基于HPS教學模式培養(yǎng)學生科學思維

宋晨辰 （上海市位育中學 上海 200231）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》提出要重視科學思維這一核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。科學思維是指尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴謹和務實的求知態(tài)度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力[1]?？茖W史、科學哲學與科學社會學（history，philosophy and sociology of science，HPS）[2]反映了科學家創(chuàng)造性地進行科學工作的歷程，蘊含著科學家嚴謹客觀、求真求實、質(zhì)疑批判、創(chuàng)新協(xié)作、執(zhí)著堅持的科學思維和科學精神。HPS 教學對于學生科學思維的養(yǎng)成是有價值的[3]，拓展了教師進行科學思維培養(yǎng)的教學資源和教學思路。教師在HPS 教學過程中應明確科學的首要價值不在“物”的層面，而是指向“人”的教育，要重視科學思維在落實立德樹人根本任務中的關鍵作用。本文以“遺傳物質(zhì)”的HPS 教學為例，挖掘在探索遺傳物質(zhì)本質(zhì)的過程中所體現(xiàn)的科學思維，為學生科學思維的培育提供參考。

1 遺傳物質(zhì)HPS 教學中培養(yǎng)科學思維的科學史資源

1.1 從科學家對真知的崇尚和探索感悟客觀和實證的科學思維 科學研究具有客觀性和實證性?？茖W家通過求真和實證，從客觀依據(jù)中獲取科學事實，從而正確認識科學的本質(zhì)，這反映了科學家對真知的渴望。1935—1944年,美國洛克菲勒學院的3 位免疫化學家艾弗里（Oswald Theodore Avery）、麥克勞德（Colin Munro MacLeod）和麥卡提（Maclyn McCarty）進行了肺炎雙球菌（Streptococcus pneumoniae）轉(zhuǎn)化實驗。他們通過不斷去除S 型細菌中的各種成分，得到純化的“轉(zhuǎn)化因子”［4］。實驗發(fā)現(xiàn)“轉(zhuǎn)化因子”中DNA 純度越高，轉(zhuǎn)化效率越高；當用DNA 酶處理“轉(zhuǎn)化因子”后，則沒有轉(zhuǎn)化功能；當用蛋白質(zhì)酶處理，轉(zhuǎn)化效率并未降低，從而提出了DNA 是肺炎雙球菌的遺傳物質(zhì)?？茖W家為了求證遺傳物質(zhì)的化學本質(zhì)，有針對性地設計實驗，不斷反復驗證，以確保實驗結(jié)果的可重復性和真實性。1952年，赫爾希（Alfred Day Hershey）和蔡斯（Martha Cowles Chase）將噬菌體作為研究對象，再一次探索遺傳物質(zhì)的真相。他們通過同位素標記和離心技術，分別用35S 和32P 追蹤蛋白質(zhì)和核酸在噬菌體感染細菌過程中的去路，證實了只有DNA 參與噬菌體顆粒的復制過程。在后來的Phi X174 噬菌體實驗中,將病毒分離成DNA 和蛋白質(zhì)衣殼2 個部分,發(fā)現(xiàn)僅病毒的DNA 具有感染能力［5］。由此可見，遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)過程，是許多科學家通過不同的實驗手段，反復探索、求證，這也說明事物的本質(zhì)和規(guī)律是需要理性的思考和切實的依據(jù)去證明和支持的。通過這些科學史實可促進學生對科學的正確認識，形成客觀、實證的科學思維方法。

1.2 從科學的相對性和局限性習得質(zhì)疑和批判的科學思維 科學本身具有時代的局限性，科學理論不是絕對的真理，在漫長的科學發(fā)展中有可能會被推翻、更新。質(zhì)疑和批判的科學思維是基于理性的思考或研究基礎上，對已有的知識、理論和權威進行質(zhì)疑、拷問、求證。在遺傳物質(zhì)發(fā)現(xiàn)的過程中，存在著很多質(zhì)疑，主要是集中在遺傳物質(zhì)是蛋白質(zhì)還是核酸的討論上，正是這些懷疑和批判推動著科學家對遺傳物質(zhì)的不斷探索。1925年，瑞典物理化學家斯韋德貝里（Theodor Svedberg）研制出了超速離心機［6］，明確了蛋白質(zhì)是有確定大小的生物大分子。之后，胃蛋白酶和脲酶被成功結(jié)晶，馬?。ˋrcher John Porter Martin）和辛格（Richard Laurence Millington Synge）通過層析法分析蛋白質(zhì)水解物［7］，人們逐步接受了蛋白質(zhì)是具有特定結(jié)構(gòu)和一定組成的純凈大分子。然而，對于核酸的研究卻走上了彎路?？瀑悹枺ˋlbrecht Kossel）第1 個分離出腺嘌呤、胸腺嘧啶和組氨酸［8］，他曾提出一些關于核酸的功能及現(xiàn)代遺傳信息的思想，但因缺少證據(jù)并未引起科學界的重視。美國生物化學家萊文（Phoebus Aaron Theodor Levene）在對核酸的研究中，由于測定不夠精確，誤認為4 種堿基的含量相等。1921年，他提出了關于核酸組成的“四核苷酸”假說，認為核酸是線性排列的四核苷酸多聚體，這一假說直接說明了核酸結(jié)構(gòu)簡單，并不能蘊含復雜而龐大的遺傳信息［9］。所以，盡管艾弗里成功進行了實驗并提出DNA 是遺傳物質(zhì)，大多數(shù)科學家對這一結(jié)果仍持觀望態(tài)度。還有人提出質(zhì)疑，認為轉(zhuǎn)化實驗中DNA 并未能完全提純，可能是殘存的蛋白質(zhì)雜質(zhì)在起轉(zhuǎn)化作用［4］。也有科學家認為即使“轉(zhuǎn)化因子”確實是DNA，但也可能是DNA 對莢膜的形成起某種化學效應，而不是充當遺傳信息的載體。在當時的科學背景下，由于人們對DNA 結(jié)構(gòu)的認識還不充分，生命科學探究的技術手段尚不成熟，人們對遺傳物質(zhì)的化學本質(zhì)抱有懷疑態(tài)度，這種質(zhì)疑是合理的，也是科學發(fā)展所需要的。

1.3 從科學的復雜性和接續(xù)性體會守正和創(chuàng)新的科學思維 科學研究是一項復雜的工作，是需要一代又一代科學家在前人的基礎上不斷繼承、發(fā)展、創(chuàng)新，是一個長期的過程。教師要引導學生學會認識研究問題的背景，借助已有的科學成果，進一步實踐和創(chuàng)新。遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)正是由許多科學家接續(xù)奮斗的結(jié)果。米舍爾（Friedrich Miescher）是第1 個發(fā)現(xiàn)核酸的科學家，他將這類物質(zhì)命名為“核素”。細胞學家赫特維希（Oscar Hertwig）提出核素可能負責受精作用和遺傳性狀的傳遞。遺傳學家威爾遜（Edmund B. Wilson）推測染色質(zhì)與核素是同一物質(zhì)，可能是遺傳物質(zhì)的基礎［10］。1928年，英國科學家格里菲斯（Frederick Griffith）以小鼠為實驗材料，研究肺炎雙球菌是如何使人患肺炎的，當時他并未意識到這與遺傳物質(zhì)有關。道森（Martin Henry Dawson）和西婭（Richard Sia）成功地在體外進行了肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗，排除了因小鼠體內(nèi)免疫物質(zhì)誘導轉(zhuǎn)化的可能。阿洛維（Lionel J. Alloway）通過實驗表明，轉(zhuǎn)化并不是S 型細菌“復活”這么簡單，而是與遺傳物質(zhì)有關。艾弗里敏感地抓住了格里菲斯這個實驗所反映的問題，并作了進一步改進，大膽地提出DNA 是遺傳物質(zhì)［8］。這一創(chuàng)新性的想法和這些早期的研究為赫爾希和蔡斯的實驗提供了參考，加之當時同位素示蹤技術和離心技術的日漸成熟和廣泛應用，為實驗提供了技術保障，他們通過大膽的假設和實踐發(fā)現(xiàn)了噬菌體遺傳物質(zhì)的本質(zhì)。

1.4 從開放和協(xié)作的角度建立嚴謹和合作的科學思維 科學的發(fā)展離不開不同學科或同一學科內(nèi)部的相互影響和交融?？茖W的發(fā)展和理論的完善是一批科學家相互協(xié)作的結(jié)果，正是他們或緊密或跨越時空限制的合作，嚴謹和客觀的科學思維和科學態(tài)度，促進了人們對遺傳物質(zhì)的認識不斷深入和全面。赫爾希和蔡斯的實驗設計巧妙，雖然得到了大多數(shù)科學家的認可，但也存在一些在當時不能被解釋的實驗現(xiàn)象。例如，離心后仍有25%的35S 標記在沉淀中，15%的32P 位于上清液中。若干年后其他科學家證實了這25%35S 主要由噬菌體的尾部碎片構(gòu)成,這些碎片與細菌表面黏附過于緊密,不能通過離心攪拌去除；而上清液中的32P，一部分是攪拌時細菌破裂造成的，還有一部分是附著在細菌上有缺陷的噬菌體顆粒造成的，這些噬菌體顆粒不能注射它們的DNA 進入細菌。通過后者的補充，讓赫爾希和蔡斯的實驗結(jié)論更加完善［9］。此外，對DNA 結(jié)構(gòu)的不斷探索和認識，在功能和結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性上進一步證實了DNA 作為遺傳物質(zhì)的可能。英國物理化學家富蘭克林（Rosalind Elsie Franklin）及其同事威爾金斯（Manrice Wilkins）用X 射線衍射方法獲得了DNA 晶體結(jié)構(gòu)的資料［10］。查哥夫（Erwin Chargaff）提出DNA 的堿基數(shù)量總是A=T、G=C，糾正了“四核苷酸”假說。沃森（James Dewey Watson）和克里克（Francis Harry Compton Crick）提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，解釋了DNA 以自身分子為模板準確復制成2 個拷貝，并分配到2 個子細胞中，從而完成遺傳信息載體的使命。科學家從未停止對遺傳物質(zhì)化學本質(zhì)的探索。1957年，格勒（Girer）和施拉姆（Schramm）用石碳酸處理煙草花葉病毒，證明了RNA 起著遺傳物質(zhì)的作用［11］。之后，還有科學家將煙草花葉病毒的RNA 與車前草病毒的蛋白質(zhì)相結(jié)合，進行侵染實驗，進一步證明了RNA 在遺傳上的作用。1982年,科學家在研究瘋牛病時發(fā)現(xiàn)了朊病毒,證明了在某些情況下僅有蛋白質(zhì)而沒有核酸類遺傳物質(zhì)的生物體的存在［10］。

1.5 從科學發(fā)展的曲折與艱辛中感悟堅韌和執(zhí)著的科學精神 DNA 分子是攜帶遺傳信息的主要物質(zhì)，這一結(jié)論的得出經(jīng)歷了大約80年的時間，是許多科學家在無數(shù)次實驗失敗、不斷總結(jié)、繼續(xù)實踐、深入探索后的結(jié)果。艾弗里的實驗歷經(jīng)了10年的反復研究。赫爾希從1938年就開始利用噬菌體研究遺傳物質(zhì)，直至14年后才完成噬菌體侵染細菌實驗。即便如此，這個實驗在嚴謹性和精確度上仍不斷被后來的科學家所完善和補充。在對DNA 結(jié)構(gòu)的研究上，經(jīng)歷了長達30年的“誤判”期，直到查哥夫、沃森、克里克等許多科學家用執(zhí)著的科學精神，堅韌的求知態(tài)度，力排眾議，大膽猜測，在一次次失敗、一次次總結(jié)中研究得出。

2 遺傳物質(zhì)HPS 教學中培養(yǎng)科學思維的教學策略

2.1 重視HPS 教學，合理選取科學史素材 科學的發(fā)展，是一個艱辛而漫長的過程，是無數(shù)人前赴后繼的探索過程。學生的學習由于受時空的限制，不能事事親歷。教師若僅結(jié)合教材進行知識講解，重科學結(jié)果、輕探索過程，將不利于學生科學思維的培養(yǎng)。HPS 融合了科學與迷信、真理與謬誤、唯物和唯心、辯證法和形而上學，蘊含了科學家嚴密的邏輯思維和求真的科學態(tài)度。學生在基于HPS 的學習中，可充分感悟其中體現(xiàn)的科學思維。HPS 教學的素材不在于全，而在于精，在于有針對性。教師首先要重視HPS 教學，理清科學發(fā)展的思路，提取其中蘊含的科學方法和態(tài)度，對素材進行適當?shù)倪x擇，注重科學性和思想性相結(jié)合，注重挖掘科學實踐背后的意義和內(nèi)涵，在潛移默化中培養(yǎng)學生的科學思維。

2.2 基于真實的科學情境，精心設計問題 HPS中豐富的科學史素材為課堂活動提供了大量的情境，教師可通過還原真實場景、模擬科學探索思路，設計動手、動腦的教學活動?；顒拥脑O計應以培養(yǎng)核心素養(yǎng)為目標，促進學生對活動任務展開分析和思考，加強學生的主體地位，從而讓學生建立生命科學知識體系，進行辯證思考、批判感悟，發(fā)展科學思維，提升解決問題的能力。

1）問題的設計應有利于挖掘?qū)W生的思維潛能。例如，艾弗里成功證明了DNA 是遺傳物質(zhì)，但由于技術所限，艾弗里提純的DNA 純度最高時仍有0.02%的蛋白質(zhì)雜質(zhì)。1946年，艾弗里進入諾貝爾獎第2 輪提名，諾貝爾獎初審哈馬斯登卻未通過艾弗里的提名。教師可設問：艾弗里未被通過的原因可能是什么？學生進行思考回答，教師再給出哈馬斯登的理由：他認為艾弗里的實驗中DNA 被蛋白質(zhì)污染，蛋白質(zhì)才是轉(zhuǎn)化因子。教師可進一步提問：如果你是艾弗里，如何進行實驗證明DNA 是轉(zhuǎn)化因子？學生思考、討論后，教師再展示艾弗里對實驗的改進：在實驗中增加“DNA+DNA 酶”這一實驗組。DNA 在DNA 酶的作用下被破壞，R 型細菌不能轉(zhuǎn)化為S 型細菌，與只加入DNA 的對照組相比，說明有且只有DNA 才能使R 型細菌轉(zhuǎn)化為S 型細菌。將科學史材料與思維活動相結(jié)合，通過問題不斷推進，挖掘思維的潛能，讓學生在與科學家思路的“不謀而合”中，獲得成就感，也培養(yǎng)了學生求真、嚴謹?shù)目茖W思維。

2）注重問題的開放性，培養(yǎng)學生發(fā)散思維。例如，在講解噬菌體侵染細菌實驗時，提問：赫爾希和蔡斯在實驗中發(fā)現(xiàn)35S 標記的1 組沉淀物中有少量放射性，32P 標記的1 組上清液中也有少量的放射性，如何解釋這些現(xiàn)象？學生大膽猜測：可能是攪拌不充分，被標記的蛋白質(zhì)衣殼吸附在大腸桿菌上，隨大腸桿菌進入沉淀物；也有可能是保溫時間過短，部分被標記的噬菌體未來得及侵染細菌；還有可能是保溫時間過長，細菌裂解釋放出被標記的噬菌體，通過離心進入上清液。教師可進一步提問：在真實的實驗過程中，赫爾希和蔡斯為何不攪拌充分？保溫的時間是否是隨意設定的？再引出科學家對這個現(xiàn)象的解釋。在問題的引導下，教師既要鼓勵學生大膽推測，也要能“腳踏實地”地論證，當學生的思維被激發(fā)后，他們的發(fā)散力和創(chuàng)造力是無窮的。

3）在評價中思考，鼓勵質(zhì)疑與批判。教師可通過展示科學史故事，鼓勵學生表達自己的觀點。例如，當科學界普遍認為蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)，艾弗里通過實驗否定了這一觀點。而大部分遺傳學家因為艾弗里實驗的局限性，對他的觀點產(chǎn)生質(zhì)疑。這些合理的質(zhì)疑，讓學生體會到面對已有的科學理論，如何用批判性思維進一步探索，同時認識到科學發(fā)展的曲折與不易。再如，教師還可請學生對“蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)”和“四核苷酸”假說這2 種觀點進行評價，引導學生認識到科學的發(fā)展并不是一帆風順的，這些“試錯”都是必然的，是促進科學進一步發(fā)展的，從而培養(yǎng)科學的批判精神。

2.3 注重實踐，在探究中提升科學思維 僅通過“說”教，對于科學思維的培養(yǎng)還是浮于表面，而通過“做”科學，讓學生在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據(jù)、檢驗假設、發(fā)現(xiàn)規(guī)律等過程中習得生物學知識，養(yǎng)成科學思維習慣，形成積極的科學態(tài)度。

1）將科學史思想與探究相結(jié)合。例如，在進行肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗的教學時，可提出：加熱殺死的S 型細菌中可能會有哪些物質(zhì)？要確定轉(zhuǎn)化因子，是分別對這些物質(zhì)進行實驗還是同時實驗？怎樣的實驗結(jié)果能說明它是轉(zhuǎn)化因子？讓學生自主設計實驗，并對比實驗方案，請學生分析：一種思路是分別將S 型細菌的蛋白質(zhì)、DNA、RNA 等物質(zhì)去除，觀察轉(zhuǎn)化效果；另一種思路是將各種物質(zhì)分離提純，分別與R 型細菌混合，觀察效果。哪一種方法更好？最后，教師再展示真實的科學探究史實。再如，當學生掌握了如何證明DNA 是遺傳物質(zhì)的探究過程，教師引導學生進一步探究：某些病毒的成分只有RNA 和蛋白質(zhì)，如何設計實驗證明其遺傳物質(zhì)是RNA 還是蛋白質(zhì)？通過之前科學史的滲透，學生很容易在新的情境中，對知識進行遷移。將科學史思想和探究相結(jié)合，設計有價值的探究活動，而探究本身就是思維深層加工的過程，也是知識構(gòu)建和深化的過程。

2）積極為學生創(chuàng)造探究的機會。除了課堂問題引導，開展模擬實驗，教師還可組織學生開展研究性課題，親歷科學家的探究過程，在實踐中不斷感悟和領會。例如，可讓學生進行噬菌體侵染細菌實驗，明確混合、保溫、離心等各步驟的意義和作用，科學分析實驗數(shù)據(jù)，將自己的實驗結(jié)果與科學家的結(jié)果進行比較，通過思辨，提出進一步改進和提高的措施。學生在動手操作中，將科學思維外顯于實踐，體會科學探究的嚴謹與艱辛。