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摘要：以“DNA是主要的遗传物质”为例，利用科学史组织生物学课堂教学，通过开展鼓励质疑问难、倡导辩论共鸣和知识迁移应用等教学活动，充分挖掘科学史中蕴藏的科学方法，训练学生的批判性思维，以期为提升学生的生物学学科核心素养提供教学参考。
关键词：科学史教育批判性思维生物学教学
中图分类号：G633.91 文献标志码：B
如今，发展学生的学科核心素养俨然成为教育界的热点话题。学生学习学科知识、发展学科思维、提升学科核心素养的主要场所在课堂，因此如何有效落实课堂教学、实现学科的育人价值是当前一线教学中急需解决的问题。批判性思维是科学思维的重要组成部分，也是凝聚生命观念的重要途径，培养学生的批判性思维是当前生物学课堂教学的重要任务。
科学史记录着生物学科从产生、形成到发展的过程。学习科学史有助于学生理解知识的本质，体会科学家科学研究的思路及解决问题的方法，有利于培养学生的批判性思维。但在传统的课堂教学中，教师仅将科学发现或科学结论告诉学生，学生往往获得的是浅层次上的知识点，并没有习得获取知识的方法和科学史中蕴藏的科学思维，这是一种低效的课堂教学。因此，如何挖掘科学史实中的思维方法，营造创造性学习的课堂氛围是课堂教学中的着力点。下面以“DNA是主要的遗传物质”为例，简要阐述如何利用科学史组织课堂教学从而培养学生批判性思维。
1教材内容简要分析
“DNA是主要的遗传物质”一节包含了人类对遗传物质的早期认识、肺炎双球菌的转化实验、噬菌体侵染大肠杆菌以及烟草花叶病毒实验等内容，特别是肺炎双球菌的转化实验和噬菌体侵染细菌的实验，概念多、实验步骤多，是教学的重难点。此外，本节内容的教学目标是让学生总结“DNA是主要的遗传物质”的科学探索过程，了解科学实验的设计思路，探讨实验技术在证明DNA是主要的遗传物质过程中的作用。可见，教师在课堂教学过程中应充分重视科学史中蕴藏的科学方法，培养学生的理性思考和深度学习，才能完成本节的教学目标。
2基于科学史开展教学活动
2.1基于评价与分析，鼓励质疑问难
质疑是培养批判性思维能力的重要基础。教师鼓励学生质疑，对实验结论的评价和分析，有助于学生对实验流程和实验结果的再认知，也有利于学生的批判性思维的提升。
“肺炎双球菌的体内转化实验”是本节内容的第一个经典实验。学生在阅读教材相关内容的基础上，依据对照原则分析实验结果，很快就得出了相关结论，即格里菲思的推论：在第四组实验中，已经被加热杀死的S型细菌中，必然含有某种转化因子，将无毒性的R型活菌转化为有毒性的S型活菌。
此时，教师引导学生质疑：从第四组实验的过程和结果分析，一定能得到该推论吗？还有没有其他的可能呢？学生经过讨论之后，提出S型细菌还有可能是由R型活菌突变而来。教师紧接着追问：如何设计实验确定S型活菌是突变而来还是由R型活菌转化而来呢？
教师提供科学史资料1：1920年，科学界已明确地建立起来了肺炎双球菌的具体的血清学类型，将不同的菌株分开。20世纪20年代，M.Heidelberger和艾弗里证实S型菌根据其荚膜的多糖不同，可分为SI、SII、SIII等不同亚型，其中SIII的多糖荚膜最厚，致病能力最强。R型菌也分为Rl、RII、RIII等亚型，是由S型菌发生突变而来，它们又都能发生回复突变形成相应的SI、SII、SIII等亚型，并且多组实验证明R型菌和S型菌只能在同种亚型之间才可发生突变。
基于上述科学史资料，学生开展讨论交流，最终得出可行方案（图1）。该方案很好地排除了R型菌和S型菌之间相互突变的可能，从而得到S型活菌是由R型活菌转化而来的科学结论。
本教学环节中，学生基于教材进行结论质疑，并结合教师提供的科学史信息改进实验，完善实验方案，不仅增强了获取信息的能力，同时也发展与提升了批判性思维。
2.2基于过程与体验，倡导辩论共鸣
生物学是一门以实验为基础的自然科学，也是目前急需回归理科属性和科学本质的一门学科。倡导辩论，对学生进行科学教育，让学生基于实验过程理解科学实验的思路和方法，发展科学思维、提升探究能力和培养科学态度是生物学课堂教学的价值追求。
“噬菌体侵染细菌的实验”是验证DNA是遗传物质的另一个经典实验。该实验的研究背景、设计思路和科学方法都是良好的科学教育素材。由于学生无法亲历实验过程，缺乏感性认知，笔者利用多媒体播放噬菌体侵染细菌的动态模拟过程，引导学生分析赫尔希与蔡斯的实验过程，并提出问题：（1）35S标记的噬菌体侵染细菌实验中，为何结果沉淀物中有较弱的放射性？（2）32P标记的噬菌体侵染细菌實验中，为何结果上清液中也有较弱的放射性？学生小组讨论后给出原因：（1）实验过程搅拌不彻底导致部分吸附的噬菌体外壳未脱落;（2）可能是保温时间过短，某些噬菌体未及时侵染而分离至上清液;或者可能是保温时间过长，细菌已裂解而导致子代噬菌体得以释放分离至上清液。教师追问：从实验的过程分析，真的是这样的原因吗？赫尔希与蔡斯为何搅拌不彻底？保温时间没有限制吗？从而引发学生的深度学习。
教师提供科学史资料2：噬菌体学派创始人M.Delbruck测定了烈性噬菌体T2侵染细菌和子代噬菌体释放的时间间隔，绘制出T2噬菌体一步生长曲线，得出T2噬菌体侵染细菌的潜伏期为20min（即噬菌体侵染细菌至子代释放的时间）。这为赫尔希和蔡斯在实验中将噬菌体感染细菌、搅拌、离心的实验时间控制在20min之内提供了理论依据。Anderson以及Graham等相继的实验表明，噬菌体在利用其尾部吸附细菌后会释放出DNA。在这基础上，赫尔希与蔡斯用35S、32P标记的噬菌体进行实验，发现噬菌体吸附后大部分释放DNA并失活，小部分不失活，还有些失活，但不释放DNA。在离心除去未吸附的噬菌体后继续培养，赫尔希和蔡斯得到了每个细菌产生噬菌体数目的相关结果，并离心测定同位素的比例及被侵染细菌的存活曲线（图2）。 学生基于科学史信息和图2的实验结果深度思考与激烈辩论：在不搅拌的情况下就有部分噬菌体自发脱落，为了避免干扰，需要将自发脱落的噬菌体除去。进而总结出赫尔希与蔡斯的实验流程：标记→侵染→离心→保温培养→搅拌→离心→检测。侵染后离心的目的是除去未吸附的亲代噬菌体，排除其对实验结果的干扰，便于分析。而在整个实验中为了区别亲、子代噬菌体，需保证细菌细胞结构的完整性，因此搅拌力度和保温时间都需要进行相应的控制。
在学生思考与交流的基础上，教师进行点拨释疑，最后师生共同总结：（1）35S标记的噬菌体侵染细菌实验沉淀物中有较弱的放射性原因不是搅拌不彻底，而是在保证细菌细胞结构的完整性的前提下，搅拌不可能将亲代噬菌体全部剥离。（2）根据赫尔希和蔡斯的实验流程及侵染时间的控制可知，32P标记的噬菌体侵染细菌实验上清液中有较弱的放射性原因并不是未吸附的亲代噬菌体所致，也不是细菌裂解释放的子代噬菌体所致，而是吸附后自发脱落的亲代噬菌体所致。
本教学环节中，教师补充科学史素材很好地解决了学生认知的思维断层。学生基于实验过程进行深度学习，只有站在实验者的角度分析，深入思考实验各步骤的作用及操作事项，才能准确分析实验结果，校正认知偏差。基于实验过程角度分析的教学实施不仅还原生物学的理科属性，同时也让学生的批判性思维能力在体验实验过程中得到发展与提升。
2.3基于本质与变式，进行知识迁移应用
批判性思维不仅体现在怀疑和提出见解的浅层次上，更重要的是体现在质疑的基础上进行正确的判断和推理，并进行知识的迁移应用，解决新问题情境。因此，创造问题情境是评价学生批判性思维能力的重要手段。
在学习“肺炎双球菌的转化实验”和“噬菌体侵染细菌实验”的基础上，教师引导学生分析总结两个实验的共同设计思路：设法将DNA和蛋白质分开，单独地、直接地去观察DNA或蛋白质的作用。赫尔希与蔡斯的实验相比于艾弗里的实验更容易被科学界接受体现在其实验技术的先进，由此可知科学成果的取得必须有技术手段的保证，以及技术的发展需要以科学原理为基础。
此时，教师进一步提出问题：对某些病毒的化学成分鉴定得知其只含RNA和蛋白质，如何設计实验证明其遗传物质是RNA还是蛋白质呢？学生通过讨论交流之后给出可行方案（图3）。最后，师生共同总结：对细胞生物和大多数病毒而言，DNA是遗传物质;而对于某些病毒而言，RNA是其遗传物质;因此DNA是主要的遗传物质。
本教学环节中，学生基于前面科学家实验的研究思路，设计实验单独研究RNA和蛋白质的作用，推理得出RNA才是亲子代病毒稳定遗传的物质，即RNA是遗传物质。学生能基于所学知识进行解决问题、价值判断及逻辑推理，思维能力得到了很好的训练。
3讨论与分析
《普通高中生物学课程标准（2017年版）》明确指出了课程育人目标之一：学生通过生物学课程的学习，能够运用已有的生物学知识、证据和逻辑对生物学议题进行思考或展开论证。批判性思维是科学思维的重要组成部分，也是学生在未来的社会生活中分析和解决复杂的生物学问题的重要方法和手段。因此，在高中生物学教学中，教师需要开展培养学生的批判性思维能力和品质的教学活动。
本教学案例中，教师基于科学史按照“质疑发现——领悟提升——发展应用”的设计主线开展教学活动，让学生不仅获得生物学科知识，同时也认同人类认识科学、发展科学的探究历程和解释、反思科学本质的历史观念，更重要的是在螺旋式上升样态的科学认知中，发展性学习能力得到提高，批判性思维得到培养，实现了学科核心素养的有效提升。
关键词：科学史教育批判性思维生物学教学
中图分类号：G633.91 文献标志码：B
如今，发展学生的学科核心素养俨然成为教育界的热点话题。学生学习学科知识、发展学科思维、提升学科核心素养的主要场所在课堂，因此如何有效落实课堂教学、实现学科的育人价值是当前一线教学中急需解决的问题。批判性思维是科学思维的重要组成部分，也是凝聚生命观念的重要途径，培养学生的批判性思维是当前生物学课堂教学的重要任务。
科学史记录着生物学科从产生、形成到发展的过程。学习科学史有助于学生理解知识的本质，体会科学家科学研究的思路及解决问题的方法，有利于培养学生的批判性思维。但在传统的课堂教学中，教师仅将科学发现或科学结论告诉学生，学生往往获得的是浅层次上的知识点，并没有习得获取知识的方法和科学史中蕴藏的科学思维，这是一种低效的课堂教学。因此，如何挖掘科学史实中的思维方法，营造创造性学习的课堂氛围是课堂教学中的着力点。下面以“DNA是主要的遗传物质”为例，简要阐述如何利用科学史组织课堂教学从而培养学生批判性思维。
1教材内容简要分析
“DNA是主要的遗传物质”一节包含了人类对遗传物质的早期认识、肺炎双球菌的转化实验、噬菌体侵染大肠杆菌以及烟草花叶病毒实验等内容，特别是肺炎双球菌的转化实验和噬菌体侵染细菌的实验，概念多、实验步骤多，是教学的重难点。此外，本节内容的教学目标是让学生总结“DNA是主要的遗传物质”的科学探索过程，了解科学实验的设计思路，探讨实验技术在证明DNA是主要的遗传物质过程中的作用。可见，教师在课堂教学过程中应充分重视科学史中蕴藏的科学方法，培养学生的理性思考和深度学习，才能完成本节的教学目标。
2基于科学史开展教学活动
2.1基于评价与分析，鼓励质疑问难
质疑是培养批判性思维能力的重要基础。教师鼓励学生质疑，对实验结论的评价和分析，有助于学生对实验流程和实验结果的再认知，也有利于学生的批判性思维的提升。
“肺炎双球菌的体内转化实验”是本节内容的第一个经典实验。学生在阅读教材相关内容的基础上，依据对照原则分析实验结果，很快就得出了相关结论，即格里菲思的推论：在第四组实验中，已经被加热杀死的S型细菌中，必然含有某种转化因子，将无毒性的R型活菌转化为有毒性的S型活菌。
此时，教师引导学生质疑：从第四组实验的过程和结果分析，一定能得到该推论吗？还有没有其他的可能呢？学生经过讨论之后，提出S型细菌还有可能是由R型活菌突变而来。教师紧接着追问：如何设计实验确定S型活菌是突变而来还是由R型活菌转化而来呢？
教师提供科学史资料1：1920年，科学界已明确地建立起来了肺炎双球菌的具体的血清学类型，将不同的菌株分开。20世纪20年代，M.Heidelberger和艾弗里证实S型菌根据其荚膜的多糖不同，可分为SI、SII、SIII等不同亚型，其中SIII的多糖荚膜最厚，致病能力最强。R型菌也分为Rl、RII、RIII等亚型，是由S型菌发生突变而来，它们又都能发生回复突变形成相应的SI、SII、SIII等亚型，并且多组实验证明R型菌和S型菌只能在同种亚型之间才可发生突变。
基于上述科学史资料，学生开展讨论交流，最终得出可行方案（图1）。该方案很好地排除了R型菌和S型菌之间相互突变的可能，从而得到S型活菌是由R型活菌转化而来的科学结论。
本教学环节中，学生基于教材进行结论质疑，并结合教师提供的科学史信息改进实验，完善实验方案，不仅增强了获取信息的能力，同时也发展与提升了批判性思维。
2.2基于过程与体验，倡导辩论共鸣
生物学是一门以实验为基础的自然科学，也是目前急需回归理科属性和科学本质的一门学科。倡导辩论，对学生进行科学教育，让学生基于实验过程理解科学实验的思路和方法，发展科学思维、提升探究能力和培养科学态度是生物学课堂教学的价值追求。
“噬菌体侵染细菌的实验”是验证DNA是遗传物质的另一个经典实验。该实验的研究背景、设计思路和科学方法都是良好的科学教育素材。由于学生无法亲历实验过程，缺乏感性认知，笔者利用多媒体播放噬菌体侵染细菌的动态模拟过程，引导学生分析赫尔希与蔡斯的实验过程，并提出问题：（1）35S标记的噬菌体侵染细菌实验中，为何结果沉淀物中有较弱的放射性？（2）32P标记的噬菌体侵染细菌實验中，为何结果上清液中也有较弱的放射性？学生小组讨论后给出原因：（1）实验过程搅拌不彻底导致部分吸附的噬菌体外壳未脱落;（2）可能是保温时间过短，某些噬菌体未及时侵染而分离至上清液;或者可能是保温时间过长，细菌已裂解而导致子代噬菌体得以释放分离至上清液。教师追问：从实验的过程分析，真的是这样的原因吗？赫尔希与蔡斯为何搅拌不彻底？保温时间没有限制吗？从而引发学生的深度学习。
教师提供科学史资料2：噬菌体学派创始人M.Delbruck测定了烈性噬菌体T2侵染细菌和子代噬菌体释放的时间间隔，绘制出T2噬菌体一步生长曲线，得出T2噬菌体侵染细菌的潜伏期为20min（即噬菌体侵染细菌至子代释放的时间）。这为赫尔希和蔡斯在实验中将噬菌体感染细菌、搅拌、离心的实验时间控制在20min之内提供了理论依据。Anderson以及Graham等相继的实验表明，噬菌体在利用其尾部吸附细菌后会释放出DNA。在这基础上，赫尔希与蔡斯用35S、32P标记的噬菌体进行实验，发现噬菌体吸附后大部分释放DNA并失活，小部分不失活，还有些失活，但不释放DNA。在离心除去未吸附的噬菌体后继续培养，赫尔希和蔡斯得到了每个细菌产生噬菌体数目的相关结果，并离心测定同位素的比例及被侵染细菌的存活曲线（图2）。 学生基于科学史信息和图2的实验结果深度思考与激烈辩论：在不搅拌的情况下就有部分噬菌体自发脱落，为了避免干扰，需要将自发脱落的噬菌体除去。进而总结出赫尔希与蔡斯的实验流程：标记→侵染→离心→保温培养→搅拌→离心→检测。侵染后离心的目的是除去未吸附的亲代噬菌体，排除其对实验结果的干扰，便于分析。而在整个实验中为了区别亲、子代噬菌体，需保证细菌细胞结构的完整性，因此搅拌力度和保温时间都需要进行相应的控制。
在学生思考与交流的基础上，教师进行点拨释疑，最后师生共同总结：（1）35S标记的噬菌体侵染细菌实验沉淀物中有较弱的放射性原因不是搅拌不彻底，而是在保证细菌细胞结构的完整性的前提下，搅拌不可能将亲代噬菌体全部剥离。（2）根据赫尔希和蔡斯的实验流程及侵染时间的控制可知，32P标记的噬菌体侵染细菌实验上清液中有较弱的放射性原因并不是未吸附的亲代噬菌体所致，也不是细菌裂解释放的子代噬菌体所致，而是吸附后自发脱落的亲代噬菌体所致。
本教学环节中，教师补充科学史素材很好地解决了学生认知的思维断层。学生基于实验过程进行深度学习，只有站在实验者的角度分析，深入思考实验各步骤的作用及操作事项，才能准确分析实验结果，校正认知偏差。基于实验过程角度分析的教学实施不仅还原生物学的理科属性，同时也让学生的批判性思维能力在体验实验过程中得到发展与提升。
2.3基于本质与变式，进行知识迁移应用
批判性思维不仅体现在怀疑和提出见解的浅层次上，更重要的是体现在质疑的基础上进行正确的判断和推理，并进行知识的迁移应用，解决新问题情境。因此，创造问题情境是评价学生批判性思维能力的重要手段。
在学习“肺炎双球菌的转化实验”和“噬菌体侵染细菌实验”的基础上，教师引导学生分析总结两个实验的共同设计思路：设法将DNA和蛋白质分开，单独地、直接地去观察DNA或蛋白质的作用。赫尔希与蔡斯的实验相比于艾弗里的实验更容易被科学界接受体现在其实验技术的先进，由此可知科学成果的取得必须有技术手段的保证，以及技术的发展需要以科学原理为基础。
此时，教师进一步提出问题：对某些病毒的化学成分鉴定得知其只含RNA和蛋白质，如何設计实验证明其遗传物质是RNA还是蛋白质呢？学生通过讨论交流之后给出可行方案（图3）。最后，师生共同总结：对细胞生物和大多数病毒而言，DNA是遗传物质;而对于某些病毒而言，RNA是其遗传物质;因此DNA是主要的遗传物质。
本教学环节中，学生基于前面科学家实验的研究思路，设计实验单独研究RNA和蛋白质的作用，推理得出RNA才是亲子代病毒稳定遗传的物质，即RNA是遗传物质。学生能基于所学知识进行解决问题、价值判断及逻辑推理，思维能力得到了很好的训练。
3讨论与分析
《普通高中生物学课程标准（2017年版）》明确指出了课程育人目标之一：学生通过生物学课程的学习，能够运用已有的生物学知识、证据和逻辑对生物学议题进行思考或展开论证。批判性思维是科学思维的重要组成部分，也是学生在未来的社会生活中分析和解决复杂的生物学问题的重要方法和手段。因此，在高中生物学教学中，教师需要开展培养学生的批判性思维能力和品质的教学活动。
本教学案例中，教师基于科学史按照“质疑发现——领悟提升——发展应用”的设计主线开展教学活动，让学生不仅获得生物学科知识，同时也认同人类认识科学、发展科学的探究历程和解释、反思科学本质的历史观念，更重要的是在螺旋式上升样态的科学认知中，发展性学习能力得到提高，批判性思维得到培养，实现了学科核心素养的有效提升。