朱秀华 上海海事大学附属北蔡高级中学

《普通高中生物学课程标准（2017 年版）》指出，“科学是一个发展的过程。学习生物科学史能使学生沿着科学家探究生物世界的道路，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。”在高中生物课堂教学中，教师应根据教学目标和内容，积极查阅资料寻找恰当的科学史素材，充分挖掘其教育价值，智慧地将其融入课堂教学之中，引导学生运用生命观念探索生命规律，学会用科学的思维解决问题，体验科学探究进程，提升社会责任感，进而提升学生学科核心素养。本文以上海普通高中新教材生物学必修一《分子与细胞》第3 章第2 节“细胞各部分结构既分工又合作”第二课时为例，探讨高中生物课堂基于科学史提升学生核心素养的教学策略。

一、科学史创设情境导入，激发学生学习兴趣

据笔者二十多年的生物课堂教学实践，深刻认识到：只要激发学生学习知识的兴趣，能够点燃学生的学习热情进而很好地学习并掌握生物知识。生物科学史展示了生命科学形成的历史，记载了人们对生物界的探究历程，记载了一代又一代生物科学家们的生平事迹、成败得失，这样的科学故事就非常吸引学生，可以作为课堂导入的材料。

例如，在本堂课伊始，笔者以胰岛素的故事作为导入素材。教师介绍班廷医生发现胰岛素的事迹：班廷医生在经历了无数次失败后，终于在1921 年那个炎热的夏天从狗的胰脏中提取到胰岛素，由此彻底改变了糖尿病患者的命运。在此之前糖尿病一直被认为是不治之症。为了纪念班廷医生的这一巨大贡献，世界卫生组织把他的生日，每年的11月14日，定为世界糖尿病日。接着，教师再出示两张胰岛素分子结构图，提问：1.从第一张图上可以看出胰岛素的基本单位是什么？2.可以推测出其化学本质是什么？3.由什么细胞合成？学生回答后，教师进一步强调它不仅是蛋白质，而且还是细胞外发挥功能的分泌蛋白。第二张图则是胰岛素在细胞内加工再加工之后的最终具有降糖功能的空间结构图。再提问：4.那么在胰岛B 细胞内，小小氨基酸们是如何转变为具有一定空间结构的大分子胰岛素并分泌出细胞的呢？这个路径在生物科学史上是如何被发现的呢？让我们带着这些问题来一起重温20世纪60年代生物科学史上的这么一个精彩的实验。学生就怀着好奇心带着问题进入新课核心概念“细胞生命活动由各结构合作完成”的学习。就这样，通过胰岛素故事的巧妙运用，既使学生感动于班廷医生探寻胰岛素锲而不舍的精神，又使学生学习兴趣与积极性得到充分的激发与调动，主动将注意力全部集中到新课的探究中，取得了一举多得的课堂教学效果。

二、科学史作为探究材料，培养学生科学探究素养，发展科学思维

科学探究是指能够发现现实世界中的生物学问题，针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及结果的交流与讨论的能力。而科学思维是指在尊重事实和证据基础上，本着严谨、务实的求知态度，运用科学的思维方法去认识事物、解决问题的思维习惯与能力。包括归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等。生物科学的发展本身就是科学家们探索和研究生物世界的一个历史过程，它既能让学生从中获取生物学知识，又能让学生体会科学家在探究过程中所持有的科学观点和解决问题的思路及方法。笔者在高中生物教学实践中，会有针对性地根据教材的内容，挑选与本堂课知识点有密切联系的生物科学史材料，如一些经典的探究实验，将其整合到教学中，让学生边体会科学家实验探究过程边进行课堂探究性学习，进而培养学生科学探究素养，发展科学思维。

例如，在本堂课中，笔者向学生提供了这样的资料：20 世纪60 年代生物科学史上有这么一个精彩的实验。现代细胞学之父帕拉德和同事在豚鼠的胰腺细胞中注射3H 标记的亮氨酸。随着时间的推移，科学家们不断地提取细胞，在电子显微镜下拍摄大量的放射自显影照片，然后选出三个最佳时间的照片，优化出这三幅模式图（PPT 出示图片）。请学生根据科学史材料分析讨论：1.为什么选择豚鼠胰腺腺泡细胞为实验对象？2.为什么用3H 去标记亮氨酸？3.为什么选择亮氨酸作为3H的标记物注入细胞？4.根据这三幅图，同学们能推测出放射性颗粒物质的运动轨迹，经历了哪些细胞结构？5.这些细胞结构在分泌蛋白的形成过程中各有什么功能？6.请根据帕拉德实验研究结果，小组合作构建分泌蛋白从合成到分泌出细胞外的流水线图。这个过程教师以帕拉德的“同位素示踪分泌蛋白实验”为载体，以问题串引导学生从实验方法、实验材料、实验过程等方面进行合作讨论探究，并鼓励学生大胆说出自己的疑问。学生通过探究也体会到了进行科学研究的基本思路和方法，尝试以科学家身份思考观察，解决疑惑，认同科学研究成功的要素包括探究精神、理性思维和技术手段，从中培养了科学探究素养。随后在讨论探究出前5 题的基础上，学生带着第6 个问题回归课本、研读课本，小组合作归纳、概括、构建分泌蛋白的整个合成和分泌流程图，从中锻炼了学生归纳概括能力和形象到抽象思维能力，发展了科学思维。

三、科学史完善知识体系，拓宽知识面，提升生命观念

生命观念是对观察到的生命现象及相互关系或特性进行解释后的抽象概念，是人们经过实证后的观点，是能够理解或解释生物学相关事件和现象的意识、观念和思想方法。科学的生命观念是学习研究生物学的基本保障和强大武器，只有树立了正确的生命观念，才能迅速准确地把握生物学概念和规律。因此，教师要有目的地选择相契合的生物科学史，在生物课堂教学中合理运用去促进学生生命观念的形成和提升。

例如，在本堂课中，学生在构建了分泌蛋白形成过程的流程图后，教师引导学生进一步思考：为了机体正常生长发育，细胞每天要合成成千上万种的物质，它们是如何被区分进而精确被运送到特定地点并卸载的呢？这个问题涉及知识点多、杂，微观抽象较难理解，因此教师播放关于2013 年诺贝尔医学或生理学奖发现囊泡转运机制的重大意义的央视新闻视频，将微观抽象的内容具体化。视频中介绍了三位科学家罗斯曼、谢克曼和聚德霍夫的研究，从不同的角度揭示了细胞内部复杂而又被精确调控的“物流运输系统”，解答了细胞中囊泡内的物质是如何被包装运输、如何保证在准确的时间送往目的地并卸载。紧接着教师继续播放相关视频“繁忙的细胞”。在视频播放的过程中，教师提示学生重点观察细胞内囊泡运输过程中物质的传递过程：许多科学家进一步探索，使得我们对这一“物流系统”的了解更为深入。例如，最新研究表明，载有“货物”的囊泡也是有轨道的，在熙熙攘攘的细胞环境下，为了让囊泡朝着正确的方向前进，细胞会布置坚固的微丝和微管为囊泡构筑“快速运输通道”。在这些细胞骨架之上，一些特别的分子马达，如驱动蛋白会背负着囊泡一步一步向目的地迈进。分子马达与装载特定货物的囊泡之间是严格配对的。看了这两个视频，学生感叹细胞的物质转运机制之精妙，比无数物流师呕心沥血的杰作都更胜一筹，细胞能教给我们的知识还有很多很多，而科研人员的每一步探索，都是向生命求教，进而促进了生命观念的形成。

为了进一步提升学生生命观念，教师趁热打铁提问：囊泡转运系统相关的细胞结构出现异常会出现什么后果？进而对生物体又会造成什么危害？教师出示科学史材料：20 世纪90 年代，兰迪·谢克曼利用酵母作为模式生物，发现了细胞结构有缺陷的酵母菌突变体，提问：与正常的野生型酵母菌进行比较，讨论甲型和乙型突变体分别是什么结构异常，进而导致蛋白质主要集中在什么部位，从而导致的蛋白质“拥堵”现象。通过比较分析，学生可以发现：甲型突变体内质网聚集了大量蛋白质，内质网的结构比正常细胞的肿大，而高尔基体中没有蛋白质，结构萎缩；乙型突变体内质网正常，但是高尔基体的结构比正常细胞臃肿，此时它聚集了大量的蛋白质，收了蛋白质却不包装不分类也不发送，就像一个失控或者罢工状态的“物流集散中心”，进而理解细胞器的结构与功能是相适应的。教师例举2014年PNAS（美国科学院院报）上关于阿尔兹海默症的一项研究成果中提到：科学家们发现在所有的阿尔兹海默症患者的神经细胞中都会发现高尔基体碎片，这或许就是引发疾病的主要原因。教师再例举有部分糖尿病患者他们的胰岛B 细胞就像甲种突变体一样，就是因为内质网内的蛋白质不折叠或折叠错误过多，内质网蛋白质向高尔基体转运减少，内质网过度应激反应最终导致胰岛B 细胞功能衰退甚至凋亡。如果科学家把这些细胞结构的异常与这些疾病的具体关系搞清楚，就很有可能找到攻克这些疾病的方法。这样将相关生物科学史中的经典实验过程或实验结果作为课堂教学素材展现给学生进行分析探讨，加深学生对于科学研究本质的感悟，理解细胞结构异常和人体健康的关系，进一步提升生命观念。

四、科学史可以作为德育教育渗透的材料，树立社会责任感

社会责任感是指基于生物学的认识，参与个人与社会事务的讨论，作出理性解释和判断，解决生产生活问题的担当和能力。在生物学史上，记载着科学家勇于承担生物科学社会责任，并秉持科学世界观与科学精神不断探索生物现象的事迹，也记录着很多涉及解决疾病和社会问题的生物科学探究成果，这些都是提升学生社会责任素养的良好素材。因此，科学史可以作为德育教育渗透的材料，让学生领悟科学家锲而不舍的科学探索精神的同时，使学生在生物学习中学会相互合作相互分享，树立服务社会、回报社会的义务感和职责感。

例如，在本堂课接下来的环节，教师又带领学生回到本节课伊始的胰岛素的故事：那么在20世纪80年代，一方面为了提高胰岛素的产量，拯救更多的糖尿病患者，另一方面也为了解决第一代胰岛素动物胰岛素注入人体内引起的过敏反应，科学家开始尝试利用转基因技术，把人胰岛素基因分别导入酵母菌、大肠杆菌，结果利用酵母菌可以得到分泌型胰岛素，大肠杆菌却不能，为什么？这个矛盾冲突激发学生思维高潮，结合本堂课所学知识进行思考讨论回答：酵母菌是真核细胞构成的真核生物，不仅有核糖体，还具有内质网和高尔基体可以将胰岛素分泌出去。而大肠杆菌是原核细胞，细胞器只有核糖体。

教师追问：大肠杆菌不能产生分泌型胰岛素，那么就把大肠杆菌给放弃了吗？然而科学家并没有，他们破解了大肠杆菌细胞，同学们，你们想一想能找到什么？为什么？有没有降糖功能？学生思考讨论回答：大肠杆菌是原核细胞，细胞器只有核糖体，只能形成胰岛素A、B 两条肽链，没有内质网和高尔基体可以将肽链加工再加工，所以没有形成有一定空间结构有降糖功能的胰岛素。

教师再追问：既然大肠杆菌产生的胰岛素的A、B两条链没有活性，是不是只能丢了吗？科学家锲而不舍地怎样处理胰岛素的A、B两条链，让它们转换成也具有一定空间结构的有活性的胰岛素蛋白质呢？经过教师提示，学生分析得出可以利用科学技术对这两条肽链进行体外折叠加工，把它们转变为具有一定空间结构的胰岛素，这样的胰岛素也就具有活性了。所以最终大肠杆菌和酵母菌一样，都能为我们人类大生产胰岛素了。这就是第二代胰岛素。教师继续介绍目前在二代胰岛素的基础上又开发了第三代胰岛素，降糖时间和降糖效果更好，价格也低廉，一支300 单位的胰岛素注射液只要70.88 元左右，可以用15 天。历经三代胰岛素的发展，终于让糖尿病从一个“不治之症”变成了可以控制的疾病。这样利用胰岛素的研发故事使学生从中学会用所学生物学知识解释解决生命问题，意识到科学技术的规范在社会生活方面的应用意义，感受到科学技术的发展是人类进步的阶梯，生物科学的发展是能造福于人类的，进而激发学生学好生物学知识和树立服务社会、回报社会的义务感和责任感。

进入课堂小结环节，教师介绍：进入21 世纪以来，科学家们对细胞的探索脚步越来越快，老师查了近十年诺贝尔生理学奖或医学奖，几乎都是和细胞有关的。今年的诺贝尔生理学奖在10 月份也揭晓了，有兴趣的同学去查查看是否也是和细胞的研究有关的。这样引领学生主动去课外拓展生物学知识，拓宽学生视野，在潜移默化中进一步提升了学生的社会责任感。