生物科学史如何培养学生学科核心素养

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摘要:以提高高中阶段学生生物学科核心素养为研究目标，探讨在新课标背景下生物科学史对于培养学生核心素养的重要作用。总结生物科学史在导入新课教学、突出教学重点、进行模型构建、开展课后活动等方面的方式方法，引导学生进行科学思维、体验科学探究过程、树立生命观念、承担社会责任，从而形成正确的价值观、必备的品格和关键能力。

关键词:学科核心素养;生物科学史;科学思维;科学探究;科学精神

《普通高中生物学课程标准(2017年版，2020年修订)》阐述了学科核心素养是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力。生物学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究、社会责任四部分［1］。学生通过生物学课程学习，能运用生命观念认识生命现象，在探索生命规律中形成理性思维，掌握科学方法，体会科学价值，培养科学态度和科学精神，学会用生物学相关知识解决生产生活中问题，形成社会责任［1］。在生物学教学中，灵活运用生物科学史，能够有效培养和提高学生学科核心素养。

一、高中生物学教材中有关生物科学史的主要论述

1.在2019人教版生物学教材中，涉及生物科学发展史的主要内容(1)体现生物科学理论如何产生、形成和发展。如:必修一《分子与细胞》中生物科学史主要有“细胞学说的建立”“光合作用的探究史”;必修二《遗传与进化》中的生物科学史主要有“遗传定律的发现史”“生物进化史”等;选择性必修一《稳态与调节》中的生物科学史主要有“对稳态调节机制的认识”;选择性必修二《生物与环境》中生物科学史主要有“生态系统能量流动的发现史”等。这些科学史可以使学生体会科学探究的一般过程。(2)体现科学家的奋斗史。如:袁隆平和他团队的杂交水稻，达尔文的自然选择学说，沃森、克里克研究“DNA双螺旋结构”等，运用这些科学史主要是用科学家的行为来教育学生、引领学生，培养学生的科学思维、崇高的科学精神及社会责任感。(3)体现生物科学的研究方法。如:必修一《分子与细胞》中的世界上“第一个人工合成蛋白质的产生”“生物膜结构的探索历程”;必修二《遗传与进化》中的“DNA结构模型的构建”“遗传规律的发现史”“遗传物质的发现史”;选择性必修二《生物与环境》中的“种群数量变化曲线”等，运用这些科学史主要是培养学生研究问题的科学方法，如同位素标记法、假说—演绎法、模型与建模等。(4)体现组成生命物质的发现史。如:必修一《分子与细胞》中“酶的发现史”;必修二《遗传与进化》中“遗传物质的发现史”“遗传密码的破译”;选择性必修一《稳态与调节》中“生长素的发现史”“促胰液素的发现史”等，这些科学史主要是促进核心素养中生命观念的培养。2.在2019人教版生物学教材中，生物科学发展史的内容在教材中的分布情况(1)分布在教材正文中的生物科学史有:必修一《分子与细胞》中的“细胞学说的建立”“生物膜结构的探索历程”;必修二《遗传与进化》中的“孟德尔的豌豆杂交实验”“摩尔根的果蝇杂交实验”“遗传物质的发现史”;选择性必修一《稳态与调节》中“生长素的发现史”;选择性必修二《生物与环境》中的“种群数量变化曲线”等，这些生物科学史分布在教材正文中，属于生物教学中的重点内容、核心内容，在教学中要给予足够的重视，采用恰当的教学手段阐明重点。(2)分布在教材“问题探讨”栏目中生物科学史有:必修一《分子与细胞》中的“酶的发现史”中斯帕兰扎尼的实验;必修二《遗传与进化》中的“遗传物质的发现史”“生物进化史”的部分内容等，这些生物科学史分布在“问题探讨”栏目中，旨在调动学生学习相关内容的兴趣和积极性。(3)分布在教材的“思考与讨论”栏目中生物科学史有:必修一《分子与细胞》中的“细胞学说的建立”“生物膜结构的探索历程”“酶的发现史”“光合作用的发现史”;必修二《遗传与进化》中的“DNA结构模型的构建”;选择性必修一《稳态与调节》中的“促胰液素的发现史”;选择性必修二《生物与环境》中的“生态系统能量流动的发现史”等，这些生物科学史分布在“思考与讨论”栏目中，旨在通过“思考与讨论”栏目展开自主、合作、探究的学习方式，突出教学重点，突破教学难点，达成课程目标。(4)分布在教材的“科学史话”栏目中生物科学史有:必修一《分子与细胞》中的“世界上第一个人工合成的蛋白质”“人类对通道蛋白的探索历程”;必修二《遗传与进化》中的“遗传密码的破译”;选择性必修一《稳态与调节》中的“生物电的发现”等，这些生物科学史分布在“科学史话”栏目中，旨在通过“科学史话”栏目增加学生阅读量，拓展学生知识面，使学生充分了解现代生物科学发展史。

二、生物科学史对于培养学生核心素养的重要作用

1.有助于学生对科研过程和物质本质的理解如介绍“酶的发现史”，不但使学生加深了对酶本质的理解，而且能学习科学家从生活现象中发现问题，不断探究，最终获得科学研究成果的孜孜以求的探索精神［2］。2.有助于学生理解科学知识，树立生命观念如在光合作用内容教学中引入“光合作用的发现史”，有助于学生理解并掌握光合作用的具体过程，使教学难点变成学生学习的兴趣点。3.有助于培养学生的科学思维和科学探究能力如利用“酶的发现史”“DNA结构模型的构建”“生物膜结构的探索历程”开展教学活动，有助于学生形成解决问题的科学思维，加深对科学探究过程的理解。4.有助于培养学生科学精神及社会责任如“杂交水稻之父———袁隆平”“促胰液素的发现”，有助于培养学生锲而不舍、勇于探究、实事求是的科学精神和运用生物学知识服务社会的责任感［2］。

三、生物科学史教育在教学中的注意事项

1.生物科学史引用要适当、恰当在生物教材中蕴含着大量的生物科学史内容，教师在教学中一方面应给予足够重视，另一方面在实际教学中可以适当展开，但不宜添加过多内容，以免增加学生学习负担。2.结合教学内容，采用多种教学手段开展生物科学史教学运用实验法、讨论法、模型建构法、资料分析法、阅读法、自主合作探究法等教学手段，调动学生学习的积极性和主动性，避免教学方式枯燥单一。3.生物科学史教学注重呈现方式可以按科学发现过程中的时间顺序呈现，如“生物膜结构的探索历程”，1895年欧文顿提出膜是由脂质组成→20世纪初科学家提出膜是由脂质和蛋白质组成→1925年荷兰科学家提出细胞膜中磷脂是双层的→1959年罗伯特森提出生物膜是由蛋白质—脂质—蛋白质的三层结构组成→1970年科学家提出细胞膜具有流动性→1972年桑格和尼克森提出生物膜的流动镶嵌模型。可以按每一位科学家研究问题的顺序呈现，如“酶的发现史”，巴斯德提出发酵是由于酵母菌的存在→李比希认为引起发酵的是酵母细胞中的某些物质→毕希纳将引起发酵的物质称为酿酶→萨姆纳证明脲酶是蛋白质→切赫和奥特曼发现少数ＲNA具有催化作用。4.科学史教学要注重科学探究的过程开展生物科学史教学时要提醒学生注重科学探究过程，避免只重视结果而忽视过程。如在“生长素的发现史”“DNA结构模型的构建”教学中，要向学生强调生长素发现的过程，培养学生的科学探究精神。

四、运用生物科学史培养学生学科核心素养的有效途径

1.运用生物科学史导入新课教学，培养学生科学思维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］。学生应该在学习过程中逐步发展科学思维，如归纳与概括、演绎与推理、批判性思维等方法，将培养科学思维与生物科学史紧密地融合在一起，使科学思维的培养更具有操作性。如，在讲述“降低化学反应活化能的酶”时，教师可把“酶的本质发现史”作为课前导入引入课堂。教师在课前设计导学案，可在导学案中设置一系列问题。如:“关于酿酒中的发酵问题，巴斯德提出发酵的原因是什么?李比希的观点与巴斯德有什么不同?毕希纳做了什么实验?萨姆纳通过怎样的努力得到脲酶?找出巴斯德、李比希、毕希纳、萨姆纳的观点之间的逻辑关系等问题”，将学生置于问题情景中自主完成导学案，在学生完成导学案的基础上，引导学生以小组为单位构建思维导图，从而引入“酶的本质”新课。学生在完成导学案和构建思维导图过程中，逐渐对“酶的本质”有了清晰的认识。同时在运用“酶的本质发现史”构建思维导图过程中，学生的阅读能力，逻辑推理能力，对科学知识的分析综合、归纳总结能力等都能得到锻炼。2.运用生物科学史突出课堂教学重点，培养学生树立生命观念生命观念是指对观察到的生命现象及相互关系或特征进行解释后的抽象，是人们经过实证后的观点，是理解或解释生物学相关事件和现象的意识、观念和思想方法［1］。学生应该在较好地掌握生物学概念的基础上形成生命观念，如结构与功能观、物质与能量观等。在讲“光合作用与能量转化”一节时，教师可把“光合作用的探究历程”作为课堂内容的重要资料引入教学，使之与教学内容相结合，突出课堂教学重点，帮助学生理解抽象的生物学知识，培养学生形成生命观念。可以在课前布置任务，要求学生查找初中学习光合作用的相关知识，在课上可设计一个表格，把学生分成研究小组，要求各小组结合初高中教材完成下列问题:普利斯特利、英格豪斯做了什么实验?恩格尔曼、鲁宾和卡门、希尔、卡尔文在光合作用的发现中做了哪些贡献?光合作用的原料、场所、产物、条件与哪位科学家的什么实验有关?恩格尔曼采用什么实验方法，巧妙之处在哪里?鲁宾和卡门应用什么科学方法得出光合作用产生的氧气来自水?各小组通过查找资料、阅读教材、研究讨论之后完成表格中的项目，最后通过各小组展示成果，总结光合作用的过程。在学习光合作用的探究历程中，一方面学生逐渐理解叶绿体的结构与光合作用的关系，形成结构与功能观。另一方面逐渐认同光合作用中物质变化与能量变化的关系，形成物质和能量观，树立生命观念。同时运用科学史突出课堂教学重点内容，学生按照科学家的思维去发现问题、实践操作、解决问题、体验科学探究的过程，逐步掌握科学探究的方法。3.运用生物科学史进行模型构建，培养学生科学探究、合作精神科学探究是指能够发现现实世界中生物学问题，针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及对结果的交流与讨论的能力［1］。合作精神是个人生存、发展和事业成功所必需的精神。在教学中运用生物科学史培养科学探究能力，在探究活动中培养合作精神，这些都是学生未来发展的必备品格。如在“制作DNA双螺旋结构模型”的建构模型活动中，引入“DNA结构模型的构建”科学史，更能有效培养学生科学探究能力、合作精神。1953年，沃森和克里克默契配合，揭示了DNA的双螺旋结构，是科学家合作研究的典范，被传为科学界的佳话。因此，可把模型构建活动放在讲解“DNA的结构”知识点之前，引导学生按照科学家的研究过程进行模型构建。可对学生进行分组和分工，给学生提出问题，供学生在制作模型时参考。如:制作10个碱基对的DNA模型需要多少个基本单位?需要多少个磷酸、脱氧核糖、碱基?需要几种颜色的彩泥?在制作的模型中，什么分子担当基本骨架，如何连接?碱基对之间的距离是否相等?各小组可通过集体讨论，设计出本组的制作方案，经过小组成员的共同努力完成作品。最后各小组展示与交流制作过程中的感悟。学生通过这次制作活动，一方面可以体验科学探究的一般过程，提出问题、作出假设、制订计划、实施计划、得出结论、表达与交流［2］。另一方面在科学探究过程中能够培养学生的动手实践能力和合作精神。4.运用生物科学史开展课外制作活动，培养学生探究实践能力探究实践活动的主要环节有:提出任务，制订方案，实施方案，形成初步产品，改进设计，物化成果，进行表达、交流、展示等［3］。把生物科学史教育作为课外制作的资料引入比赛活动，培养学生的探究实践能力。如在讲“细胞膜的结构和功能”一节时，刚上高一的学生对生物学充满了好奇心、求知欲，为进一步提高学生的学习兴趣，可设计开展课外制作比赛等活动，将“生物膜结构的探索历程”作为资料，为学生提供模型制作的理论依据。活动的主题是“制作生物膜的模型”。活动的要求:(1)自由选择制作材料。(2)以四人为一个比赛小组，成员自由组合。(3)自由选择模型的类型。可以让学生模仿罗伯特森的观点制作，可以选择制作“人—鼠细胞融合”的模型，也可以选择制作桑格、尼克森的“流动镶嵌模型”。(4)制作场地自由选择，可以开放实验室，给学生提供制作场地。(5)模型展示环节，要求选取小组代表进行2分钟的陈述，陈述制作理论依据及模型的结构特点。组织这种活动，可以锻炼学生查阅资料的能力。学生讨论选择制作材料，研究制作方案，动手制作，修改制作方案，再动手制作，再修改、补充、完善的过程，能够锻炼学生的动手能力。模型制作比赛活动，一方面可以让学生体验科学研究的一般过程，另一方面能够锻炼学生设计、制作、实践的能力，同时在实践中培养创新精神、探索精神、团队合作精神。5.运用生物科学史开展课后活动，培养学生社会责任感和科学精神社会责任是指基于生物学的认识，参与个人和社会事务的讨论，作出理性解释和判断，解决生产生活问题的担当和能力［1］。科学精神既有树立求真、求实、客观精神，又有合理怀疑和批判精神，还有创新精神、合作精神、探索精神等。生物科学史料中蕴含着丰富的科学精神和培养社会责任感的教育素材，在生物教学中，可以充分运用这些素材对学生进行学科核心素养教育。如“杂交水稻之父”袁隆平，致力于杂交水稻技术的研究、应用与推广，辛勤耕耘，甘于奉献，用汗水谱写出传奇人生。可以由此开展一次题为“袁隆平和他的‘禾下乘凉梦’”的主题班会，以此培养学生为科学研究献身的精神，增强学生的社会责任感。还可以将生物科学史作为课后阅读资料，开展课后阅读活动［4］。如在学习完“蛋白质是生命活动的主要承担者”一节后，指导学生阅读科学史话“世界上第一个人工合成蛋白质的诞生”，让学生理解集体的智慧和合作的力量。了解科学家在经历多次失败后，终于人工合成世界上第一个结晶牛胰岛素的过程，以此让学生理解科学研究的不易，学习科学家坚韧的科研精神。总之，在生物学教学中，通过运用生物科学史导入新课教学，突出课堂教学重点，进行模型构建，开展课外制作活动和课后主题、阅读活动等途径，能更有效地培养学生的学科核心素养。

参考文献:

［1］中华人民共和国教育部．普通高中生物学课程标准(2017版，2020年修订)［M］．北京:人民教育出版社，2020:5．

［2］朱正威，赵占良．生物必修1分子与细胞(教师教学用书)［M］．北京:人民教育出版社，2007:1．

［3］中华人民共和国教育部．义务教育《生物学》课程标准(2022版)［M］．北京:北京师范大学出版社，2022:4．

［4］郑东平．生物史教育在培养学生科学素养中的作用及其渗透策略［J］．教育导报，2006(10):51．

作者：于志华 单位：哈尔滨市第四中学校