什么全是高莖，矮莖性狀哪去了？為什么子二代中又消失了兩種性狀，并且分別比都接近于3∶1？他對提出的問題嘗試作出回答，即作出假設(shè)：“在生物的體細(xì)胞中，掌握同一性狀的遺傳因子成對存在，不相融合；在形成配子時，成對的遺傳因子發(fā)生分別，分別后的遺傳因子分別進(jìn)入不同的配子中，隨配子遺傳給后代?！碧岢龅募僬f不僅要合理地解釋已有的試驗現(xiàn)象，還必需能對其他的試驗結(jié)果進(jìn)行猜測。在此基礎(chǔ)上，他又設(shè)計了一個測交試驗，實際上也就是演繹推理的過程，用提出的假說預(yù)期測交試驗（F1與隱性純合子雜交）的結(jié)果。最終孟德爾通過實施測交試驗，觀看、測量試驗結(jié)果，與預(yù)期進(jìn)行比較，從而對假說的正確性作出推斷：假如實際結(jié)果與預(yù)期結(jié)果相符，就可以證明假說是正確的；否則，就說明假說有弊端，須修正和補(bǔ)充。

在同學(xué)體驗了假說-演繹法之后，老師可引導(dǎo)同學(xué)連續(xù)將這種討論方法應(yīng)用于“基因在染色體上”的學(xué)習(xí)，作為老師貫穿教學(xué)的主線索。薩頓發(fā)覺基因和染色體的行為在形成配子和受精過程中存在明顯的平行關(guān)系，從而推出基因在染色體上。這就是發(fā)覺并提出問題的階段。隨后摩爾根利用果蠅進(jìn)行了雜交試驗。他將紅眼雌果蠅與白眼的雄果蠅雜交，子一代無論雌雄個體全為紅眼，于是他讓子一代果蠅自由交配，子二代中消失紅眼果蠅和白眼果蠅，比例為3∶1，但白眼果蠅全是雄性的。此時依據(jù)試驗結(jié)果，可以引導(dǎo)同學(xué)思索：果蠅顏色的遺傳是否符合孟德爾的分別定律？（符合，子一代只消失顯性性狀――紅眼；子二代發(fā)生性狀分別，且分別比為3∶1。）但是在該試驗中，白眼的性狀又與性別相關(guān)聯(lián)，這說明白什么？（說明掌握眼色的基因位于性染色體上。）接著引導(dǎo)同學(xué)分析，有哪些可能性？分析可能有三種狀況：（1）掌握眼色的基因在X、Y染色體上都有；（2）掌握眼色的基因在Y染色體上，X染色體上沒有；（3）掌握眼色的基因在X染色體上，Y染色體上沒有。然后引導(dǎo)同學(xué)針對每種狀況再詳細(xì)分析：（1）掌握白眼的基因是偶然發(fā)覺的，很可能是基因突變，假如X、Y兩條染色體上都存在掌握眼色的基因，同時發(fā)生突變的概率是很低的；（2）假如掌握眼色的基因只位于Y染色體上，而X染色體上沒有，理論上子一代中的雄性個體也應(yīng)當(dāng)有白眼的個體，與試驗結(jié)果不相符；（3）剩下最終一種可能性――掌握眼色的基因在X染色體上有，Y染色體上沒有其同源區(qū)段。根據(jù)最終這種可能性畫出遺傳圖解，發(fā)覺可以合理地解釋摩爾根試驗的結(jié)果。這是提出假說的階段。然而到這里是不是就意味著假說成立了？同學(xué)在此之前學(xué)習(xí)孟德爾遺傳定律時已經(jīng)體驗了假說-演繹法，自然明確還要設(shè)計測交試驗進(jìn)行檢驗，才能驗證假說的正確性，這樣才構(gòu)成了假說-演繹法的完整環(huán)節(jié)。

從薩頓到摩爾根，最終證明白“基因在染色體上”，這個探究歷程就是假說-演繹方法的再次應(yīng)用。通過孟德爾遺傳定律學(xué)習(xí)過程中假說-演繹法的初體驗，到同學(xué)能仿照、追隨科學(xué)家的設(shè)計思想，親自嘗試科學(xué)討論方法的運(yùn)用，充分發(fā)揮了同學(xué)的學(xué)習(xí)主動性及探究力量。

2通過還原科學(xué)史，加深同學(xué)對生命本質(zhì)的理解和熟悉

DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型對于高中同學(xué)來說，是一個微觀抽象的概念。在教學(xué)中如何化微觀為宏觀，化抽象為形象，是老師面臨的一項挑戰(zhàn)。利用科學(xué)發(fā)覺史協(xié)作模型建構(gòu)的教學(xué)方式，關(guān)心同學(xué)身臨其境地體驗DNA分子模型的建構(gòu)過程，從而加深其對DNA分子結(jié)構(gòu)的理解。

首先老師為同學(xué)創(chuàng)設(shè)問題情境：20世紀(jì)30年月，科學(xué)界對DNA的熟悉基礎(chǔ)是：“組成DNA分子的基本單位是脫氧核苷酸，一分子脫氧核苷酸是由1分子磷酸、1分子脫氧核糖和1分子含氮堿基組成”。由于組成DNA的含氮堿基有四種，因此脫氧核苷酸也有四種。讓同學(xué)利用模具進(jìn)行相應(yīng)的拼接，這是模型建構(gòu)的第一步――建構(gòu)脫氧核苷酸的模型。

當(dāng)時的人們還知道，DNA是由很多個脫氧核苷酸連接而成的長鏈，每個脫氧核苷酸通過磷酸與上一個脫氧核苷酸的脫氧核糖相連，并通過自身的脫氧核糖與下一個脫氧核苷酸的磷酸相連。接著讓同學(xué)在前面的基礎(chǔ)上把單個脫氧核苷酸串成一條脫氧核苷酸鏈，這是模型建構(gòu)的其次步。

接下來是模型構(gòu)建的第三步――建構(gòu)DNA的空間結(jié)構(gòu)，要解決如下幾個問題：（1）DNA分子是幾條鏈構(gòu)成的呢？依據(jù)威爾金斯和富蘭戈林供應(yīng)的DNA的分子X射線的衍射圖譜，科學(xué)家得出DNA分子呈螺旋結(jié)構(gòu)，同時測算出DNA分子即使翻轉(zhuǎn)180°，看起來還和原來一樣。在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)同學(xué)分析，脫氧核苷酸鏈?zhǔn)怯蟹较虻摹＜偃鏒NA是一條鏈組成的，不行能得出這樣的結(jié)論；假如DNA分子含兩條鏈，同向排列依舊與該結(jié)論不符；假如DNA分子由三條鏈組成，無論方向如何，翻轉(zhuǎn)180°后都不行能與之前相同。因此推出DNA分子由兩條方向相反的鏈組成。（2）兩條鏈中堿基排列在外側(cè)還是內(nèi)側(cè)呢？老師供應(yīng)當(dāng)時的討論資料：堿基具有疏水性，磷酸和脫氧核糖具有親水性。啟發(fā)同學(xué)參考前面學(xué)過的細(xì)胞膜流淌鑲嵌模型中磷脂分子的排布方式，類比推理得出結(jié)論：堿基排列在鏈的內(nèi)側(cè)。事實上，當(dāng)時富蘭克林依據(jù)X射線的衍射圖譜，也推算出磷酸和脫氧核糖應(yīng)排在外側(cè)。（3）堿基如何配對呢？是相同的堿基配對（如A與A配對，C與C配對）？還是同類堿基配對（如嘌呤與嘌呤配對，嘧啶與嘧啶配對）？還是其他的狀況呢？依據(jù)當(dāng)時科學(xué)家們供應(yīng)的數(shù)據(jù)：嘌呤堿基在分子結(jié)構(gòu)上要比嘧啶大。而且此時查哥夫又帶來了一個重要的信息：腺嘌呤的量總等于胸腺嘧啶的量，鳥嘌呤的量總等于胞嘧啶的量。于是到這里，同學(xué)們基本可以想到，A與T配對，G與C配對。最終老師引導(dǎo)同學(xué)在已獲得的學(xué)問基礎(chǔ)上連續(xù)建構(gòu)DNA的空間結(jié)構(gòu)模型。

通過還原DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的發(fā)覺歷程，讓同學(xué)親身體驗并參加了模型建構(gòu)的過程，不但使同學(xué)深刻地把握了與DNA分子結(jié)構(gòu)有關(guān)的學(xué)問，還增加了其處理科學(xué)信息的力量及動手力量。

3在科學(xué)史教育中滲透試驗設(shè)計的一般原則和技術(shù)手段，提高試驗探究力量

有人說，科學(xué)史的教學(xué)是“紙上談兵”，沒有真刀真槍的演練無法真正達(dá)到試驗探究的效果。但筆者認(rèn)為，假如科學(xué)史教育應(yīng)用得當(dāng)，即使沒有試驗操作，也可以達(dá)到探究效果，同樣可以培育同學(xué)的試驗設(shè)計力量。例如在發(fā)覺“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”的探究歷程中，幾位科學(xué)家的試驗討論中就滲透著試驗設(shè)計的一般原則，如對比原則、掌握單一變量原則、排解干擾因素原則以及如何選材的原則等。

“DNA和蛋白質(zhì)，畢竟哪一種是遺傳物質(zhì)”，這曾經(jīng)是生物界爭辯的焦點。進(jìn)行科學(xué)討論時首先遇到的問題是選擇合適的試驗材料，這是試驗取得勝利的關(guān)鍵。老師引導(dǎo)同學(xué)思索：全部的生物都含有蛋白質(zhì)和核酸，選擇什么樣的生物作試驗材料比較合適呢？（低等的、簡潔的生物，諸如細(xì)菌、病毒等。由于生物的結(jié)構(gòu)簡潔、含有的物質(zhì)少，分析起來簡便、快捷，比較簡單得出結(jié)論。）不難總結(jié)，幾位科學(xué)家在選材上也都留意到了這一點――格里菲思和艾弗里用肺炎雙球菌做試驗材料，赫爾希和蔡斯用T2噬菌體侵染細(xì)菌，以及后來格勒和歇萊姆用煙草花葉病毒證明RNA是遺傳物質(zhì)。

格里菲思進(jìn)行的肺炎雙球菌的體內(nèi)轉(zhuǎn)化試驗中四個組的不同處理明顯用到了對比的方法，從中得出結(jié)論：“已經(jīng)被加熱殺死的S型細(xì)菌中，必定含有某種促成這一轉(zhuǎn)化的活性物質(zhì)――‘轉(zhuǎn)化因子’，這種轉(zhuǎn)化因子將無毒性的R型活細(xì)菌轉(zhuǎn)化為有毒性的S型活細(xì)菌”。由于細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)含有多種物質(zhì)，所以格里菲思并不清晰轉(zhuǎn)化因子是什么。

隨后艾弗里及其同事對S型細(xì)菌中所含的物質(zhì)進(jìn)行了分別提純，分別將S型細(xì)菌的DNA、蛋白質(zhì)、莢膜多糖以及S型菌DNA和DNA酶的混合物加入含有R型菌的培育基中，結(jié)果發(fā)覺只有分別加入DNA的那一組實現(xiàn)了細(xì)菌類型的轉(zhuǎn)化。正是由于艾弗里在試驗設(shè)計的過程中滲透著對比的思想，嚴(yán)格掌握單一變量，排解各種成分彼此之間的干擾，才讓他們找到了答案：DNA是轉(zhuǎn)化因子。在那個時代，人們寧愿信任結(jié)構(gòu)簡單的蛋白質(zhì)可能是遺傳物質(zhì)，以至于許多人不愿正視艾弗里的試驗結(jié)果，質(zhì)疑的理由是：艾弗里的試驗中提取出的DNA，純度最高時也還有0.02%的蛋白質(zhì)。但是我們今日回望，應(yīng)當(dāng)賜予艾弗里的討論一個客觀的評價：雖然試驗中提取的DNA純度不夠高，但是艾弗里最終一組試驗除了DNA，還加入了DNA酶，它可以降解DNA，使S型菌的DNA不能再進(jìn)入R型菌體內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)化。這實際上是反證法在生物學(xué)中的運(yùn)用，從側(cè)面證明白遺傳物質(zhì)是DNA，只有DNA才能起到轉(zhuǎn)化作用?？偨Y(jié)艾弗利的試驗，把S型細(xì)菌內(nèi)的各種物質(zhì)提純，分別開來討論，體現(xiàn)了排解干擾因素的設(shè)計原則；將多個變量分解為單一變量進(jìn)行討論，這滲透著分組對比和掌握單一變量的試驗設(shè)計原則；最終利用反證法的思想進(jìn)一步證明結(jié)論。

隨后赫爾希和蔡斯在1952年用同位素標(biāo)記技術(shù)，進(jìn)行了T2噬菌體侵染細(xì)菌的試驗。他們選擇了32P和35S這兩種同位素分別對噬菌體的成分標(biāo)記。在此提問啟發(fā)同學(xué):為什么選擇這兩種同位素？它們分別標(biāo)記的是什么成分？改用14C、3H、18O、15N標(biāo)記可以嗎？同學(xué)通過分析明確，科學(xué)家的設(shè)計意圖是把DNA與蛋白質(zhì)分開來單獨討論。用35S標(biāo)記一部分噬菌體的蛋白質(zhì)，用32P標(biāo)記另一部分噬菌體的DNA，然后將這兩批噬菌體分別侵染未被標(biāo)記的大腸桿菌，經(jīng)過短時間的保溫后（讓噬菌體在細(xì)菌細(xì)胞中繁殖），用攪拌器攪拌、離心。由于噬菌體比細(xì)菌小得多，攪拌可使吸附在細(xì)菌上的噬菌體顆粒與細(xì)菌分別，離心后浮在上清液的是留在大腸桿菌細(xì)胞外游離的噬菌體部分，而沉淀物中主要是細(xì)菌及細(xì)菌內(nèi)新形成的噬菌體。接著檢查上清液和沉淀物中放射性物質(zhì)的凹凸以及子代噬菌體的放射性狀況，并進(jìn)行分析，最終得出結(jié)論：噬菌體的蛋白質(zhì)并沒有進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)部，只有噬菌體的DNA才進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，即噬菌體在細(xì)菌體內(nèi)的增殖是在DNA指導(dǎo)下完成的。

事實上，赫爾希和蔡斯與艾弗里采納的方法不同，但卻有著相同的設(shè)計思路：都是設(shè)法把DNA與蛋白質(zhì)分開，單獨地、直接地觀看它們各自的作用，排解彼此之間的干擾。

而后1957年格勒和歇萊姆用煙草花葉病毒進(jìn)行了試驗。煙草感染了它以后，葉子上會消失病斑。這種病毒只有蛋白質(zhì)外殼和內(nèi)部的RNA，并不含有DNA的成分。這與艾弗里、赫爾希和蔡斯在試驗設(shè)計思路上也有異曲同工之妙――將該病毒的RNA與蛋白質(zhì)分開來討論。從病毒中提取出的蛋白質(zhì)不能使煙