高考复习：核心素养视域下高中生物学科学史教学

核心素养视域下高中生物学科学史教学科学教育界通常把科学史(History)、科学哲学(Philosophy)和科学教学(Scienceteaching)合并简称为HPS，并广泛认为HPS具有帮助学生提升批判性思维技能、准确理解学科内容和科学本质等多方面的突出教育价值。在新课标、新教材的背景下，教师如能对教材中科学史的教学价值、教学理念、教学内容和教学策略等有新认识与新应用，将有助于更好地实现落实立德树人根本任务、发展学生核心素养的目标。一、教材中科学史内容的编排特点在2017年版普通高中课程标准的指引下，各版本高中生物学教材都非常重视安排相关科学史教学的内容。本文以2019年人民教育出版社出版的普通高中生物学教材（以下简称“教材”）为例，对教材中相关科学史内容的安排做了调研，发现教材中科学史教学内容的编排具有以下三个鲜明特点。一是数量众多、形式多样。教材中共有涉及科学史的内容58处，包括教材正文，文后的“问题探讨”“思考与讨论”等课堂学习任务，以及“科学家的故事”“科学·技术·社会”“生物科技进展”“生物科学史话”“资料卡”等补充阅读材料。科学史内容约占全套教材篇幅的1/3，充分体现了教材编写者凸显科学发展史主线、开拓学生视野、激发学生学习兴趣的编写意图。二是学科育人、价值丰富。教材中涉及科学史教学的每一个素材都不同程度地体现了发展学生核心素养和全面育人的功能。学生可以通过学习不同类型的科学史素材，了解科学家做研究的思路和方法，感悟科学精神，理解科学的本质，关注科学技术与社会的关系，形成正确的科学态度。三是展现成果、坚定自信。与过去的教材相比，新的教材中反映我国现当代科学家和前沿科技成就的内容明显增多，这些内容有利于学生了解我国科技快速发展的情况及成就，厚植家国情怀，坚定“四个自信”。二、核心素养视域下科学史教学的新视角要更好地用好教材，充分发挥教材中科学史内容的教育价值，教师在备课和教学过程中需要具备以下三个新视角。（一）价值视角：聚焦核心素养理解科学的历史和本质，有助于科学精神的培育、科学思维习惯的养成，提高科学素养。基于此，教材进一步调整、优化科学史的内容，补充、更新了反映当前生命科学和生物学前沿领域重大进展的内容。课程标准中明确了核心素养是学生知识、能力、情感态度与价值观的综合体现，教师在开展科学史教学前，应聚焦课程标准中的核心素养要求，基于学生思维发展的特点，关联单元中相关知识与技能的学习，将科学史教育目标有机融入单元教学目标，引导学生通过生物学学科的学习，形成正确的生命观念，提升科学思维与科学探究能力，强化社会责任感和担当精神，真正具备解决生产生活问题的本领。在开展科学史教学时，教师应完成三个转变：一是由过去注重用科学史实作为事实去支撑概念理解向进一步引导学生螺旋建构“次位概念→重要概念→大概念”知识体系的转变，注重发展学生的生命观念素养；二是改变陈旧的“教学即传递”的观念，由侧重对科学实验的器材、方法、结果和结论的机械记忆向创设情境引导学生提出问题、作出假设、设计实验、分析结果、得出结论转变，以此帮助学生体验科学过程、感悟科学方法、理解科学本质，发展学生的科学思维和科学探究素养，培养学生的创新精神；三是由忽视科学史背后人文精神的挖掘向重视组织开展对科学家的科学态度、科学精神的讨论交流转变，以此帮助学生形成正确的价值观和社会责任感，影响学生的精神世界。（二）理念视角：促进深度学习深度学习是指在教师引领下，学生围绕着具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程。科学史教学不仅兼具学科性、科学性，还具有鲜明的故事性和思想性。深度学习理念可作为优化教学的新视角运用于科学史教学中，从而更好地体现科学史独特的育人价值。深度学习强调学生的自主参与、过程体验和教学生成，教师在教学中应注重对教材中的科学史内容进行恰当的优化、活化和深化，使抽象的教学内容变得生动、具体，在适切的氛围中完善学生对科学史实背后的实验动机、实验思路和实验结果等问题的认识与思考，引导学生发现知识与现实生活之间的联系，并尝试在自身经验和科学史实两者之间建立链接，体验人类科学知识的创生过程。在深度学习理念指导下，学生在完成科学史学习任务的过程中可以建构知识框架、发展高阶思维，提升想象力和创新能力，塑造良好的精神品质。（三）技术视角：营造画面感课堂的画面感是指学生在学习过程中基于知识理解产生的丰富想象和生动表征的一种学习状态，是学生理解新知识、加工新知识并获得知识意义的学习过程。同一主题下的科学史内容存在前后衔接、螺旋上升的逻辑关系，具有较好的系统性。但教材因篇幅所限，往往只能选取部分主要史实资料，导致教材中的科学史内容较难实现横向、纵向的贯通；科学史内容多数是以陈述性语言介绍科学家的个人情况、实验结果和实验结论，对教师活化教材中的科学史内容，做到“用教材教”提出了较大的挑战。还有些教师把科学史内容的教学目标主要落在要求学生记忆相关的时间、人物、事件及影响上，学生的学习仅停留在表层。要想让科学史教学的课堂生动起来，教师可通过补充科学家相关的图片和视频等素材，用讲故事的手法介绍史实资料，营造经验与知识互通、情感与理智交融的课堂画面，引导学生分析科学家的研究方法，挖掘其中所蕴含的科学精神和科学态度，激发师生心灵碰撞，共同感悟如何正确看待人生得失、挫折与名利。一幅幅学习过程与成长意义相关联的生动图景，让学生透过科学史的生动性和故事性，自主发现其中的科学性和思想性，因读科学史而明智。三、核心素养视域下科学史教学的新策略（一）基于专家型学习的知识框架建构专家型学习就是像专家一样应对新问题、处理新任务的学习过程，“就新知识本身的组织来形成新结构的学习过程”是其主要特征，“预先确立思维发展目标，然后采用某种方法，促使新手像专家一样思考的特征塑造”是进行专家型学习的有效方法。高中学生已具备一定的知识基础和生活经验，具有活跃的思维意识，这为在科学史教学中开展专家型学习提供了充分的条件。以“光合作用暗反应”这一教学内容为例。教材陈述了卡尔文发现暗反应时实验的方法及结果，教学时，部分教师将反应的场所、过程、条件、物质变化和能量变化、与光反应的联系等作为教学重点，只强调知识内容的记忆，这与核心素养的培育要求有较大的距离。为真正实现学生核心素养的培育，可引入专家型学习策略，利用科学史教学建构暗反应的知识框架。【课例1】卡尔文发现暗反应的过程教师逐步呈现以下资料：卡尔文和同事利用带有标记的和小球藻等材料，通过控制光照和反应时间，采用纸层析法分离光合产物等方法，推测暗反应的生化过程。项目自1945年起用了近十年时间，参与人数达300多人，消耗了5吨滤纸。结果发现：①光照处理时长不同，结果不一样。光照处理30秒，检测到带标记的化合物有很多种；光照处理5秒，检测到带标记的化合物主要是和；把光照处理时间缩短至几分之一秒，检测到90％的放射性出现在一种中。②卡尔文开始时猜测起始受体是，但一直找不到，后来发现参与循环。③卡尔文不断改变条件继续实验：当光照强度和供应皆适宜，发现和浓度很快饱和并保持稳定；光照正常但停止供应，的浓度急速降低，而的浓度急速升高；供应正常但停止光照，的浓度急速升高，而的浓度急速降低。请学生阅读资料后，教师引导学生思考：（1）卡尔文应用同位素标记法研究暗反应过程，怎么检测产物？这种方法有何优点？（2）资料②中，为什么卡尔文最开始猜想的起始受体是？（3）先尝试写出固定的反应式，再尝试建构暗反应的概念模型。（4）科学精神、科学态度是宝贵的精神财富，通过学习以上科学史实，你有何感悟？本课例中，学生以整合的、情境化的、有逻辑的科学史资料为学习载体，基于生物学史实和证据进行分析和推理，最终获得新知识，把科学史中分散的知识点关联整合成纵横交错的立体知识网——暗反应概念模型，为知识的融会贯通打下扎实基础。（二）基于高阶思维的关键能力培养高阶思维能力是指发生在较高认知水平层次上的心智活动或认知能力，它在教学目标分类中表现为分析、综合、评价和创造，它是一种认识问题、分析问题和解决问题的能力。以“孟德尔一对相对性状的杂交实验”这一教学内容为例。有的教师习惯于将教学重点放在解题应用上，导致学生的学习停留在遗传规律的表层理解和机械记忆上，未能领悟孟德尔的实验过程，难以深入理解体会“假说—演绎法”这一经典科学思维方法的奥妙。为真正实现培养学生高阶思维的目标，教师可设计四种类型的高质量问题：一是预测性问题，如“你估计会得到什么样的实验结果？”；二是原理性问题，如“你预测的理论证据是什么？”；三是结果性问题，如“对于这一实验结果，你认为可能原因是什么？”；四是方向性问题，如“如果研究要继续开展，你的思路在哪里？”

【课例2】孟德尔一对相对性状的杂交实验教师逐一呈现问题串，引导学生思考、分析与表达：①孟德尔为什么想做杂交实验？②杂交实验在选材上要注意什么？③杂交实验要怎么操作？④高茎豌豆与矮茎豌豆杂交，你预期结果如何？你是基于什么理论作以上预期的？⑤子一代全为高茎豌豆，与原来的预测是否相符？要将实验进行下去，有哪些思路？⑥高茎豌豆与矮茎豌豆反交，子一代仍全为高茎豌豆，实验如何推进？⑦子一代自交，出现787∶277的结果，与预期有什么不同？⑧出现以上结果后，你如何继续研究？⑨如何从7对性状实验结果中发现规律？⑩怎么解释子二代的表现型比例为3∶1？怎么验证以上解释是否正确？如何总结现象，形成定律？本课例中，学生沿着孟德尔实验设计思路，借助任务驱动和问题导向，在鲜活而有温度的活动和理智与情感共在的情境中体验、感知和思考，尝试提出结论，分享自己的观点，评价他人观点，从而提升演绎推理能力、批判性思维能力、辩证思维能力和表达能力，促进学习从被动走向主动，养成“怀疑是审视的出发点，实证是判断的尺度，逻辑是思维的武器”的思维品质，实现科学思维素养的发展。（三）基于身份代入，“像科学家一样思考”

在知识本位和应试教育的观念下，知识仅作为“展品”展现在学生面前，教学也只能是“颈部以上”冷冰冰的理智活动，与新课标倡导的“全身心积极参与”教学理念出现了背离。因此，教师需充分利用科学史本身具有丰富文化敏感性和文化包容性的特点，引导学生用身份代入的方法去学习科学史，以全身心投入的状态，用科学家视角去感悟科学家的思路和方法，生动理解科学实验的原则要求与其中蕴含的科学本质，沉浸体验科学家的痛苦或欣喜，汲取科学史促进人的能力、精神和思想发展的力量。以“胰岛素发现历史”教学为例。【课例3】重走“胰岛素发现历史”

教师逐一呈现以下资料，引导学生思考与交流：①糖尿病是一种古老的疾病，在19世纪之前一直找不到有效的治疗方法；②第一次世界大战前后，已有实验室初步证明胰腺的粗提取物能够降低血糖，但未能分离提纯出相关物质；③1920年10月，班廷从一篇刚发表的学术论文中获知：外科手术结扎胰腺导管，分泌消化酶的腺泡细胞会慢慢萎缩死亡，而调节血糖的胰岛细胞却安然无恙。你将如何设计实验证明胰腺提取液有降低血糖的作用？④班廷向麦克莱德教授寻找合作和借用实验室，但开始被拒绝。如果是你，你会怎么办？⑤麦克莱德经不起班廷长时间的软磨硬泡，答应借出实验室并指派学生贝斯特当助手。实验过程中，结果与预期严重脱节，班廷变卖家产继续投入实验，直到实验到第92号模型狗，实验才见效。从中你得到了哪些启发？⑥麦克莱德自己也不擅长蛋白质的提纯，你有什么办法吗？⑦实验过程如何优化（获取实验所需的胰腺、使胰蛋白酶失活、更简捷地验证提取液降血糖作用）？⑧班廷和贝斯特甚至尝试给自己注射粗提液以观察人体的反应，从中，你有何感悟？⑨1922年5月，麦克莱德代表研究团队发布实验报告。第二年，瑞典皇家科学院授予班廷和麦克莱德诺贝尔生理及医学奖，参与者贝斯特、克里普却榜上无名。如果是你，你会怎样处理诺贝尔奖奖金？⑩班廷四人以每人1元的象征性价格，将胰岛素专利转让给多伦多大学。对此，你得到了什么样的启发？在这一课例中，学生通过身份代入，设身处地地体验科学家的探究与思考过程，与科学家进行跨时空的对话，尝试像科学家一样思考问题，产生思维碰撞、情感共鸣和观念交融，既感受到了科学发现的乐趣，又体会到了科学研究的艰辛。这种学习方式既有利于学生养成正确的科学态度、科学精神和金钱观，又有利于促进学生知识、能力、情感、思想与价值的深度整合，帮助学生形成正确的价值观和必备品格。总之，身份代入教学手法能使学生在学习过程中从离身走向具身、从被动走向主动、从知识的储存走向知识的创生。（四）基于客观温情的理性把握要充分发挥好科学史教育对学生情感态度价值观，特别是社会责任素养培育的作用，教师在教学过程中需要把握好三个平衡。第一，评价有温度。“怀疑与批判”本是科学文化中重要的品质之一，但在教学中，教师需要具备准确的时空观念和正确的价值导向，否则就有可能脱离特定的历史条件和时代局限性，对科学家及其研究做出失之偏颇的评价，如“沃泰默是个偏执不敢质疑而错失成功机会的人”“拉马克提出的进化论是错误的”等。这些狭隘的观点往往会对认识科学家开创性实验的真正价值造成偏差，有悖于培育学生创造性思维品质的初衷。教师应引导学生认识到科学的开放性，深刻认同“科学技术的发展是一个不断探索、不断失败、不断突破、不断前进的过程”理念。总之，评述科学史时我们既要培育学生客观理性的科学态度，又要强调“温情与敬意”的科学情感。第二，爱国需理性。虽然新版教材反映我国科学家和科技成就的史实资料较旧版教材明显增