利用生物科学史提升学生科学思维素养的教学设计

周 梅

（中国人民大学附属中学朝阳学校 北京 100028）

生物学是一门自然科学，也是一门实验科学，它不仅要求培养学生掌握生物学最基本的知识，还要求培养学生形成一定的动手能力和科学探究精神。在学习知识的同时，学生提升科学思维能力是教学目标。

正如教育家加里森和劳威尔认为的那样，如果教学的目标是引发学生对于科学探究过程的理解，则科学史是科学教学的必备要素。教师不仅要使学生了解科学的事实，还要使其知晓科学产生的过程，从中领会正确的科学方法并逐渐形成良好的科学素养。教师开展科学史教学，在促进学生生命观念的形成、科学思维和探究素养的提升以及社会责任的树立等方面都有着潜移默化影响。

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《标准》）中明确提出，要“注重生物科学史的学习”“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”。在课程目标的知识目标中，要求学生“知道生物科学和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”，同时还建议“对于《标准》中没有列出的其他生物科学史实也应注意引用”。很多教育工作者对科学史教育的研究做出了巨大的贡献，直至今天，对科学史教育的研究得到了越来越多教育工作者的重视。

1 生物科学史和科学思维的概念

生物科学史是将人类对生物科学认识的历程为基本轮廓，以历程中重要意义的研究为主要线索，用详细的史实资料讲述研究者们的研究活动，记录其在研究中逻辑思维和方法，同时也会对生物学发展的逻辑和当时的社会背景等重大问题进行述评。

科学思维是指尊重事实和证据，崇尚严谨务实的求知态度，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。科学思维的表现形式是科学思维方法，认识事物的本质及其相互联系需要一定的方法才能得出正确的结论，不同的思维方法对个体不同的成长和发展阶段具有不同的作用。科学思维既是常规逻辑思维在科学领域的具体运用，又需要批判审视、质疑包容的思维取向和心理品格，还要靠想象、联想、直觉和灵感等非逻辑思维提出创造性见解。

科学思维的含义主要指以下几个方面：①科学思维是生物学课程的重要教育目标。②科学思维是一种思维习惯或认识方式，这种习惯表现为有逻辑、重实证。③科学思维是一种思维能力。科学思维不应只存在于科学家的头脑中，普通人也应该具有科学的思维方式，因此，对学生进行科学思维能力的培养具有重要意义。为了让学生有能力面对未来各项挑战，科学思维培养应该成为学校教育明确的目标，科学课堂中这一任务就聚焦在科学思维培养上。

2 利用生物科学史提升学生科学思维的实例

利用生物科学史实施教学，是教师通过适时呈现史实资料、按照科学家研究的思路层层深入引导学生进行实验设计和科学思维，最终学生形成科学概念的过程。学生通过解决教师设计的问题和学生学习中生成的问题等一系列问题，提升科学思维素养。下面以高中生物《必修1·分子与细胞》第二章第五节“核酸是遗传信息的携带者”为例，简要介绍核酸的发现过程中学生科学思维训练的方法。

2.1 早期实验，粗提定性分析

教师呈现资料1：1868年，当时还是研究生的瑞士籍的米舍尔，在研究脓血细胞的化学成分时，发现用酒精处理掉细胞中的脂肪性物质，再用猪胃黏膜的酸性提取液（一种能除掉蛋白质的胃蛋白酶粗制品）进行处理后，细胞的大部分被分解了，而细胞核只是缩小了一点儿但仍然完整。他得到了细胞核，随后对细胞核的物质进行化学分析。实验结果发现：细胞核内含有与细胞内其他有机物明显不同的物质，这种物质是一种含磷很高而含硫很低的呈酸性的有机物质，对蛋白酶有耐受性。后被米舍尔的导师霍佩·赛勒所验证，并把这种新物质命名为“核素”，这为人类揭示自己拉开了序幕。并提出问题：最初的实验推断细胞核中含有什么物质，具有什么特点？

学生提取信息，概括得出结论：核素是含磷很高而含硫很低的呈酸性的有机物质。教师追问：仅仅在脓血细胞中有核素吗？其他生物材料中有没有？

2.2 收集素材，分析基本成分

教师呈现资料2：1879年，德国的科塞尔在研究来自胸腺和酵母的核素时，发现核素是蛋白质和核酸的复合物，并且证明了存在着脱氧核糖核酸和核糖核酸等2种核酸。他小心地水解核酸，发现2种核酸都含有鸟嘌呤、腺嘌呤、胞嘧啶这3种碱基，在DNA中还含有胸腺嘧啶，而在RNA中则是尿嘧啶，除了含有这些碱基以外，还含有糖类性质的物质和磷酸。斯托伊德尔通过分析，发现核酸中糖类物质、每种嘌呤或嘧啶、磷酸的比例为1∶1∶1。并提出问题：组成核酸的基本成分是什么？这些成分的比例如何？核酸的组成元素有哪些？

教师简单介绍碱基的相关知识，引导学生总结出核酸的元素组成为：C、H、O、N、P；DNA中的碱基主要有腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶；RNA中的碱基主要有腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶。鸟嘌呤、腺嘌呤、胞嘧啶这三种碱基是它们共有的碱基。教师追问：组成核酸基本成分当中的糖类物质具体是什么呢？

2.3 对比比较，确定组分结构

教师呈现资料3：1911年，科塞尔的学生列文证明核酸所含的糖类由5个碳原子组成，并将这种糖类命名为核糖。由于核酸有2种，他找到了它们之间的区别：它们中的五碳糖不同，还有一种糖比核糖少一个氧原子，称为脱氧核糖，脱氧核糖核酸和核糖核酸的名称是由此而来的。教师进一步展示核糖和脱氧核糖的结构式，促进学生比较。

2.4 类比比较，构建基本模型

教师呈现资料4：20世纪30年代，哈马斯顿等人的研究证明，DNA是一种高分子量的长链结构，分子量约为5×105～10×105之间。作为生物大分子的蛋白质，其基本组成单位是氨基酸。那么同样是生物大分子的核酸，是否也有其小分子的基本单位呢？1934年，列文发现核酸可被分解成含有一个碱基、一个核糖或脱氧核糖和一个磷酸的片段，这样的组合叫核苷酸。

学生根据资料，尝试搭建核苷酸的结构图。教师展示核苷酸结构模式图，引导学生思考：核酸的基本组成单位是什么？包括哪些成分？这两种核苷酸的异同点是什么？

学生通过对比和分析，结合碱基和糖的种类，总结出：核苷酸分为2大类8种。脱氧核苷酸和核糖核苷酸的碱基各有4种，所以脱氧核苷酸和核糖核苷酸各有4种；核酸的基本单位核苷酸共有8种。

2.5 推理计算，认识结构多样性

教师呈现资料5：弄清物质结构的最直接证明是能合成出这种物质。核酸的相对分子质量可以达到几十万甚至几百万，糖类和碱基都是结构复杂的组分，它们有多种连接的可能，而且还有磷酸基团的位置问题。英国生物化学家托德成功地合成了核苷酸，并于1955年成功合成了二核苷酸。并提出问题：核苷酸如何形成长链核酸的？

教师简单介绍3′，5′-磷酸二酯键，引导学生连接2个核糖核苷酸，找寻成键的部位，建构多核苷酸长链的大分子。

2.6 迁移应用，明确遗传信息

教师要求学生以DNA中6×106个碱基对的大肠杆菌为例，计算其一条链可能的碱基排列顺序的种类。学生通过计算得出，碱基数目多、排列顺序不同使得核酸蕴含不同的序列信息。

3 教学反思

本节教学从科学家对核酸发现过程的资料分析入手，学生通过分析、比较、对比得出核苷酸的种类，再通过碱基排列顺序的多样性变化，计算和推理得出DNA分子结构具有多样性。DNA主要位于细胞核中，含量稳定，具有作为生物遗传物质的基础。教师设计一系列的问题，把整体问题划分为系列小问题，及时给予学生生物科学史的相关阅读资料，使学生思考方向明确，提升科学思维能力。

教师与学生分享科学家研究的探究过程的史实，既培养了学生的科学思维方式，又使学生学习了科学家的探究思路。学生通过对比，启发和修正思维，感悟科学的认识形成过程中证据和逻辑的重要性。高中生物教材中有丰富的科学研究史实素材，体现了特定的思维方法，教师有计划、有目的地设计学习活动，让学生体验并总结，结合问题串的设计与启发，使科学思维方法的训练走向深入化，为学生自主应用提供基础。