基于HPS教学模式培养学生科学思维

宋晨辰 （上海市位育中学 上海 200231）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》提出要重视科学思维这一核心素养的培养。科学思维是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力[1]。科学史、科学哲学与科学社会学（history，philosophy and sociology of science，HPS）[2]反映了科学家创造性地进行科学工作的历程，蕴含着科学家严谨客观、求真求实、质疑批判、创新协作、执着坚持的科学思维和科学精神。HPS 教学对于学生科学思维的养成是有价值的[3]，拓展了教师进行科学思维培养的教学资源和教学思路。教师在HPS 教学过程中应明确科学的首要价值不在“物”的层面，而是指向“人”的教育，要重视科学思维在落实立德树人根本任务中的关键作用。本文以“遗传物质”的HPS 教学为例，挖掘在探索遗传物质本质的过程中所体现的科学思维，为学生科学思维的培育提供参考。

1 遗传物质HPS 教学中培养科学思维的科学史资源

1.1 从科学家对真知的崇尚和探索感悟客观和实证的科学思维 科学研究具有客观性和实证性。科学家通过求真和实证，从客观依据中获取科学事实，从而正确认识科学的本质，这反映了科学家对真知的渴望。1935—1944年,美国洛克菲勒学院的3 位免疫化学家艾弗里（Oswald Theodore Avery）、麦克劳德（Colin Munro MacLeod）和麦卡提（Maclyn McCarty）进行了肺炎双球菌（Streptococcus pneumoniae）转化实验。他们通过不断去除S 型细菌中的各种成分，得到纯化的“转化因子”［4］。实验发现“转化因子”中DNA 纯度越高，转化效率越高；当用DNA 酶处理“转化因子”后，则没有转化功能；当用蛋白质酶处理，转化效率并未降低，从而提出了DNA 是肺炎双球菌的遗传物质。科学家为了求证遗传物质的化学本质，有针对性地设计实验，不断反复验证，以确保实验结果的可重复性和真实性。1952年，赫尔希（Alfred Day Hershey）和蔡斯（Martha Cowles Chase）将噬菌体作为研究对象，再一次探索遗传物质的真相。他们通过同位素标记和离心技术，分别用35S 和32P 追踪蛋白质和核酸在噬菌体感染细菌过程中的去路，证实了只有DNA 参与噬菌体颗粒的复制过程。在后来的Phi X174 噬菌体实验中,将病毒分离成DNA 和蛋白质衣壳2 个部分,发现仅病毒的DNA 具有感染能力［5］。由此可见，遗传物质的发现过程，是许多科学家通过不同的实验手段，反复探索、求证，这也说明事物的本质和规律是需要理性的思考和切实的依据去证明和支持的。通过这些科学史实可促进学生对科学的正确认识，形成客观、实证的科学思维方法。

1.2 从科学的相对性和局限性习得质疑和批判的科学思维 科学本身具有时代的局限性，科学理论不是绝对的真理，在漫长的科学发展中有可能会被推翻、更新。质疑和批判的科学思维是基于理性的思考或研究基础上，对已有的知识、理论和权威进行质疑、拷问、求证。在遗传物质发现的过程中，存在着很多质疑，主要是集中在遗传物质是蛋白质还是核酸的讨论上，正是这些怀疑和批判推动着科学家对遗传物质的不断探索。1925年，瑞典物理化学家斯韦德贝里（Theodor Svedberg）研制出了超速离心机［6］，明确了蛋白质是有确定大小的生物大分子。之后，胃蛋白酶和脲酶被成功结晶，马丁（Archer John Porter Martin）和辛格（Richard Laurence Millington Synge）通过层析法分析蛋白质水解物［7］，人们逐步接受了蛋白质是具有特定结构和一定组成的纯净大分子。然而，对于核酸的研究却走上了弯路。科赛尔（Albrecht Kossel）第1 个分离出腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸［8］，他曾提出一些关于核酸的功能及现代遗传信息的思想，但因缺少证据并未引起科学界的重视。美国生物化学家莱文（Phoebus Aaron Theodor Levene）在对核酸的研究中，由于测定不够精确，误认为4 种碱基的含量相等。1921年，他提出了关于核酸组成的“四核苷酸”假说，认为核酸是线性排列的四核苷酸多聚体，这一假说直接说明了核酸结构简单，并不能蕴含复杂而庞大的遗传信息［9］。所以，尽管艾弗里成功进行了实验并提出DNA 是遗传物质，大多数科学家对这一结果仍持观望态度。还有人提出质疑，认为转化实验中DNA 并未能完全提纯，可能是残存的蛋白质杂质在起转化作用［4］。也有科学家认为即使“转化因子”确实是DNA，但也可能是DNA 对荚膜的形成起某种化学效应，而不是充当遗传信息的载体。在当时的科学背景下，由于人们对DNA 结构的认识还不充分，生命科学探究的技术手段尚不成熟，人们对遗传物质的化学本质抱有怀疑态度，这种质疑是合理的，也是科学发展所需要的。

1.3 从科学的复杂性和接续性体会守正和创新的科学思维 科学研究是一项复杂的工作，是需要一代又一代科学家在前人的基础上不断继承、发展、创新，是一个长期的过程。教师要引导学生学会认识研究问题的背景，借助已有的科学成果，进一步实践和创新。遗传物质的发现正是由许多科学家接续奋斗的结果。米舍尔（Friedrich Miescher）是第1 个发现核酸的科学家，他将这类物质命名为“核素”。细胞学家赫特维希（Oscar Hertwig）提出核素可能负责受精作用和遗传性状的传递。遗传学家威尔逊（Edmund B. Wilson）推测染色质与核素是同一物质，可能是遗传物质的基础［10］。1928年，英国科学家格里菲斯（Frederick Griffith）以小鼠为实验材料，研究肺炎双球菌是如何使人患肺炎的，当时他并未意识到这与遗传物质有关。道森（Martin Henry Dawson）和西娅（Richard Sia）成功地在体外进行了肺炎双球菌转化实验，排除了因小鼠体内免疫物质诱导转化的可能。阿洛维（Lionel J. Alloway）通过实验表明，转化并不是S 型细菌“复活”这么简单，而是与遗传物质有关。艾弗里敏感地抓住了格里菲斯这个实验所反映的问题，并作了进一步改进，大胆地提出DNA 是遗传物质［8］。这一创新性的想法和这些早期的研究为赫尔希和蔡斯的实验提供了参考，加之当时同位素示踪技术和离心技术的日渐成熟和广泛应用，为实验提供了技术保障，他们通过大胆的假设和实践发现了噬菌体遗传物质的本质。

1.4 从开放和协作的角度建立严谨和合作的科学思维 科学的发展离不开不同学科或同一学科内部的相互影响和交融。科学的发展和理论的完善是一批科学家相互协作的结果，正是他们或紧密或跨越时空限制的合作，严谨和客观的科学思维和科学态度，促进了人们对遗传物质的认识不断深入和全面。赫尔希和蔡斯的实验设计巧妙，虽然得到了大多数科学家的认可，但也存在一些在当时不能被解释的实验现象。例如，离心后仍有25%的35S 标记在沉淀中，15%的32P 位于上清液中。若干年后其他科学家证实了这25%35S 主要由噬菌体的尾部碎片构成,这些碎片与细菌表面黏附过于紧密,不能通过离心搅拌去除；而上清液中的32P，一部分是搅拌时细菌破裂造成的，还有一部分是附着在细菌上有缺陷的噬菌体颗粒造成的，这些噬菌体颗粒不能注射它们的DNA 进入细菌。通过后者的补充，让赫尔希和蔡斯的实验结论更加完善［9］。此外，对DNA 结构的不断探索和认识，在功能和结构的统一性上进一步证实了DNA 作为遗传物质的可能。英国物理化学家富兰克林（Rosalind Elsie Franklin）及其同事威尔金斯（Manrice Wilkins）用X 射线衍射方法获得了DNA 晶体结构的资料［10］。查哥夫（Erwin Chargaff）提出DNA 的碱基数量总是A=T、G=C，纠正了“四核苷酸”假说。沃森（James Dewey Watson）和克里克（Francis Harry Compton Crick）提出DNA双螺旋结构模型，解释了DNA 以自身分子为模板准确复制成2 个拷贝，并分配到2 个子细胞中，从而完成遗传信息载体的使命。科学家从未停止对遗传物质化学本质的探索。1957年，格勒（Girer）和施拉姆（Schramm）用石碳酸处理烟草花叶病毒，证明了RNA 起着遗传物质的作用［11］。之后，还有科学家将烟草花叶病毒的RNA 与车前草病毒的蛋白质相结合，进行侵染实验，进一步证明了RNA 在遗传上的作用。1982年,科学家在研究疯牛病时发现了朊病毒,证明了在某些情况下仅有蛋白质而没有核酸类遗传物质的生物体的存在［10］。

1.5 从科学发展的曲折与艰辛中感悟坚韧和执着的科学精神 DNA 分子是携带遗传信息的主要物质，这一结论的得出经历了大约80年的时间，是许多科学家在无数次实验失败、不断总结、继续实践、深入探索后的结果。艾弗里的实验历经了10年的反复研究。赫尔希从1938年就开始利用噬菌体研究遗传物质，直至14年后才完成噬菌体侵染细菌实验。即便如此，这个实验在严谨性和精确度上仍不断被后来的科学家所完善和补充。在对DNA 结构的研究上，经历了长达30年的“误判”期，直到查哥夫、沃森、克里克等许多科学家用执着的科学精神，坚韧的求知态度，力排众议，大胆猜测，在一次次失败、一次次总结中研究得出。

2 遗传物质HPS 教学中培养科学思维的教学策略

2.1 重视HPS 教学，合理选取科学史素材 科学的发展，是一个艰辛而漫长的过程，是无数人前赴后继的探索过程。学生的学习由于受时空的限制，不能事事亲历。教师若仅结合教材进行知识讲解，重科学结果、轻探索过程，将不利于学生科学思维的培养。HPS 融合了科学与迷信、真理与谬误、唯物和唯心、辩证法和形而上学，蕴含了科学家严密的逻辑思维和求真的科学态度。学生在基于HPS 的学习中，可充分感悟其中体现的科学思维。HPS 教学的素材不在于全，而在于精，在于有针对性。教师首先要重视HPS 教学，理清科学发展的思路，提取其中蕴含的科学方法和态度，对素材进行适当的选择，注重科学性和思想性相结合，注重挖掘科学实践背后的意义和内涵，在潜移默化中培养学生的科学思维。

2.2 基于真实的科学情境，精心设计问题 HPS中丰富的科学史素材为课堂活动提供了大量的情境，教师可通过还原真实场景、模拟科学探索思路，设计动手、动脑的教学活动。活动的设计应以培养核心素养为目标，促进学生对活动任务展开分析和思考，加强学生的主体地位，从而让学生建立生命科学知识体系，进行辩证思考、批判感悟，发展科学思维，提升解决问题的能力。

1）问题的设计应有利于挖掘学生的思维潜能。例如，艾弗里成功证明了DNA 是遗传物质，但由于技术所限，艾弗里提纯的DNA 纯度最高时仍有0.02%的蛋白质杂质。1946年，艾弗里进入诺贝尔奖第2 轮提名，诺贝尔奖初审哈马斯登却未通过艾弗里的提名。教师可设问：艾弗里未被通过的原因可能是什么？学生进行思考回答，教师再给出哈马斯登的理由：他认为艾弗里的实验中DNA 被蛋白质污染，蛋白质才是转化因子。教师可进一步提问：如果你是艾弗里，如何进行实验证明DNA 是转化因子？学生思考、讨论后，教师再展示艾弗里对实验的改进：在实验中增加“DNA+DNA 酶”这一实验组。DNA 在DNA 酶的作用下被破坏，R 型细菌不能转化为S 型细菌，与只加入DNA 的对照组相比，说明有且只有DNA 才能使R 型细菌转化为S 型细菌。将科学史材料与思维活动相结合，通过问题不断推进，挖掘思维的潜能，让学生在与科学家思路的“不谋而合”中，获得成就感，也培养了学生求真、严谨的科学思维。

2）注重问题的开放性，培养学生发散思维。例如，在讲解噬菌体侵染细菌实验时，提问：赫尔希和蔡斯在实验中发现35S 标记的1 组沉淀物中有少量放射性，32P 标记的1 组上清液中也有少量的放射性，如何解释这些现象？学生大胆猜测：可能是搅拌不充分，被标记的蛋白质衣壳吸附在大肠杆菌上，随大肠杆菌进入沉淀物；也有可能是保温时间过短，部分被标记的噬菌体未来得及侵染细菌；还有可能是保温时间过长，细菌裂解释放出被标记的噬菌体，通过离心进入上清液。教师可进一步提问：在真实的实验过程中，赫尔希和蔡斯为何不搅拌充分？保温的时间是否是随意设定的？再引出科学家对这个现象的解释。在问题的引导下，教师既要鼓励学生大胆推测，也要能“脚踏实地”地论证，当学生的思维被激发后，他们的发散力和创造力是无穷的。

3）在评价中思考，鼓励质疑与批判。教师可通过展示科学史故事，鼓励学生表达自己的观点。例如，当科学界普遍认为蛋白质是遗传物质，艾弗里通过实验否定了这一观点。而大部分遗传学家因为艾弗里实验的局限性，对他的观点产生质疑。这些合理的质疑，让学生体会到面对已有的科学理论，如何用批判性思维进一步探索，同时认识到科学发展的曲折与不易。再如，教师还可请学生对“蛋白质是遗传物质”和“四核苷酸”假说这2 种观点进行评价，引导学生认识到科学的发展并不是一帆风顺的，这些“试错”都是必然的，是促进科学进一步发展的，从而培养科学的批判精神。

2.3 注重实践，在探究中提升科学思维 仅通过“说”教，对于科学思维的培养还是浮于表面，而通过“做”科学，让学生在亲历提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设、发现规律等过程中习得生物学知识，养成科学思维习惯，形成积极的科学态度。

1）将科学史思想与探究相结合。例如，在进行肺炎双球菌转化实验的教学时，可提出：加热杀死的S 型细菌中可能会有哪些物质？要确定转化因子，是分别对这些物质进行实验还是同时实验？怎样的实验结果能说明它是转化因子？让学生自主设计实验，并对比实验方案，请学生分析：一种思路是分别将S 型细菌的蛋白质、DNA、RNA 等物质去除，观察转化效果；另一种思路是将各种物质分离提纯，分别与R 型细菌混合，观察效果。哪一种方法更好？最后，教师再展示真实的科学探究史实。再如，当学生掌握了如何证明DNA 是遗传物质的探究过程，教师引导学生进一步探究：某些病毒的成分只有RNA 和蛋白质，如何设计实验证明其遗传物质是RNA 还是蛋白质？通过之前科学史的渗透，学生很容易在新的情境中，对知识进行迁移。将科学史思想和探究相结合，设计有价值的探究活动，而探究本身就是思维深层加工的过程，也是知识构建和深化的过程。

2）积极为学生创造探究的机会。除了课堂问题引导，开展模拟实验，教师还可组织学生开展研究性课题，亲历科学家的探究过程，在实践中不断感悟和领会。例如，可让学生进行噬菌体侵染细菌实验，明确混合、保温、离心等各步骤的意义和作用，科学分析实验数据，将自己的实验结果与科学家的结果进行比较，通过思辨，提出进一步改进和提高的措施。学生在动手操作中，将科学思维外显于实践，体会科学探究的严谨与艰辛。