核心素養(yǎng)視域下科學(xué)史與概念教學(xué)融合探究

歐九生

摘 要 科學(xué)史是概念教學(xué)中的重要素材，對(duì)于建構(gòu)重要概念起著舉足輕重的作用。因此，在概念教學(xué)中，教師應(yīng)利用科學(xué)史創(chuàng)設(shè)問題情境，依托科學(xué)史進(jìn)行科學(xué)探究，引導(dǎo)學(xué)生在分析科學(xué)史的過程中發(fā)展科學(xué)思維，并通過還原科學(xué)史、深度還原概念的建構(gòu)過程來實(shí)現(xiàn)對(duì)概念的深度理解?？茖W(xué)史可為概念教學(xué)和發(fā)展核心素養(yǎng)提供重要支撐。

關(guān)鍵詞 高中生物 科學(xué)史 概念教學(xué) 科學(xué)思維

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出了“核心素養(yǎng)為宗旨，內(nèi)容聚焦大概念，教學(xué)過程重實(shí)踐，學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)促發(fā)展”[1]3-4的課程理念，要求一線教師“高度關(guān)注學(xué)科素養(yǎng)的達(dá)成，教師在設(shè)計(jì)和組織每個(gè)單元的教學(xué)活動(dòng)時(shí)應(yīng)圍繞大概念和重要概念展開”[1]3-4?？茖W(xué)思維和科學(xué)探究是生物學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方面，在概念建構(gòu)中發(fā)展核心素養(yǎng)符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律。生物科學(xué)史是生物學(xué)的重要內(nèi)容，也是進(jìn)行概念學(xué)習(xí)的重要素材。生物學(xué)教材包含了大量的科學(xué)史內(nèi)容，如何有效利用科學(xué)史進(jìn)行概念教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展是我們的重要任務(wù)之一。

一、科學(xué)史與生物學(xué)概念建構(gòu)的關(guān)系

概念是人類思維的基本形式，是人們通過比較、分析、綜合、抽象概括而形成的人腦對(duì)客觀事物本質(zhì)屬性的反映[2]。在科學(xué)教育領(lǐng)域里，安德森等學(xué)者將傳統(tǒng)意義上的概念與原理和理論都統(tǒng)稱為概念性知識(shí)[3]。生物學(xué)概念是人們?cè)趯?duì)生命現(xiàn)象的觀察研究過程中，通過科學(xué)的研究方法和理性的思維方式揭示生命現(xiàn)象和生命規(guī)律的本質(zhì)屬性進(jìn)而形成的，它包含了生物學(xué)基本概念和基本原理，如生態(tài)系統(tǒng)、光合作用等。這些概念的形成體現(xiàn)了科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程，具有科學(xué)史的特點(diǎn)。筆者總結(jié)了概念建構(gòu)路徑和科學(xué)史之間的關(guān)系（詳見圖1）。

由圖1展現(xiàn)的概念建構(gòu)與科學(xué)史之間的關(guān)系可以看出，在概念教學(xué)中，教師首先要為概念的建構(gòu)創(chuàng)設(shè)一定的問題情境，這與科學(xué)史的發(fā)現(xiàn)問題是一致的。學(xué)生在問題情境中運(yùn)用科學(xué)的思維方法去探究問題，探索現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，進(jìn)而生成生物學(xué)概念。而科學(xué)史恰好與這樣的認(rèn)知過程相符合：科學(xué)家們?cè)诎l(fā)現(xiàn)生物學(xué)問題后，先作出問題假設(shè)，然后尋找支撐假設(shè)的證據(jù)，最后解決問題，形成生物學(xué)概念或理論?？梢姡茖W(xué)史與生物學(xué)概念教學(xué)的關(guān)系是緊密的，利用科學(xué)史有助于學(xué)生構(gòu)建概念和發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、科學(xué)史在概念建構(gòu)中的應(yīng)用

（一）利用科學(xué)史，創(chuàng)設(shè)問題情境，作出假設(shè)，驗(yàn)證假設(shè)

情境是概念生成的重要場(chǎng)域，學(xué)生基于生活中遇到或可能遇到的具體的問題情境，在分析問題、解決問題的過程中逐步生成概念。情境的來源有很多，其中，科學(xué)史是概念學(xué)習(xí)情境的重要來源。在教學(xué)中，利用教材提供的科學(xué)史來創(chuàng)設(shè)問題情境，可以有效激發(fā)學(xué)生的求知欲、探究欲。

例如，與“基因在染色體上”的教學(xué)相關(guān)的科學(xué)史是從摩爾根對(duì)孟德爾有誤解到開始認(rèn)同孟德爾研究結(jié)論的過程：一開始，摩爾根利用家鼠的毛色、眼色等雜交實(shí)驗(yàn)來證實(shí)孟德爾的分離比例，然而結(jié)果并不盡如人意，于是他開始懷疑和反對(duì)孟德爾的遺傳規(guī)律;后來，果蠅雜交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果使得他又成為孟德爾的堅(jiān)定支持者[4]7-8。并且，摩爾根在研究果蠅的過程中發(fā)現(xiàn)了“基因在染色體上”。這一科學(xué)史實(shí)，為“基因在染色體上”這一概念的建立創(chuàng)設(shè)了問題情境，使學(xué)生親歷科學(xué)研究之路，進(jìn)而完成建構(gòu)生物學(xué)重要概念的過程。通過展示這樣的科學(xué)史故事可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)他們的求知欲。

[教學(xué)片段]首先展示摩爾根的白眼果蠅與紅眼果蠅的雜交實(shí)驗(yàn)示意圖（圖2）。然后以此為情境提出問題：摩爾根的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否符合孟德爾的分離定律？你認(rèn)為此現(xiàn)象與什么有關(guān)？學(xué)生經(jīng)分析實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與孟德爾實(shí)驗(yàn)的比例是一樣的，但是白眼只出現(xiàn)在雄性中，與性別相關(guān)聯(lián)。

在展示果蠅染色體結(jié)構(gòu)圖（圖3）后，再讓學(xué)生提出假設(shè)，并解釋現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度思考。學(xué)生基于分析提出假設(shè)：假設(shè)1，控制眼色的基因是在Y染色體上，X染色體上沒有它的等位基因;假設(shè)2，控制眼色的基因在X染色體上，Y染色體上不含有它的等位基因;假設(shè)3，控制眼色的基因在X和Y染色體上。此時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生用證偽法來驗(yàn)證假設(shè)，和學(xué)生一起分析假設(shè)1如果成立，所有雄性親本都應(yīng)是白眼，因此，得出結(jié)論：假設(shè)1是不成立的。再讓學(xué)生將假設(shè)2和假設(shè)3代入遺傳圖解，親身體驗(yàn)科學(xué)證實(shí)的過程，代入遺傳圖解后學(xué)生發(fā)現(xiàn)，兩種假設(shè)都可以解釋摩爾根的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，子一代全是紅眼，子二代紅眼∶白眼 = 3∶1，且白眼只出現(xiàn)在雄性中。此時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生討論：如何根據(jù)科學(xué)史上摩爾根的驗(yàn)證方法設(shè)計(jì)測(cè)交實(shí)驗(yàn)來證明自己的觀點(diǎn)是正確的？引導(dǎo)學(xué)生利用白眼雌果蠅和紅眼雄果蠅雜交來驗(yàn)證假說，使學(xué)生學(xué)會(huì)利用設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證觀點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理素養(yǎng)。最后，展示摩爾根的測(cè)交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出控制眼色的基因位于X染色體上的結(jié)論。

繼續(xù)重現(xiàn)科學(xué)史：果蠅雜交實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)典的3∶1遺傳比例無疑證實(shí)了孟德爾理論的正確性。摩爾根和他的學(xué)生們發(fā)現(xiàn)，40多種的突變性狀都無一例外地遵循孟德爾遺傳定律，這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)讓摩爾根重新成為孟德爾最堅(jiān)定的支持者[4]28。這樣的情境不但激發(fā)了學(xué)生的探究欲望，也讓學(xué)生在解決情境問題中建構(gòu)了重要概念。

教材中還有很多科學(xué)史是可以作為學(xué)習(xí)情境素材的，例如，發(fā)現(xiàn)DNA是主要遺傳物質(zhì)的科學(xué)史，沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)的科學(xué)史都是創(chuàng)設(shè)情境的重要材料。教學(xué)情境和知識(shí)就像湯和鹽的關(guān)系，鹽需要溶入湯中才能被吸收，而知識(shí)需要融入情境中才能顯示出活力[5]103。利用科學(xué)史創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生在情境中發(fā)展思維、生成概念、完善核心素養(yǎng)是概念教學(xué)的重要手段。只有在情境中習(xí)得概念和發(fā)展素養(yǎng)，才能使學(xué)生將來能夠從容面對(duì)紛繁復(fù)雜的社會(huì)生活，具備知識(shí)的遷移與應(yīng)用的能力、分析和解決問題的能力，這也是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的最終目的。

（二）依托科學(xué)史，進(jìn)行科學(xué)探究

概念不是直接灌輸給學(xué)生的，而是學(xué)生在基于事實(shí)和證據(jù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用科學(xué)思維進(jìn)行科學(xué)探究，逐步發(fā)展和建構(gòu)形成的。很多生物學(xué)概念都是在科學(xué)史上經(jīng)歷了很多代科學(xué)家的共同努力才得以建構(gòu)形成的，可見，在教學(xué)中，科學(xué)史是進(jìn)行科學(xué)探究的重要支撐。

例如，在“植物生長(zhǎng)素的發(fā)現(xiàn)”教學(xué)過程中，可以先提供一盆單側(cè)生長(zhǎng)的盆栽和一盆自然生長(zhǎng)的盆栽，讓學(xué)生觀察兩者生長(zhǎng)狀況的不同，并提出問題：引起植物單側(cè)生長(zhǎng)的原因是什么？學(xué)生通過分析認(rèn)為，植物單側(cè)生長(zhǎng)是長(zhǎng)期的單側(cè)光照引起的。再讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明自己的觀點(diǎn)，并引導(dǎo)學(xué)生觀察植物生長(zhǎng)的部位和彎曲的部位。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)的部位是尖端，而彎曲的部位是尖端以下。然后提出問題：尖端和尖端以下如何建立聯(lián)系的？在學(xué)生提出自己觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上展示達(dá)爾文的推測(cè)：由于單側(cè)光照射使胚芽鞘尖端產(chǎn)生某種刺激并傳遞到其下部伸長(zhǎng)區(qū)，再提出問題：為什么背光面會(huì)比向光面長(zhǎng)得快，可能與什么有關(guān)？教師展示的詹森和拜爾的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生認(rèn)真觀察、思考并給出自己的觀點(diǎn)。學(xué)生通過觀察科學(xué)家的研究歷史，建構(gòu)了植物向光生長(zhǎng)的內(nèi)因是尖端產(chǎn)生的物質(zhì)在伸長(zhǎng)區(qū)分布不均引起的，導(dǎo)致背光面長(zhǎng)得比向光面快。此時(shí)，再讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明自己的觀點(diǎn)。這就還原了達(dá)爾文發(fā)現(xiàn)植物單側(cè)生長(zhǎng)并分析原因的過程，結(jié)合內(nèi)因和外因，生成植物向光生長(zhǎng)的原因。學(xué)生也在這個(gè)過程中理解了單側(cè)光是植物向光生長(zhǎng)的外因。

基于科學(xué)史發(fā)現(xiàn)問題，通過分析生命現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進(jìn)而提出自己的解釋，再基于現(xiàn)象設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明自己的觀點(diǎn)，這一過程體現(xiàn)了科學(xué)知識(shí)是在探究過程中生成的?？梢姡茖W(xué)史的確為科學(xué)探究提供了重要支撐。在教學(xué)中，有些教師忽略了科學(xué)史可以作為探究材料，沒有讓學(xué)生在探究中尋找生命現(xiàn)象背后的本質(zhì)，而是直接把科學(xué)史當(dāng)作史料或證據(jù)來用：?jiǎn)渭冎v述科學(xué)家當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了什么現(xiàn)象，提出了什么問題，實(shí)驗(yàn)是怎么做的。這樣做缺少了探究的過程，導(dǎo)致知識(shí)不是來源于科學(xué)探究而是來源于教師的灌輸，無法訓(xùn)練學(xué)生思維、培養(yǎng)學(xué)科素養(yǎng)。而利用科學(xué)史進(jìn)行科學(xué)探究，在科學(xué)探究中發(fā)展科學(xué)思維進(jìn)而生成重要概念，才是我們?cè)诮虒W(xué)中應(yīng)該采取的一種有效手段。

（三）分析科學(xué)史，培養(yǎng)科學(xué)思維

“科學(xué)思維”是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力[1]57-58?？茖W(xué)思維是關(guān)鍵的核心素養(yǎng)之一，而讓學(xué)生在概念習(xí)得中發(fā)展科學(xué)思維是概念教學(xué)的主要目的之一?？茖W(xué)史是習(xí)得概念、發(fā)展科學(xué)思維的重要素材，學(xué)生在分析科學(xué)史的過程中也能夠形成良好的科學(xué)思維。

例如，在“光合作用”教學(xué)中，根據(jù)教材提供的恩格爾曼水綿與好氧菌的實(shí)驗(yàn)提出問題：恩格爾曼的實(shí)驗(yàn)方法有什么巧妙之處？實(shí)驗(yàn)結(jié)論是什么？學(xué)生在分析科學(xué)史上恩格爾曼的實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)展了分析與推理、綜合與歸納等科學(xué)思維。

在教學(xué)“孟德爾發(fā)現(xiàn)遺傳規(guī)律的實(shí)驗(yàn)”時(shí)可以還原科學(xué)史，如當(dāng)時(shí)的主流觀點(diǎn)是融合遺傳，紅花和白花雜交后代為粉色花，但是孟德爾嘗試讓高莖豌豆和矮莖豌豆雜交，其后代并不是中等高度，子一代自交卻又重新出現(xiàn)了高莖和矮莖等問題。讓學(xué)生重新模擬完成一次豌豆雜交實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、提出假說、演繹推理等思維過程，整個(gè)過程并不提供孟德爾的解決辦法，讓學(xué)生自己思考討論，分析綜合，提出假說，驗(yàn)證假說，最后才展示孟德爾的做法。這樣的教學(xué)過程培養(yǎng)了學(xué)生分析與綜合、歸納與演繹等思維能力。

概念教學(xué)本質(zhì)上也是思維的教學(xué)，在教學(xué)中只有充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的思維，并根據(jù)不同概念的特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行意義的建構(gòu)，才能使概念內(nèi)化于學(xué)生的頭腦中，成為他們分析和解決問題時(shí)心智操作的工具[6]。而生物科學(xué)史展示了科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程，在該過程中包含了科學(xué)思維、科學(xué)方法和科學(xué)精神。教材為很多重要概念的生成提供了科學(xué)史，展示了當(dāng)時(shí)科學(xué)家的研究過程。分析科學(xué)史是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的重要手段，因此，在教學(xué)中要善于利用科學(xué)史來幫助學(xué)生發(fā)展科學(xué)思維。

（四）還原科學(xué)史，建構(gòu)重要概念

概念的建構(gòu)來源于眾多的生物學(xué)事實(shí)，在分析生物學(xué)事實(shí)的基礎(chǔ)上，通過歸納、概括、抽象等思維形成一般概念。吳成軍認(rèn)為概念學(xué)習(xí)的一般路徑是“問題情境—科學(xué)探究、科學(xué)思維—重要概念”[5]79，而科學(xué)史恰恰體現(xiàn)了這樣的認(rèn)知過程。在教學(xué)中，通過還原科學(xué)史，可以重現(xiàn)人們?cè)谏钪小坝龅絾栴}→尋找證據(jù)→發(fā)現(xiàn)規(guī)律”的過程;通過深度還原概念的建構(gòu)過程，使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)概念的深度理解。

例如，在“細(xì)胞膜”的學(xué)習(xí)過程中，通過展示科學(xué)史：歐文頓通過對(duì)植物細(xì)胞通透性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，凡是溶于脂質(zhì)的物質(zhì)比不溶于脂質(zhì)的物質(zhì)更容易透過細(xì)胞膜。引導(dǎo)學(xué)生思考并提出問題：細(xì)胞膜可能含有什么物質(zhì)？（脂質(zhì)）再次引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合后來的研究發(fā)現(xiàn)——細(xì)胞膜中的脂質(zhì)主要是磷脂，隨即展示磷脂分子結(jié)構(gòu)圖，分析其親水頭部和疏水尾部的特性，然后提出問題：如果把磷脂鋪在水面上會(huì)怎么排列？并讓學(xué)生建構(gòu)磷脂在水面排列的模型。學(xué)生已知細(xì)胞內(nèi)是液態(tài)的，通過展示人體內(nèi)環(huán)境圖片讓學(xué)生明白細(xì)胞生活在水環(huán)境中，提出進(jìn)階問題：細(xì)胞內(nèi)外都有水，那么單層磷脂分子的疏水尾部如何與水環(huán)境相融呢？學(xué)生在此基礎(chǔ)上可以推測(cè)細(xì)胞膜上的磷脂是雙層排列的，并建構(gòu)出雙層磷脂分子模型。但是這只是基于磷脂分子化學(xué)特性的推測(cè)，無法直接觀察。而科學(xué)結(jié)論的得出要基于實(shí)驗(yàn)分析，要有證據(jù)支持。這時(shí)候再展示科學(xué)史：荷蘭科學(xué)家把從紅細(xì)胞中提取出的脂質(zhì)鋪在水面上，測(cè)定其面積是細(xì)胞表面積的兩倍。由此，學(xué)生可以得出細(xì)胞膜上的磷脂分子是雙層排列的結(jié)論。最后，結(jié)合羅伯特·森的電鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖和其他科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)研究，讓學(xué)逐步建構(gòu)細(xì)胞膜的流動(dòng)模型這一概念。

三、總結(jié)與反思

許多生物學(xué)概念經(jīng)都是歷了眾多科學(xué)家多年的科學(xué)研究而逐步形成、發(fā)展和完善的。這就要求我們?cè)诟拍罱虒W(xué)中要深度還原科學(xué)家們的關(guān)鍵研究過程，基于科學(xué)家的研究發(fā)現(xiàn)，通過分析歸納、演繹推理等科學(xué)思維方法建構(gòu)概念?？茖W(xué)史是建構(gòu)概念的重要載體，還原科學(xué)史，重走科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程，進(jìn)而生成生物學(xué)概念是概念教學(xué)的有效方式。

生物學(xué)概念是生物學(xué)知識(shí)呈現(xiàn)的基本方式，也是人們認(rèn)識(shí)生命現(xiàn)象和生命規(guī)律的基本思維方式?？茖W(xué)史富含科學(xué)家探索求真的科學(xué)精神和知識(shí)發(fā)現(xiàn)的探索軌跡，其本身就是一種重要的科學(xué)知識(shí)。教學(xué)中應(yīng)當(dāng)重視科學(xué)史的運(yùn)用和挖掘，而不是把科學(xué)史僅僅當(dāng)作歷史材料讓學(xué)生閱讀。在概念教學(xué)中，可以根據(jù)教學(xué)實(shí)際利用科學(xué)史創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生求知欲，依托科學(xué)史進(jìn)行科學(xué)探究，在科學(xué)探究中建構(gòu)重要概念。同時(shí)，由于科學(xué)史中還蘊(yùn)藏著研究生命現(xiàn)象和生命規(guī)律的思維過程和科學(xué)方法，學(xué)生在分析科學(xué)史中就能發(fā)展科學(xué)思維，學(xué)習(xí)科學(xué)方法，領(lǐng)悟科學(xué)精神。通過還原科學(xué)史，重現(xiàn)科學(xué)家當(dāng)時(shí)遇到的問題，引導(dǎo)學(xué)生尋找證據(jù)、解決問題，逐步生成概念。用好科學(xué)史有利于學(xué)生建構(gòu)概念、理解概念、發(fā)展核心素養(yǎng)。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]盧家楣.學(xué)習(xí)心理與教學(xué)：理論與實(shí)踐[M].上海：上海教育出版社，2020：55.

[3]趙占良.概念教學(xué)芻議（二）：概念的組成要素與概念教學(xué)[J].中小學(xué)教材教學(xué)，2015（2）：23-26.

[4]沈兆瑞.回顧“基因在染色體上”的發(fā)現(xiàn)歷程[J].中學(xué)生物教學(xué)，2017（4）.

[5]吳成軍.生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)與評(píng)價(jià)[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2020.

[6]趙占良.概念教學(xué)芻議（一）：對(duì)概念及其屬性的認(rèn)識(shí)[J].中小學(xué)教材教學(xué)，2015（1）：40-42.

（責(zé)任編輯：趙曉梅）