在宏觀科學(xué)史視野中深度理解科學(xué)過程

趙麗芳 慕曉茹

在以培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)為課程宗旨的高中生物學(xué)學(xué)科教學(xué)中，科學(xué)史議題得到教師的普遍關(guān)注?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》中給出了“注重生物科學(xué)史和科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)”的教學(xué)建議。當(dāng)前，在高中生物學(xué)教學(xué)中，科學(xué)史議題的常態(tài)教學(xué)多是碎片化的，史實(shí)呈現(xiàn)欠缺整體性、反思解釋不到位等問題，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)科學(xué)過程模式的理解、對(duì)“關(guān)于自然科學(xué)的知識(shí)”的學(xué)習(xí)等也都是碎片化的。

在“DNA 是主要的遺傳物質(zhì)”一課所在單元常規(guī)教學(xué)階段，我們進(jìn)行過前后科學(xué)事件的串聯(lián)，并在本節(jié)課教學(xué)中運(yùn)用圖表理解策略以幫助學(xué)生感悟和建立對(duì)具體科學(xué)探究過程的完整性認(rèn)識(shí)與理解，但限于課程學(xué)時(shí)安排及學(xué)情等實(shí)際情況，我們的科學(xué)史議題教學(xué)在提高學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的育人價(jià)值方面達(dá)成水平并不高，敘說(shuō)欠缺整體性、反思解釋不到位的碎片化學(xué)習(xí)等也導(dǎo)致學(xué)生在科學(xué)探究能力相關(guān)測(cè)試中表現(xiàn)欠佳。

高中學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了許多生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，其中有直接體驗(yàn)，也有間接經(jīng)驗(yàn)，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都是一個(gè)科學(xué)過程的例子，即學(xué)生已經(jīng)知道了許多科學(xué)過程的例子。對(duì)學(xué)生而言，隨著時(shí)間推移，這些科學(xué)過程實(shí)例中的事實(shí)細(xì)節(jié)大多會(huì)忘記，而我們的期望是學(xué)生能獲得對(duì)這些例子的共同特質(zhì)的理解，包括科學(xué)實(shí)證思維、一般過程模式、觀念方法論和科學(xué)本質(zhì)，這才是能永久留存并影響學(xué)生一生的學(xué)習(xí)結(jié)果。

要達(dá)成這樣的學(xué)習(xí)結(jié)果，解決前述教學(xué)問題，需要合適的教學(xué)時(shí)機(jī)，這個(gè)時(shí)機(jī)則需要具備三個(gè)條件：一是當(dāng)學(xué)生積累了足夠多的科學(xué)過程的例子后；二是當(dāng)科學(xué)過程例子密集循環(huán)出現(xiàn)時(shí)；三是當(dāng)密集循環(huán)出現(xiàn)的科學(xué)過程之間有緊密的內(nèi)在邏輯時(shí)，即在一個(gè)宏觀背景下的大科學(xué)史中審視科學(xué)過程，此時(shí)的科學(xué)史才足以承載“關(guān)于自然科學(xué)的知識(shí)”，支撐學(xué)生對(duì)科學(xué)史實(shí)背后的科學(xué)過程一般范式、科學(xué)思維、觀念方法及科學(xué)精神等的感悟與反思。

縱觀高中生物學(xué)課程教材內(nèi)容體系，基因發(fā)現(xiàn)史及本質(zhì)探索史是一個(gè)難得的教學(xué)內(nèi)容載體，其有兩個(gè)教學(xué)階段可以選擇，一是必修模塊的常規(guī)教學(xué)階段，二是選考生物學(xué)科的系統(tǒng)復(fù)習(xí)教學(xué)階段。對(duì)于學(xué)生而言，必修模塊學(xué)習(xí)階段不能滿足前述三個(gè)條件。在“DNA 是主要的遺傳物質(zhì)”這節(jié)課的內(nèi)容復(fù)習(xí)之前，學(xué)生恰到好處地具備了三個(gè)必要條件。因此，我們選擇以“DNA 是主要的遺傳物質(zhì)”復(fù)習(xí)課為契機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更有高度和深度的學(xué)習(xí)。

學(xué)生能獲得對(duì)科學(xué)過程一般范式的理解，包括科學(xué)實(shí)證思維、觀念方法論和科學(xué)本質(zhì)，這是我們追求的深度學(xué)習(xí)結(jié)果（學(xué)習(xí)目標(biāo)），這一學(xué)習(xí)結(jié)果的達(dá)成需要合適的任務(wù)、針對(duì)性的學(xué)習(xí)活動(dòng)及序列。

一、置身史境，自主整合

在現(xiàn)實(shí)教學(xué)背景下，我們基于學(xué)情，曾對(duì)科學(xué)史議題教學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，在教學(xué)內(nèi)容分析研究時(shí)繪制了基因發(fā)現(xiàn)及本質(zhì)探索史的圖解（如下頁(yè)圖1）。置身史境，自主整合的學(xué)習(xí)任務(wù)主要通過導(dǎo)學(xué)案，由學(xué)生在課前自主完成。

教師先出示給學(xué)生一份基因探索史的圖解（如圖1 中虛線框出部分），將前面章節(jié)分散呈現(xiàn)的科學(xué)史整合呈現(xiàn)，讓學(xué)生置身宏觀史境中，開始本節(jié)內(nèi)容的自主復(fù)習(xí)，也幫助學(xué)生感悟關(guān)于“DNA 是主要的遺傳物質(zhì)”的探索是基因探索長(zhǎng)河中的一個(gè)片段，科學(xué)是一個(gè)發(fā)展的過程，科學(xué)知識(shí)可能隨著研究的深入而改變。為了讓學(xué)生能在史境中駐目，教師可設(shè)計(jì)幾處填充處理，幫助學(xué)生區(qū)別觀察（現(xiàn)象、結(jié)果）與推論，區(qū)分假說(shuō)（推論）與預(yù)期、結(jié)論。

然后，學(xué)生自主再現(xiàn)本節(jié)課內(nèi)容。教師依序出示四個(gè)子任務(wù)：一是對(duì)遺傳物質(zhì)的早期推測(cè)，二是肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，三是噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)，四是煙草花葉病毒實(shí)驗(yàn)。其中的肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)和噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)由教師設(shè)計(jì)類似表格式的內(nèi)容梳理整合支架，即“實(shí)驗(yàn)課題→實(shí)驗(yàn)材料→實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果（討論）→實(shí)驗(yàn)結(jié)論”的內(nèi)容組織架構(gòu)。學(xué)生按此支架完成自主內(nèi)容整合，并思考每一個(gè)實(shí)驗(yàn)探究過程的問題、實(shí)證思維等關(guān)鍵科學(xué)過程環(huán)節(jié)或要素。

二、再入史境，擴(kuò)展精煉

再入史境，擴(kuò)展精煉的學(xué)習(xí)任務(wù)，由教師主導(dǎo)進(jìn)行課前學(xué)習(xí)反饋及深化。

教師先通過再入史境引導(dǎo)學(xué)生梳理科學(xué)史，幫助學(xué)生認(rèn)同“人類對(duì)遺傳物質(zhì)的認(rèn)識(shí)是隨著研究的深入而改變的”“科學(xué)研究始于問題、問題始于懷疑”“科學(xué)研究依賴觀察（實(shí)驗(yàn)）和推論”“科學(xué)是假說(shuō)推動(dòng)的過程”等，這樣“關(guān)于自然科學(xué)的知識(shí)”就在學(xué)生的感悟和反思中生成。

然后，教師通過引導(dǎo)性設(shè)問引領(lǐng)學(xué)生對(duì)三個(gè)實(shí)驗(yàn)探究進(jìn)行擴(kuò)展與精煉，包括：針對(duì)肺炎鏈球菌體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的設(shè)問——格里菲斯的研究課題（目的）是什么？哪組是最關(guān)鍵的？理由是什么？本實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是什么？針對(duì)肺炎鏈球菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的設(shè)問——這個(gè)實(shí)驗(yàn)的自變量是什么？實(shí)驗(yàn)操作中是如何設(shè)置自變量的？這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果及結(jié)論是什么？針對(duì)噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)的設(shè)問——噬菌體侵染大腸桿菌的文字描述中，兩次提到的T2 噬菌體是什么關(guān)系？在過程描述中可知，聯(lián)系親子代噬菌體的是什么？為什么要標(biāo)記親代噬菌體？用什么標(biāo)記？怎樣標(biāo)記？子代噬菌體在哪兒？ 怎樣保證它的位置？如何分離親代和子代噬菌體？實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論是什么？

通過以上引導(dǎo)與設(shè)問，通過師生對(duì)話，對(duì)學(xué)案暴露的問題進(jìn)行澄清，對(duì)話過程中特別關(guān)注具體科學(xué)過程的問題和科學(xué)實(shí)證思維、結(jié)果與推論、預(yù)期與結(jié)論等。這樣，教師適時(shí)、適機(jī)地引導(dǎo)學(xué)生區(qū)分了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的減法原理與加法原理。

三、又入史境，建構(gòu)解釋

通過對(duì)三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的自主學(xué)習(xí)及拓展精煉，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行抽象概括，構(gòu)建模型并運(yùn)用模型解釋及反思。

教師先引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)了赫爾希和蔡斯所做的“噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)”的探究流程。在建立這個(gè)學(xué)習(xí)支架的基礎(chǔ)上，學(xué)生結(jié)合肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)和噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)等探究過程，先自主建構(gòu)“科學(xué)研究流程”模型，再通過小組合作進(jìn)一步完善“科學(xué)研究流程”模型。

然后，教師選取小組代表對(duì)本組所構(gòu)建的模型進(jìn)行展示并講解。其他學(xué)生認(rèn)真聆聽并結(jié)合本小組的討論結(jié)果進(jìn)行質(zhì)疑和補(bǔ)充，共同形成一份“科學(xué)探究流程”模型。這時(shí)，教師也展示一份較完整的科學(xué)過程模型（如圖2）。學(xué)生通過參與、思考和體驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建，提升了科學(xué)思維和探究能力，同時(shí)，認(rèn)可假說(shuō)在科學(xué)發(fā)展中的推動(dòng)作用，感悟嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)精神、合作交流、多學(xué)科融合、技術(shù)發(fā)展等因素對(duì)科學(xué)發(fā)展所起到的促進(jìn)作用。

最后，教師將教材中的煙草花葉病毒的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)充，作為真實(shí)情境素材提供給學(xué)生，并利用交互軟件為學(xué)生提供模擬操作的工具箱和范例。同時(shí)，教師布置任務(wù)：小組合作，設(shè)計(jì)探究方案，探究煙草花葉病毒和車前草病毒的遺傳物質(zhì)是什么。學(xué)生再次通過合作探究、展示交流和歸納總結(jié)，模擬從提出假說(shuō)到得出結(jié)論的科學(xué)探究全過程，加深對(duì)模型的理解和對(duì)科學(xué)發(fā)展本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

此外，在課堂小結(jié)環(huán)節(jié)，教師再次引入導(dǎo)課時(shí)用到的“基因探索史”部分科學(xué)史圖解，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合本節(jié)課的內(nèi)容，對(duì)圖解進(jìn)行補(bǔ)充和引申，并做出反思性解釋。在梳理過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生逐步形成生物學(xué)重要概念：親代傳遞給子代的遺傳信息主要編碼在DNA 分子上。通過這一教學(xué)環(huán)節(jié)及教學(xué)行為，教師引導(dǎo)學(xué)生站在歷史長(zhǎng)河中審視科學(xué)研究過程及價(jià)值，認(rèn)同科學(xué)是一個(gè)繼承發(fā)展、不斷深化的過程，科學(xué)知識(shí)可能隨著研究的深入而改變，科學(xué)工作采用實(shí)證的范式，等等。學(xué)生在反思中深度理解科學(xué)過程及“關(guān)于自然科學(xué)的知識(shí)”，科學(xué)素養(yǎng)得以完善與提升。

通過對(duì)基因發(fā)現(xiàn)及本質(zhì)探索史的整體性處理、圖解呈現(xiàn)，學(xué)生在宏觀科學(xué)史視野中形成科學(xué)概念、體悟科學(xué)過程、獲得“ 關(guān)于自然科學(xué)的知識(shí)”，將個(gè)體思維發(fā)展與基因這一科學(xué)概念發(fā)展聯(lián)系了起來(lái)。

我們以“DNA 是主要的遺傳物質(zhì)”復(fù)習(xí)課為契機(jī)的教學(xué)研究，基本形成了一個(gè)解決科學(xué)史議題中科學(xué)過程理解與“關(guān)于自然科學(xué)的知識(shí)”碎片化學(xué)習(xí)的教學(xué)問題的路徑，同時(shí)富于實(shí)效地回應(yīng)了《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）中提出的“注重生物科學(xué)史和科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)”的教學(xué)建議。在宏觀科學(xué)史視野中深度理解科學(xué)過程，也是教師要完善的學(xué)科教學(xué)知識(shí)。

（責(zé)任編輯：楊強(qiáng)）