追求生物学科本质发展学生的科学思维
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作者:王芳
摘 要：在高中生物课堂进行科学本质教育，对于提高学生的生物学科核心素养具有重要意义。本文从探究性学习和HPS教育两个方面加以论述。
关键词：科学本质;探究性学习;HPS教育
理解科学本质，对于提高学生的核心素养具有重要意义。因此，促进学生对科学本质的理解已经成为当前世界范围内科学教育界广泛关注的热点问题之一。美国在1996年颁布的《国家科学教育标准》中明确加入科学本质的相关内容，并专设“科学的历史和本质”一节。我国现行的《普通高中生物课程标准（2017年版）》也在课程性质中明确指出：“高中生物学课程是科学领域的重要学科课程之一，其精要是展示生物学的基本内容，反映自然科学的本质。”但是从现实情况来看，科学本质及其教育价值并未引起理科教师的普遍关注，学生对科学本质的认识情况也不容乐观。因此，在生物学课堂教学中，要想提高学生的生物学科核心素养，就需要加强对科学本质的理解和感悟。
科学本质在生物学科涵盖两方面的内容：一是生物学科在本质上属于自然学科;二是生物学科具有自身独特的学科特征和其他自然学科不可替代的育人功能。生物学科的研究对象都是“活物”，学科概念原理会随着科学研究的进展而不断进行修正。学科涉及的范围广泛，包括农业生产、环境保护、医疗卫生、教育科研、资源利用等，与我们的日常生活息息相关。因此，教师要基于科学本质组织学科教学，以达到培养学生核心素养的目的。
一、 在探究性学习中体验科学本质
《普通高中生物学科课程标准》明确指出：“组织以探究为特点的主动学习是落实生物学科核心素养的关键。”在生物学科的学习过程中，学生不仅要重视科学认知的过程，更要了解知识是怎样产生和发展的，如果不能亲历科学发展的过程，就不能充分了解科学知识的全貌。在探究性学习的过程中，能够引发学生对生命现象及其规律的好奇心，引导学生像科学家一样，经历观察描述、发现问题、查找信息、提出假设、设计实验、思维判断、解决问题的整个过程。学生体会到科学家在真实研究过程中的茫然、焦虑，到解决问题时的惊喜和顿悟，从而认识到科学本质，同时学生的合作交流能力、创新能力和实践能力都得到提升。探究性学习还有助于学生理解STS之间的关系，形成正确的价值观和人生观，进而形成真挚的科学情感。
例：“DNA粗提取”实验中以2～4人组建兴趣小组，分别以植物DNA和动物DNA为研究对象，并在课前进行预实验。教师提供理论支持并设计问题串，指导学生设计探究性实验方案。引导性问题如下：
1. 除了用教材所选材料进行DNA粗提取实验，还可以选取其他哪些实验材料？
2. 加洗涤剂和食盐的作用是什么？释放DNA的方法有哪些？
3. 哪些材料提取DNA效果既好又省时？
4. 研磨不充分对实验结果会产生怎样的影响？
5. 释放的DNA是否还混有杂质？如何进一步去除杂质？
根据自己的预实验结果，兴趣小组的同学确定本组进一步的研究课题：课题1——低温对香蕉细胞DNA提取的影响;课题2——氯仿对鱼白细胞DNA提纯的影响;课题3——盐水和纯净水对提取鸡血细胞DNA的影响;课题4——嫩肉粉对鱼白细胞DNA提取和鉴定的影响。在众多动植物实验材料和试剂药品中，兴趣小组的同学根据自己的预实验选择本组实验材料，并向同學展示自己的探究课题和招募小组成员。为确保课题的顺利展开，小组负责人会制定详细地分工计划，如人数要求、观察和统计的人选等。小组成员合作探究相同的课题，在设计自变量、因变量和具体实施实验的过程中，学生会产生更多的灵感和思维碰撞，对该实验的认识就更加深入，也更加生活化。
二、 通过生物学科HPS教育渗透科学本质
HPS教育（History、Philosophy of Science and Science teaching）是科学史、科学哲学和科学教学的合称。“科学”是科学史和科学哲学共同的研究对象，只是二者研究的角度不同，科学史是从历史角度，而科学哲学是从哲学角度来理解自然科学史料，但两者存在着紧密的内在联系。HPS教育具有五大特点：以建构主义理论为背景，注重学生的实际获得;重视对科学哲学的思考，基于所学知识解决生产生活的实际问题;以科学的基本史料为基础，理解科学本质和科学研究的思路和方法;从培养科学精英过渡到培养有科学素养的公民;从重视科学知识的传播过渡到着眼于学生未来的发展和社会的需要。科学教育中涉及科学史哲（主要是科学史）的内容主要有两点原因：其一，科学是一个发展的过程。若没有具体的科学实例，对于科学发展的概括将是碎片化的;其二，科学发展过程中出现的人物和历史对我们继承文化遗产、理解科学家的献身精神都具有重要意义。
2017年颁布的《普通高中生物课程标准》的实施建议中明确指出：“在高中生物课堂融入科学史教育，对于理解生物学科理论和方法的演变过程、科学家在研究过程中所持的态度和观点、对于培养学生的生物科学素养都具有重要意义。”建构主义强调教学要在学生原有知识经验的基础上进行新情境的创设。在生物学科HPS教育中，依据学生已有认知，选择和运用适当的科学史哲素材来设计教学活动，使学生在原有知识框架的基础上架构出新的知识体系。将科学史哲作为教学中情境创设的素材，有助于学生体验科学理论体系的演化和逐步完善的过程，完成自身对知识体系的意义建构;有利于学生用批判性思维审视现有的科学知识，体悟科学的本质。
例：关于“细胞学说建立的过程”运用科学史哲对学生进行科学本质的教育。
资料一：1665年，英国胡克制造了能放大40～140倍的复式显微镜。他利用这台显微镜意外地看到软木薄片中的“小室”时，独特而敏锐的直觉让他觉得这个发现不一般，因此他把这些小室取名为细胞（cell），但他所说的“细胞”只是死亡的植物细胞的细胞壁及其所包围的空间，而不是真正的细胞。为此，胡克被认为是第一个发现细胞的科学家。 思考：你认为胡克发现细胞后，科学界会掀起研究细胞的热潮吗？
小结：胡克的发现在当时并没有掀起研究细胞的热潮，人们的观察大多只停留在外形上。而显微技术的缓慢发展，使得人们对于细胞的研究在170年后才有了突破性的进展。
资料二：19世纪30年代初，施莱登和施旺创立“细胞学说”。光学理论的突破和显微镜技术上的创新，使整个30年代出现了研究细胞的热潮，其中最具影响力的是施莱登和施旺创立的“细胞学说”。
关于施莱登：1838年，他在弥勒主编的《解剖学和生理学文献》杂志上发表了具有历史性意义的《植物发生论》一文。在文章中，他引用英国植物学家布朗关于细胞核与细胞发育具有特殊的相应关系的说法，指出“所有的植物都是由细胞组成的，细胞是植物体具有各种功能的基础。”施莱登提出这种观点的主要依据是他发现植物细胞具有相似的细胞核和细胞壁。
关于施旺：1834年施旺成为当时著名生理学家缪勒的助手，主要从事动物组织的显微结构研究，之后施莱登也加入缪勒实验室。在一次共同用餐时，施莱登谈到植物细胞的细胞核具有重要作用。施旺因此得到很大的启发，他也从细胞核入手进行研究，发现动物组织细胞中都存在细胞核，并且细胞核是阐明动物细胞性质的关键。1839年，施旺发表了论文《动植物结构和生长一致性的显微研究》，他的目的是要阐明“两大有机界中最本质的联系”。在论文中，施旺对他的研究进行了强有力的概括，提出了两个论点：其一，无论有机体的各部分有何不同，在它们的发生和发育上有一个普遍原则，那就是形成细胞原则;其二，细胞的产生过程是：在原有細胞内部或物质围绕已有细胞，按照一定的规律形成新细胞，进而形成生物体的各个组成部分。
思考：（1）施莱登和施旺是通过什么方法提出“细胞学说”的？
（2）施莱登和施旺的“细胞学说”有何缺陷？你认为他们产生这种错误认识的原因是什么？
过渡：既然施莱登和施旺对细胞产生方式的解释是错误的，那细胞究竟是如何产生的呢？
资料三：1855年，魏尔肖发表了一篇关于“细胞病理学”的文章，文章中有一个著名的论点“所有的细胞都来源于先前存在的细胞”，这句话简明扼要地概括了细胞的产生方式。
至此，通过施莱登、施旺和魏尔肖三位科学家的研究成果，和许多其他科学家的辛勤付出，终于形成了比较完备的细胞学说。
思考：（1）在这170多年中，影响“细胞学说”创立的重要因素是什么？
（2）为什么细胞学说在胡克发现细胞的170年后才被创立？
三、 小结
通过“细胞学说建立的过程”相关科学史哲的学习，使学生意识到科学研究的道路漫长而曲折，科学源于细致地观察，但也受科学家自身看待事物的方式和当时文化背景的影响，同时也让学生体会科学理论的形成和发展进步的过程，感悟科学家持之以恒的探究精神。
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作者简介：
王芳，北京市，北京市延庆区教育科学研究中心。
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