高中生物科學史教學對科學思維的培養(yǎng)實踐探索

韋夢圓 陳麗軍 何曉波 張忠華

【摘 要】 運用生物科學史創(chuàng)設真實情境是培養(yǎng)學生科學思維的一種重要途徑。以“對細胞膜結構的探索”教學為例，通過為學生呈現豐富的科學史實，引導學生歸納與概括、演繹與推理、模型與建模等，提升學生的科學思維。

【關鍵詞】 生物學科素養(yǎng)? 新課改? 生物科學史? 科學思維

我國生物學核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學思維、科學探究及社會責任，作為核心素養(yǎng)之一的科學思維是學生在學習自然科學過程中不可或缺的能力。高中生物科學史中包含了科學研究規(guī)律、科學思維、科學研究方法以及科學家們堅持不懈的科學研究精神，深入挖掘高中生物科學史，并在課堂上有效呈現，將會有助于學生達成科學思維的培養(yǎng)目標。

一、 科學史及科學思維的概念

（一）科學史

科學史是科學發(fā)展的歷史進程，以在科學發(fā)展過程中做出突出貢獻的人物、事件為主線，以科學知識為主體共同構成的科學發(fā)展史。科學史分兩種，一種是有文獻或者記錄在冊的歷史上客觀存在的科學史實，也就是在一定社會背景下，科學的歷史發(fā)展進程;另一種是主觀性的科學精神、科學方法或科學思想，即一些專家學者通過科學家的探索過程及結論，提煉出探索真理過程中科學家所表現的科學品質。

（二）科學思維

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》對科學思維的要求是通過崇尚真知、渴望得到知識的動機，繼而產生尊重事實和證據的認知行為，并在解決實際問題過程中運用正確的、科學的邏輯方式思考問題、解決問題，產生正確的認知方式，最終在思考某些問題時具有較高的認知品質，能多角度分析問題，大膽提出質疑，即具備質疑和批判思維。

二、新課程標準下科學史教學對科學思維培養(yǎng)的意義

新課程標準中指出，課程目標的設置應著力培養(yǎng)學生分析處理圖表數據，嘗試提出問題、作出假設、結果預測等各種科學研究能力，其核心內容即是通過教學引導學生不斷發(fā)展科學思維的過程。而高中生物教材中包含豐富的科學研究事實、圖像、模型等材料，使學生正確認識科學研究，加深對生物學核心概念的理解。在學習生物科學史時，大量科學研究事實需要學生歸納、概括得到結論，經過綜合結論一步步自主構建模型。在此過程中，學生通過推導科學家的大量研究事實總結出一般規(guī)律，并利用模型建構將知識間的相互聯系表現出來，利于培養(yǎng)學生認識物質世界、爭取獲得高質量結果的學習習慣和思維方式。

三、高中生物科學史的教學實例

本文以2019年新改版人教版高中生物必修1分子與細胞的“對細胞膜結構的探索”為例進行生物科學史的教學設計。本課主要圍繞三個核心問題創(chuàng)設情境，以問題串的形式，通過提供事實材料和證據，采用歸納與概括、演繹與推理的方法分析和體驗科學家對細胞膜的探索歷程，引導學生辯證思考，逐步構建概念和模型。

（一）細胞膜成分的發(fā)現

1. 創(chuàng)設問題情境

提出問題：細胞膜的組成成分是什么？

2. 分析資料，作出推理

展示資料：19世紀末，歐文頓用500多種化學物質對植物細胞通透性進行上萬次實驗。

學生小組討論，作出推理假設：膜是由脂質組成。

3. 分析證據，完善結論

展示資料：20世紀初，科學家對哺乳動物紅細胞的細胞膜進行化學分析，發(fā)現細胞膜會被蛋白酶分解。

教師引導學生思辨歐文頓只從細胞膜功能入手，進行細胞膜通透性實驗間接得出結論，存在不足。鼓勵學生質疑和辯駁，針對細胞膜成分分析實驗，提出膜的主要成分是脂質和蛋白質的結論，從而推翻歐文頓的假設，完善細胞膜主要組成成分的結論。

（二）細胞膜結構的發(fā)現

1. 創(chuàng)設問題情境

提出問題：脂質和蛋白質怎樣構成細胞膜？

2. 分析資料，作出推理

展示資料1：1925年兩位荷蘭科學家Gorter和Grendel，利用紅細胞吸水脹破，然后進行磷脂分子的排布實驗。

展示資料2：磷脂分子結構圖片以及特點。

學生小組討論，綜合分析資料1和資料2，結合細胞膜兩側都存在水環(huán)境的事實，作出推理：細胞膜是由雙層磷脂分子組成，然后嘗試構建出磷脂雙分子層模型。

3. 分析證據，完善結論

展示資料1：1959年，羅伯特森利用電鏡觀察到暗——明——暗的三層結構。

展示資料2：20世紀60年代，科學家通過冰凍蝕刻電子顯微法，在電鏡下觀察到蛋白質分布模型圖。

學生通過分析電鏡照片及模型圖，歸納出蛋白質鑲在、嵌入、貫穿在磷脂雙分子層中，從而完善細胞膜結構的結論。

（三）細胞膜流動性的發(fā)現

1. 創(chuàng)設問題情境

提出問題：羅伯特森利用電鏡觀察到蛋白質與脂質三層靜態(tài)結構模型，如果生物膜是靜態(tài)的統一結構，那么細胞的生長、變形蟲的運動等現象要如何解釋？

2. 分析證據，完善結論

展示資料：1970年，科學家用熒光標記法研究小鼠細胞和人細胞的融合實驗。

學生小組討論，通過熒光標記的小鼠細胞和人細胞融合實驗，作出推斷膜蛋白具有一定的流動性，只有細胞膜具有流動性才能解釋細胞的生長和變形蟲的運動等現象，從而推翻羅伯特森提出生物膜是靜態(tài)的觀點。

四、總結

學生學會在真實情境中發(fā)現問題和提出問題，并運用所學知識分析、解決問題，是達成科學思維的重要途徑。生物科學史呈現了知識形成的完整過程，蘊含豐富的科學思維，是真實情境的重要來源。教師應該深入挖掘教材中的生物科學史，通過科學史創(chuàng)造真實的科學研究情境，更好培養(yǎng)學生的科學思維。

參考文獻

[1] 陳國娟.生物科學史教學策略在高中生物學概念教學中應用的案例研究[D].廣西師范大學，2019.

[2] 陳柳清.探析核心素養(yǎng)視域下高中生物科學思維培養(yǎng)策略[J].華夏教師，2018（35）：14-15.