何军　黄文俞

【摘要】本文阐述生物科学史循环探究方式的内涵，以教学人教版高中生物学必修2《遗传与进化》第3章第3节“DNA的复制”为例，详细说明该探究方式在高中生物学教学中的应用，包括提出问题作出假设、选择符合课题的素材、设计研究方案、实施方案并检验结果、理论演绎得出结论、评价与反馈等六个环节，旨在引导学生学习科学家的研究方法、科学精神等，发展学生的生物学学科核心素养。

【关键词】科学史 循环探究 高中生物学 教学方式

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2023）20-0129-04

在生物学发展过程中涌现了许多做出卓越贡献的科学家，他们具有宽广的胸怀，以其辛劳与智慧推动了科技进步。在教学中引导学生学习科学家的研究方法和科学精神等，与实现新时代教育“立德树人”的根本任务高度契合。本文阐述生物科学史循环探究方式的内涵，以教学高中生物学“DNA的复制”为例，阐述如何利用科学史循环探究方式促进学生理解科学的本质，发展学生的生物学学科核心素养。

一、生物科学史循环探究方式概述

科学史实呈现了科学家的生平事迹及其科学观念、研究方法、技术手段等，生动地呈现了科学家发现新现象、完善新概念、解释新规律、见证创新思维诞生的过程等，具有极其丰富的教育价值，是培养学科核心素养的生动素材，也是一种非常重要的教学资源。

笔者基于概念教学中的论证式教学，因地制宜构建科学史循环探究方式：提出问题、观点猜想、设计方案、實验检验、得出结论、评价反馈，六个环节构成一个论证教学环，形成思维循环。首先，教师营造有利于解决问题的探究氛围，学生在教学目标引领下明晰探究主题，准备材料用具。其次，教师运用适当的教学策略组织学生对科学史实中的问题进行质疑和辩论，提升主题决策、问题求解、批判论证等高阶思维能力，引发有意义的深度学习。最后，学生根据已有的科学概念设计实验方案并进行检验，得出证据，支持或反驳现有观点，系统建构科学理论。在理论建构过程中，教师引导学生用严谨的思维把前概念提升为科学概念，使学生逐步成为有批判性和创造性的优秀学习者。这些环节不再是要求学生单纯地理解与接纳科学理论，而是让学生基于理解和批判的视野，对科学论证的过程进行细致考察和严谨推理，从而理解科学理论是如何演绎验证的。该教学方式使课堂教学活动更加开放，让学生敢于提出问题，并积极探讨解决问题的方法，发展科学探究的关键能力。

生物科学史循环探究方式也是立足于学科核心素养的教学实践过程，主要围绕科学探究的认知、能力和情感态度三要素开展教学活动。发展科学探究认知是在科学实践中实现的，是一个能动的、复杂的过程，是培养和发展科学探究能力的基础。科学探究能力有七要素，主要包括客观观察现象、批判性地提出猜想、正确筛选材料用具、选择恰当的实验方法、设计务实的实验方案、对实验结果进行合理的解释、合理推断出结论。科学探究的情感态度是指学生从科学家的经典研究中得到启迪，学习科学家积极发现、敢于质疑、勤于实践、乐于合作、勇于创新等精神。

笔者基于教学实践，构建生物科学史循环探究方式的实施流程如下页图1所示。

二、利用生物科学史循环探究方式教学“DNA的复制”

（一）教材分析

人教版生物学必修2《遗传与进化》第3章第3节“DNA的复制”，是基于实验的科学探究，涉及许多科学家的猜想、推论和实验。教材针对DNA复制方式的推测只给出了半保留和全保留两种方式，未提及散布式复制；展示结论的获得经过了多次修正和完善。该研究过程能够较好地呈现科学观点的可变性与科学知识的发展性，让学生体会到系统构建科学观点过程是需要不断修正的。正如《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）指出的，既能让学生获得基础的生物学知识，又能让学生领悟生物学家在研究过程中所持有的观点，以及解决问题的思路和方法，充分体现了学科特点和育人价值。

（二）教学目标

以经典科学探究史料为主线，开展基于科学史的概念教学，运用假说—演绎法探究DNA的复制方式，构建DNA半保留复制的重要概念。通过学习科学家探索DNA复制方式的研究方法，培育科学探究能力和科学逻辑思维。补充科学家对DNA复制方式的研究经历，认同科学探究是以质疑为出发点，以实证为依据去修正、求证结论，以科学逻辑为标尺的动态探索。

（三）教学设计思路

教材展示了沃森和克里克的论文《核酸的分子结构》中有关DNA复制方式的推测，设置了探究内容“DNA半保留复制的实验证据”，但是仅用部分描述进行研究是不够的。因此，教师查阅资料整理出探索DNA复制方式的生物学史实，还原当时科学技术发展的社会现实，引导学生发现问题，构建模型使隐性思维显性化，运用假说—演绎法解决科学探究问题，在提出猜想—作出假设—方案设计—实验检验—科学结论的探索过程中，寻找充足的证据来严谨解释或辩驳DNA复制的方式，培养科学探究的关键能力，积累科学探究实践经验。

（四）教学过程

1.根据史实，提出问题

在梅塞尔森和斯塔尔设计巧妙实验证明DNA的复制方式之前的科学事实是什么呢？1953年，沃森、克里克发现了DNA双螺旋的结构。教师展示DNA分子物理模型，引导学生观察并回顾DNA分子由两条链反向平行盘旋成双螺旋结构，两条链上的碱基遵循碱基互补配对原则，通过氢键连接成碱基对。教师随后提供史实资料。

资料一：沃森、克里克论文《核酸的分子结构》节选。我们并非没有注意到，我们提出的这种碱基特异性配对方式，暗示着遗传物质进行复制的一种可能的机制。

资料二：DNA分子复制方式猜想（如图2所示）。（1）全保留复制：以DNA分子作为模板进行复制，子代DNA分子含有两条全新的DNA链；（2）半保留复制：双螺旋DNA分子复制时，双链中互补的碱基对之间的氢键断裂，解开的两条单链均作为复制模板，从细胞中吸取游离的脱氧核苷酸，依据碱基互补配对原则结合到模板链上形成互补子链，母链和子链盘旋在一起，新产生的每个子代DNA分子含有一条来自亲本DNA的母链和一条新合成的子链；（3）散布式复制：在双螺旋DNA复制过程中，亲代DNA分子两条链被分割成许多大小不等的片段，与新合成的DNA单链片段连接，复制完成后在子代DNA每条链中，母链和子链片段镶嵌。

笔者查阅科学史料知道，当时科学家大多认同DNA是能够复制的，后来美国科学家科恩伯格也通过实验验证了DNA在一定条件下是可以复制的。围绕科学史，基于核心素养还原科研实践，使学生产生探究认同，综合思考，解析探究活动主题并将其分成两个阶梯问题。首先，DNA复制过程中其稳定的双螺旋结构有没有解开？如果是解开的，如何解开？其次，合成DNA子链究竟以什么方式延伸？DNA复制以哪种方式进行？引导学生像科学家一样提出问题，开展主题论证。

2.提出猜想，构建模型

面对科学史情境引发的认知冲突，分层设置问题推动学生自主探究，运用元认知策略处理主题信息，通过建模使隐性思维外显。教师准备好资料包，包含白磁板、不同颜色的磁条、马克笔等，组织学生进行小组合作探究活动。画红色条带表示亲代DNA分子的一条链，画蓝色条带表示新合成的子链，在白磁板上分别构建半保留复制、全保留复制和散布式复制的模型。学生标注清楚亲代与子代DNA链，用箭头画出亲代DNA链传递到子一代和子二代的路径，并补全假说的名称。新旧概念融合的可视化思维建模活动，拓展了探究路径的宽度，使学生把碎片化知识纳入严谨的探究体系，促进推测DNA复制方式的深度建模。

借助模型构建对探究重难点内容进行延伸拓展，进一步提出问题：我们应如何设计实验检验这三种假说的正确性？这个实验要解决的关键问题是什么？学生分析构建的模型得知，要监测到DNA分子复制之后母链的去向，先要解决的技术问题就是将DNA母链与新合成的DNA子链区分开来。引领学生领悟科学探究工作需要敏锐的洞察力，科学本质的发现需要细致观察、尊重史实、逻辑递进、重视证据等科学思维属性。

3.方案评估，实验检验

科学探究既是探索未知，又是从百家思想中汲取精华。笔者查阅化学相关知识得知，氮是稳定型同位素，不能通过检测放射性来推断亲代DNA链的去向。教师再向学生科普氮的同位素标记、密度梯度离心技术，为后续的创造性探究做好铺垫，有助于学生感悟到科学探究是创造性工作，推动学生产生获取事实证据的探究欲望，像科学家梅塞尔森和斯塔尔一样想到创造性解决问题的方法，即以大肠杆菌和含有氯化铵的培养液为实验材料，使亲代DNA母链和新合成DNA子链标记上质量不同的氮同位素，用密度梯度离心技术处理亲代DNA和子代DNA，分别记录DNA带的数量和位置。学生评估分析DNA的三种可能复制方式，预测得出不同的实验结果，即离心管中相应的DNA带分布情况，并在构建的模型旁画出来。在评估方案过程中，各小组成员针对探究路径进行多方向的辩驳，通过反馈补充修改论证过程，确保实验方案的可靠性，检验方案是否真正体现科学探究的内涵。学生通过论证活动分析辨别信息，提炼重要概念，既能发展科学探究的逻辑推理能力，又能学习前人智慧，提高科学探究的实践能力。

4.辩证解决问题，得出结论

教师简单介绍紫外线吸收法的原理，展示梅塞尔森和斯塔尔利用紫外线吸收法所得到的真实实验结果（如下页图3所示）。通过观察，我们得知亲代DNA带的位置最靠右，说明其密度最大，因此在离心管中的位置对应的是重带；而合成的子一代DNA只有一种带，比亲代的密度略小，在离心管中对应中带（杂交带）；图中子二代DNA（1.9代）是两条带，且分别对应中带和轻带。用氮15标记的亲代DNA具有单一的重带，在氮14培养基中培养产生子一代DNA，其密度介于重带和轻带之间（杂交带），此时可以排除全保留复制方式，但还无法证明DNA是半保留复制还是散布式复制。因此，教师要引导学生分析子二代、子三代的实验结果，以继续验证猜想是否正确。随着复制代数的增加，轻带的量越来越多，而杂交带始终存在且量保持相同，由此可以排除散布式复制，从而证明DNA是半保留复制。

教师评价各学习小组构建的DNA分子复制模型，引导学生用规范的语言表达科学概念。将实验结果与模型猜想对照思考，辩证地解决问题。

苏格拉底说过：教育不是灌输，而是点燃火焰。采用科学史循环探究方式得到DNA复制的具体方式（如下页图4所示），着眼于学科核心素养，充分还原科学史实，引导学生发扬不懈的探究精神，在科学实践中进行论证，拓宽已有科学探究技能的应用场景，明晰实验原理和科学探究程序，培育批判性和创造性的科学思维，提升科学探究能力，发展学生的生物学学科核心素养。

三、反思与总结

《课程标准》指出，着眼于学生适应未来社会发展和个人生活的需要，从生命观念、科学思维、科学探究和社会责任等方面发展学生的学科核心素养。本文从生命观念、科学思维、科学探究和社会责任四个方面，反思与总结“DNA的复制”一课。

（一）生命观念方面

如何在学科教学中培养学生的生物学学科核心素养，方法之一是让学生在课堂活动中“会做事”。教学过程以重现生物科学史为线索，利用假说—演绎法引导学生循环探究DNA的复制方式，在发现生物科学史和验证生物学规律过程中，训练学生架构生物科学史之间的关联的能力，形成DNA复制的概念，帮助学生深度理解DNA的半保留复制机制。生物科学史教学呈现了科学家的创造性劳动过程，有利于学生在物质观、结构与功能观、信息观之间建立动态联系，认同生物学科学发展演变规律，树立正确的人生观、世界观和价值观。

（二）科学探究方面

生物学课程目标之一是掌握科学探究的思路和方法。科学史循环探究以经典科学探究实验为基础，引导学生了解生物学经典实验的一般研究方法，全面掌握科学探究工作的规范流程：提出有价值的问题、结合问题情境作出猜想、选用严谨的实验研究方法设计完整的实验方案、熟练地进行实验操作、收集证据合理推断出实验结论等。基于实证的探究方式还提高了学生科学探究的实践能力，增强了学生对科学探究过程和科学本质的理解。

（三）科学思维方面

科学史料中沃森和克里克基于DNA双螺旋结构模型作出了DNA半保留复制的预测，有助于学生感悟科学探究工作的开展有赖于细心观察并批判性作出推测。在基于实证的小组辩论过程中，引领学生体会疑问—猜想—证据论证—演绎推理—得出结论的探究路径，并且认识到新概念都是在探究路径不断循环中得到修正和完善的，强化了论证式科学思维。已知氮的同位素相对稳定且无放射性，不能用同位素标记法来区分亲代DNA和子代DNA。教师适时还原科学技术发展史介绍科学家运用密度梯度离心技术解决了以上问题。该技术是多学科融合发展的结果，体现了科学探究中跨学科交叉的必要性，也说明了科学家新颖的创造性思维对推进探究工作有积极的意义。

（四）社会责任方面

通过生物科学史深化生命观念，使学生认同科学家敢于质疑、立足实践探索求真等精神，唤起学生勇担民族复兴之重任，从而发挥科学史德育功能，落实教育立德树人的根本任务。

总的来说，科学史循环探究教学方式以经典史料为线索，引导学生解释生命现象，深化了生命观念；基于实证的概念构建，运用假说—演绎法解决生物学问题，提升了科学思维能力。明确科学探究的基本程序并自主完成探究活动，培养了科学探究能力；利用史料事迹与科学家精神的契合点，提高科学史的教育价值和实践价值，认同科学家格物致知的精神。

參考文献

［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）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］林建春.论证式教学在高中生物学科学史教学中的应用［J］.中学生物教学，2021（4）.

［3］刘本举.“DNA的复制”基于科学史探究的教学设计［J］.生物学教学，2008（3）.

［4］刘祖洞.遗传学［M］.北京：高等教育出版社，1992.

注：本文系广西教育科学“十三五”规划2018年度广西教育研究专项课题“广西普通高中生物学科教学关键问题实践研究-4”（2018ZJY239）及其子课题2020年度柳州市教育科学规划课题“基于高中生物科学史的科学探究能力培养的实践研究”（2020C136）的研究成果。

（责编 刘小瑗）