例谈如何将科学史融入生物课堂教学
摘 要 教师在高中生物教学中充分发掘并利用生命科学史资源的教育价值，设计课堂教学新思路和开辟课堂教学新途径，从而提高学生的生物科学素养。围绕着该主题，结合教学实践中的一些课例，浅谈如何将科学史融入生物课堂教学。
关键词 科学史教学 生物学教学 科学方法
中图分类号 G633.91 文献标识码 B
在人教版现行的高中生物教材中许多章节都渗透着生物科学史的内容。无可厚非，科学史的教育在培养学生的情感、态度与价值观的目标上有着举足轻重的作用。例如，体会研究生命科学的价值，感受科学家们崇高的精神境界，养成敢于质疑、严谨求实的科学态度，培养探究意识和创新精神等。然而如何让生命科学史教育在知识与技能、过程与方法这两个维度的教学目标中也充分体现其价值，则值得教师探索和追寻。
利用科学发展史，能为素质教育课堂服务，充分培养和提高学生的科学探究能力和生物科学素养，实现教学模式和学习方式的重大变革。笔者结合教学实践，以必修二《遗传与进化》中的几节课的教学设计为例，谈谈如何将科学史融入课堂教学。
1 在科学史中领悟科学方法，并实现方法的迁移运用
从“孟德尔的豌豆杂交实验”到“基因在染色体上”，实现假说-演绎法在遗传学上的迁移运用。
孟德尔两大遗传定律的发现离不开科学的实验设计程序以及重要的研究方法――假说-演绎法。孟德尔先进行了一对相对性状的豌豆杂交实验，用纯种的高茎豌豆与纯种的矮茎豌豆杂交，发现子一代全是高茎的；接着让子一代的高茎豌豆自交，得到的子二代中有高茎也有矮茎，并且出现3∶1的性状分离比。他在实验和观察的基础上发现并提出问题：子一代为什么全是高茎，矮茎性状哪去了？为什么子二代中又出现了两种性状，并且分离比都接近于3∶1？他对提出的问题尝试作出回答，即作出假设：“在生物的体细胞中，控制同一性状的遗传因子成对存在，不相融合；在形成配子时，成对的遗传因子发生分离，分离后的遗传因子分别进入不同的配子中，随配子遗传给后代。”提出的假说不仅要合理地解释已有的实验现象，还必须能对其他的实验结果进行预测。在此基础上，他又设计了一个测交实验，实际上也就是演绎推理的过程，用提出的假说预期测交实验（F1与隐性纯合子杂交）的结果。最后孟德尔通过实施测交实验，观察、测量实验结果，与预期进行比较，从而对假说的正确性作出判断：如果实际结果与预期结果相符，就可以证明假说是正确的；否则，就说明假说有弊端，须修正和补充。
在学生体验了假说-演绎法之后，教师可引导学生继续将这种研究方法应用于“基因在染色体上”的学习，作为教师贯穿教学的主线索。萨顿发现基因和染色体的行为在形成配子和受精过程中存在明显的平行关系，从而推出基因在染色体上。这就是发现并提出问题的阶段。随后摩尔根利用果蝇进行了杂交实验。他将红眼雌果蝇与白眼的雄果蝇杂交，子一代无论雌雄个体全为红眼，于是他让子一代果蝇自由交配，子二代中出现红眼果蝇和白眼果蝇，比例为3∶1，但白眼果蝇全是雄性的。此时根据实验结果，可以引导学生思考：果蝇颜色的遗传是否符合孟德尔的分离定律？（符合，子一代只出现显性性状――红眼；子二代发生性状分离，且分离比为3∶1。）但是在该实验中，白眼的性状又与性别相关联，这说明了什么？（说明控制眼色的基因位于性染色体上。）接着引导学生分析，有哪些可能性？分析可能有三种情况：（1） 控制眼色的基因在X、Y染色体上都有；（2） 控制眼色的基因在Y染色体上，X染色体上没有；（3） 控制眼色的基因在X染色体上，Y染色体上没有。然后引导学生针对每种情况再具体分析：（1） 控制白眼的基因是偶然发现的，很可能是基因突变，如果X、Y两条染色体上都存在控制眼色的基因，同时发生突变的概率是很低的；（2） 如果控制眼色的基因只位于Y染色体上，而X染色体上没有，理论上子一代中的雄性个体也应该有白眼的个体，与实验结果不相符；（3） 剩下最后一种可能性――控制眼色的基因在X染色体上有，Y染色体上没有其同源区段。按照最后这种可能性画出遗传图解，发现可以合理地解释摩尔根实验的结果。这是提出假说的阶段。然而到这里是不是就意味着假说成立了？学生在此之前学习孟德尔遗传定律时已经体验了假说-演绎法，自然明确还要设计测交实验进行检验，才能验证假说的正确性，这样才构成了假说-演绎法的完整环节。
从萨顿到摩尔根，最后证明了“基因在染色体上”，这个探索历程就是假说-演绎方法的再次应用。通过孟德尔遗传定律学习过程中假说-演绎法的初体验，到学生能模仿、追随科学家的设计思想，亲自尝试科学研究方法的运用，充分发挥了学生的学习主动性及探究能力。
2 通过还原科学史，加深学生对生命本质的理解和认识
DNA分子的双螺旋结构模型对于高中学生来说，是一个微观抽象的概念。在教学中如何化微观为宏观，化抽象为形象，是教师面临的一项挑战。利用科学发现史配合模型建构的教学方式，帮助学生身临其境地体验DNA分子模型的建构过程，从而加深其对DNA分子结构的理解。
首先教师为学生创设问题情境：20世纪30年代，科学界对DNA的认识基础是：“组成DNA分子的基本单位是脱氧核苷酸，一分子脱氧核苷酸是由1分子磷酸、1分子脱氧核糖和1分子含氮碱基组成”。由于组成DNA的含氮碱基有四种，因此脱氧核苷酸也有四种。让学生利用模具进行相应的拼接，这是模型建构的第一步――建构脱氧核苷酸的模型。
当时的人们还知道，DNA是由许多个脱氧核苷酸连接而成的长链，每个脱氧核苷酸通过磷酸与上一个脱氧核苷酸的脱氧核糖相连，并通过自身的脱氧核糖与下一个脱氧核苷酸的磷酸相连。接着让学生在前面的基础上把单个脱氧核苷酸串成一条脱氧核苷酸链，这是模型建构的第二步。
接下来是模型构建的第三步――建构DNA的空间结构，要解决如下几个问题：（1） DNA分子是几条链构成的呢？根据威尔金斯和富兰戈林提供的DNA的分子X射线的衍射图谱，科学家得出DNA分子呈螺旋结构，同时测算出DNA分子即使翻转180°，看起来还和原来一样。在此基础上引导学生分析，脱氧核苷酸链是有方向的。如果DNA是一条链组成的，不可能得出这样的结论；如果DNA分子含两条链，同向排列依然与该结论不符；如果DNA分子由三条链组成，无论方向如何，翻转180°后都不可能与之前相同。因此推出DNA分子由两条方向相反的链组成。（2） 两条链中碱基排列在外侧还是内侧呢？教师提供当时的研究资料：碱基具有疏水性，磷酸和脱氧核糖具有亲水性。启发学生参考前面学过的细胞膜流动镶嵌模型中磷脂分子的排布方式，类比推理得出结论：碱基排列在链的内侧。事实上，当时富兰克林根据X射线的衍射图谱，也推算出磷酸和脱氧核糖应排在外侧。（3） 碱基如何配对呢？是相同的碱基配对（如A与A配对，C与C配对）？还是同类碱基配对（如嘌呤与嘌呤配对，嘧啶与嘧啶配对）？还是其他的情况呢？根据当时科学家们提供的数据：嘌呤碱基在分子结构上要比嘧啶大。而且此时查哥夫又带来了一个重要的信息：腺嘌呤的量总等于胸腺嘧啶的量，鸟嘌呤的量总等于胞嘧啶的量。于是到这里，学生们基本可以想到，A与T配对，G与C配对。 最后教师引导学生在已获得的知识基础上继续建构DNA的空间结构模型。
通过还原DNA分子双螺旋结构模型的发现历程，让学生亲身体验并参与了模型建构的过程，不但使学生深刻地掌握了与DNA分子结构有关的知识，还增强了其处理科学信息的能力及动手能力。
3 在科学史教育中渗透实验设计的一般原则和技术手段，提高实验探究能力
有人说，科学史的教学是“纸上谈兵”，没有真刀真枪的演练无法真正达到实验探究的效果。但笔者认为，如果科学史教育应用得当，即使没有实验操作，也可以达到探究效果，同样可以培养学生的实验设计能力。例如在发现“DNA是主要的遗传物质”的探索历程中，几位科学家的实验研究中就渗透着实验设计的一般原则，如对照原则、控制单一变量原则、排除干扰因素原则以及如何选材的原则等。
“DNA和蛋白质，究竟哪一种是遗传物质”，这曾经是生物界争论的焦点。进行科学研究时首先遇到的问题是选择合适的实验材料，这是实验取得成功的关键。教师引导学生思考：所有的生物都含有蛋白质和核酸，选择什么样的生物作实验材料比较合适呢？（低等的、简单的生物，诸如细菌、病毒等。因为生物的结构简单、含有的物质少，分析起来简便、快捷，比较容易得出结论。）不难总结，几位科学家在选材上也都注意到了这一点――格里菲思和艾弗里用肺炎双球菌做实验材料，赫尔希和蔡斯用T2噬菌体侵染细菌，以及后来格勒和歇莱姆用烟草花叶病毒证明RNA是遗传物质。
格里菲思进行的肺炎双球菌的体内转化实验中四个组的不同处理明显用到了对照的方法，从中得出结论：“已经被加热杀死的S型细菌中，必然含有某种促成这一转化的活性物质――‘转化因子’，这种转化因子将无毒性的R型活细菌转化为有毒性的S型活细菌”。因为细菌细胞内含有多种物质，所以格里菲思并不清楚转化因子是什么。
随后艾弗里及其同事对S型细菌中所含的物质进行了分离提纯，分别将S型细菌的DNA、蛋白质、荚膜多糖以及S型菌DNA和DNA酶的混合物加入含有R型菌的培养基中，结果发现只有分别加入DNA的那一组实现了细菌类型的转化。正是因为艾弗里在实验设计的过程中渗透着对照的思想，严格控制单一变量，排除各种成分彼此之间的干扰，才让他们找到了答案：DNA是转化因子。在那个时代，人们宁愿相信结构复杂的蛋白质可能是遗传物质，以至于很多人不肯正视艾弗里的实验结果，质疑的理由是：艾弗里的实验中提取出的DNA，纯度最高时也还有0.02%的蛋白质。但是我们今天回望，应当给予艾弗里的研究一个客观的评价：虽然实验中提取的DNA纯度不够高，但是艾弗里最后一组实验除了DNA，还加入了DNA酶，它可以降解DNA，使S型菌的DNA不能再进入R型菌体内发生转化。这实际上是反证法在生物学中的运用，从侧面证明了遗传物质是DNA，只有DNA才能起到转化作用。总结艾弗利的实验，把S型细菌内的各种物质提纯，分离开来研究，体现了排除干扰因素的设计原则；将多个变量分解为单一变量进行研究，这渗透着分组对照和控制单一变量的实验设计原则；最后利用反证法的思想进一步证明结论。
随后赫尔希和蔡斯在1952年用同位素标记技术，进行了T2噬菌体侵染细菌的实验。他们选择了32P和35S这两种同位素分别对噬菌体的成分标记。在此提问启发学生:为什么选择这两种同位素？它们分别标记的是什么成分？改用14C、3H、18O、15N标记可以吗？学生通过分析明确，科学家的设计意图是把DNA与蛋白质分开来单独研究。用35S标记一部分噬菌体的蛋白质，用32P标记另一部分噬菌体的DNA，然后将这两批噬菌体分别侵染未被标记的大肠杆菌，经过短时间的保温后（让噬菌体在细菌细胞中繁殖），用搅拌器搅拌、离心。由于噬菌体比细菌小得多，搅拌可使吸附在细菌上的噬菌体颗粒与细菌分离，离心后浮在上清液的是留在大肠杆菌细胞外游离的噬菌体部分，而沉淀物中主要是细菌及细菌内新形成的噬菌体。接着检查上清液和沉淀物中放射性物质的高低以及子代噬菌体的放射性情况，并进行分析，最后得出结论：噬菌体的蛋白质并没有进入细菌内部，只有噬菌体的DNA才进入细菌体内，即噬菌体在细菌体内的增殖是在DNA指导下完成的。
事实上，赫尔希和蔡斯与艾弗里采用的方法不同，但却有着相同的设计思路：都是设法把DNA与蛋白质分开，单独地、直接地观察它们各自的作用，排除彼此之间的干扰。
而后1957年格勒和歇莱姆用烟草花叶病毒进行了实验。烟草感染了它以后，叶子上会出现病斑。这种病毒只有蛋白质外壳和内部的RNA，并不含有DNA的成分。这与艾弗里、赫尔希和蔡斯在实验设计思路上也有异曲同工之妙――将该病毒的RNA与蛋白质分开来研究。从病毒中提取出的蛋白质不能使烟草感染病毒，但从中提取中的RNA却可以，可见RNA是烟草花叶病毒的遗传物质。
《普通高中生物课程标准》在“实施建议”环节中提出要“注重生物科学史的学习”。它指出：“科学是一个发展的过程。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。这对提高学生的科学素养是很有意义的”。教师在教学过程中要善于发掘和利用生命科学史的教育价值，为课堂教学服务，让学生科学理解生命的本质，领悟科学研究方法并尝试其在科学研究中的应用，提高实验探究能力和科学素养。
参考文献：
［１］ 车未艾.生命科学史的教育价值及其在科学实践中的应用［J］.生物学教学，２００９（７）.
［2］ 郑兆炯.“基因与染色体的关系”教材分析及教学建议［J］.中学生物教学，２００９（１～２）.
- 上一篇：杜威作业观及其对生物学教学的启示
- 下一篇：巧用年代尺助力有效教学
