例析科学史的教育功能与教学实践

刘本举（河南省濮阳市第一高级中学 457000)

本文发表在<生物学教学>2006年第2期

英文题目：ILLustrating Educational Function and

 Teaching Practice of Science History

摘要：本文通过实例教学分析了生物科学史的教育功能，并介绍了

科学史的课堂教学方法。

关键词：科学史  教育功能  教学实践

生物科学史是生物学家思维与智慧的结晶，不仅提供了相关的科学知识，而且蕴含丰富的科学思维、科学探究方法的教育素材，利用这些素材引导学生深入思考科学家的工作过程，领悟科学家是如何发现问题、寻找证据、合理推理的，体验科学家不断深化对问题认识的过程和科学探索的精神。科学家们坚持真理、坚韧不拔、拼搏进取的精神会以无形的力量影响学生的情感态度与价值观。所以，在生物教学中恰当地应用科学史，充分发挥其教育功能能更好地体现普通高中《生物课程标准》的教育理念，将有助于我们实现知识性、技能性和情感性教学目标三者合一的顺利达成^[1]。

1．科学史的科学方法教育功能，使知识的学习成为能力培养的载体。

许多教师把科学史教育作为一种附加性的知识内容以“讲故事”的方式进行教学，这只能让学生简单地了解这些“历史”，教学效率是极低的^[2]。科学的本质在于科学探究，科学史与科学的本质紧密相连。如果我们把科学史所蕴含的科学探究方法教育素材挖掘出来，加以整理、转化，设计成为科学性、启发性的探究小课题，激发学生的创造灵感，引导学生进行基于资料的分析探究活动，便能让学生沿着科学家的思维发现知识，正是这个发现的过程帮助学生实现了知识与能力的同步发展。这样，就把科学史料做为教学内容的一个组成部分，融入课本内容之中，充分发挥科学史的教育功能。下面试举两例。

1．1生长素的发现史，挖掘其中的探究素材，设计知识再发现的探究过程，创设探究环境，引导学生参与探究，把学生由知识的接受者转变为研究者。

传统教学方式是将这些科学史及经典实验一一介绍给学生，忽略了对学生进行科学方法教育，而科学方法教育是科学素质教育的核心内容之一，这便使学生失去了一次提高实验探究能力的机会。我们在教学实践中尝试把学生从单纯接受知识者转变为研究者，从一个新的角度进行教学，使学生在学习这些知识的同时得到科学方法训练，培养了他们的实验探究能力，取得了较好的教学效果。通过挖掘和整理教材内容，可以得到如下教学素材（探究项目）：

1．1．1向光性的发现，让学生观察和分析实验现象得出结论

出示一周前准备的用3组水稻幼苗做的实验：①组置于完全不透光的黑纸盒中；②组置于单侧开口的盒中；③组切去尖端后置于单侧开口的盒中。介绍实验过程后把盒子中幼苗取出，并让学生观察让学生描述看到的现象，并引导学生分析实验结论。这样做可以激疑引趣，创设探究氛围，使学生迅速进入探究状态。

1．1．2感受光刺激的部位，让学生设计实验方案

单侧光能使胚芽鞘表现出向光性，这是植物的一种应激性，感受光刺激的部位是尖端还是尖端以下？如何设计实验方案证明之？由学生讨论分析回答，教师总结并展示达尔文的经典遮光法实验。此实验比较简单，学生思考能顺利想到遮光对比实验法，出示达尔文经典实验后，让学生体验成功的乐趣，顺利达成由好奇→有趣→乐趣的转变，使学生探究积极性明显提高。

1．1．3如何验证向光性是尖端产生了某种化学物质决定的（即温特实验）？

引导学生发现和解决下列探究性问题，让学生经历一个完整的实验探究过程。①决定胚芽鞘向光性的是尖端这种结构本身，还是尖端产生的某种物质？②这种物质存在吗？如何验证？③能否找到一咱能够吸附该物质的基质？④该基质应该有哪些特点？⑤实验应如何设计？通过上述探究性思考题的逐步提出与解决，引导学生提出假设→选择材料→设计方案→预期结果。在引导学生步步深入的探究过程中，学生经历了整个科学实验研究的过程，在学习知识的同时训练了科学思维，体验科学思路和方法过程。

1．1．4如何验证向光性原理是背光侧生长素分布较多？让学生设计实验方案

向光性弯曲是背光侧生长快造成的，科学工作者提出假设：可能是背光侧生长素分布较多造成的，这个假设成立吗？给你胚芽鞘若干、琼脂块、小刀等材料，请设计实验验证之。让学生讨论分析并提问。教师总结后出示完整的方案如图（其中甲有单侧光，乙没有单侧光，可以通过测定1、2、3、4的生长素含量来验证背光侧生长素含量高）此实验设计有一定难度，应多提问同几个学生，适时给予启发引导，让学生体验科学思维的创新和严谨。

1    2                        3    4    甲                           乙

单侧光

1．1．5如何验证生长素只能从胚芽鞘尖端向下运输？（即：极性运输）让学生评价实验方案

实验：有人设计实验，试图证明“生长素在植物体内的运输，主要是从植物体形态学上端（顶端）向下端（基端）运输，而不能倒转过来运输。①取一段胚芽鞘中间部分，上面放含IAA的琼脂块，下面放空白琼脂块；②取步骤1下面琼脂块的一部分放在去尖的胚芽鞘一侧，一段时间后看到胚芽鞘弯曲生长；③结论：以上实验证明了“生长素在植物体内的运输，主要是从植物体形态学上端（顶端）向下端（基端）运输，而不能倒转过来运输”。我们认为，仅用该实验步骤1和步骤2还不足以严密论证以上结论，请在上述实验的基础上补充相应的实验方法、步骤和结果。

对实验的交流、评价与完善过程，是科学研究的一个重要环节，通过交流评价，肯定合理部分，修正和完善不足部分，主要训练学生的比较、判断、分析和推理思维技能，以及创造性和批判性的思维方式。

1． 2细胞的结构与功能，提取和重组科学史中的实验资料，引导学生进行资料分析型探究活动

教材上关于细胞膜和细胞器的有关知识都是简单的结论性知识介绍。在教学实践中我尝试挖掘其中的科学史资料转化成探究过程，使学生学会推理和分析。

1．2．1推断细胞膜的化学组成

查找前人研究细胞膜化学成分的有关科学史，并整理转化成探究性问题：①19世纪后期，Overton1899）曾用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行上万次实验，他发现，疏水化合物进入细胞远比亲水的快。（可提示学生结合化学课上学习的相似相溶原理）②用蛋白酶处理，能破坏细胞膜。由学生根据实验及以前所学知识推理细胞膜可能的化学成分。

查找科学家研究细胞膜结构的有关科学史，将实验结果展示给学生，让学生分析这些实验结果，推理细胞膜的结构。①1925年，荷兰的E.Gorter和F.Grendel用丙酮从红细胞中提取脂类，在Langmuir水槽中制备单分子层，并测量单层面积，发现是红细胞表面积的2倍。②J.D.Robertson于1959年用超薄切片电镜技术研究细胞膜，获得了清晰的暗-亮-暗三层结构图像。③20世纪50年代用生化技术分离出纯将细胞膜，分析表明为脂类和蛋白质分子。④近代实验研究表明，在两侧为水的隔板小孔处磷脂分子自动形成双层，分子亲水头部均朝外侧，疏水尾部均朝里侧。由学生据此推理细胞膜可能的结构，在此基础上再给学生讲解“流动镶嵌模型”便会水到渠成。

1．2．2研究细胞膜的流动性

细胞膜的流动性体现在分子上，实质是什么？观察到什么现象才能说明细胞膜具有一定流动性？把科学家研究细胞膜流动性科学史中的经典实验转化成探究性问题，让学生通过讨论分析参与教学过程。

1973年，科学家想到用染色的方法给细胞膜上的蛋白质分子染上不同的颜色的方法观察蛋白质分子的运动性。想一想：①应选择什么染料？（染料应具有专一性，可与抗体结合后染色）②细胞很小，能做到一半染上红色，另一半染上绿色吗？（根据绪论里了解的细胞融合技术，能不能先把两个细胞染上不同颜色，再促使他们融合？③观察到什么现象才能说明细胞膜具有一定流动性？

通过上述问题，引导学生分析科学史中的这一个经典实验，让学生参与教学过程和思考探究，顺利达成知识、能力、兴趣三者合一的教学目标。

1．2．3推断线粒体的功能

查找研究线粒体的有关科学史资料，并整理后在课堂上依次展示给学生：①1850年首次发现，1898年，Benda将其命名为mitochondira（线粒体），希腊字mitos（线），chondros（颗粒）。②1904年、1900年许多科学家的研究结果表明其普遍存在于多种动、植物细胞中。③植物幼嫩组织和分生组织比衰老组织中多。④肝细胞和心肌细胞较表皮细胞多（每个肝细胞可达2000个，而一般细胞只有200个左右）⑤在同一细胞中分布不均匀（如常聚集在精子尾基部，原生动物的纤毛基底部，小肠上皮细胞的微绒毛基部等）。同学们想一想，根据线粒体的分布规律，你能得到一些启示吗？通过思考与讨论，学生一般能推理出线粒体可能与能量供应有关。再通过其他资料进一步引导学生分析线粒体的结构与功能。

通过科学史有关资料和实验的分析，进行探究式教学，较好地避免学生死记硬背和被动地接受知识，使学生顺利完成由知识接受者到知识探索者的角色转换，使学生学习知识的同时也接受科学方法和科学思维的训练。

2．科学史的情感教育功能，让科学家的科学态度、科学精神和价值观潜移默化地影响学生

科学史是古今中外的许多科学家用心血、汗水、智慧甚至生命创造的一部辉煌的历史画卷。科学家们经受了多少难耐的寂寞和苦难的斗争！他们不谋私利、坚持真理，为科学研究贡献了自己毕生的精力，还有许多科学家为真理献出了自己宝贵的生命。如果让中学生多接触一些这样的科学史料，他们会以更大的热情投入到学习之中去，会对科学产生一种敬仰的情感，从而更好地培养他们的科学态度、科学精神和价值观。

2．1 利用孟德尔生平及其科学研究史对学生进行科学精神教育

在学习孟德尔遗传定律之前，通过科学史介绍当时的研究背景。孟德尔出身于一个贫苦农民之家，1933年进入中学，当时生活十分艰苦，常常忍饥挨饿，但他以全部课程优秀的成绩毕业，他妺妺动用了准备嫁妆的部分费用帮助他勉强进入奥尔米茨哲学院深造。1843年，由于生活所迫，孟德尔在老师推荐下进入布尔诺奥古斯丁教派修道院见习修道士。他酷爱生物学，在此期间他通过自学来弥补知识上的缺陷。1851年，孟德尔进入维也纳大学继续学习，当时埃廷豪森（A.von Ettinghausen）是他的数学老师，是一位著名的数学家和物理学家，他在科学研究方法上的突出之处，就是喜爱用数学方法探索问题。这对孟德尔后来的植物实验有深刻的启示。昂格尔（F.unger）是植物学老师，常常向学生讲述生物变异和进化的观念，给学生讲授植物杂交时，曾提出F₁杂种有一致性和在F₂代又倾向于亲本的现象，成为孟德尔后来豌豆杂交试验的选题。

结束了维也纳大学的学习后，孟德尔又回到修道院，并于1856年夏开始了他的豌豆杂交试验，他在市场上选取34个豌豆品种，又精心选取其中22个品种在修道院后院里开始进行杂交实验研究。这项研究经历了8年，8年中，孟德尔反反复复地进行杂交实验，记录了大量的数据，他虽然是个神父，但对于科学，并未与宗教混在一起，而是坚持实事求是的科学态度，按照生物本来的面貌认识生物。他对科学工作十分严谨，一丝不苟。正如他自己所说：“从春到秋，天天都要全神贯注、小心翼翼地监视着试验。”他仔细检查数以万计的豌豆植株，用数学方法对所得数据进行统计分析，寻找答案。他的这些工作没有引起当时科学界的重视，但他仍为真理，为自己热爱的科学研究努力工作着，更为遗憾的是，直到孟德尔1884年1月6日去世时，他的成果仍没有得到世人的承认，谁也不理解孟德尔对遗传学和进化论的贡献。孟德尔在去世前的几个月里还说：“我深信，全世界承认这项工作的成果已为期不远了。”当介绍到这里时，从学生们的面部表情上我读出了钦佩与感动。很明显，通过这个过程能较好地培养学生的科学态度与科学精神，对提高学生的科学素养有重发的意义。

再如，维萨里以大无畏的精神，冲破教会禁令，秘密进行人体的解剖学研究，创立了人体解剖学；塞尔维特由于发现了肺循环被宗教裁判所处以火刑等等。这些科学史对培养学生的科学精神和帮助学生树立正确的价值观有非常重要的教育价值。

2．2 利用科学史对学生进行科学态度教育，帮助学生树立谦逊、谨慎、求真的科学态度

在20世纪最初的几年间，当植物学家和杂交工作者以极大的兴趣通过大量的动植物的杂交实验，继续去证明孟德尔学说具有普遍意义的同时，一些具有深厚细胞学基础的学者已敏锐地觉察到，在显微镜下可看到的染色体与孟德尔的”遗传因子”之间有着某种必然的联系。

1902年，鲍维里在用胚胎学和细胞学的实验方法对马蛔虫和海胆的染色体进行研究后，得出了“染色体的行为与孟德尔遗传因子具有平行关系”的结论。

1903年，美国遗传学家萨顿(W．S．Sutton，1877—1916)通过对笨蝗精子形成过程中染色体变化的研究，意识到孟德尔遗传因子的分离和重组，与染色体在减数分裂中的分离和重组是如影随形，完全一致的。由此，他得出了“同源染色体在减数分裂时，以配对形式联合，再彼此分离，将构成孟德尔定律的物质基础”的著名推论。

1909年，美国遗传学家摩尔根(T．H．Morgan，1866-1945)从他自己培养的野生型红眼果蝇群体里，意外地发现了一只白眼雄果蝇。通过对果蝇眼色的遗传学分析，摩尔根第一次把一个具体的基因(白眼基因)定位于一个特定的染色体(X染色体)上，从而为遗传的染色体理论捉供了重要实验证据，开辟了一条遗传学和细胞学紧密结合的研究道路。

在众多生物学家已证明染色体学说的正确性的时候，英国著名生物学家贝特森（William Bateson, 1861～1926年）---曾经是孟德尔定律的忠实捍卫者，一直坚持自己的观点，他认为染色体与遗传因子没有直接关系。

贝特森在61岁时参观了哥伦比亚大学摩尔根领导的果蝇实验室及相关工作和成果后，终于认识到自己观点的错误，这时，他毅然放弃了坚持20年的错误观点（染色质与遗传因子无直接关系），并在国际学术会议上对果蝇研究者及其成果致以敬意，这种坚持真理的科学态度值得每一位科学工作者学习^[2]。这些科学史料安排在教材内容的合适章节，融合于课堂教学之中，无疑会很好地发挥其情感教育功能的。

总之，应该把生物科学史贯穿于生物学课堂教学之中，作为课堂内容的重要组成部分，适时合理地安排时机，灵活运用多种教学方式，让其更好地发挥教育功能，为培养学生的科学素养，实现知识、技能、情感三者合一教学目标的达成服务。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中生物课程标准.北京：人民教育出版社，2003：4

[2] 袁维新.科学史教育的教学价值与教学模式.教育科学研究.2004.7：38-40

[3] 郑春和.注重生物科学史的学习.生物学通报.2004.11：27-30