融入生物科学史教育培养学生探究性能力

帖步霞

【摘 要】生物科学史对于培养学生的生物学科核心素养具有重要作用，笔者结合高中生物新课程教学实践案例，以《基因对性状的控制》教学为例，通过融入生物科学史教育来重构教材内容，将“基因指导蛋白质的合成”、“遗传密码的破译”和“基因对性状的控制”等学习内容进行有机融合，帮助学生建构“基因的表达”这一核心概念，旨在培养学生的科学探究能力，提升学生的生物学科核心素养。

【关键词】高中生物;生物科学史;探究性能力;生物学科核心素养

《普通高中生物学课程标准（2017版）》提出了“生命观念、科学思维、科学探究、社会责任”四大生物学科核心素养。生物科学史不仅提供了相关领域的科学知识，而且蕴藏着丰富的核心素养培养素材。为此，笔者在高中生物学新课程教学过程中，适时融入生物科学史教育，在帮助学生深入理解生物学科核心概念的同时，培养学生以科学探究能力为中心的生物学科核心素养。下面以《基因对性状的控制》教学为例，探讨如何通过融入生物科学史教育来重构教材内容，助推学生在有效构建“基因表达”概念的同时，培养学生的科学探究能力，发展学生的生物学科核心素养。

一、案例设计思路

在教学过程中笔者发现学生很难理解“基因的表达”这一核心概念，主要原因一是学生对抽象概念的理解能力不强;二是教师过于纠结于知识细节，使学生难以建构整体的科学概念。所以本案例的思路为：用大概念重构课程内容框架，淡化细枝末节的内容，突出对重要概念的深入理解，为学生自主、合作、探究性学习留出时空，在引导学生建构“基因通过指导蛋白质的合成来控制性状——基因的表达”这一概念的同时，发展学生的以科学探究能力为中心的生物学科核心素养。

二、案例实施分析

（一）以科学史为主线回忆“基因的本质”

导入：在学习本课内容前，我们先回忆一下在《遗传与进化》模块前三章，我们学习了哪些主要内容？

问题情境：经过这么多科学家的共同努力，我们终于解决了“基因是什么？”的问题。但还有一个悬而未决的问题是“基因是如何控制性状的？”

转折：今天我们将以科学史为主线，一起追寻“基因本质”的发现历程，这样既可以对之前所学内容做一个有序梳理，又可以解决“基因是如何起作用的？”这个问题。

（二）“基因通过指导蛋白质的合成控制性状”的实验证据

引导：1865年孟德尔就提出了生物的性状是由遗传因子决定的，即是说基因控制生物的性状。基因到底是通过什么途径来控制生物的性状？随着科学家对蛋白质的研究有了长足的进展，人们认识到性状的形成离不开蛋白质的作用，于是推测基因通过指导蛋白质的合成来控制性状。

演示：实验证据：镰刀型细胞贫血症患病机理。科学家通过对镰刀型细胞贫血症患者血红蛋白的研究，首次揭示了基因（DNA功能片段）可以控制氨基酸的顺序。正常血红蛋白分子是由α和β两条多肽链组成，，如果一个人的两条同源染色体都带有β珠蛋白基因的S型等位基因，就会导致镰刀型细胞贫血症，患者的红细胞呈镰刀型。

反思：通过追踪科学家的探索过程，一步步揭示基因与性状的关系，并提供实验证据证明，引导学生领悟科学思维的严密、探究的严谨、结论的严正，这些都是为社会和人民负责任的态度。

（三）融入史料分析，探秘RNA的发现

引导：RNA适合作DNA的信使，不能仅来自于理论推测，科学是追求实证的。

演示：RNA发现的科学史料，并展示问题情境：①与蛋白质合成有关的RNA有几种？②转运RNA转运何种物质？③信使RNA（mRNA）的作用是什么？

史料：①核糖体RNA（rRNA）约占细胞总RNA的85%，在蛋白质合成旺盛的细胞中，rRNA的绝对数量急剧增加，在所有生物中，大小亚基的rRNA碱基组成基本相同（有较高的G和C）。

②转运RNA（tRNA）几年后，Zamecnik与Mahlon B.Hoagland合作研究获得重要发现：在被整合进蛋白质之前，氨基酸首先结合到tRNA分子上。tRNA约占细胞总RNA的10%。

③信使RNA（mRNA）T4RNA不仅与T4DNA的碱基组成很相似，且T4RNA首先与已存在的核糖体结合，然后移动穿过核糖体表面，使其碱基进入适当位点，在这里进行蛋白质的合成，這种情况下，T4 RNA就决定了氨基酸的顺序，它就是长期寻找的蛋白质合成的RNA模板。由于它将DNA信息带到了进行蛋白质合成的核糖体位点，故称为信使RNA。

反思：探秘RNA的发现旨在引导学生了解RNA的科学发现过程，促使学生明白模板RNA发现的重要意义，了解科学家的实验思路，培养科学思维能力。

（四）融入史料分析，遗传密码对应规则的发现

引导：mRNA作为蛋白质合成的模板，其碱基顺序如何决定蛋白质的基本单位——氨基酸的顺序？

演示：发现遗传密码的科学史及密码子表，并设置下列问题串：①编码氨基酸的密码子共有多少种？②一种密码子只编码一种氨基酸吗？③一种氨基酸只对应一种密码子吗？

史料：1961年克里克发现，在基因碱基序列中增加或删除一个碱基、二个碱基都无法产生正常功能的蛋白质;当增加或删除三个碱基时，却合成了具有正常功能的蛋白质。克里克首次通过实验证明了mRNA中3个相邻的碱基决定1个氨基酸的事实。他把每3个这样的碱基就称为一个密码子。在克里克实验完成的同一年，尼伦伯格和马太观察到将体外合成的多聚核苷polyU（UUUUU……）加入能合成蛋白质的无细胞体系中，产生的是只含苯丙氨酸的多肽。所以，UUU这一组核苷酸肯定编码苯丙氨酸。

反思：克里克、尼伦伯格和马太的实验，包含着极其精彩的科学探究思路和方法，通过体会他们的实验过程，有助于学生理解mRNA如何指导蛋白质的合成，同时可以提高学生的科学思维与探究能力。

（五）动态展示“基因指导蛋白质的合成过程”

引导：通过探究活动，我们已经知道基因指导蛋白质的合成过程分为两大步骤：首先是在细胞核内基因将遗传信息转移至mRNA中，然后mRNA进入细胞质指導蛋白质的合成。

演示：基因指导蛋白质的合成过程非常抽象，为帮助大家理解，我们一起观看相关的模拟视频。

反思：借助视频材料，模拟基因指导蛋白质的合成过程，帮助学生对此过程形成整体且清晰的认识，助推学生顺利进行概念建构。

（六）概念建构，总结提升

引导：早在1957年克里克就提出：遗传信息可以从DNA流向DNA，也可以从DNA流向RNA，进而流向蛋白质。此后五六年，科学家们通过不懈的努力揭示了蛋白质的合成过程，证实了基因通过指导蛋白质的合成过程控制生物的性状，此过程即为基因的表达。

反思：1957年克里克提出的中心法则，引领了整个“DNA通过指导蛋白质的合成来控制性状”的科学研究进程。通过师生合作总结提升，共同构建“基因的表达”这一核心概念，助推学生形成“遗传信息控制生物性状，并代代相传”的生命观念。

三、融入生物科学史教育的体会

生物科学史与一般教学内容相比，更具有吸引性、趣味性、真实性，融入科学史教育情境能很好地激发学生的探究兴趣，更快地进入探究环节;更好地展示科学探究的发生与发展过程，有助于学生理解科学知识的本质，掌握科学探究的方法，领悟科学思维的方式，这对于培养学生的生物学科核心素养意义重大。

四、结语

总之，因诸多因素的限制，编者不可能以科学史为主线来编写教材，故一线教师可尝试通过融入生物科学史来重构教材内容，根据核心概念产生和发展的过程，设置一系列的问题情境，智慧地利用学生在发现新问题、分析新问题、解决新问题的过程中所生成的新的教学资源，引导学生弄清楚概念的来龙去脉，帮助学生根据自己的思考和理解进行核心概念的建构，最终达到深入理解核心概念，培养学生科学探究能力，提升学生生物学科核心素养的目的。

参考文献：

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