欧九生

摘 要 科学史是概念教学中的重要素材，对于建构重要概念起着举足轻重的作用。因此，在概念教学中，教师应利用科学史创设问题情境，依托科学史进行科学探究，引导学生在分析科学史的过程中发展科学思维，并通过还原科学史、深度还原概念的建构过程来实现对概念的深度理解。科学史可为概念教学和发展核心素养提供重要支撑。

关键词 高中生物 科学史 概念教学 科学思维

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》提出了“核心素养为宗旨，内容聚焦大概念，教学过程重实践，学业评价促发展”[1]3-4的课程理念，要求一线教师“高度关注学科素养的达成，教师在设计和组织每个单元的教学活动时应围绕大概念和重要概念展开”[1]3-4。科学思维和科学探究是生物学科核心素养的重要方面，在概念建构中发展核心素养符合学生的认知发展规律。生物科学史是生物学的重要内容，也是进行概念学习的重要素材。生物学教材包含了大量的科学史内容，如何有效利用科学史进行概念教学，促进學生核心素养发展是我们的重要任务之一。

一、科学史与生物学概念建构的关系

概念是人类思维的基本形式，是人们通过比较、分析、综合、抽象概括而形成的人脑对客观事物本质属性的反映[2]。在科学教育领域里，安德森等学者将传统意义上的概念与原理和理论都统称为概念性知识[3]。生物学概念是人们在对生命现象的观察研究过程中，通过科学的研究方法和理性的思维方式揭示生命现象和生命规律的本质属性进而形成的，它包含了生物学基本概念和基本原理，如生态系统、光合作用等。这些概念的形成体现了科学发现的过程，具有科学史的特点。笔者总结了概念建构路径和科学史之间的关系（详见图1）。

由图1展现的概念建构与科学史之间的关系可以看出，在概念教学中，教师首先要为概念的建构创设一定的问题情境，这与科学史的发现问题是一致的。学生在问题情境中运用科学的思维方法去探究问题，探索现象产生的原因，进而生成生物学概念。而科学史恰好与这样的认知过程相符合：科学家们在发现生物学问题后，先作出问题假设，然后寻找支撑假设的证据，最后解决问题，形成生物学概念或理论。可见，科学史与生物学概念教学的关系是紧密的，利用科学史有助于学生构建概念和发展学科核心素养。

二、科学史在概念建构中的应用

（一）利用科学史，创设问题情境，作出假设，验证假设

情境是概念生成的重要场域，学生基于生活中遇到或可能遇到的具体的问题情境，在分析问题、解决问题的过程中逐步生成概念。情境的来源有很多，其中，科学史是概念学习情境的重要来源。在教学中，利用教材提供的科学史来创设问题情境，可以有效激发学生的求知欲、探究欲。

例如，与“基因在染色体上”的教学相关的科学史是从摩尔根对孟德尔有误解到开始认同孟德尔研究结论的过程：一开始，摩尔根利用家鼠的毛色、眼色等杂交实验来证实孟德尔的分离比例，然而结果并不尽如人意，于是他开始怀疑和反对孟德尔的遗传规律;后来，果蝇杂交实验的结果使得他又成为孟德尔的坚定支持者[4]7-8。并且，摩尔根在研究果蝇的过程中发现了“基因在染色体上”。这一科学史实，为“基因在染色体上”这一概念的建立创设了问题情境，使学生亲历科学研究之路，进而完成建构生物学重要概念的过程。通过展示这样的科学史故事可以大大提高学生的学习兴趣，激发他们的求知欲。

[教学片段]首先展示摩尔根的白眼果蝇与红眼果蝇的杂交实验示意图（图2）。然后以此为情境提出问题：摩尔根的果蝇杂交实验结果是否符合孟德尔的分离定律？你认为此现象与什么有关？学生经分析实验发现，实验结果与孟德尔实验的比例是一样的，但是白眼只出现在雄性中，与性别相关联。

在展示果蝇染色体结构图（图3）后，再让学生提出假设，并解释现象，引导学生进行深度思考。学生基于分析提出假设：假设1，控制眼色的基因是在Y染色体上，X染色体上没有它的等位基因;假设2，控制眼色的基因在X染色体上，Y染色体上不含有它的等位基因;假设3，控制眼色的基因在X和Y染色体上。此时，引导学生用证伪法来验证假设，和学生一起分析假设1如果成立，所有雄性亲本都应是白眼，因此，得出结论：假设1是不成立的。再让学生将假设2和假设3代入遗传图解，亲身体验科学证实的过程，代入遗传图解后学生发现，两种假设都可以解释摩尔根的实验结果，子一代全是红眼，子二代红眼∶白眼 = 3∶1，且白眼只出现在雄性中。此时，引导学生讨论：如何根据科学史上摩尔根的验证方法设计测交实验来证明自己的观点是正确的？引导学生利用白眼雌果蝇和红眼雄果蝇杂交来验证假说，使学生学会利用设计实验来验证观点，培养学生的证据推理素养。最后，展示摩尔根的测交实验结果，得出控制眼色的基因位于X染色体上的结论。

继续重现科学史：果蝇杂交实验中，经典的3∶1遗传比例无疑证实了孟德尔理论的正确性。摩尔根和他的学生们发现，40多种的突变性状都无一例外地遵循孟德尔遗传定律，这些实验数据让摩尔根重新成为孟德尔最坚定的支持者[4]28。这样的情境不但激发了学生的探究欲望，也让学生在解决情境问题中建构了重要概念。

教材中还有很多科学史是可以作为学习情境素材的，例如，发现DNA是主要遗传物质的科学史，沃森和克里克发现DNA结构的科学史都是创设情境的重要材料。教学情境和知识就像汤和盐的关系，盐需要溶入汤中才能被吸收，而知识需要融入情境中才能显示出活力[5]103。利用科学史创设情境，让学生在情境中发展思维、生成概念、完善核心素养是概念教学的重要手段。只有在情境中习得概念和发展素养，才能使学生将来能够从容面对纷繁复杂的社会生活，具备知识的迁移与应用的能力、分析和解决问题的能力，这也是培养学生核心素养的最终目的。

（二）依托科学史，进行科学探究

概念不是直接灌输给学生的，而是学生在基于事实和证据的基础上，运用科学思维进行科学探究，逐步发展和建构形成的。很多生物学概念都是在科学史上经历了很多代科学家的共同努力才得以建构形成的，可见，在教学中，科学史是进行科学探究的重要支撑。

例如，在“植物生长素的发现”教学过程中，可以先提供一盆单侧生长的盆栽和一盆自然生长的盆栽，让学生观察两者生长状况的不同，并提出问题：引起植物单侧生长的原因是什么？学生通过分析认为，植物单侧生长是长期的单侧光照引起的。再让学生设计实验证明自己的观点，并引导学生观察植物生长的部位和弯曲的部位。学生发现，生长的部位是尖端，而弯曲的部位是尖端以下。然后提出问题：尖端和尖端以下如何建立联系的？在学生提出自己观点的基础上展示达尔文的推测：由于单侧光照射使胚芽鞘尖端产生某种刺激并传递到其下部伸长区，再提出问题：为什么背光面会比向光面长得快，可能与什么有关？教师展示的詹森和拜尔的实验，让学生认真观察、思考并给出自己的观点。学生通过观察科学家的研究历史，建构了植物向光生长的内因是尖端产生的物质在伸长区分布不均引起的，导致背光面长得比向光面快。此时，再让学生设计实验证明自己的观点。这就还原了达尔文发现植物单侧生长并分析原因的过程，结合内因和外因，生成植物向光生长的原因。学生也在这个过程中理解了单侧光是植物向光生长的外因。

基于科学史发现问题，通过分析生命现象产生的原因进而提出自己的解释，再基于现象设计实验证明自己的观点，这一过程体现了科學知识是在探究过程中生成的。可见，科学史的确为科学探究提供了重要支撑。在教学中，有些教师忽略了科学史可以作为探究材料，没有让学生在探究中寻找生命现象背后的本质，而是直接把科学史当作史料或证据来用：单纯讲述科学家当时发现了什么现象，提出了什么问题，实验是怎么做的。这样做缺少了探究的过程，导致知识不是来源于科学探究而是来源于教师的灌输，无法训练学生思维、培养学科素养。而利用科学史进行科学探究，在科学探究中发展科学思维进而生成重要概念，才是我们在教学中应该采取的一种有效手段。

（三）分析科学史，培养科学思维

“科学思维”是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力[1]57-58。科学思维是关键的核心素养之一，而让学生在概念习得中发展科学思维是概念教学的主要目的之一。科学史是习得概念、发展科学思维的重要素材，学生在分析科学史的过程中也能够形成良好的科学思维。

例如，在“光合作用”教学中，根据教材提供的恩格尔曼水绵与好氧菌的实验提出问题：恩格尔曼的实验方法有什么巧妙之处？实验结论是什么？学生在分析科学史上恩格尔曼的实验过程中发展了分析与推理、综合与归纳等科学思维。

在教学“孟德尔发现遗传规律的实验”时可以还原科学史，如当时的主流观点是融合遗传，红花和白花杂交后代为粉色花，但是孟德尔尝试让高茎豌豆和矮茎豌豆杂交，其后代并不是中等高度，子一代自交却又重新出现了高茎和矮茎等问题。让学生重新模拟完成一次豌豆杂交实验，在实验中经历发现问题、提出假说、演绎推理等思维过程，整个过程并不提供孟德尔的解决办法，让学生自己思考讨论，分析综合，提出假说，验证假说，最后才展示孟德尔的做法。这样的教学过程培养了学生分析与综合、归纳与演绎等思维能力。

概念教学本质上也是思维的教学，在教学中只有充分调动学生的思维，并根据不同概念的特点，引导学生进行意义的建构，才能使概念内化于学生的头脑中，成为他们分析和解决问题时心智操作的工具[6]。而生物科学史展示了科学发现的过程，在该过程中包含了科学思维、科学方法和科学精神。教材为很多重要概念的生成提供了科学史，展示了当时科学家的研究过程。分析科学史是培养学生科学思维的重要手段，因此，在教学中要善于利用科学史来帮助学生发展科学思维。

（四）还原科学史，建构重要概念

概念的建构来源于众多的生物学事实，在分析生物学事实的基础上，通过归纳、概括、抽象等思维形成一般概念。吴成军认为概念学习的一般路径是“问题情境—科学探究、科学思维—重要概念”[5]79，而科学史恰恰体现了这样的认知过程。在教学中，通过还原科学史，可以重现人们在生活中“遇到问题→寻找证据→发现规律”的过程;通过深度还原概念的建构过程，使学生在学习的过程中实现对概念的深度理解。

例如，在“细胞膜”的学习过程中，通过展示科学史：欧文顿通过对植物细胞通透性进行研究发现，凡是溶于脂质的物质比不溶于脂质的物质更容易透过细胞膜。引导学生思考并提出问题：细胞膜可能含有什么物质？（脂质）再次引导学生结合后来的研究发现——细胞膜中的脂质主要是磷脂，随即展示磷脂分子结构图，分析其亲水头部和疏水尾部的特性，然后提出问题：如果把磷脂铺在水面上会怎么排列？并让学生建构磷脂在水面排列的模型。学生已知细胞内是液态的，通过展示人体内环境图片让学生明白细胞生活在水环境中，提出进阶问题：细胞内外都有水，那么单层磷脂分子的疏水尾部如何与水环境相融呢？学生在此基础上可以推测细胞膜上的磷脂是双层排列的，并建构出双层磷脂分子模型。但是这只是基于磷脂分子化学特性的推测，无法直接观察。而科学结论的得出要基于实验分析，要有证据支持。这时候再展示科学史：荷兰科学家把从红细胞中提取出的脂质铺在水面上，测定其面积是细胞表面积的两倍。由此，学生可以得出细胞膜上的磷脂分子是双层排列的结论。最后，结合罗伯特·森的电镜实验结果图和其他科学家的实验研究，让学逐步建构细胞膜的流动模型这一概念。

三、总结与反思

许多生物学概念经都是历了众多科学家多年的科学研究而逐步形成、发展和完善的。这就要求我们在概念教学中要深度还原科学家们的关键研究过程，基于科学家的研究发现，通过分析归纳、演绎推理等科学思维方法建构概念。科学史是建构概念的重要载体，还原科学史，重走科学发现的过程，进而生成生物学概念是概念教学的有效方式。

生物学概念是生物学知识呈现的基本方式，也是人们认识生命现象和生命规律的基本思维方式。科学史富含科学家探索求真的科学精神和知识发现的探索轨迹，其本身就是一种重要的科学知识。教学中应当重视科学史的运用和挖掘，而不是把科学史仅仅当作历史材料让学生阅读。在概念教学中，可以根据教学实际利用科学史创设情境，激发学生求知欲，依托科学史进行科学探究，在科学探究中建构重要概念。同时，由于科学史中还蕴藏着研究生命现象和生命规律的思维过程和科学方法，学生在分析科学史中就能发展科学思维，学习科学方法，领悟科学精神。通过还原科学史，重现科学家当时遇到的问题，引导学生寻找证据、解决问题，逐步生成概念。用好科学史有利于学生建构概念、理解概念、发展核心素养。

[参 考 文 献]

[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]卢家楣.学习心理与教学：理论与实践[M].上海：上海教育出版社，2020：55.

[3]赵占良.概念教学刍议（二）：概念的组成要素与概念教学[J].中小学教材教学，2015（2）：23-26.

[4]沈兆瑞.回顾“基因在染色体上”的发现历程[J].中学生物教学，2017（4）.

[5]吴成军.生物学学科核心素养的教学与评价[M].上海：华东师范大学出版社，2020.

[6]赵占良.概念教学刍议（一）：对概念及其属性的认识[J].中小学教材教学，2015（1）：40-42.

（责任编辑：赵晓梅）