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利用高中生物学史,培养学生生物学核心素养

作者:jiaoshilw.com 更新时间:2018/2/5 15:43:19

  摘 要 通过实例说明生物学史在新课标中的地位和价值。利用生物学史,展示知识发生过程,培养学生生命观念;体验探究过程,培养学生理性思维;展示科学研究方法,培養学生科学探究能力;联系生产实际,培养学生社会责任感。 
  关键词 高中生物学史 培养 生物核心素养 
  中图分类号 G633.91 文献标志码 B 
  高中生物新课标教材涉及生物学史十多余处。这些生物学史有的作为背景知识在新课前引入,有的作为小故事穿插于教材之中,有的直接作为课程内容要素演绎探究过程引导学生进行科学探索。新课程标准实施建议中指出:教学要高度关注生物学核心素养的达成。生物学核心素养是学生在解决真实情境中的生物学问题所表现出来的必备品格和关键能力,主要包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。而生物学史正是培养学生这些素养的有力抓手。以下通过课堂实例谈谈利用生物学史培养学生生物学核心素养在教学中的落实。 
  1 利用生物学史,展示知识发生过程,培养学生的生命观念 
  生命观念是指对观察到的生命现象及相互关系或特性进行解释后的抽象,是人们经过实证后的观点,是能够理解或解释生物学相关事件和现象的意识、观点和思想方法。学生应该在较好地理解生物学概念的基础上形成生命观念,如结构与功能、进化与适应观、稳态与平衡观、物质与能量观等;能够用生命观念认识生物的多样性和统一性,形成科学的自然观和世界观,知道探究生命活动规律,解决实际问题。 
  高中生物《必修1·分子与细胞》中有很多培养学生生命观念的生物学史。例如,“细胞学说的建立过程”展示了科学家从探究人体的奥秘初始,到显微镜的发明,虎克利用显微镜发现细胞,进而到施莱登、施旺两位科学家发表细胞学说,如此一步一步地“走进细胞”。教师除了引导学生领悟科学发现过程涉及许多科学家的辛勤工作,科学发展离不开技术的支持,科学学说的建立过程是一个不断开拓继承、修正和发展的过程之外,更重要的是让学生从本质上理解“一切动物和植物都是由细胞发育而来,细胞是生物体结构和功能的基本单位”这一核心概念。同时教师要引导学生在高中生物学习初始就形成一种朴素的生命观念:生命现象虽然是复杂的,但认识生命现象是有规律可循的;探索生命活动规律首先要探索细胞的活动规律;生物既有多样性又有统一性,细胞同样既有多样性又有统一性。 
  “生物膜的流动镶嵌模型”让学生再次经历了一个科学理论建立的全过程。这段史实除了进一步让学生体会科学研究的艰辛,科技进步对科学研究的推动作用和人类对自然界的永无止境的认识之外,结构与功能相适应的观点始终引导人们不断实践、认识、再实践、再认识,使人类一步步接近生物膜结构的真相。 
  为了让学生形成“细胞结构与功能相适应”这一概念,教师可以设置一系列环环相扣的问题引导学生: 
  (1) 人类对于膜的存在是先通过膜功能的了解还是膜结构的了解? 
  (2) 欧文顿为什么大胆提出“膜是由脂质组成的”? 
  (3) 早期科学家认为蛋白质是怎样分布在膜上? 
  (4) 罗伯特森的“蛋白质—脂质—蛋白质”这种静态的三层结构模型能否很好解释不同膜的功能不同?细胞的生长现象,变形虫的变形运动与该模型有无矛盾? 
  (5) 你认为蛋白质在膜上的分布是否应该对称?膜是否静止不动?目前有无证据? 
  最后,教师可让学生课后尝试制作生物膜的流动镶嵌模型,这样能更进一步加深学生对“结构和功能相适应”这一生命观念的理解。 
  2 利用生物学史,体验探究过程,培养学生的科学思维 
  科学思维是指尊重事实和证据,崇尚严谨和务实态度,运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的科学思维习惯和能力。学生应该在学习过程中逐渐发展科学思维,如能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等方法探讨、阐释生命现象及规律,审视或论证生物学社会议题。 
  高中生物必修二遗传部分的内容就能很好地锻炼学生的科学思维能力。教材从个体水平出发,从140多年前的孟德尔的豌豆杂交实验开始,沿着科学发展的痕迹,逐步深入到遗传的本质——基因。孟德尔运用“假说—演绎法”,发现了遗传规律;20世纪初,萨顿在孟德尔遗传学以及19世纪末在染色体的变化、体细胞与生殖细胞的分裂等方面的成果上,运用“类比推理法”提出了染色体学说,即(孟德尔所说的)遗传因子可能就在染色体上。但是,当时拿不出有效的证据证明他们的观点。直到1910年,摩尔根通过一系列果蝇的遗传学实验发现,控制果蝇眼色的基因位于性染色体上,才证明了萨顿的假说。后来,格里菲斯、赫尔希、蔡斯等科学家的科学实验证明DNA是遗传物质。1953年,沃森、克里克构建DNA结构模型,基因是有遗传效应的DNA片段等概念的提出,从分子水平揭示了基因的本质。为了使学生形成这一系列相关概念之间的逻辑链,并能运用这些概念解释相应的生命现象,对可能的结果或发展趋势做出预测或解释,在学习完第一章到第三章后,教师可要求学生罗列出遗传学发展的历史轨迹(图1)。 
  通过比较分析,不仅可以看到科学产生、发展的过程,由表及里地把握遗传的本质属性和内在规律,还为判断、推理等更高层次的理性思维活动奠定坚实基础。 
  3 利用生物学史,展示科学研究方法,培养学生的科学探究能力 
  科学探究是指能够发现现实世界中的生物学问题,针对特定的生物学现象,进行观察、提问、实验设计、方案实施及结果的交流与讨论的能力。 
  例如在“光合作用的探究历程”教学过程中,教师首先通过设置系列问题: 
  一粒种子为何可以长成参天大树? 
  树增加的重量都来源于水吗? 
  植物生长与空气是否有关? 
  植物究竟吸收和释放了什么气体? 
  光合作用的产物是什么?  光合作用的场所在哪里?…… 
  为探究学习提供支架,让学生体会人类怎样认识到光合作用原理的。在学生对“光合作用”这一核心概念有了一个整体认识后,教师还需对某些经典实验进行分析,如萨克斯实验中自变量、因变量是什么?对植物进行“饥饿处理”及“酒精脱色”是为了消除无关变量对实验结果的影响。恩格尔曼实验选择水绵、好氧性细菌的优点是什么?该实验如何设置对照?及时引导学生归纳科学探究的一般过程:发现问题—做出假设—设计实验—观察结果—分析实验—得出结论。教师要强调实验设计应遵循的原则:科学性、简单性、可行性、重复性、对照性。当学生体验了科学探究的过程,初步了解了科学方法后,教师可鼓励学生小组合作尝试实验设计,如换用生活常见植物证明叶绿体是光合作用的场所,要求学生提出可供探究的材料,制定完整的实验计划,实施计划,得出相应的结论,表达交流结果。最后,对各组的实施过程进行分析和讨论,评选最佳方案,从创设问题情境到体验探究过程,学生的科学探究能力一步步得到提升。 
  4 利用生物学史,联系生产实际,培养学生社会责任感 
  生物学科的社会责任是指基于生物学认识和能力,参与个人与社会事务的讨论,作出理性解释和判断,尝试解决生产生活中的生物学问题的担当和能力,能够关爱自己、关注社会、关爱生命、保护生态环境和建立人与人和谐相处等,结合本地资源开展科学实践,尝试解决现实生活中与生物学相关的问题,服务与回报社会,实现人的发展和社会的发展的统一,实现教育的终极目标。 
  在《必修3·稳态与环境》第四章第二节“种群数量的变化”中,有一个经典生态学实验:俄国生态学家高斯通过培养大草履虫得到种群增长的“S”型曲线。在环境条件不受破坏的情况下,一定空间中所能维持的种群最大数量会达到一个K值,即环境最大容纳量。这时,教师可以引入以下材料: 
  (1) 小龙虾学名叫克氏原螯虾,原产自北美,于上个世纪30年代传入我国,小龙虾属于杂食动物,可以在水污染严重的恶劣环境中生存下去,特点是生长速度快、适应能力强。加上“小龙虾吃动物腐烂的尸体” “小龙虾里面都是有毒物质”等传言,老百姓对小龙虾避之不及,这使得野生小龙虾开始逐渐多了起来,成为了全国最常见的淡水经济虾类,广泛分布于长江中下游各省市。 
  (2) 1993年,在江苏盱眙县,有一家“老许调料店”,其老板许建忠在卖调料过程中,研发出了独特的“十三香小龙虾”。十三香口味的小龙虾一下子打开了人们的味蕾,并逐渐火爆起来。由于国内外市场对小龙虾的火爆需求,各地滥捕泛捕,过度捕捞,导致野生资源量急剧下降。 
  (3) 2000年,潜江市的农民刘主权想到了一个办法:将小龙虾放在水稻田里饲养,根据小龙虾的生活习性,到了炎热夏季,小龙虾就要钻洞避暑。而在避暑期间,正是种水稻的季节。小龙虾繁育、收获期间,正是农闲季节。小龙虾利用稻田天然饵料生长,更加健康肥美,如此完美的错位,便是如今著名的“虾稻连作模式”。 
  (4) 据全国水产技术推广总站组织专家编写的《中国小龙虾产业发展报告(2017)》显示:我国小龙虾养殖面积和产量持续快速增长。2007年至2016年,全国小龙虾养殖产量由26.55万吨增加到85.23万吨,增长了221%;全国养殖面积超过900万亩。2016年,我国小龙虾总产量为89.91万吨(含捕捞产量),我国已成为世界最大的小龙虾生产国。 
  (5) 随着小龙虾养殖集约化水平和放养密度的提高,养殖环境恶化引起的生理胁迫,苗种起捕、分拣、装运造成的机械性损伤以及小龙虾长时间离水引发的应激反应,养殖病害风险呈上升趋势。 
  同时,教师设置如下问题让学生思考与讨论 
  (1) 画出小龙虾引入我国之后至今的数量变化曲线; 
  (2) 小龙虾作为外来物种为什么在我国会呈现如此变化? 
  (3) 我市有哪些外来物种?如何正确对待外来物种的入侵? 
  通过“小龙虾”这样一个生活热点事件的讨论,引导学生运用所学知识去分析剖解社会问题,让学生在理论与实践的结合中理解和运用知识,鼓励学生以主人翁的姿态积极参與当地环境保护活动,激发学生热爱自然、热爱生命、关心和维护地球的社会责任感。 
  课程改革表明,教学不是为了考试,而是对学生进行学科素养、思维方式、情感、关注力的综合培养。这要求教师必须以崭新的视角对待教材。高中生物学史在教材中并不是可有可无的旁枝末节。相反,学生在学习生物科学史的过程中,通过对科学之路的体验、反思、提炼和感悟,已然将科学家的精神转化为学生个体的生物学思想和生物学品质;在模拟发现、分析和解决科学问题过程中,悄然形成学生个体的生物学思维方式、生物学探究能力、生物学情感和生命意识以及社会责任意识。