科學(xué)史教育在培養(yǎng)學(xué)生批判性思維中的運(yùn)用

程國勝

摘要：以“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”為例，利用科學(xué)史組織生物學(xué)課堂教學(xué)，通過開展鼓勵質(zhì)疑問難、倡導(dǎo)辯論共鳴和知識遷移應(yīng)用等教學(xué)活動，充分挖掘科學(xué)史中蘊(yùn)藏的科學(xué)方法，訓(xùn)練學(xué)生的批判性思維，以期為提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供教學(xué)參考。

關(guān)鍵詞：科學(xué)史教育批判性思維生物學(xué)教學(xué)

中圖分類號：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

如今，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)儼然成為教育界的熱點(diǎn)話題。學(xué)生學(xué)習(xí)學(xué)科知識、發(fā)展學(xué)科思維、提升學(xué)科核心素養(yǎng)的主要場所在課堂，因此如何有效落實(shí)課堂教學(xué)、實(shí)現(xiàn)學(xué)科的育人價(jià)值是當(dāng)前一線教學(xué)中急需解決的問題。批判性思維是科學(xué)思維的重要組成部分，也是凝聚生命觀念的重要途徑，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維是當(dāng)前生物學(xué)課堂教學(xué)的重要任務(wù)。

科學(xué)史記錄著生物學(xué)科從產(chǎn)生、形成到發(fā)展的過程。學(xué)習(xí)科學(xué)史有助于學(xué)生理解知識的本質(zhì)，體會科學(xué)家科學(xué)研究的思路及解決問題的方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。但在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，教師僅將科學(xué)發(fā)現(xiàn)或科學(xué)結(jié)論告訴學(xué)生，學(xué)生往往獲得的是淺層次上的知識點(diǎn)，并沒有習(xí)得獲取知識的方法和科學(xué)史中蘊(yùn)藏的科學(xué)思維，這是一種低效的課堂教學(xué)。因此，如何挖掘科學(xué)史實(shí)中的思維方法，營造創(chuàng)造性學(xué)習(xí)的課堂氛圍是課堂教學(xué)中的著力點(diǎn)。下面以“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”為例，簡要闡述如何利用科學(xué)史組織課堂教學(xué)從而培養(yǎng)學(xué)生批判性思維。

1教材內(nèi)容簡要分析

“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”一節(jié)包含了人類對遺傳物質(zhì)的早期認(rèn)識、肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)、噬菌體侵染大腸桿菌以及煙草花葉病毒實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容，特別是肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)和噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)，概念多、實(shí)驗(yàn)步驟多，是教學(xué)的重難點(diǎn)。此外，本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生總結(jié)“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”的科學(xué)探索過程，了解科學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路，探討實(shí)驗(yàn)技術(shù)在證明DNA是主要的遺傳物質(zhì)過程中的作用。可見，教師在課堂教學(xué)過程中應(yīng)充分重視科學(xué)史中蘊(yùn)藏的科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的理性思考和深度學(xué)習(xí)，才能完成本節(jié)的教學(xué)目標(biāo)。

2基于科學(xué)史開展教學(xué)活動

2.1基于評價(jià)與分析，鼓勵質(zhì)疑問難

質(zhì)疑是培養(yǎng)批判性思維能力的重要基礎(chǔ)。教師鼓勵學(xué)生質(zhì)疑，對實(shí)驗(yàn)結(jié)論的評價(jià)和分析，有助于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)流程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的再認(rèn)知，也有利于學(xué)生的批判性思維的提升。

“肺炎雙球菌的體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)”是本節(jié)內(nèi)容的第一個經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在閱讀教材相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，依據(jù)對照原則分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，很快就得出了相關(guān)結(jié)論，即格里菲思的推論：在第四組實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)被加熱殺死的S型細(xì)菌中，必然含有某種轉(zhuǎn)化因子，將無毒性的R型活菌轉(zhuǎn)化為有毒性的S型活菌。

此時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑：從第四組實(shí)驗(yàn)的過程和結(jié)果分析，一定能得到該推論嗎？還有沒有其他的可能呢？學(xué)生經(jīng)過討論之后，提出S型細(xì)菌還有可能是由R型活菌突變而來。教師緊接著追問：如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)確定S型活菌是突變而來還是由R型活菌轉(zhuǎn)化而來呢？

教師提供科學(xué)史資料1：1920年，科學(xué)界已明確地建立起來了肺炎雙球菌的具體的血清學(xué)類型，將不同的菌株分開。20世紀(jì)20年代，M.Heidelberger和艾弗里證實(shí)S型菌根據(jù)其莢膜的多糖不同，可分為SI、SII、SIII等不同亞型，其中SIII的多糖莢膜最厚，致病能力最強(qiáng)。R型菌也分為Rl、RII、RIII等亞型，是由S型菌發(fā)生突變而來，它們又都能發(fā)生回復(fù)突變形成相應(yīng)的SI、SII、SIII等亞型，并且多組實(shí)驗(yàn)證明R型菌和S型菌只能在同種亞型之間才可發(fā)生突變。

基于上述科學(xué)史資料，學(xué)生開展討論交流，最終得出可行方案（圖1）。該方案很好地排除了R型菌和S型菌之間相互突變的可能，從而得到S型活菌是由R型活菌轉(zhuǎn)化而來的科學(xué)結(jié)論。

本教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生基于教材進(jìn)行結(jié)論質(zhì)疑，并結(jié)合教師提供的科學(xué)史信息改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，完善實(shí)驗(yàn)方案，不僅增強(qiáng)了獲取信息的能力，同時(shí)也發(fā)展與提升了批判性思維。

2.2基于過程與體驗(yàn)，倡導(dǎo)辯論共鳴

生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，也是目前急需回歸理科屬性和科學(xué)本質(zhì)的一門學(xué)科。倡導(dǎo)辯論，對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)教育，讓學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)過程理解科學(xué)實(shí)驗(yàn)的思路和方法，發(fā)展科學(xué)思維、提升探究能力和培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度是生物學(xué)課堂教學(xué)的價(jià)值追求。

“噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)”是驗(yàn)證DNA是遺傳物質(zhì)的另一個經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)的研究背景、設(shè)計(jì)思路和科學(xué)方法都是良好的科學(xué)教育素材。由于學(xué)生無法親歷實(shí)驗(yàn)過程，缺乏感性認(rèn)知，筆者利用多媒體播放噬菌體侵染細(xì)菌的動態(tài)模擬過程，引導(dǎo)學(xué)生分析赫爾希與蔡斯的實(shí)驗(yàn)過程，并提出問題：（1）³⁵S標(biāo)記的噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)中，為何結(jié)果沉淀物中有較弱的放射性？（2）³²P標(biāo)記的噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)中，為何結(jié)果上清液中也有較弱的放射性？學(xué)生小組討論后給出原因：（1）實(shí)驗(yàn)過程攪拌不徹底導(dǎo)致部分吸附的噬菌體外殼未脫落;（2）可能是保溫時(shí)間過短，某些噬菌體未及時(shí)侵染而分離至上清液;或者可能是保溫時(shí)間過長，細(xì)菌已裂解而導(dǎo)致子代噬菌體得以釋放分離至上清液。教師追問：從實(shí)驗(yàn)的過程分析，真的是這樣的原因嗎？赫爾希與蔡斯為何攪拌不徹底？保溫時(shí)間沒有限制嗎？從而引發(fā)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。

教師提供科學(xué)史資料2：噬菌體學(xué)派創(chuàng)始人M.Delbruck測定了烈性噬菌體T2侵染細(xì)菌和子代噬菌體釋放的時(shí)間間隔，繪制出T2噬菌體一步生長曲線，得出T2噬菌體侵染細(xì)菌的潛伏期為20min（即噬菌體侵染細(xì)菌至子代釋放的時(shí)間）。這為赫爾希和蔡斯在實(shí)驗(yàn)中將噬菌體感染細(xì)菌、攪拌、離心的實(shí)驗(yàn)時(shí)間控制在20min之內(nèi)提供了理論依據(jù)。Anderson以及Graham等相繼的實(shí)驗(yàn)表明，噬菌體在利用其尾部吸附細(xì)菌后會釋放出DNA。在這基礎(chǔ)上，赫爾希與蔡斯用³⁵S、³²P標(biāo)記的噬菌體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)噬菌體吸附后大部分釋放DNA并失活，小部分不失活，還有些失活，但不釋放DNA。在離心除去未吸附的噬菌體后繼續(xù)培養(yǎng)，赫爾希和蔡斯得到了每個細(xì)菌產(chǎn)生噬菌體數(shù)目的相關(guān)結(jié)果，并離心測定同位素的比例及被侵染細(xì)菌的存活曲線（圖2）。