卞璇璇

[摘要]雖然生物科學(xué)史有著重要的教育價(jià)值，但由于多方面的限制，不可能以生物科學(xué)史為高中生物教材的編寫藍(lán)本，且現(xiàn)行的高中生物教材中介紹的大量生物科學(xué)史的有關(guān)內(nèi)容也沒有得到應(yīng)有的重視。經(jīng)過教學(xué)研究和論證，可以從增強(qiáng)學(xué)生的歷史感、培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神、體會(huì)科學(xué)探究過程、學(xué)習(xí)科學(xué)方法這四個(gè)方面發(fā)掘生物科學(xué)史在高中生物教育教學(xué)中的價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]生物科學(xué)史；高中生物；教育價(jià)值

生物科學(xué)史展示了生命科學(xué)的發(fā)生、發(fā)展歷程，以及人們對(duì)生命的認(rèn)識(shí)與思考，它既是一部科學(xué)探究的歷史，也是一部思想發(fā)展的歷史。生物科學(xué)史由生物學(xué)的理論和事實(shí)構(gòu)建而成，又與科學(xué)探究相伴成長(zhǎng)。近年來，越來越多的人意識(shí)到生物科學(xué)史對(duì)生物教育具有重要的價(jià)值和意義。但是，在教學(xué)實(shí)踐中生物科學(xué)史往往被當(dāng)成包裹生物知識(shí)的“糖衣”。究其原因是，人們對(duì)生物科學(xué)史的教育價(jià)值和教育方式認(rèn)識(shí)不夠。這種現(xiàn)象在高中生物教學(xué)中尤為明顯。

高中課程關(guān)注的是學(xué)生的全面發(fā)展，力求提高學(xué)生的核心素養(yǎng)和終身學(xué)習(xí)能力?！镀胀ǜ咧猩镎n程標(biāo)準(zhǔn)》在“課程目標(biāo)”中提出了“獲得生物學(xué)基本事實(shí)、概念、原理、規(guī)律和模型等方面的基礎(chǔ)知識(shí)，知道生物科學(xué)與技術(shù)的主要發(fā)展方向和成就，知道生物科學(xué)發(fā)展史上的重要事件”的要求，并且列舉實(shí)例強(qiáng)調(diào)了“科學(xué)是一個(gè)發(fā)展的過程。學(xué)習(xí)生物科學(xué)史能使學(xué)生沿著科學(xué)家探索生物世界的道路，理解科學(xué)的本質(zhì)和科學(xué)研究的方法，學(xué)習(xí)科學(xué)家獻(xiàn)身科學(xué)的精神。這對(duì)提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)是很有意義的”，還特別說明“對(duì)于課程標(biāo)準(zhǔn)中沒有列出的其他生物科學(xué)史實(shí)也應(yīng)注意引用”。在不同版本的高中生物教材中也都很好地體現(xiàn)了這一目標(biāo)，有的甚至巧妙地按科學(xué)發(fā)展的歷史線索來安排教材內(nèi)容，例如人教版必修2《遺傳與進(jìn)化》以及必修1《分子與細(xì)胞》的某些章節(jié)。

但是長(zhǎng)期以來，高中生物一線教師并不重視教授生物科學(xué)史的內(nèi)容，即使偶有教授，其教學(xué)思路狹窄、創(chuàng)造性不強(qiáng)、照本宣科也成為很普遍的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)生物基本概念和原理時(shí)往往重結(jié)果而輕過程，常知其然而不知其所以然。多數(shù)學(xué)生沒能真正理解知識(shí)的來龍去脈，尤其是對(duì)蘊(yùn)含在其中的科學(xué)思想與方法更是知之甚少，所學(xué)知識(shí)膚淺，不能從歷史發(fā)展的角度來把握學(xué)科的知識(shí)體系，學(xué)習(xí)效果不盡如人意?；诖?，筆者從以下四個(gè)方面發(fā)掘生物科學(xué)史在高中生物教學(xué)中的教育價(jià)值，以促進(jìn)高中生物科學(xué)史教學(xué)有效開展。

一、增強(qiáng)學(xué)生的歷史感

弗朗西斯培根曾說過：“讀史使人明智?！痹诟咧猩锝虒W(xué)中融合生物科學(xué)史，可以讓學(xué)生以歷史的眼光看待生物學(xué)。以進(jìn)化論為例，無論是在生物教學(xué)中還是在生物學(xué)史上，進(jìn)化論都占據(jù)著十分重要的地位，又以達(dá)爾文在1859年提出的“進(jìn)化論”最為著名。恩格斯評(píng)價(jià)達(dá)爾文的進(jìn)化論是"19世紀(jì)自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)之一”，后人評(píng)價(jià)進(jìn)化論是“思想史上劃時(shí)代的理論”。要理解達(dá)爾文的進(jìn)化論為什么有這么重大的意義，就有必要了解有關(guān)進(jìn)化問題的歷史發(fā)展。

幾千年來，人類一直在思考一個(gè)問題：我們是誰？從哪里來？公元前5世紀(jì)的古希臘，阿納西曼德就曾提出“人是從那些似魚的生物中產(chǎn)生出來的，人在胚胎期仍然保留著似魚生物的形態(tài)，直到成熟”?！肚f子·寓言》里則提到“萬物皆種也，以不同形相禪”。但是，我們不能把他們看成是進(jìn)化論的先驅(qū)，由于缺乏事實(shí)的根據(jù)，這些天才的想象很快就被歷史的軌跡淹沒了。在這期間，人類一直在探求生命起源以及演變的問題，事實(shí)上，經(jīng)歷了兩千多年的時(shí)間，花費(fèi)了無數(shù)生理學(xué)家與博物學(xué)家的心血，才收集到足夠的觀察與實(shí)驗(yàn)證據(jù)，使得進(jìn)化論觀念被科學(xué)家接納。其中包括從公元4世紀(jì)就開始在西方世界占統(tǒng)治地位的“神創(chuàng)論”、中世紀(jì)經(jīng)院哲學(xué)的“上帝造萬物說”、18世紀(jì)法國(guó)生物學(xué)家拉馬克的“用進(jìn)廢退”理論、18至19世紀(jì)法國(guó)古生物學(xué)家居維葉對(duì)化石的研究等。我們可以將他們的工作稱之為“進(jìn)化論上演前的序幕”。

進(jìn)化論是達(dá)爾文跟隨“貝格爾號(hào)”環(huán)球航行5年，積累了大量的第一手資料并受馬爾薩斯的《人口論》的啟發(fā)而提出的。達(dá)爾文的進(jìn)化論將統(tǒng)治西方思想長(zhǎng)達(dá)一千多年的“上帝”請(qǐng)出了生命現(xiàn)象的研究領(lǐng)域。在高中生物教學(xué)中，只有引導(dǎo)學(xué)生了解這些背景知識(shí)，才能使學(xué)生真正理解達(dá)爾文進(jìn)化論的本質(zhì)意義，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生的歷史感。

二、培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神

科學(xué)家的品質(zhì)中，質(zhì)疑是最為可貴的品質(zhì)之一。質(zhì)疑是對(duì)不確定的事物持懷疑態(tài)度，而人類對(duì)世界的認(rèn)識(shí)是一個(gè)無限的過程，是一個(gè)從不知到認(rèn)知再到新的認(rèn)知的循環(huán)過程，甚至有時(shí)候人們的認(rèn)識(shí)是在真理和謬誤的交替中發(fā)展的，而那些看似唾手可得的真理實(shí)際上卻需要經(jīng)歷幾個(gè)世紀(jì)甚至十幾個(gè)世紀(jì)的累積才能完成，而且科學(xué)的產(chǎn)生也離不開歷史的條件。因此，生物科學(xué)教育，不能只是簡(jiǎn)單的生物知識(shí)的介紹與記憶，而應(yīng)在各種促進(jìn)發(fā)展的活動(dòng)中培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神、批判意識(shí)和求異精神。

例如，在高中生物教學(xué)中，教師可進(jìn)行相關(guān)的科學(xué)史教學(xué)，滲透質(zhì)疑精神的培養(yǎng)。如20世紀(jì)20年代，人們對(duì)于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí)，各種氨基酸通過脫羧反應(yīng)形成種類多樣的蛋白質(zhì)，這樣自然讓人們想到氨基酸多種多樣的排列順序可能蘊(yùn)含著遺傳信息。1928年，英國(guó)科學(xué)家格里菲斯通過肺炎雙球菌的體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證明了S型細(xì)菌體內(nèi)含有某種“轉(zhuǎn)化因子”。1944年，美國(guó)科學(xué)家艾弗里通過肺炎雙球菌的體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)最終證明了DNA是遺傳物質(zhì)。但是，由于艾弗里實(shí)驗(yàn)中提取出的DNA純度最高時(shí)也還有0.02%的蛋白質(zhì)，因此仍有科學(xué)家對(duì)此結(jié)論表示懷疑。1952年，赫爾希和蔡斯用T2噬菌體作為實(shí)驗(yàn)材料，運(yùn)用同位素標(biāo)記法完成了更有說服力的實(shí)驗(yàn)。后來，又有科學(xué)家證明了RNA在某些病毒中也可以作為遺傳物質(zhì)。從中，學(xué)生體會(huì)到了科學(xué)探究進(jìn)程中質(zhì)疑精神的重要性。

三、體會(huì)科學(xué)探究過程

[案例]赫爾希和蔡斯的研究表明DNA是遺傳物質(zhì)，只有DNA參與噬菌體的復(fù)制過程。隨之而來的問題是：噬菌體是如何完成復(fù)制的？DNA分子到底具有什么樣的性質(zhì)使它可以進(jìn)行復(fù)制？生物體的功能和結(jié)構(gòu)是緊密聯(lián)系在一起的，想要了解其功能，必須揭示其結(jié)構(gòu)。作為載體的DNA分子，應(yīng)具有怎樣的結(jié)構(gòu)才能擔(dān)負(fù)儲(chǔ)存遺傳信息的任務(wù)呢？對(duì)這個(gè)問題的研究，從20世紀(jì)50年代一直延續(xù)到20世紀(jì)60年代中期。正是在這個(gè)時(shí)期，科學(xué)家們將生化遺傳學(xué)的研究成果與對(duì)大分子的研究成果結(jié)合了起來，從而推導(dǎo)出DNA的實(shí)際結(jié)構(gòu)，及DNA的許多功能特性。沃森和克里克的工作在這一時(shí)期占據(jù)了重要的地位。沃森善于集思廣益、博采眾長(zhǎng)，善于用他人的思想充實(shí)自己，善于在科學(xué)家之間建立有益的互相合作關(guān)系；克里克有不斷談?wù)摵退伎嫉牧?xí)慣，能夠吸引其他科學(xué)家一起探討問題。沃森是噬菌體遺傳學(xué)家，對(duì)遺傳物質(zhì)感興趣，克里克不僅了解x射線結(jié)晶學(xué)，還有研究蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)，也對(duì)基因的結(jié)構(gòu)與生物學(xué)功能很感興趣。他們的共同之處就是都對(duì)研究生物學(xué)大分子的結(jié)構(gòu)感興趣。endprint

沃森和克里克都閱讀過物理學(xué)家薛定諤的著作《生命是什么》。在該書中，薛定諤的重要思想是生命物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)必然服從于已知的物理學(xué)定律。遺傳和變異的實(shí)質(zhì)性問題是信息傳遞問題，即信息如何被編碼？從一代細(xì)胞到另一代細(xì)胞，其傳遞是如何保持穩(wěn)定的？偶然的變異究竟如何產(chǎn)生？他預(yù)測(cè)：必定有一種由同分異構(gòu)的連續(xù)體構(gòu)成的非周期性晶體，其中含有大數(shù)量的排列組合，從而構(gòu)成遺傳密碼的稿本。他在書中還提出“對(duì)遺傳物質(zhì)的正確認(rèn)識(shí)不可能直接通過物理學(xué)來獲得”，只能“在生理學(xué)和遺傳學(xué)指導(dǎo)下”通過生物化學(xué)的進(jìn)展而獲得。沃森和克里克共同的志趣使他們決定研究DNA的結(jié)構(gòu)（當(dāng)時(shí)，赫爾希和蔡斯還未進(jìn)行DNA是遺傳物質(zhì)的判決性實(shí)驗(yàn)），并且打算設(shè)計(jì)一種模型來解釋DNA的自我復(fù)制和指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的功能。

沃森和克里克在研究時(shí)所掌握的基本資料有英國(guó)生物物理學(xué)家威爾金斯及其同事富蘭克林等，用x射線衍射方法（一種在原子水平上間接觀測(cè)晶體物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)的方法）獲得DNA晶體結(jié)構(gòu)的資料：DNA結(jié)構(gòu)的螺旋周期性（DNA分子由許多亞單位的堆積層組成，這些亞單位具有規(guī)則的螺旋狀幾何形狀，每3.4×10。m重復(fù)一次）、堿基的空間取向等；DNA分子是長(zhǎng)鏈的多聚體，其直徑保持恒定不變。這方面的資料對(duì)沃森和克里克構(gòu)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型起了關(guān)鍵性的作用。

建立模型需要考慮以下因素：DNA分子中核苷酸的排列方式、核苷酸鏈的條數(shù)、堿基之間的連接方式。在研究的過程中，三個(gè)觀點(diǎn)影響了沃森和克里克的思路。一是劍橋大學(xué)年輕數(shù)學(xué)家約翰格里菲斯通過幫助沃森和克里克計(jì)算DNA分子中相同堿基間的吸引力，發(fā)現(xiàn)不是相同堿基間相互吸引，而是不同堿基之間相互吸引，從而讓克里克看到了另一種可能性，即堿基的互補(bǔ)配對(duì)。二是生化學(xué)家埃爾溫查哥夫應(yīng)用紫外分光光度法結(jié)合紙層析等技術(shù)對(duì)不同來源的DNA進(jìn)行了堿基定量分析，得出了組成DNA的四種堿基的比例關(guān)系。他的發(fā)現(xiàn)啟發(fā)了克里克?？死锟私K于認(rèn)識(shí)到不同類型的堿基配對(duì)可能是DNA分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，這一重要認(rèn)識(shí)揭示了DNA分子如何被維系在一起，以及如何自我復(fù)制。三是來自萊納斯鮑林對(duì)于蛋白質(zhì)a-螺旋的研究，重要的并不是這項(xiàng)研究的內(nèi)容，而是這項(xiàng)研究中所采用的方法。鮑林提供了一個(gè)獨(dú)特的查看分子緯度的物理方法，即先據(jù)理論建立模型，再用x射線衍射結(jié)果來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?。沃森和克里克采用了這種方法，他們建立了一大堆嘌呤堿基和嘧啶堿基模型，以確定什么樣的緯度和排列才能既符合形成氫鍵的要求，又符合查哥夫的堿基組成規(guī)律。經(jīng)證明，這種方法非常有效，他們從而提出了多種可供選擇的模型，并將模型與x射線衍射圖像進(jìn)行對(duì)比和檢驗(yàn)，觀察是否會(huì)有某些相關(guān)性。

經(jīng)過不停地試錯(cuò)和調(diào)整以及驗(yàn)證，最終沃森和克里克成功構(gòu)建了DNA結(jié)構(gòu)模型，并于1953年4月在《Nature》雜志的一篇短文中對(duì)外公布。這個(gè)模型有兩條螺旋鏈構(gòu)成，它們彼此纏繞如同螺旋的樓梯，階梯由配對(duì)的堿基構(gòu)成，磷酸一脫氧核糖骨架分布在外側(cè)；兩條鏈彼此互補(bǔ)，遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則。最后，鮑林又更正G和C之間是以三個(gè)氫鍵相連而非兩個(gè)氫鍵。沃森和克里克對(duì)DNA結(jié)構(gòu)的闡明，使長(zhǎng)期以來神秘的基因變成了真實(shí)的分子，從而誕生了分子遺傳學(xué)。

由上述案例可知，沃森和克里克提出的“DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”是在綜合前人各種相關(guān)研究成果和自己的創(chuàng)造性思考提出的，這些探索的過程會(huì)給學(xué)生以很大的啟發(fā)，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神。

四、學(xué)習(xí)科學(xué)方法

孟德爾的遺傳定律是高中生物的重要內(nèi)容。孟德爾揭示遺傳定律的過程表明，要在科學(xué)研究中取得成果，不僅需要持之以恒的意志和執(zhí)著精神，還必須有正確的研究方法。為此，教師應(yīng)結(jié)合相關(guān)的科學(xué)史引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)學(xué)習(xí)方法。

1843年，孟德爾來到奧地利的布隆，成為一名修道士，在修道院里他利用一塊園地進(jìn)行豌豆雜交實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過8年的嘗試和數(shù)據(jù)分析，他終于發(fā)現(xiàn)了生物遺傳的規(guī)律。在孟德爾之前也有很多學(xué)者從事植物雜交實(shí)驗(yàn)，但為什么只有孟德爾發(fā)現(xiàn)了遺傳規(guī)律呢？

與那些早期研究者相比，孟德爾的成功有以下三個(gè)原因：首先他選擇了合適的實(shí)驗(yàn)材料。孟德爾從豆科植物中選擇了自花傳粉、閉花授粉的豌豆作為雜交實(shí)驗(yàn)的材料。雜交實(shí)驗(yàn)從純種出發(fā)，是他實(shí)驗(yàn)成功的保證，只有這樣才能得到具有研究?jī)r(jià)值、可分析的雜種。而且豌豆花的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得用人工方法去雄和異化授粉很方便。此外，他還對(duì)豌豆進(jìn)行了品種和性狀的選擇，選擇有明顯差異且穩(wěn)定的相對(duì)性狀。

其次，孟德爾在實(shí)驗(yàn)中遵循了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的原則，先研究一對(duì)相對(duì)性狀的雜交實(shí)驗(yàn)，最大限度地排除各種復(fù)雜因素的干擾，發(fā)現(xiàn)了分離定律；再研究?jī)蓪?duì)相對(duì)性狀的雜交實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了自由組合定律。他還首創(chuàng)了測(cè)交的方法，巧妙地設(shè)計(jì)測(cè)交實(shí)驗(yàn)，證明他的假設(shè)是正確的，而且他的方法令人信服。

最后，孟德爾對(duì)雜交實(shí)驗(yàn)的子代性狀進(jìn)行精確的統(tǒng)計(jì)分析，分類、計(jì)數(shù)、數(shù)學(xué)歸納，他甚至從一個(gè)簡(jiǎn)單的二項(xiàng)式展開式的各項(xiàng)系數(shù)中找到了豌豆雜交實(shí)驗(yàn)顯示出的規(guī)律。

綜上可知，生物科學(xué)史在高中生物教學(xué)中具有重要的教育價(jià)值，教師在教學(xué)中應(yīng)充分發(fā)揮其教育價(jià)值，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

（責(zé)任編輯 黃春香）endprint