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基于生物科学史的生物课堂教学

生物科学史展示了生命科学形成的历史。生物学的每一个知识结论都是科学家通过观察、探究得出的，科学家探究知识的过程，不仅揭示了人们思考和解决生物学问题的思想历程，而且呈现了科学家的科学态度、科学精神和科学世界观；不仅包含了生物学理论和方法的形成演变，而且包含了不同学科之间的联系、科学与社会的相互影响等。
    正是基于生物科学史的这种内涵以及蕴含的教育价值，普通高中生物课程标准中明确提出了，要“注重生物科学史的学习”，指出“学习生物科学史能使学生沿着科学家探索生物世界的道路，理解科学的本质和科学研究的方法，学习科学家献身科学的精神。这对提高学生的科学素养是很有意义的。”同时，课标在内容标准中，列入了“分析细胞学说建立的过程”，“说明光合作用以及对它的认识过程”等方面的科学史内容。
    本文仅结合自己的教学实践，通过具体案例说明如何在教学过程中落实科学史的教育功能。
    一、着眼于理解科学知识的教学案例与分析
    案例1：《细胞核——系统的控制中心》（人教版教材，下同）教学片段
    师:同学们还记得初中学习过的克隆“多莉羊”是怎么得到的吗?
    生:(回答略)
    师:多莉羊有三个母亲，分别是提供细胞核的、提供细胞质的以及提供胚胎发育场所的，最后多莉羊的性状表现与哪个母亲相同？这说明了什么？
    生：多莉羊的性状与提供细胞核的母亲的性状一致，这说明了生物的性状是由细胞核控制的。
    师：围绕细胞核的功能，科学家做过许多相关的实验。根据刚才我们所说的结论，你能不能对下列科学家所做的实验结果作出推论呢？
    [投影资料1：科学家用黑白两种美西螈（一种两栖动物）做实验，将黑色美西螈胚胎细胞的细胞核取出来，移植到白色美西螈的去核卵细胞中。]
    你预期这个实验会得到什么结果呢？
    生：因为生物的性状是由细胞核决定的，该实验中移植后的卵细胞的细胞核是黑色美西螈的，因此可预期移植后长大的美西螈全部都是黑色的。
    师：分析的非常好。那我们再看另一个例子：
    [投影资料2：伞藻的身体是由一个细胞构成的（如下图），其细胞核只位于假根中。甲种伞藻的帽呈伞形，乙种伞藻的帽呈菊花形。科学家先将甲、乙伞藻的帽都切除，然后将乙伞藻的伞柄移植到甲伞藻的假根上（称为丙），将甲伞藻的伞柄移植到乙伞藻的假根上（称为丁）。一段时间后，丙、丁伞藻都分别长出了新的帽。]
    你预期丙、丁的伞帽形状是怎样的？
    生：嫁接后的丙所含的细胞核是种甲的，因此我推测丙应该长出伞形帽，而丁的细胞核是种乙的，因此我推测丁应长出菊花形帽。
    师：那如果将种甲和种乙的帽切除，然后将种甲的细胞核移到切去了伞帽的种乙的细胞根部，预期结果会如何呢？
    生：移植后的伞藻将长出种甲的伞形帽。

     师：分析得非常好，科学家所得到的实验结果也正是如此。这就进一步证明了生物的性状是由细胞核控制的。下面我们再看一个实例：
    [投影资料3：用一根玻璃针将一个变形虫切成两半，有核的一半能够继续生活，无核的一半死亡。若将一个变形虫的核取出，无核部分能够短期生存，但不能繁殖后代，单独的细胞核则无法生存。若在去核的第三天，再植回一个细胞核，这个变形虫还能正常生活(如图所示)。]

    这个实验说明了什么？你能对这个实验的现象作出解释吗？同学们可先讨论后再回答。
   [学生讨论]
    生：实验结果告诉我们单独的细胞核不能生存，没有细胞核的细胞也会死亡，只有细胞核与细胞质共同存在的情况下，细胞才能正常生活。这说明了细胞质与细胞核是相互依存的。
    师：好。那能不能对这种现象作出合理的解释呢？
    生1：细胞的代谢主要在细胞质中完成的，如果没有细胞质细胞核就像是个 “光杆司令”，缺少所需的原料、能量等，因此单独的细胞核无法生存。
    生2：如果没有细胞核，细胞就不能合成蛋白质，所以细胞质也不能生存下去。
    师：分析得有道理。但是实验中去掉了细胞核的细胞还存活了一段时间呢，这是为什么呢？
    生：我认为去掉细胞核的细胞质还能存活一段时间是因为细胞质中还保留着一些细胞所需要的物质与能量，当这些物质与能量消耗到一定程度细胞就会死去，这样就很好解释了为什么切取的少量无核部分会很快死亡，而移出细胞核后的细胞能存活较长的时间。
    师：我们还知道，哺乳动物成熟的红细胞也是没有细胞核的，这你又怎么解释呢？
    生：老师，红细胞是一直没有细胞核吗？
    师：刚产生的红细胞是有细胞核的，但成熟的红细胞就没有细胞核了。
    生：如果是这样我就能解释了。红细胞有核的时候已在细胞质中积累了一些物质与能量，这些物质与能量维持着成熟红细胞的生活。我记得在初中生物中学过，红细胞的寿命并不长，原因也就在于成熟红细胞只能利用它原来积存在细胞质中的物质与能量。
    师：好。为了进一步研究细胞核是否为活细胞所必需，有科学家做了以下的实验：
    [投影资料4：某生物学家研究了100个细胞，把每个细胞分成二个部分，一部分含有细胞核，另一部分没有细胞核。所有的细胞都放在一定的条件下培养。他得到了下面的实验数据。]

    师：相对于变形虫切割移植实验，你认为这个实验有什么优点？
    生：变形虫切割移植实验，仅就一个细胞进行实验，具有偶尔性。本实验两组实验各有100个细胞，数量多，偶尔性小，实验数据应该更可靠。
    师：根据这个实验结果，如果你是这位生物学家，你如何分析这些数据？你能得出什么结论？也有人对该科学家的实验数据及结论提出了质疑，如果你是该质疑的人，你会对该实验提出什么质疑？下面我们将学习小组分成二部分：一部分模拟该生物学家，另一部分模拟质疑人员。作为科学家的部分同学，讨论你们如何分析数据得出结论，并且要预计质疑组同学可能的质疑问题，如何回应他们的质疑；作为质疑组的同学要分析科学家组的同学会是如何分析数据，得出什么结论？并从中寻找实验及分析过程中的漏洞以提出质疑的问题。
    [学生讨论后辩论]
    科（代表生物学家）：根据实验我们得出的结论是，细胞核是细胞生活所必需的。
    质（代表质疑者）：但是实验的第一天，100个有核的细胞就死亡了21个，只留下了79个，你怎么解释呢？
    科：我们认为，这很可能是实验过程中细胞受到了伤害，或者培养条件导致了一些细胞的死亡。
    质：那为什么在培养过程中还不断会有有核的细胞死亡呢？
    科：那是因为正常的细胞也有生命的周期，也会死亡。
    ……
    师：很好。尽管细胞质与细胞核的具体生理活动我们需要在后面学习，但同学们已充分运用已有的知识进行了很合理的分析与解释。下面我们再看一个资料：
    [投影资料5：科学家用头发将蝾螈的受精卵横缢为有核与无核的两半，中间只有很少的细胞质相连。结果，有核的一半能分裂，无核的一半则停止分裂。当有核的一半分裂到16-32个细胞时，如果这时将一个细胞核挤到无核一半，这一半也会开始分析。最后两半都能发育成正常的胚胎，只是原来无核的一半发育得慢一些。]

     从这个实验我们能得出什么结论呢？
    [学生讨论]
    生：没有细胞核胚胎就不能发育。
    师：对，胚胎的发育过程是细胞分裂、分化的过程，因此也就说明了没有细胞核细胞就不能分裂与分化。哺乳动物成熟的红细胞还能分裂、分化吗？（不能）原因也就在于细胞中没有了细胞核。最后，我们能对细胞核在细胞生命活动中的作用作一个概括吗？
    生1：细胞核是代谢的控制中心。
    生2：细胞核控制细胞的代谢、分裂与分化。
    生3：细胞核调节、控制着细胞的生命活动。
    生4：我觉得可用课本上的标题来概括细胞核——系统的控制中心。
    师：非常好。细胞核控制着细胞的代谢和遗传等生命活动，是细胞这个系统的控制中心。
    获得生物科学的基本知识是生物课程规定的基本任务之一。生物科学史记载着生物科学知识的形成过程，对于生物学中的一些核心知识，通过引导学生分析典型的生物科学史料，有助于学生的深刻理解。
    上面的教学案例，是基于理解细胞核功能的教学设计。我们没有按照科学史的顺序来展示科学发展的过程，而是依据教学目标，从有助于学生理解细胞核的功能的角度选择了相关的史料。克隆多莉羊的实例学生在初中学过，也频见于各种媒体及资料，学生有一定的了解，我们设计以此唤起学生对细胞核功能的回忆。资料1与资料2进一步说明了细胞核对性状的控制；资料3和资料4说明了细胞核对细胞生活的影响，也说明核质间的相互关系；资料5说明了细胞核对细胞分裂、分化的影响，也说明细胞核对胚胎发育的影响。学生通过对这些史料的分析，不仅有助于对细胞核功能的深刻理解与认识的，而且也使学生的思维能力得到了有效的训练。
    二、着眼于科学方法训练的教学案例与分析
    案例2：“噬菌体侵染细菌的实验”的教学设计
    [提供背景资料。视频介绍噬菌体以及噬菌体侵染细菌的过程，让学生明确在噬菌体侵染细菌的过程中，DNA进入了细菌细胞内，而蛋白质的外壳留在了细胞外。]
    师：根据这个实验你能得出什么结论？
    生：DNA是遗传物质而蛋白质不是遗传物质。
    师：为什么能得出这个结论呢？
    生：因为这个实验中，只有噬菌体的DNA进入了细菌体内，蛋白质没有进入，最后释放的噬菌体只能是进入细菌的噬菌体DNA发挥的作用。
    师：你觉得用这个实验来证明DNA是遗传物质有什么巧妙之处？
    生：噬菌体侵染细菌的过程中，DNA与蛋白质分开了，只有DNA进入细菌，可以单独看DNA的作用。
    师：那么这个实验与肺炎双球菌转化实验在思路上有什么共同之处？
    生：都是设法把DNA与蛋白质分开，单独地、直接地观察DNA或蛋白质的作用。
    师：相比较肺炎双球菌转化实验，哪个实验更有说服力呢？
（学生讨论）
    生1：噬菌体侵染细菌的实验。噬菌体的成分更简单，DNA与蛋白质分离得彻底，肺炎双球菌转化的体外实验中存在着DNA分离不够彻底，可能混有蛋白质的可能性。
    生2：我们也认为是噬菌体侵染细菌的实验。因为肺炎双球菌转化实验中，除了说明DNA能控制荚膜性状外，并没有直接证明DNA能控制细菌的其他性状，因此也存在着DNA只是对荚膜的形成起直接的作用而不一定是遗传信息的载体。噬菌体侵染细菌的实验对DNA是遗传物质的证明更直接。
    师：说得好。由此可见，科学实验中实验材料的选择是非常重要的，是实验成功的一个前提。但在噬菌体侵染细菌的实验中，细菌和病毒那么小，用肉眼是无法观察到的，科学家怎么知道DNA进入到了细菌细胞内，而蛋白质没有进入的呢？
    生：是不是可以用同位素标记的方法呢？
    师：为什么这么想？
    生：光合作用过程中追踪不同元素来龙去脉的时候用的是同位素示踪的方法，因此我想这里也可以用同位素示踪。
    师：那你觉得用同位素标记哪种元素呢？
    生：（犹豫）可以标记N或P吧。
    师：标记的目的是什么？
    生：区分DNA与蛋白质，DNA进入细菌，蛋白质没进入细菌。
    师：既然是要通过标记的同位素来区分DNA与蛋白质的，那么标记的元素应该有什么特点呢？
    生1：我明白了，需要标记DNA与蛋白质特有的元素才能识别。DNA可以标记P，但蛋白质中什么元素是可以区别于DNA的呢？
    生2：我觉得蛋白质可以标记S，大多数蛋白质会有S。
师：很好。科学家正是分别用32P和35S分别标记了噬菌体的DNA中的P和蛋白质中的S的。标记同位素的元素找到了，那么怎么才能标记到噬菌体的DNA与蛋白质上去呢？
    生：（讨论后）可以让噬菌体去侵染含有同位素标记的细菌，这样释放出来的噬菌体就会带有相应的同位素标记了。
    师：可标记了同位素的细菌哪来的呢？
    生：用含有同位素的原料培养细菌，细菌就可以带有同位素了。
    师：分析得真好，科学家就是先用含有同位素32P和35S的培养基分别培养细菌，使细菌先带有同位素，然后用噬菌体侵染含有同位素标记的细菌，使得噬菌体带有了同位素的标记。
    有了带有同位素标记的噬菌体，让它们去侵染不含有同位素标记的细菌。根据噬菌体侵染细菌的过程，你能推测实验的结果会是如何的？
    生：细菌内可以发现有32P，而35S存在于细菌外。
    师：留在细菌外的蛋白质的外壳和进入细菌内的DNA都存在于培养液中，你怎么能区分这些同位素是在细菌内还是细菌外呢？
    生：（困惑）
    师：科学家利用了一个特点，细菌相对于噬菌体的蛋白质外壳比重要大，利用这个特点，科学家将进入细菌内的DNA和留在细菌外的蛋白质给区分开了。你觉得会是什么方法呢？
    生：那我知道了，可以用离心分离的方法。
    师：对。科学家赫尔希和蔡斯于1952年完成了这个实验，我们看一下这个实验。（投影教材图3-6噬菌体侵染大肠杆菌的实验图）哪位同学能对这个实验现象作出解释？
    生：（解释，略）
    师：在实验图示中有没有同学注意到，用35S标记噬菌体的实验中，沉淀中也有少量的放射性，这可能是什么原因呢？
    生：可能是离心时有一部分35S标记的噬菌体蛋白质外壳也被沉淀了。
    师：在32P标记噬菌体的实验中，上清液中也有少量的放射性，这是什么原因呢？
    生1可能是因为有少量噬菌体没有侵入细菌。
    生2：也可能是细菌破裂噬菌体释放出来了。
    师：分析得有道理。所以这个实验中，噬菌体侵染细菌后只需要经过短时间的保温就可以了。
    [总结噬菌体侵染细菌的实验过程，略]
    师：最后我们回顾一下，在噬菌体侵染细菌的实验中，涉及到了哪些技术手段，在肺炎双球菌转化实验中涉及到了哪些技术手段，这对于我们认识科学与技术间的关系有什么启示？
    生：（讨论，略）
    噬菌体侵染细菌的实验是生物科学史上一个非常经典的实验，它提供了DNA是遗传物质的有力证据。如果仅就知识结论来看，只需要通过对噬菌体侵染细菌的过程与结果作出分析就可以了，但在本教学案例中，教师在引导学生得出DNA是遗传物质的这一结论后，进一步就实验材料的选择，实验思路的设计，同位素标记及离心分离技术的应用，实验结果中非预期结果的分析等多方面进行了讨论，显然，这些讨论的主要目标是指向科学方法的。
    需要说明的是，生物科学史的教育价值是多样的，限于篇幅，本文仅主要着眼于对科学知识的理解和科学方法的掌握提供了两个案例，其他诸如科学的态度、科学的精神以及世界观等教育价值同样都是我们需要值得重视的。
    本文提供的案例1将教育的价值主要指向了知识的理解，案例2的教育价值主要指向了科学方法，但这并不意味着忽略其他教育价值，科学史料的教育价值是不可分割的。案例1中的每个资料中都包含着科学的方法，其中资料4更是包括着对实验数据的分析处理技术，案例2中的教学无疑也是有助于学生对DNA是遗传物质知识的理解的。这些案例中也都包含着科学家对知识的探索历史，包含着对学生进行科学态度、科学精神和世界观等方面的教育价值。
    基于科学史的生物课堂教学，一方面需要我们充分挖掘科学史的教育功能，充分落实其教育价值，另一方面需要我们依据教育目标，精心筛选与处理科学史料，突出史料所能体现的重点教育价值。此外，对于高中整个阶段以及各模块教学中选择哪些科学史料，分别突出哪些教育功能，要有一个整体的安排。只有这样，才能使生物学史的教育价值得到充分的落实。