例谈如何利用科学史创设教学情境

张琳琳

[摘   要]生物科学史包含大量的科学实验，蕴含着科学思维的严谨性、批判性和继承性，体现科学探索的艰辛过程，是生物教学的优质教学资源之一。利用科学史创设教学情境可以加深学生对核心概念的理解，有效培养学生的科学思维能力。文章以“噬菌体侵染细菌实验”为例谈谈如何利用科学史创设教学情境。

[关键词]科学史;教学情境;噬菌体侵染细菌实验

[中图分类号]    G633.91        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2020）26-0090-03

教材内容的呈现应当有利于学生通过活动建构新知识。有效的教学情境，能够激发学生的好奇心和求知欲，点燃学生的学习热情，使学生形成良好的求知心理，从而使学生主动参与对所学知识的探索发现和认识过程[1]。教学情境创设的方式较多[2]，本文以“噬菌体侵染细菌实验”教学为例谈谈如何利用科学史创设教学情境。

一、 利用科学史创设教学情境的内涵分析

生物科学史包含大量的科学实验，凝结着科学家的智慧，蕴含着科学思维的严谨性、批判性和继承性，也展现了科学探索的艰辛过程，因此成为生物学核心概念形成的源泉，是生物教学的优质教学资源之一。然而，科学的发展是螺旋前进的过程，其中有科学家的困顿，有新发现的欣喜，有坚持传统观念的偏执，有科学实验的深奥。因此，利用科学史创设教学情境，不应是科学事件的简单堆砌，而应当以核心概念为中心对科学史进行研究、甄选和加工，以活泼的方式、清晰的历史路线展现科学史资源，恰当地引导学生进行思维，从而实现教学的基本目标，落实对学生生物学学科核心素养的培养。

利用科学史创设教学情境需要教师关注、选择和收集科学史材料，并对其进行恰当的处理后作为教学情境设计的资料和学生课堂讨论的素材。以“噬菌体侵染细菌实验”教学为例，在创设教学情境时可收集以下科学史材料。

[科学史材料]1915年，英国著名细菌学家Twort在培养化脓性葡萄球菌时发现有些菌落上长了透明斑，从而推测可能是细菌分泌的一种酶将菌体裂解了[3]。1917年，法国D' Herelle以恢复期病人志贺氏痢疾杆菌为材料观察到噬菌现象，并分离出这种能使细菌裂解的过滤因子，命名为“Bacteriophage”，即噬菌体[3]。随着噬菌体研究的深入，发现噬细菌体、噬蓝细菌体和噬放线菌体等，它们广泛存在于自然界中。因此，噬菌体被定义为能够感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒的总称[4-5]。

20世纪40年代是研究噬菌体的重要时期，随着第一批电子显微镜的制造，1941年开始陆续报道出对噬菌体形态的观察。1942年，Luria和Thomas F.Anderson利用电子显微镜首次看到了吸附在细菌表面的噬菌体。次年，美国M.Delbrück（噬菌体学派创始人）也加入到电子显微镜观察噬菌体的行列中，观察到了四株噬菌体侵染大肠杆菌并吸附的过程。1942年，Delbrück和Luria合作，凭借他们良好的物理学训练和物理学研究经历，他们的思想更加解放、更富有创造力，最终分离出大肠杆菌噬菌体T系列、[?]X174等，发现噬菌体的释放是一个爆发过程，包括潜伏期、生长期和裂解释放期，并设计了一步生长实验，测定了烈性噬菌体T2侵染细菌和成熟噬菌体释放的时间间隔，绘制出每个被侵染细胞释放噬菌体的生长曲线，即T2噬菌体一步生长曲线[6]。

噬菌体如何侵染细菌？是何种物质在噬菌体增殖中起作用？1949年，生物化学家Cohen利用同位素标记的方法发现噬菌体几乎全部由蛋白质和DNA组成。同年，美国Anderson发现在高浓度NaCl溶液中噬菌体会失去侵染的活性，利用渗透压的骤变可使噬菌体失活。电子显微镜可清晰地显示被渗透压冲击失活的噬菌体释放DNA的过程，噬菌体成为一个空壳的“幽灵”。1951年，Herriott研究发现渗透压骤变能使噬菌体头部释放DNA，而“空壳”仍可以吸附到细菌上。Benzer Dulbecco于1952年也发现在不引起生长的缓冲液中，噬菌体吸附到细菌上后，其DNA变得对DNA酶敏感了[7]。在前人的基础上，为了更好地验证噬菌体吸附细菌后DNA从外壳中排出，1952年，赫尔希和蔡斯用35S和32P标记的噬菌体吸附细菌碎片，在37 ℃保温30 min，离心15 min，然后对沉淀和上清液分别进行分析，其结果证实了噬菌体DNA具有感染性。

自此，科学家基本上弄清了噬菌体的吸附、侵入、复制、组装、释放这一由亲代到子代的生命周期。1969年，诺貝尔生理学或医学奖授予了德尔布吕克、卢里亚和赫尔希三位遗传学家，以表彰他们“利用噬菌体作为实验材料，发现了病毒的复制机制和基本结构”[8]。

二、依据核心概念进行科学史甄选

情境创设需要根据课程和学生的接受能力做相应的调整，使其具有针对性。笔者认真研究了噬菌体侵染细菌实验的相关历史材料，并根据课程标准和高中生的思维特点，围绕核心概念对科学史事件进行筛选（如表1）。

三、利用科学史创设教学情境

1.利用科学史创设真实的历史情境，激发学习兴趣

真实情境的创设贴近学生的生活或认知范畴，容易激发学生的情感。噬菌体侵染细菌实验以印度恒河为真实情境，展示印度恒河的照片，提供历史资料：200年前，英属东印度公司的货船专门补充恒河水，为什么呢？1896年，英国细菌学家在印度的Gangs和Jumna河的水域中发现一种有明显抗霍乱弧菌的物质，因此恒河水经过几个月的长途航行依然甘甜如初，不会变质。该故事引发了学生的认知冲突，使学生迅速产生探究欲望。

2. 利用科学史设计科学家对话情境，引发学生自主探究

设计多位科学家的自述，体现科学历史发展规律。

德尔布吕克的自述：“我是德尔布吕克，一名原子物理学家。我为生命着迷，但是成天与果蝇打交道实在太难，感谢噬菌体拯救了我。我和卢里亚成立了噬菌体俱乐部来研究噬菌体的生长特点。我们对它的生长进行定量研究，寄主菌和噬菌体的实验结果分析十分简单，实验1天内就能完成，而且技术容易掌握。瞧，这是噬菌体一步生长曲线，你看到了什么？”

Anderson的自述：“1949年注定是我不平凡的一年，我利用电子显微镜观察到因渗透压的骤变而失活的噬菌体呈蝌蚪形的空壳‘幽灵，真不可思议。”

Herriott的自述：“在1951年，我發现渗透压骤变能使噬菌体的DNA释放到溶液中，而‘空壳仍可以吸附到细菌上。难道噬菌体的增殖首先要除去保护性的外壳？”

Benzer Dulbecco的自述：“我发现在不引起生长的缓冲液中，噬菌体吸附到细菌上后，其DNA变得对DNA酶敏感了。难道噬菌体侵染细菌过程中注入的是DNA？天啊，难道噬菌体的遗传物质是DNA？这怎么可能？”

教材中“噬菌体侵染细菌实验”的表述并不能直接激发学生的学习兴趣，而通过历史事件的梳理，学生可以自主构建噬菌体的结构和噬菌体的增殖过程。加工历史资料，用科学家自述的口吻展现科学研究的发展，引导学生做出假设、设计实验、预期结果，从而激发学生自主探究的激情，让原本枯燥的实验数据和实验过程增添一些人文情怀，让学生走近丰满的历史人物，尊重科学的发现历史，培养学生的探究思维和阅读能力。

四、注重图文展示科学史中的重要研究结果

噬菌体侵染细菌实验难以开展学生实验，很难让学生亲身体验实验过程并完成实验结果分析。为此，巧用科学史中的实验结果曲线图展示，能更有效地促进学生对结果的讨论和结论的获得，培养学生实验设计的逻辑严谨性。例如，M.Delbrück的噬菌体侵染大肠杆菌一步生长曲线（如图1），为学生了解噬菌体侵染过程提供直观的生长曲线，让学生感受噬菌体生长有潜伏期、生长期和释放期。

赫尔希和蔡斯的Worling搅切器实验结果曲线（如图2）帮助学生佐证自己的假说，培养学生的图像分析能力，同时促使学生进一步思考实验结果中的“意外”：怎样设计实验去除噬菌体不能百分之百侵染细菌对实验结果的影响？搅拌实验真的可以影响实验结果吗？让学生感知科学研究中的批判性思维和假说—演绎法。

综上，教师需要有目的地创设生动活泼的情境去营造一种富有吸引力的学习氛围，促使学生自主参与知识认识和探索的过程。科学史本身就是科学知识的来源，是众多科学家创新精神和创造能力的记载。但是，科学史的发展是交叉性的，涉及的研究方向较多，没有明确的发展主线，一线教师需要研究科学史材料，围绕教学目标选择、挖掘和加工科学史材料，为学生提供较为合适的材料信息，这样才能有效地发展学生的科学思维，让学生感受到有血有肉的科学家形象，培养学生的批判性思维，使其体会科学发现中的人文精神，从而有效培养学生的学科素养。

[   参   考   文   献   ]

[1]  中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]  沈海燕.高中生物课堂教学中创设多种活动情境的研究[J].中学生物学，2011（11）：34-35.

[3]  傅杰青.究竟是谁发现了噬菌体？[J].自然辩证法通讯，1985（6）：50-54+80.

[4]  王盛，童贻刚.噬菌体治疗研究进展[J].微生物学通报，2009 （7）：1019-1024.

[5]  周德庆.微生物学教程[M].3版.北京：高等教育出版社，2011.

[6]  罗成，徐斌.噬菌体研究的历史与现状[J].生物学杂志，1987（5）：20-23.

[7]  黄建华.以“科学思维逻辑”组织“噬菌体侵染细菌实验”的教学建议[J].生物学教学，2016（9）：61-63.

[8]  程锐创.生物课堂教学情境创设存在问题和解决策略[J].中学生物学，2016（3）：15-17.

（责任编辑 黄春香）