生物科学史在高中生物教学中的教育价值探索

卞璇璇

[摘要]虽然生物科学史有着重要的教育价值，但由于多方面的限制，不可能以生物科学史为高中生物教材的编写蓝本，且现行的高中生物教材中介绍的大量生物科学史的有关内容也没有得到应有的重视。经过教学研究和论证，可以从增强学生的历史感、培养学生的质疑精神、体会科学探究过程、学习科学方法这四个方面发掘生物科学史在高中生物教育教学中的价值。

[关键词]生物科学史；高中生物；教育价值

生物科学史展示了生命科学的发生、发展历程，以及人们对生命的认识与思考，它既是一部科学探究的历史，也是一部思想发展的历史。生物科学史由生物学的理论和事实构建而成，又与科学探究相伴成长。近年来，越来越多的人意识到生物科学史对生物教育具有重要的价值和意义。但是，在教学实践中生物科学史往往被当成包裹生物知识的“糖衣”。究其原因是，人们对生物科学史的教育价值和教育方式认识不够。这种现象在高中生物教学中尤为明显。

高中课程关注的是学生的全面发展，力求提高学生的核心素养和终身学习能力。《普通高中生物课程标准》在“课程目标”中提出了“获得生物学基本事实、概念、原理、规律和模型等方面的基础知识，知道生物科学与技术的主要发展方向和成就，知道生物科学发展史上的重要事件”的要求，并且列举实例强调了“科学是一个发展的过程。学习生物科学史能使学生沿着科学家探索生物世界的道路，理解科学的本质和科学研究的方法，学习科学家献身科学的精神。这对提高学生的科学素养是很有意义的”，还特别说明“对于课程标准中没有列出的其他生物科学史实也应注意引用”。在不同版本的高中生物教材中也都很好地体现了这一目标，有的甚至巧妙地按科学发展的历史线索来安排教材内容，例如人教版必修2《遗传与进化》以及必修1《分子与细胞》的某些章节。

但是长期以来，高中生物一线教师并不重视教授生物科学史的内容，即使偶有教授，其教学思路狭窄、创造性不强、照本宣科也成为很普遍的现象，最终导致学生在学习生物基本概念和原理时往往重结果而轻过程，常知其然而不知其所以然。多数学生没能真正理解知识的来龙去脉，尤其是对蕴含在其中的科学思想与方法更是知之甚少，所学知识肤浅，不能从历史发展的角度来把握学科的知识体系，学习效果不尽如人意。基于此，笔者从以下四个方面发掘生物科学史在高中生物教学中的教育价值，以促进高中生物科学史教学有效开展。

一、增强学生的历史感

弗朗西斯培根曾说过：“读史使人明智。”在高中生物教学中融合生物科学史，可以让学生以历史的眼光看待生物学。以进化论为例，无论是在生物教学中还是在生物学史上，进化论都占据着十分重要的地位，又以达尔文在1859年提出的“进化论”最为著名。恩格斯评价达尔文的进化论是"19世纪自然科学的三大发现之一”，后人评价进化论是“思想史上划时代的理论”。要理解达尔文的进化论为什么有这么重大的意义，就有必要了解有关进化问题的历史发展。

几千年来，人类一直在思考一个问题：我们是谁？从哪里来？公元前5世纪的古希腊，阿纳西曼德就曾提出“人是从那些似鱼的生物中产生出来的，人在胚胎期仍然保留着似鱼生物的形态，直到成熟”。《庄子·寓言》里则提到“万物皆种也，以不同形相禅”。但是，我们不能把他们看成是进化论的先驱，由于缺乏事实的根据，这些天才的想象很快就被历史的轨迹淹没了。在这期间，人类一直在探求生命起源以及演变的问题，事实上，经历了两千多年的时间，花费了无数生理学家与博物学家的心血，才收集到足够的观察与实验证据，使得进化论观念被科学家接纳。其中包括从公元4世纪就开始在西方世界占統治地位的“神创论”、中世纪经院哲学的“上帝造万物说”、18世纪法国生物学家拉马克的“用进废退”理论、18至19世纪法国古生物学家居维叶对化石的研究等。我们可以将他们的工作称之为“进化论上演前的序幕”。

进化论是达尔文跟随“贝格尔号”环球航行5年，积累了大量的第一手资料并受马尔萨斯的《人口论》的启发而提出的。达尔文的进化论将统治西方思想长达一千多年的“上帝”请出了生命现象的研究领域。在高中生物教学中，只有引导学生了解这些背景知识，才能使学生真正理解达尔文进化论的本质意义，进而增强学生的历史感。

二、培养学生的质疑精神

科学家的品质中，质疑是最为可贵的品质之一。质疑是对不确定的事物持怀疑态度，而人类对世界的认识是一个无限的过程，是一个从不知到认知再到新的认知的循环过程，甚至有时候人们的认识是在真理和谬误的交替中发展的，而那些看似唾手可得的真理实际上却需要经历几个世纪甚至十几个世纪的累积才能完成，而且科学的产生也离不开历史的条件。因此，生物科学教育，不能只是简单的生物知识的介绍与记忆，而应在各种促进发展的活动中培养学生的质疑精神、批判意识和求异精神。

例如，在高中生物教学中，教师可进行相关的科学史教学，渗透质疑精神的培养。如20世纪20年代，人们对于蛋白质的结构已经有了一定的认识，各种氨基酸通过脱羧反应形成种类多样的蛋白质，这样自然让人们想到氨基酸多种多样的排列顺序可能蕴含着遗传信息。1928年，英国科学家格里菲斯通过肺炎双球菌的体内转化实验证明了S型细菌体内含有某种“转化因子”。1944年，美国科学家艾弗里通过肺炎双球菌的体外转化实验最终证明了DNA是遗传物质。但是，由于艾弗里实验中提取出的DNA纯度最高时也还有0.02%的蛋白质，因此仍有科学家对此结论表示怀疑。1952年，赫尔希和蔡斯用T2噬菌体作为实验材料，运用同位素标记法完成了更有说服力的实验。后来，又有科学家证明了RNA在某些病毒中也可以作为遗传物质。从中，学生体会到了科学探究进程中质疑精神的重要性。

三、体会科学探究过程

[案例]赫尔希和蔡斯的研究表明DNA是遗传物质，只有DNA参与噬菌体的复制过程。随之而来的问题是：噬菌体是如何完成复制的？DNA分子到底具有什么样的性质使它可以进行复制？生物体的功能和结构是紧密联系在一起的，想要了解其功能，必须揭示其结构。作为载体的DNA分子，应具有怎样的结构才能担负储存遗传信息的任务呢？对这个问题的研究，从20世纪50年代一直延续到20世纪60年代中期。正是在这个时期，科学家们将生化遗传学的研究成果与对大分子的研究成果结合了起来，从而推导出DNA的实际结构，及DNA的许多功能特性。沃森和克里克的工作在这一时期占据了重要的地位。沃森善于集思广益、博采众长，善于用他人的思想充实自己，善于在科学家之间建立有益的互相合作关系；克里克有不断谈论和思考的习惯，能够吸引其他科学家一起探讨问题。沃森是噬菌体遗传学家，对遗传物质感兴趣，克里克不仅了解x射线结晶学，还有研究蛋白质分子结构的经验，也对基因的结构与生物学功能很感兴趣。他们的共同之处就是都对研究生物学大分子的结构感兴趣。endprint

沃森和克里克都阅读过物理学家薛定谔的著作《生命是什么》。在该书中，薛定谔的重要思想是生命物质的运动必然服从于已知的物理学定律。遗传和变异的实质性问题是信息传递问题，即信息如何被编码？从一代细胞到另一代细胞，其传递是如何保持稳定的？偶然的变异究竟如何产生？他预测：必定有一种由同分异构的连续体构成的非周期性晶体，其中含有大数量的排列组合，从而构成遗传密码的稿本。他在书中还提出“对遗传物质的正确认识不可能直接通过物理学来获得”，只能“在生理学和遗传学指导下”通过生物化学的进展而获得。沃森和克里克共同的志趣使他们决定研究DNA的结构（当时，赫尔希和蔡斯还未进行DNA是遗传物质的判决性实验），并且打算设计一种模型来解释DNA的自我复制和指导蛋白质合成的功能。

沃森和克里克在研究时所掌握的基本资料有英国生物物理学家威尔金斯及其同事富兰克林等，用x射线衍射方法（一种在原子水平上间接观测晶体物质的分子结构的方法）获得DNA晶体结构的资料：DNA结构的螺旋周期性（DNA分子由许多亚单位的堆积层组成，这些亚单位具有规则的螺旋状几何形状，每3.4×10。m重复一次）、碱基的空间取向等；DNA分子是长链的多聚体，其直径保持恒定不变。这方面的资料对沃森和克里克构建DNA双螺旋结构模型起了关键性的作用。

建立模型需要考虑以下因素：DNA分子中核苷酸的排列方式、核苷酸链的条数、碱基之间的连接方式。在研究的过程中，三个观点影响了沃森和克里克的思路。一是剑桥大学年轻数学家约翰格里菲斯通过帮助沃森和克里克计算DNA分子中相同碱基间的吸引力，发现不是相同碱基间相互吸引，而是不同碱基之间相互吸引，从而让克里克看到了另一种可能性，即碱基的互补配对。二是生化学家埃尔温查哥夫应用紫外分光光度法结合纸层析等技术对不同来源的DNA进行了碱基定量分析，得出了组成DNA的四种碱基的比例关系。他的发现启发了克里克。克里克终于认识到不同类型的碱基配对可能是DNA分子结构的基础，这一重要认识揭示了DNA分子如何被维系在一起，以及如何自我复制。三是来自莱纳斯鲍林对于蛋白质a-螺旋的研究，重要的并不是这项研究的内容，而是这项研究中所采用的方法。鲍林提供了一个独特的查看分子纬度的物理方法，即先据理论建立模型，再用x射线衍射结果来检验模型。沃森和克里克采用了这种方法，他们建立了一大堆嘌呤碱基和嘧啶碱基模型，以确定什么样的纬度和排列才能既符合形成氢键的要求，又符合查哥夫的碱基组成规律。经证明，这种方法非常有效，他们从而提出了多种可供选择的模型，并将模型与x射线衍射图像进行对比和检验，观察是否会有某些相关性。

经过不停地试错和调整以及验证，最终沃森和克里克成功构建了DNA结构模型，并于1953年4月在《Nature》雜志的一篇短文中对外公布。这个模型有两条螺旋链构成，它们彼此缠绕如同螺旋的楼梯，阶梯由配对的碱基构成，磷酸一脱氧核糖骨架分布在外侧；两条链彼此互补，遵循碱基互补配对原则。最后，鲍林又更正G和C之间是以三个氢键相连而非两个氢键。沃森和克里克对DNA结构的阐明，使长期以来神秘的基因变成了真实的分子，从而诞生了分子遗传学。

由上述案例可知，沃森和克里克提出的“DNA分子的双螺旋结构模型”是在综合前人各种相关研究成果和自己的创造性思考提出的，这些探索的过程会给学生以很大的启发，从而有效培养学生的科学探究精神。

四、学习科学方法

孟德尔的遗传定律是高中生物的重要内容。孟德尔揭示遗传定律的过程表明，要在科学研究中取得成果，不仅需要持之以恒的意志和执着精神，还必须有正确的研究方法。为此，教师应结合相关的科学史引导学生学习科学学习方法。

1843年，孟德尔来到奥地利的布隆，成为一名修道士，在修道院里他利用一块园地进行豌豆杂交实验，经过8年的尝试和数据分析，他终于发现了生物遗传的规律。在孟德尔之前也有很多学者从事植物杂交实验，但为什么只有孟德尔发现了遗传规律呢？

与那些早期研究者相比，孟德尔的成功有以下三个原因：首先他选择了合适的实验材料。孟德尔从豆科植物中选择了自花传粉、闭花授粉的豌豆作为杂交实验的材料。杂交实验从纯种出发，是他实验成功的保证，只有这样才能得到具有研究价值、可分析的杂种。而且豌豆花的结构特点使得用人工方法去雄和异化授粉很方便。此外，他还对豌豆进行了品种和性状的选择，选择有明显差异且稳定的相对性状。

其次，孟德尔在实验中遵循了从简单到复杂的原则，先研究一对相对性状的杂交实验，最大限度地排除各种复杂因素的干扰，发现了分离定律；再研究两对相对性状的杂交实验，发现了自由组合定律。他还首创了测交的方法，巧妙地设计测交实验，证明他的假设是正确的，而且他的方法令人信服。

最后，孟德尔对杂交实验的子代性状进行精确的统计分析，分类、计数、数学归纳，他甚至从一个简单的二项式展开式的各项系数中找到了豌豆杂交实验显示出的规律。

综上可知，生物科学史在高中生物教学中具有重要的教育价值，教师在教学中应充分发挥其教育价值，进而培养学生的生物学核心素养。

（责任编辑 黄春香）endprint