融入生物科學史教育培養學生探究性能力

帖步霞

【摘?要】生物科學史對于培養學生的生物學科核心素養具有重要作用，筆者結合高中生物新課程教學實踐案例，以《基因對性狀的控制》教學為例，通過融入生物科學史教育來重構教材內容，將“基因指導蛋白質的合成”、“遺傳密碼的破譯”和“基因對性狀的控制”等學習內容進行有機融合，幫助學生建構“基因的表達”這一核心概念，旨在培養學生的科學探究能力，提升學生的生物學科核心素養。

【關鍵詞】高中生物;生物科學史;探究性能力;生物學科核心素養

《普通高中生物學課程標準（2017版）》提出了“生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任”四大生物學科核心素養。生物科學史不僅提供了相關領域的科學知識，而且蘊藏著豐富的核心素養培養素材。為此，筆者在高中生物學新課程教學過程中，適時融入生物科學史教育，在幫助學生深入理解生物學科核心概念的同時，培養學生以科學探究能力為中心的生物學科核心素養。下面以《基因對性狀的控制》教學為例，探討如何通過融入生物科學史教育來重構教材內容，助推學生在有效構建“基因表達”概念的同時，培養學生的科學探究能力，發展學生的生物學科核心素養。

一、案例設計思路

在教學過程中筆者發現學生很難理解“基因的表達”這一核心概念，主要原因一是學生對抽象概念的理解能力不強;二是教師過于糾結于知識細節，使學生難以建構整體的科學概念。所以本案例的思路為：用大概念重構課程內容框架，淡化細枝末節的內容，突出對重要概念的深入理解，為學生自主、合作、探究性學習留出時空，在引導學生建構“基因通過指導蛋白質的合成來控制性狀——基因的表達”這一概念的同時，發展學生的以科學探究能力為中心的生物學科核心素養。

二、案例實施分析

（一）以科學史為主線回憶“基因的本質”

導入：在學習本課內容前，我們先回憶一下在《遺傳與進化》模塊前三章，我們學習了哪些主要內容？

問題情境：經過這么多科學家的共同努力，我們終于解決了“基因是什么？”的問題。但還有一個懸而未決的問題是“基因是如何控制性狀的？”

轉折：今天我們將以科學史為主線，一起追尋“基因本質”的發現歷程，這樣既可以對之前所學內容做一個有序梳理，又可以解決“基因是如何起作用的？”這個問題。

（二）“基因通過指導蛋白質的合成控制性狀”的實驗證據

引導：1865年孟德爾就提出了生物的性狀是由遺傳因子決定的，即是說基因控制生物的性狀?；虻降资峭ㄟ^什么途徑來控制生物的性狀？隨著科學家對蛋白質的研究有了長足的進展，人們認識到性狀的形成離不開蛋白質的作用，于是推測基因通過指導蛋白質的合成來控制性狀。

演示：實驗證據：鐮刀型細胞貧血癥患病機理?？茖W家通過對鐮刀型細胞貧血癥患者血紅蛋白的研究，首次揭示了基因（DNA功能片段）可以控制氨基酸的順序。正常血紅蛋白分子是由α和β兩條多肽鏈組成，，如果一個人的兩條同源染色體都帶有β珠蛋白基因的S型等位基因，就會導致鐮刀型細胞貧血癥，患者的紅細胞呈鐮刀型。

反思：通過追蹤科學家的探索過程，一步步揭示基因與性狀的關系，并提供實驗證據證明，引導學生領悟科學思維的嚴密、探究的嚴謹、結論的嚴正，這些都是為社會和人民負責任的態度。

（三）融入史料分析，探秘RNA的發現

引導：RNA適合作DNA的信使，不能僅來自于理論推測，科學是追求實證的。

演示：RNA發現的科學史料，并展示問題情境：①與蛋白質合成有關的RNA有幾種？②轉運RNA轉運何種物質？③信使RNA（mRNA）的作用是什么？

史料：①核糖體RNA（rRNA）約占細胞總RNA的85%，在蛋白質合成旺盛的細胞中，rRNA的絕對數量急劇增加，在所有生物中，大小亞基的rRNA堿基組成基本相同（有較高的G和C）。

②轉運RNA（tRNA）幾年后，Zamecnik與Mahlon B.Hoagland合作研究獲得重要發現：在被整合進蛋白質之前，氨基酸首先結合到tRNA分子上。tRNA約占細胞總RNA的10%。

③信使RNA（mRNA）T4RNA不僅與T4DNA的堿基組成很相似，且T4RNA首先與已存在的核糖體結合，然后移動穿過核糖體表面，使其堿基進入適當位點，在這里進行蛋白質的合成，這種情況下，T4 RNA就決定了氨基酸的順序，它就是長期尋找的蛋白質合成的RNA模板。由于它將DNA信息帶到了進行蛋白質合成的核糖體位點，故稱為信使RNA。

反思：探秘RNA的發現旨在引導學生了解RNA的科學發現過程，促使學生明白模板RNA發現的重要意義，了解科學家的實驗思路，培養科學思維能力。

（四）融入史料分析，遺傳密碼對應規則的發現

引導：mRNA作為蛋白質合成的模板，其堿基順序如何決定蛋白質的基本單位——氨基酸的順序？

演示：發現遺傳密碼的科學史及密碼子表，并設置下列問題串：①編碼氨基酸的密碼子共有多少種？②一種密碼子只編碼一種氨基酸嗎？③一種氨基酸只對應一種密碼子嗎？

史料：1961年克里克發現，在基因堿基序列中增加或刪除一個堿基、二個堿基都無法產生正常功能的蛋白質;當增加或刪除三個堿基時，卻合成了具有正常功能的蛋白質?？死锟耸状瓮ㄟ^實驗證明了mRNA中3個相鄰的堿基決定1個氨基酸的事實。他把每3個這樣的堿基就稱為一個密碼子。在克里克實驗完成的同一年，尼倫伯格和馬太觀察到將體外合成的多聚核苷polyU（UUUUU……）加入能合成蛋白質的無細胞體系中，產生的是只含苯丙氨酸的多肽。所以，UUU這一組核苷酸肯定編碼苯丙氨酸。

反思：克里克、尼倫伯格和馬太的實驗，包含著極其精彩的科學探究思路和方法，通過體會他們的實驗過程，有助于學生理解mRNA如何指導蛋白質的合成，同時可以提高學生的科學思維與探究能力。

（五）動態展示“基因指導蛋白質的合成過程”

引導：通過探究活動，我們已經知道基因指導蛋白質的合成過程分為兩大步驟：首先是在細胞核內基因將遺傳信息轉移至mRNA中，然后mRNA進入細胞質指導蛋白質的合成。

演示：基因指導蛋白質的合成過程非常抽象，為幫助大家理解，我們一起觀看相關的模擬視頻。

反思：借助視頻材料，模擬基因指導蛋白質的合成過程，幫助學生對此過程形成整體且清晰的認識，助推學生順利進行概念建構。

（六）概念建構，總結提升

引導：早在1957年克里克就提出：遺傳信息可以從DNA流向DNA，也可以從DNA流向RNA，進而流向蛋白質。此后五六年，科學家們通過不懈的努力揭示了蛋白質的合成過程，證實了基因通過指導蛋白質的合成過程控制生物的性狀，此過程即為基因的表達。

反思：1957年克里克提出的中心法則，引領了整個“DNA通過指導蛋白質的合成來控制性狀”的科學研究進程。通過師生合作總結提升，共同構建“基因的表達”這一核心概念，助推學生形成“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”的生命觀念。

三、融入生物科學史教育的體會

生物科學史與一般教學內容相比，更具有吸引性、趣味性、真實性，融入科學史教育情境能很好地激發學生的探究興趣，更快地進入探究環節;更好地展示科學探究的發生與發展過程，有助于學生理解科學知識的本質，掌握科學探究的方法，領悟科學思維的方式，這對于培養學生的生物學科核心素養意義重大。

四、結語

總之，因諸多因素的限制，編者不可能以科學史為主線來編寫教材，故一線教師可嘗試通過融入生物科學史來重構教材內容，根據核心概念產生和發展的過程，設置一系列的問題情境，智慧地利用學生在發現新問題、分析新問題、解決新問題的過程中所生成的新的教學資源，引導學生弄清楚概念的來龍去脈，幫助學生根據自己的思考和理解進行核心概念的建構，最終達到深入理解核心概念，培養學生科學探究能力，提升學生生物學科核心素養的目的。

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