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  • 把生命科学史引入生物学教学(无锡 王荐)
  • 作者: 来源: 时间:2009-6-12 14:26:29 阅读次 【
  • 王荐  ( 无锡市东林中学  214002)

    摘要:将生命科学史引入中学生物学教学,使学生深刻理解知识本身发生的过程,重温先人不畏艰辛、勇于探索的过程,从而学习他们锲而不舍的求索和创新精神,并能学到正确的科学研究方法。

    关键词:生命科学史;科学素质;研究方法

    中图分类号:G633.91

    列宁指出:“要继承黑格尔和马克思的事业,就应当辩证地研究人类思想、科学和技术的历史。”中学生物学教学担负着向学生传授生命活动基础知识、树立辩证唯物主义观点,培养学生多种能力的重任,把科学家探索生命奥秘的史实引入生物学教学,能在上述三方面发挥独特的教育作用,避免学生孤立地掌握生物学知识,而是深刻地理解知识本身发生的过程,重温先人不畏艰辛、勇于探索的动人历程,从而学习他们锲而不舍和不屈不挠的求索和创新精神,并能学到正确的科学研究方法。本文结合自己实践谈生命科学史在生物学教学中的作用及具体做法。

    1.生命科学史在生物学教学中的作用

    1.1展示知识发生过程,帮助学生深刻理解知识

    比如光合作用是高中生物学的重要内容,课本从学生初中所学内容入手,单刀直入介绍了光合作用的二个过程,如照此教学,学生仅仅是记住,而非理解。我则从1648年,荷兰内科医生赫尔蒙特的实验入手,介绍他只用雨水浇灌柳树,5年后柳树增重不少,土壤仅减轻2英两。他据此认为柳树重量的增加,主要来自水。1772年普里斯特利利用小鼠、绿色植物、蜡烛和密闭容器证明了植物能释放氧气。1778年豪斯进一步证明,上述情况只有植物的绿色部分在光照下才有可能。1782年瑞士的一位牧师塞尼比尔发现植物的碳来自大气中CO2,于是他武断地推测CO2吸收后被分解,碳进入植物的有机物中,而氧被释放。美国微生物学家范尼尔通过研究紫硫细菌的光合作用,发现紫硫细菌利用H2S和CO2不生成氧,而是硫,他间接推导出光合作用释放的氧来自于水而非CO2。1941年,美国科学家鲁宾用含0.85%18O2的水作原料,发现释放出的氧气中18O2比例也为0.85%而非普遍水中的0.20%。这就直接证明了光合作用释放的氧气来自于水,而非CO2。这段科学史有助于学生了解光合作用知识的来龙去脉,经历人类探索光合作用的漫长过程。结果证明补充这些知识非但不增加学生负担,反而使学生兴趣陡增,理解深刻,相关知识点掌握非常牢固。

    1.2展现科学精神,培养学生的科学素质

    科学精神包括怀疑精神、求真精神、人文精神和创新精神。16世纪末,英国医生哈维对统治欧洲上千年的盖仑学说产生怀疑,按照盖仑学说,血液产生于肝脏,存在于静脉,以心脏输出,进入动脉,遍布全身后完全消耗干净。哈维照此计算,人在1小时内需制造相当于四倍体重的血液。这显然是不可能的。哈维大胆推翻了盖仑学说,经过大量动物实验和人体解剖,创立了血液循环理论。那个年代,还没有显微镜,哈维除了简单的解剖工具,只有一个手持放大镜,他的理论建立全靠他自己不断的实验。这是非常了不起的,他的工作使生理学从此成为科学,他被喻为近代实验生理学奠基人。哈维敢于冲破传统和权威的束缚,去伪存真,大胆提出假说,精心设计实验,体现了真正的科学精神。这些先例对培养学生的科学素质无疑是最好的教材。生物学的发展史是众多生物学家不计个人名利为科学事业奉献毕生精力的奋斗史,李时珍、达尔文、谈家桢、巴甫洛夫、巴斯德、孟德尔等这些优秀生物学家的事迹,将激发青少年热爱科学、刻苦学习、为国家现代化贡献力量的责任感和事业心。良好的科学素质还表现为尊重事实、坚持真理、严谨细致、学会平等合作等方面。如达尔文对大自然的热爱和百折不回、勇往直前的性格。摩尔根由不相信孟德尔学说到改弦易辙,创立基因论所表现的求实、公正的科学态度,沃森和克里克亲密合作发现DNA双螺旋结构的协作精神等都是培养学生科学素质的良好材料。

    1.3展示科学研究方法,培养学生思维能力

    达尔文指出:“最有价值的知识是关于方法的知识。”一切生物学知识既是科学思维的结晶,也是科学先驱们在探索中采用了正确的方法取得的成就。教师应充分把科学巨匠独到的科学思想和科学方法渗透到知识传授中,使学生从前人设计实验的过程中学到科学的研究方法,知其然,更知其所以然,培养学生思维的变通性,灵活性。如在DNA复制的教学中,可先介绍梅塞尔森和斯塔尔用等密度梯度离心的方法,追踪DNA亲本链的去向,从而证明DNA是半保留复制的。学生在学习过程中领会到了科学方法的重要性。又如孟德尔在研究碗豆遗传时独辟蹊径采用数学统计方法,并设计测交实验,发现遗传规律。这里运用了观察、假设、归纳、推理、分析、实验等方法。在学习光合作用时,可以介绍德国生物学家C. Engelmann于1883年所做的一个实验,他把棱镜产生的光谱投射到丝状的水绵体上,并在水绵的悬液中放入好氧性细菌,好氧性细菌聚集于蓝紫光和红橙光处,他用这种方法得到的光合作用的作用光谱与叶绿素的吸收光谱基本一致。在精密技术条件尚未发展的时代,以简单的、然而却是极其精巧的实验,揭示了这一重要的科学规律,令学生叹服。又比如设计巧妙的DDT选择果蝇实验,直接证明昆虫抗药性增强是变异产生的,而非接触农药的结果,农药仅起选择作用,令人信服地接受了自然选择学说。这也启发学生,科学的研究方法对理论的形成是功不可没的,采用科学的方法进行科学研究是非常重要的。

    2.具体做法

    在实践中我们主要在以下几方面引用科学史。

    2.1创设情境,引入课题

    许多科学史生动有趣,引人入胜,如果用它们来创设情境,引入课题是再好不过的。如用道尔顿发现色盲病的故事,引出伴性遗传的内容;用巴甫洛夫做的狗实验引出条件反射;用班廷发现胰岛素的故事引出激素调节等。有些科学史本身就充满了一个个疑问,这些疑问的解决就把学生带入到那充满曲折和探索之旅中去,如1953年米勒把NH3、H2O、和HCN等放入烧瓶,放电七天七夜,最后在溶液中发现氨基酸,这些氨基酸从何而来?这就为生命起源内容的学习创造了悬念。又如在讲昆虫的激素调节时可以先介绍法国昆虫学家法布尔1904年所做的实验,法布尔把一只雌天蚕蛾扣在纱笼中,放在森林之中的小木屋内,当晚尽管狂风暴雨还是有40多只雄蛾前来交尾。第二天他在纱笼周围撒上汽油、樟脑等,结果雄蛾还是风雨无阻前来交尾。这是什么原因呢?这时学生兴趣高涨,迫切希望通过学习解开迷团。在科学史教学中还可创设一种“矛盾情境”,吸引学生注意。比如在学习孟德尔遗传规律前,先介绍当时在学术界流行的关于遗传的概念,即融合遗传理论,认为两种不同的性状在杂交后被融合到一起,不再分开。这样,生物的性状就不可能有显隐性之分,也不可能有分离现象。但是早期的植物杂交实验者已发现植物性状有显隐性和性状分离现象。孟德尔敏锐地发现了原有理论与新事实的对立,一开始就提出要解决性状如何传递的问题。孟德尔是如何做的呢?这样引入课题,就使学生处于一种思维的矛盾情境。激发了学生的求知欲望,为教学铺垫了良好的心理基础。

    2.2突出重点,突破难点

    教学中有许多重点、难点,如果引入生物科学史,让学生重温科学家当年研究的历程,学生不仅能体验前人的经历、思想,学会科学的思维方法,而且在主动探求中掌握了知识的重点。教学难点也随着科学家工作的介绍被一一化解。比如生物膜的结构以及流动镶嵌学说,可以介绍1925年,戈特(Gorter)和Grendel首次报道他们对质膜所进行的研究。他们使用几种哺乳动物的细胞,用丙酮提取出脂类物质,将其铺展于空气—水界面上,成一单层,然后比较脂类分子聚拢后的面积与原红细胞的表面积,发现前者是后者的两倍。这时引导学生讨论可得出什么结论。当学生提出:有足够的脂类分子可以在细胞表面形成脂类双层结构,这一结论与科学家不谋而合时,学生都沉浸在对科学发现的欣喜之中,他们仿佛亲身参加了这场研究,生物膜的双层结构牢牢植根于他们的脑海中。再介绍用不同的荧光染料标记的抗体分别与小鼠细胞和人细胞的膜抗原相结合,它们能分别产生绿色和红色荧光。将这两种细胞融合成一个细胞时,开始一半成绿色,一半成红色,但在37度下保温40min后,两种颜色的荧光点就成均匀分布了。这样学生不难理解细胞的流动镶嵌学说了。又比如基因是遗传学中的专用术语,其概念的每一次丰富和发展都标志着生物学的一次革命和突破。在教学中,我专门用一节课介绍基因概念的发展,随着科学史的介绍,学生畅游在历史长河中,对基因这个教学中的难点获得了清晰的认识。我介绍了孟德尔最早提出的遗传因子。1903年萨顿(W.S.Sutton)和鲍维里(T.Boveri)两人注意到在杂交试验遗传因子的行为与减数分裂和受精中染色体行为非常吻合,他们提出遗传因子位于染色体上。1909年丹麦遗传学家约翰逊(W.Johansen)提出基因概念,取代遗传因子。摩尔根建立基因学说,确认基因是决定性状的功能单位,而且是突变单位和交换单位。1941年比德尔(G.W.Beadle)和塔特姆(E.L.Tatum)提出一个基因和一个酶学说。1944年艾弗里(O.T.Avery)首次用实验明确证实DNA是遗传信息的载体。1953年沃森和克里克确定DNA双螺旋结构,进一步确定了基因的本质。1957年法国遗传学家本滋尔(Benzer)提出了顺反子学说,认为基因是DNA分子上一段核苷酸顺序,负责着遗传信息传递,一个基因内部还可划分为顺反子、突变子和重组子。20世纪70年代,人们又发现基因包括有遗传效应的外显子和无效应的内含子。这些内容介绍帮助学生更加全面了解基因的真面目,认识到每一项科学成果都是在前人基础上发展起来的,要进一步探索生命的奥秘,必须打好知识基础。

    2.3介绍方法,启迪思维

    引导学生从科学史中去挖掘那些有益于完成科学探索过程的思想和方法是有益的。例如讲“植物生命活动调节”时,我们设计了多媒体教学课件,先展示自然界植物的向光性现象,再以生长素研究历程为红线,一一介绍经典实验,引导学生对实验现象进行科学推理,培养思维的缜密性,当学生的推理与当年科学家推论一致时,我们设计了热烈的掌声给予鼓励。又如1928年英国细菌学家Fredrick Griffithd做的肺炎双球菌转化实验,在这个实验中,有荚膜的死细菌中有某些物质进入了无荚膜的活细菌,使无毒性细菌转化为有荚膜的毒细菌,引起转化的物质是什么呢?1944年美国艾弗里等人用实验证明了这种物质是DNA,从而证明了DNA是遗传物质。但如何直接证明DNA是遗传物质呢? 1952年,美国赫希尔和蔡斯巧妙地用35S和32P分别标记噬菌体蛋白质和DNA,感染细菌,再次雄辩地证明DNA是遗传物质。而法国微生物学家巴斯德只用一个简单的曲颈瓶做肉汤实验就否定了“自然发生说”。在这些实验设计中,闪烁着智慧的光芒,体现了朴素的理性之美。学生自然会受到启迪,得到方法论的教育。

    科学史创始人萨顿说过:“科学史上古老发现的循序给现代科学家一种启示。”他又说:“科学史上到处是最纯粹、最光荣、最勇敢的事迹。”把生命科学史引入生物学教学,将科学结论产生的过程和方法同学生学习过程结合起来,能使学生在学习知识时感觉到一种历史的厚重感,这远比了解科学的结论及技术的成果更重要。这远比单纯告诉他结论更有助于创造性思维的培养。在教学中,教师要结合教材有取舍地选用科学史,把它与教材内容有机结合,精心设计教学过程,充分发挥学生的主体作用,引导他们分析经典实验,从而主动获取知识,获得科学思维方法的熏陶和引导,使他们得到各方面的提高和发展。

    参考文献

    1.陈阅增.普通生物学.北京.高等教育出版社.1997

    2.李难.生命科学史.武汉.华中理工大学出版社.1992.

    3.王於良.生命奇葩.南京.江苏科学技术出版社.1999

    4. 朱正威.我和中学生物科学教育.北京教育出版社,2000.

    本文发表于《课程教材教法》2002年1期

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