高中生物科学史教学对科学思维的培养实践探索
2021-10-08韦梦圆陈丽军何晓波张忠华
韦梦圆 陈丽军 何晓波 张忠华
【摘 要】 运用生物科学史创设真实情境是培养学生科学思维的一种重要途径。以“对细胞膜结构的探索”教学为例，通过为学生呈现丰富的科学史实，引导学生归纳与概括、演绎与推理、模型与建模等，提升学生的科学思维。
【关键词】 生物学科素养 新课改 生物科学史 科学思维
我国生物学核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究及社会责任，作为核心素养之一的科学思维是学生在学习自然科学过程中不可或缺的能力。高中生物科学史中包含了科学研究规律、科学思维、科学研究方法以及科学家们坚持不懈的科学研究精神，深入挖掘高中生物科学史，并在课堂上有效呈现，将会有助于学生达成科学思维的培养目标。
一、 科学史及科学思维的概念
（一）科学史
科学史是科学发展的历史进程，以在科学发展过程中做出突出贡献的人物、事件为主线，以科学知识为主体共同构成的科学发展史。科学史分两种，一种是有文献或者记录在册的历史上客观存在的科学史实，也就是在一定社会背景下，科学的历史发展进程;另一种是主观性的科学精神、科学方法或科学思想，即一些专家学者通过科学家的探索过程及结论，提炼出探索真理过程中科学家所表现的科学品质。
（二）科学思维
《普通高中生物学课程标准（2017年版）》对科学思维的要求是通过崇尚真知、渴望得到知识的动机，继而产生尊重事实和证据的认知行为，并在解决实际问题过程中运用正确的、科学的逻辑方式思考问题、解决问题，产生正确的认知方式，最终在思考某些问题时具有较高的认知品质，能多角度分析问题，大胆提出质疑，即具备质疑和批判思维。
二、新课程标准下科学史教学对科学思维培养的意义
新课程标准中指出，课程目标的设置应着力培养学生分析处理图表数据，尝试提出问题、作出假设、结果预测等各种科学研究能力，其核心内容即是通过教学引导学生不断发展科学思维的过程。而高中生物教材中包含丰富的科学研究事实、图像、模型等材料，使学生正确认识科学研究，加深对生物学核心概念的理解。在学习生物科学史时，大量科学研究事实需要学生归纳、概括得到结论，经过综合结论一步步自主构建模型。在此过程中，学生通过推导科学家的大量研究事实总结出一般规律，并利用模型建构将知识间的相互联系表现出来，利于培养学生认识物质世界、争取获得高质量结果的学习习惯和思维方式。
三、高中生物科学史的教学实例
本文以2019年新改版人教版高中生物必修1分子与细胞的“对细胞膜结构的探索”为例进行生物科学史的教学设计。本课主要围绕三个核心问题创设情境，以问题串的形式，通过提供事实材料和证据，采用归纳与概括、演绎与推理的方法分析和体验科学家对细胞膜的探索历程，引导学生辩证思考，逐步构建概念和模型。
（一）细胞膜成分的发现
1. 创设问题情境
提出问题：细胞膜的组成成分是什么？
2. 分析资料，作出推理
展示资料：19世纪末，欧文顿用500多种化学物质对植物细胞通透性进行上万次实验。
学生小组讨论，作出推理假设：膜是由脂质组成。
3. 分析证据，完善结论
展示资料：20世纪初，科学家对哺乳动物红细胞的细胞膜进行化学分析，发现细胞膜会被蛋白酶分解。
教师引导学生思辨欧文顿只从细胞膜功能入手，进行细胞膜通透性实验间接得出结论，存在不足。鼓励学生质疑和辩驳，针对细胞膜成分分析实验，提出膜的主要成分是脂质和蛋白质的结论，从而推翻欧文顿的假设，完善细胞膜主要组成成分的结论。
（二）细胞膜结构的发现
1. 创设问题情境
提出问题：脂质和蛋白质怎样构成细胞膜？
2. 分析资料，作出推理
展示资料1：1925年两位荷兰科学家Gorter和Grendel，利用红细胞吸水胀破，然后进行磷脂分子的排布实验。
展示资料2：磷脂分子结构图片以及特点。
学生小组讨论，综合分析资料1和资料2，结合细胞膜两侧都存在水环境的事实，作出推理：细胞膜是由双层磷脂分子组成，然后尝试构建出磷脂双分子层模型。
3. 分析证据，完善结论
展示资料1：1959年，罗伯特森利用电镜观察到暗——明——暗的三层结构。
展示资料2：20世纪60年代，科学家通过冰冻蚀刻电子显微法，在电镜下观察到蛋白质分布模型图。
学生通过分析电镜照片及模型图，归纳出蛋白质镶在、嵌入、贯穿在磷脂双分子层中，从而完善细胞膜结构的结论。
（三）细胞膜流动性的发现
1. 创设问题情境
提出问题：罗伯特森利用电镜观察到蛋白质与脂质三层静态结构模型，如果生物膜是静态的统一结构，那么细胞的生长、变形虫的运动等现象要如何解释？
2. 分析证据，完善结论
展示资料：1970年，科学家用荧光标记法研究小鼠细胞和人细胞的融合实验。
学生小组讨论，通过荧光标记的小鼠细胞和人细胞融合实验，作出推断膜蛋白具有一定的流动性，只有细胞膜具有流动性才能解释细胞的生长和变形虫的运动等现象，从而推翻罗伯特森提出生物膜是靜态的观点。
四、总结
学生学会在真实情境中发现问题和提出问题，并运用所学知识分析、解决问题，是达成科学思维的重要途径。生物科学史呈现了知识形成的完整过程，蕴含丰富的科学思维，是真实情境的重要来源。教师应该深入挖掘教材中的生物科学史，通过科学史创造真实的科学研究情境，更好培养学生的科学思维。
参考文献
[1] 陈国娟.生物科学史教学策略在高中生物学概念教学中应用的案例研究[D].广西师范大学，2019.
[2] 陈柳清.探析核心素养视域下高中生物科学思维培养策略[J].华夏教师，2018（35）：14-15.
