在宏观科学史视野中深度理解科学过程

赵丽芳 慕晓茹

在以培养学科核心素养为课程宗旨的高中生物学学科教学中，科学史议题得到教师的普遍关注。《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020 年修订）》中给出了“注重生物科学史和科学本质的学习”的教学建议。当前，在高中生物学教学中，科学史议题的常态教学多是碎片化的，史实呈现欠缺整体性、反思解释不到位等问题，导致学生对科学过程模式的理解、对“关于自然科学的知识”的学习等也都是碎片化的。

在“DNA 是主要的遗传物质”一课所在单元常规教学阶段，我们进行过前后科学事件的串联，并在本节课教学中运用图表理解策略以帮助学生感悟和建立对具体科学探究过程的完整性认识与理解，但限于课程学时安排及学情等实际情况，我们的科学史议题教学在提高学生学科核心素养的育人价值方面达成水平并不高，叙说欠缺整体性、反思解释不到位的碎片化学习等也导致学生在科学探究能力相关测试中表现欠佳。

高中学生已经学习了许多生物学实验，其中有直接体验，也有间接经验，每一个实验都是一个科学过程的例子，即学生已经知道了许多科学过程的例子。对学生而言，随着时间推移，这些科学过程实例中的事实细节大多会忘记，而我们的期望是学生能获得对这些例子的共同特质的理解，包括科学实证思维、一般过程模式、观念方法论和科学本质，这才是能永久留存并影响学生一生的学习结果。

要达成这样的学习结果，解决前述教学问题，需要合适的教学时机，这个时机则需要具备三个条件：一是当学生积累了足够多的科学过程的例子后；二是当科学过程例子密集循环出现时；三是当密集循环出现的科学过程之间有紧密的内在逻辑时，即在一个宏观背景下的大科学史中审视科学过程，此时的科学史才足以承载“关于自然科学的知识”，支撑学生对科学史实背后的科学过程一般范式、科学思维、观念方法及科学精神等的感悟与反思。

纵观高中生物学课程教材内容体系，基因发现史及本质探索史是一个难得的教学内容载体，其有两个教学阶段可以选择，一是必修模块的常规教学阶段，二是选考生物学科的系统复习教学阶段。对于学生而言，必修模块学习阶段不能满足前述三个条件。在“DNA 是主要的遗传物质”这节课的内容复习之前，学生恰到好处地具备了三个必要条件。因此，我们选择以“DNA 是主要的遗传物质”复习课为契机，引导学生进行更有高度和深度的学习。

学生能获得对科学过程一般范式的理解，包括科学实证思维、观念方法论和科学本质，这是我们追求的深度学习结果（学习目标），这一学习结果的达成需要合适的任务、针对性的学习活动及序列。

一、置身史境，自主整合

在现实教学背景下，我们基于学情，曾对科学史议题教学进行了系统分析，在教学内容分析研究时绘制了基因发现及本质探索史的图解（如下页图1）。置身史境，自主整合的学习任务主要通过导学案，由学生在课前自主完成。

教师先出示给学生一份基因探索史的图解（如图1 中虚线框出部分），将前面章节分散呈现的科学史整合呈现，让学生置身宏观史境中，开始本节内容的自主复习，也帮助学生感悟关于“DNA 是主要的遗传物质”的探索是基因探索长河中的一个片段，科学是一个发展的过程，科学知识可能随着研究的深入而改变。为了让学生能在史境中驻目，教师可设计几处填充处理，帮助学生区别观察（现象、结果）与推论，区分假说（推论）与预期、结论。

然后，学生自主再现本节课内容。教师依序出示四个子任务：一是对遗传物质的早期推测，二是肺炎链球菌转化实验，三是噬菌体侵染细菌的实验，四是烟草花叶病毒实验。其中的肺炎链球菌转化实验和噬菌体侵染细菌的实验由教师设计类似表格式的内容梳理整合支架，即“实验课题→实验材料→实验过程及结果（讨论）→实验结论”的内容组织架构。学生按此支架完成自主内容整合，并思考每一个实验探究过程的问题、实证思维等关键科学过程环节或要素。

二、再入史境，扩展精炼

再入史境，扩展精炼的学习任务，由教师主导进行课前学习反馈及深化。

教师先通过再入史境引导学生梳理科学史，帮助学生认同“人类对遗传物质的认识是随着研究的深入而改变的”“科学研究始于问题、问题始于怀疑”“科学研究依赖观察（实验）和推论”“科学是假说推动的过程”等，这样“关于自然科学的知识”就在学生的感悟和反思中生成。

然后，教师通过引导性设问引领学生对三个实验探究进行扩展与精炼，包括：针对肺炎链球菌体内转化实验的设问——格里菲斯的研究课题（目的）是什么？哪组是最关键的？理由是什么？本实验的结论是什么？针对肺炎链球菌体外转化实验的设问——这个实验的自变量是什么？实验操作中是如何设置自变量的？这个实验的结果及结论是什么？针对噬菌体侵染细菌实验的设问——噬菌体侵染大肠杆菌的文字描述中，两次提到的T2 噬菌体是什么关系？在过程描述中可知，联系亲子代噬菌体的是什么？为什么要标记亲代噬菌体？用什么标记？怎样标记？子代噬菌体在哪儿？ 怎样保证它的位置？如何分离亲代和子代噬菌体？实验结果和结论是什么？

通过以上引导与设问，通过师生对话，对学案暴露的问题进行澄清，对话过程中特别关注具体科学过程的问题和科学实证思维、结果与推论、预期与结论等。这样，教师适时、适机地引导学生区分了实验设计的减法原理与加法原理。

三、又入史境，建构解释

通过对三个经典实验的自主学习及拓展精炼，教师引导学生进行抽象概括，构建模型并运用模型解释及反思。

教师先引导学生归纳总结了赫尔希和蔡斯所做的“噬菌体侵染细菌的实验”的探究流程。在建立这个学习支架的基础上，学生结合肺炎链球菌转化实验和噬菌体侵染细菌的实验等探究过程，先自主建构“科学研究流程”模型，再通过小组合作进一步完善“科学研究流程”模型。

然后，教师选取小组代表对本组所构建的模型进行展示并讲解。其他学生认真聆听并结合本小组的讨论结果进行质疑和补充，共同形成一份“科学探究流程”模型。这时，教师也展示一份较完整的科学过程模型（如圖2）。学生通过参与、思考和体验模型构建，提升了科学思维和探究能力，同时，认可假说在科学发展中的推动作用，感悟严谨求实的科学精神、合作交流、多学科融合、技术发展等因素对科学发展所起到的促进作用。

最后，教师将教材中的烟草花叶病毒的实验内容进行调整和补充，作为真实情境素材提供给学生，并利用交互软件为学生提供模拟操作的工具箱和范例。同时，教师布置任务：小组合作，设计探究方案，探究烟草花叶病毒和车前草病毒的遗传物质是什么。学生再次通过合作探究、展示交流和归纳总结，模拟从提出假说到得出结论的科学探究全过程，加深对模型的理解和对科学发展本质的认识。

此外，在课堂小结环节，教师再次引入导课时用到的“基因探索史”部分科学史图解，引导学生结合本节课的内容，对图解进行补充和引申，并做出反思性解释。在梳理过程中，教师引导学生逐步形成生物学重要概念：亲代传递给子代的遗传信息主要编码在DNA 分子上。通过这一教学环节及教学行为，教师引导学生站在历史长河中审视科学研究过程及价值，认同科学是一个继承发展、不断深化的过程，科学知识可能随着研究的深入而改变，科学工作采用实证的范式，等等。学生在反思中深度理解科学过程及“关于自然科学的知识”，科学素养得以完善与提升。

通过对基因发现及本质探索史的整体性处理、图解呈现，学生在宏观科学史视野中形成科学概念、体悟科学过程、获得“ 关于自然科学的知识”，将个体思维发展与基因这一科学概念发展联系了起来。

我们以“DNA 是主要的遗传物质”复习课为契机的教学研究，基本形成了一个解决科学史议题中科学过程理解与“关于自然科学的知识”碎片化学习的教学问题的路径，同时富于实效地回应了《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020 年修订）中提出的“注重生物科学史和科学本质的学习”的教学建议。在宏观科学史视野中深度理解科学过程，也是教师要完善的学科教学知识。

（责任编辑：杨强）