我们是这样教生物教材中的科学史的 - 无锡市西漳中学

我们是这样教生物教材中的科学史的
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更新时间：2009年3月26日
无锡市西漳中学  生物组 季华 陈维 姚丽娟
背景：在科学技术不断改变我们的生活、改变我们周围世界的今天，具有科学素养是每个公民必不可少的能力。生物科学史展示了生物科学形成的历史，是宝贵的教育资源之一。生物学的每一个知识结论都是科学家通过观察、探究得出的。科学家探究知识的过程，不仅揭示了人们思考和解决生物学问题的思想历程，还呈现了科学家的科学态度、科学精神和科学世界观，正是基于这样的内涵及蕴含的教育价值，新教材增添了很多“生物科学史”方面的内容，目的是让学生沿着科学家探索生物的道路，理解科学的本质、科学的研究方法，学习科学家献身科学的精神，这对提高学生的科学素养和德性的养成具有重要意义。下面结合自己近年来在教学方面就科学史在提高学生科学素养方面的作用谈一些做法：
[案例1]:关于“胰岛素的调节作用”的教学
新课导入（在屏幕上投影）：在人类的疾病中有这样一种病，患者不管喝多少水，仍会觉得口干舌燥；不论吃多少食物，其体重都不会增加，反而会急剧下降，消瘦乏力，直至死亡。我国古代的医生曾经大胆地尝过这类病人的尿液，发现尿中有淡淡的甜味，这说明尿中含糖，因此在人类历史上这种病最早被定名为糖尿病。在过去，人们一谈及糖尿病，就胆战心惊，可是现在，人们对糖尿病就不再像以前那样忧心仲忡了，这是为什么呢？这是因为糖尿病的病因和治疗方法找到了，这一切都应该归功于加拿大的两位年轻人：班廷和白斯特。
投影：班廷和白斯特两位科学家的照片及文字介绍
班廷原来是加拿大的一位外科医生。童年时他的一位女朋友因患糖尿病而死去，使他对糖尿病有很深的感受，以后一直试图找到医治糖尿病的方法。1920年，他偶然在一本外科杂志上看到一篇文章，报导结扎胰导管可以使分泌胰液的细胞萎缩，而胰岛细胞却不受影响。这篇文章给了班廷很大启发，他在笔记本上写道：“结扎狗的胰导管，等候6到8个星期使胰腺萎缩。然后切下胰腺进行抽提。”他决心大胆尝试。当时加拿大只有多伦多大学的生理系有条件做这样的实验。于是他两次到那里，向生理系的一位教授请求允许他在那里做这个实验。但是两次都被拒之门外。一直到第三次，这位教授才勉强同意给他几只狗，允许他在暑假期间借用一间简陋的实验室工作八个星期。班廷本人缺乏化学方面的训练，这位教授为班廷配备了一位助手，即将毕业的医学院学生白斯特。教授本人就到苏格兰度假去了。1921年5月17日，29岁的班廷和22岁的拜斯特开始工作。他们一直奋战了两个多月。7月30日午夜，他们给一只患糖尿病的狗注射了5毫升从狗的胰腺里提取出来的宝贵的胰腺抽提液，奇迹出现了——这只狗过高的血糖浓度迅速下降，一项伟大的发现完成了。班廷由于这一贡献获得了诺贝尔奖金。
过渡：既然患糖尿病的狗可以用注射狗的胰岛素来治疗，患糖尿病的人可以不可以用注射人的胰岛素来治疗呢？从哪儿能得到人的胰岛素呢？（有同学回答从血液中提取，也有同学反驳，不可取，太贵了），怎么办？
科学家们想到了动物，能不能用动物的胰岛素来治疗人的糖尿病？于是一系列科学实验开始了……，到1922年，动物的胰岛素已经在临床上应用。1926年，纯化的胰岛素已经能做成结晶，但价格仍然昂贵，远远不能满足患者的需求。怎么办？科学家们又想到了人工合成。要合成，就要弄清楚胰岛素的分子结构，于是一系列科学实验又开始了……，从1945年到1955年，英国的桑格（投影照片）又经过十年不懈的努力，终于搞清楚了胰岛素的全部化学结构，这样就为胰岛素的人工合成奠定了基础。
1965年，我国科学家王应睐，带领他的助手，首次在世界上用人工的方法合成了具有全部生物活性的结晶牛胰岛素，这就解决了从动物中提取胰岛素量不足、价格贵的难题，为祖国赢得了荣誉。现在胰岛素不但能人工合成，科学家还能合成人的胰岛素基因，把它转入大肠杆菌，由它来生产人胰岛素，这就大大解决了医疗中胰岛素不足的问题，而且还降低了价格，为千千万万的糖尿病患者带来了福音。
解读：记得小时候，常有人问我们，你的理想是什么？其中之一我们会回答，想当科学家。但科学家是干什么的？怎样才能成为科学家？我们一无所知，总觉得科学家太遥远、太深奥、太神秘，高不可攀，遥不可及。通过今天的这一设计（在胰岛素的调节作用授课之前，补充胰岛素的发现史），主要是想让学生知道，科学家就在我们身边，科学家并不神秘，科学家需要的科学的方法，需要的是敏锐的观察力，需要的是持之以恒的精神，需要的是脚踏实地地工作……正如达尔文在自传中说：“我之所以能成为一个科学工作者，最重要的是：爱好科学-——不厌深思——勤勉观察和收集资料——相当的发明能力和常识。”下面就让我们向科学家学习，象科学家一样进行思考、探究，来学习胰岛素的调节作用，于是我就展开了新课的讲解。先用投影分别展示苏科版八上P50的三段资源，引导学生逐步分析，让学生体验生物学知识的形成过程，来龙去脉，从中学习科学家的思维方法。这样的教学设计，既传授了知识，又培养了学生的科学思维能力。
[案例2]：关于光合作用发现的教学
利用生物科学史的材料进行探究，是生物教学中进行探究式学习的极好契机，也是培养学生探究能力的重要手段。关于“光合作用的发现”这部分教学，教材中编排了许多经典实验，但分布的比较零散。怎样让学生了解这些实验，并从这些实验中得到启发，使学生沿着科学家探索生物世界的道路，理解科学的本质和科学研究方法，同时也使学生产生研究的兴趣和尝试做“小科学家”的愿望，继续完成后续的光合作用的相关实验探索，是本节课的重点和难点。我采用的方法就是：先把这些实验资料统筹安排在一起，让学生根据实验现象，分析可以得到什么结论，对光合作用有个初步的认识，再引导学生思考科学家设计思路的巧妙之处，学会自己设计实验进行探究式学习。
师：人和动物的各项生命活动需要依靠食物提供能量。绿色植物从哪里获取物质和能量呢？这个问题涉及到植物的光合作用。植物的光合作用是怎样进行的呢？为了寻找答案，科学家们做了很多实验，我们一齐了解一下。
投影：科学家发现光合作用过程的资料
第1则资料：
早在公元前3世纪，古希腊亚里士多德就提出土壤是构成植物组分的观点。这一观点统治西方将近2000年。这也是人们对光合作用的最早的认识。
师：请你分析一下，亚里士多德认为植物所需物质和能量从哪里来？
生：土壤中。
师：然而，事情果真如此吗？我们来看一个实验。
第2则资料：
1648年，比利时科学家海尔蒙特做了一个实验。他把一棵2.3kg的柳树种在装有90kg土壤的桶里，只给柳树浇灌雨水。5年后，柳树长大了，重量增加了76.7kg，而土壤的重量只减少了60g。由于水是加到桶内泥土中的唯一物质，海尔蒙特认为柳树生长需要的物质是水。
师：你认为海尔蒙特的实验结论完全正确吗？
生：不完全。
师：从植物生活环境的角度分析，植物生长所需物质还应考虑什么因素？
生：空气。
师：你的想法太好了。海尔蒙特的实验说明光合作用过程中有水的参与，这是生物研究上划时代的工作，他向传统的认识提出了新的挑战。但是当时他却没有考虑到空气的作用。那么是谁首先想到植物的生长与空气的作用有关呢？请看下面的实验。
第3则资料：
1771年，英国科学家普利斯特利做了一个新奇的实验：把一支点燃的蜡烛和一只小鼠分别放到密闭的玻璃罩里，不久蜡烛熄灭了，小鼠死去了；将一支点燃的蜡烛和一盆绿色植物放到密闭的玻璃罩里，植物能够长时间地活着，蜡烛也没有熄灭；把一盆绿色植物和一只小鼠同时放到密闭的玻璃罩里，植物和小鼠都能够正常地活着。
师：你能分析蜡烛熄灭、老鼠死亡以及有植物的环境中老鼠不死亡、蜡烛不熄灭的原因吗？
生：蜡烛熄灭、老鼠死亡是因为缺氧。有植物的环境中老鼠不死亡、蜡烛不熄灭是因为植物吸收了二氧化碳，释放了氧气。
师：你解释的很好。但是，当人们重复普利斯特利的实验时，有的获得成功，有的却一直失败，甚至发现植物还会更严重地污染空气，你认为学者们为什么会得到不同的结果？什么因素可能被学者们忽略了？
生：思考，猜测是光。
师：普利斯特利通过实验发现，植物可以更新空气。但是，他并不知道更新了空气中的哪种成分，也没有发现光在这个过程所起的关键作用。问题的研究进一步深化，问题更加具体化。
第4则资料：
1779年，荷兰科学家英格豪斯（Jan Ingenhousz）重复了上述实验，并进一步证实光照是这一实验成功的秘诀，即光照是植物放氧的先决条件。他还发现，光照下的绿色植物能够释放气体，这种释放气体的能力在夕阳西下时降低，日落后则完全停止。后来证明这种气体是氧气。
师：英格豪斯的实验结果说明光合作用的条件是什么？
生：光。
第5则资料：
1782年，日内瓦教师塞尼比尔（J.Senebier）发现经煮沸过的水中放入绿叶时，即使光照充足也不能收集到氧气。只有在水中通入二氧化碳后，才能看到气泡（氧气）出现。因此，他认为植物在光照下，为了产生氧气就必须有二氧化碳的存在，氧气是来自二氧化碳的。指出二氧化碳是光合作用的原料，氧气是产物。
师：植物从土壤中吸收了水，从空气中吸收了二氧化碳，在放出氧气的同时，到底产生了什么让植物重量增加的物质呢？
第6则资料：
1864年德国科学家萨克斯做了这样的实验：把绿叶放在暗处数小时，消耗叶片中部分营养物质，然后把叶片的一部分暴露在光下，另一部分遮光。经过一段时间后，用碘蒸汽处理叶片，结果遮光的部分叶片无颜色变化，而照光的一部分叶片显示深蓝色。
师：科学家们的研究结果说明光合作用的产物还有什么？
生：淀粉。
师：植物体的所有部位都能进行光合作用吗？怎样设计实验证明呢？
第7则资料：
1880年，美国科学家恩吉尔曼用水绵进行实验。恩吉尔曼先将载有水绵和好氧细菌的临时装片放在没有空气并且黑暗的环境中，一段时间后用极细光束照射水绵。在显微镜下观察发现，好氧细菌只集中在叶绿体被光束照射到的部分附近。他再将上述临时装片完全暴露在光下，好氧细菌则集中在叶绿体所有受光部位周围。实验证明：氧是叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。有力地说明氧气是光合作用的产物，叶绿体是光合作用的场所。
师：好氧细菌集中于叶绿体所有受光部位的周围，这说明了什么问题呢？
生：氧是由叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。
师：图中水绵叶绿体有什么特点？为什么选用水绵作为实验材料？
生：叶绿体呈带状，螺旋排列在细胞里。在显微镜下便于观察和分析研究，
师：为什么选用黑暗并且没有空气的环境？
生：选用黑暗并且没有空气的环境，是为了排除实验前环境中光线和氧的影响，确保实验的准确性。
师：为什么先用极细光束照射水绵，而后又让水绵完全暴露在光下？
生：同一装片先在黑暗环境中，后完全暴露在光下，确保有光与无光的对照，而其它条件完全一样。
师：1897年，在教科书中首次出现了光合作用的概念及公式。你能根据这些资料归纳出光合作用的定义和反应式吗？
生：光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成储存能量的有机物，并且释放出氧的过程。即：
光
二氧化碳+水 →   有机物+氧气
叶绿体
师：几百年来，一代又一代的科学家不断探索，终于发现了植物的光合作用。可见，科学探究不是一蹴而成的，而是一个循序渐进的过程。科学家们的实验很巧妙，今天，我们也一起通过实验来研究光合作用。
生：分小组讨论设计方案。
解读：通过对光合作用发现过程中的几个经典实验的分析、讨论，使学生认识到科学实验选材料的重要性，感受到科学发展的艰难和科学方法的重要，学生们在感叹科学家的实验设计的巧妙构思的同时，也自我激发学会科学家巧妙构思的动机，对接下来的自我设计实验有很大的帮助。引导学生学习科学发展史的同时，还能激发学生的创新意识、培养学生严谨的科学态度、提高学生的科学素质。
[案例3]:显微镜的发明与细胞的发现
细胞是构成生物体结构和功能的基本单位，它的直径只有0.000001-0.001mm，而人类肉眼能看到的极限只有0.1mm，怎样才能看到细胞呢？学生当然就想到了需要利用显微镜。这是我立马就追问：“你知道第一台显微镜是谁发明的吗？”学生们利用课外的知识各抒己见，一时间课堂炸开了锅。“是罗伯特.虎克！”“不对，是列文.虎克！”稍稍做了调整之后，我又接着说：“荷兰眼镜商汉斯?詹森在1590年发明了第一台比较正规的显微镜。那么罗伯特.虎克、列文.虎克为细胞的发现做了什么贡献？大家想了解细胞的发现过程吗？” “想！”预料之中，老师便趁热打铁，每个小组（前后四位同学）发放关于显微镜的发明过程及细胞的发现史的阅读材料，并结合课本内容进行自学。
【材料】：
最早的显微镜是由一个叫詹森的眼镜制造匠人于 1590 年前后发明的。这个显微镜是用一个凹镜和一个凸镜做成的，制作水平还很低。詹森虽然是发明显微镜的第一人，却并没有发现显微镜的真正价值。也许正是因为这个原因，詹森的发明并没有引起世人的重视。
事隔 90 多年后，显微镜又被荷兰人列文虎克研究成功了，并且开始真正地用于科学研究试验。关于列文虎克发明显微镜的过程，也是充满偶然性的。
列文虎克于 1632 年出生于荷兰的德尔夫特市，从没接受过正规的科学训练。但他是一个对新奇事物充满强烈兴趣的人。一次，他从朋友那里听说荷兰最大的城市阿姆斯特丹的眼镜店可以磨制放大镜，用放大镜可以把肉眼看不清的东西看得很清楚。他对这个神奇的放大镜充满了好奇心，但又因为价格太高而买不起。从此，他经常出入眼镜店，认真观察磨制镜片的工作，暗暗地学习着磨制镜片的技术。
功夫不负苦心人。1665 年，列文虎克终于制成了一块直径只有 0.3 厘米的小透镜，并做了一个支架，把这块小透镜镶在架上，又在透镜下边装了一块铜板，上面钻了一个小孔，使光线从这里射进而反射出所观察的东西。这样，列文虎克的第一台显微镜成功了。由于他有着磨制高倍镜片的精湛技术，他制成的显微镜的放大倍数，超过了当时世界上已有的任何显微镜。
列文虎克并没有就此止步，他继续下功夫改进显微镜，进一步提高其性能，以便更好地去观察了解神秘的微观世界。为此，他辞退了工作，专心致志地研制显微镜。几年后，他终于制出了能把物体放大 300 倍的显微镜。
1675 年的一个雨天，列文虎克从院子里舀了一杯雨水用显微镜观察。他发现水滴中有许多奇形怪状的小生物在蠕动，而且数量惊人。在一滴雨水中，这些小生物要比当时全荷兰的人数还多出许多倍。以后，列文虎克又用显微镜发现了红血球和酵母菌。这样，他就成为世界上第一个微生物世界的发现者，被吸收为英国皇家学会的会员。
显微镜的发明和列文虎克的研究工作，为生物学的发展奠定了基础。利用显微镜发现，各种传染病都是由特定的细菌引起的。这就导致了抵抗疾病的健康检查、种痘和药物研制的成功。
据说，列文虎克是一个对自己的发明守口如瓶、严守秘密的人。直到现在，显微镜学家们还弄不明白他是怎样用那种原始的工具获得那么好的效果。
阅读完材料之后，学生么个个都很兴奋，“同学们，大家通过阅读材料，都有些什么收获吗？”顿时，教室里竖起了几十只手，有的同学甚至想要从座位上跳起来，以便老师能够看到他，让他发言，而同学们的发言也是令人非常欣慰和满意的。“詹森真可惜，这么伟大的发明竟然没有引起世人的重视。”“詹森的研究虽然是伟大的，但之所以没有成功是因为他没有坚持，没有像列文虎克一样去进一步的钻研。”“我很佩服列文虎克，他遇到困难并没有放弃，他让我感受到什么叫‘功夫不负有心人’。”……一组组精彩绝伦的发言，令我感到十分的惊讶，同时也博得了其他同学的阵阵掌声。
解读：任何的研究发明都是需要一个漫长的探究历程的，细胞的发现在人类的发展史中的作用举足轻重，是一座很有意义、很有分量的里程碑。学生放了寒假之后返回学校，感受的第一节生物课就是这样的一部分内容，进一步激发学生的兴趣是很重要的，借着“细胞的发现和显微镜的发明”，对课本知识进一步补充，体现了新课程中提倡的“用教材教”，不把知识局限在课本上，这样做的确很好的激起了学生们的探究欲望，在自主的学习过程中，感受到了科学家们得到成功并不是偶然的，而是必然的，但这个过程，无不是历经了千辛万苦，甚至是倾注了整个人生，一旦你中途放弃，那么所有的努力都为零。学生们通过合作学习，不仅掌握知识，激发了学习的兴趣，彼此之间又进行了情感教育，所有的都是建立在学生自主建构的基础上，这样更容易被学生接受。
科学，作为人类的发明和思想方法，是人类文化的一个重要组成部分，理应在人类的历史中占有显著的地位。在自然科学领域中，生物学的内容极其丰富、复杂而又充满活力，在其发生和发展的各个特定时期内，都有许多科学家倾注了大量的精力，对某个重大问题进行一系列研究，他们曾经遇到各种障碍和坎坷，经历过无数的挫折和失败，但是，凭借科学家的顽强毅力、聪明智慧、不断探索和通力协作，终于取得了令人振奋的成果和成功经验，在生命科学的历史长卷中写下辉煌的一页。生命科学史正是以生物科学产生和发展的过程为轮廓，以科学发展历程中带有重大转折作用的课题及事件为主线，用翔实的资料论述科学家的创造性劳动，生动地描述他们进行科学探索的思维过程和方法，同时也对生物学发展的逻辑和社会历史背景等重大问题作出评论。对生物科学史的研究，如同生物科学研究本身一样，既充满兴趣和困难，又显示其必要性，因此说，生物科学史也是一门充满生命力的科学，是培养学生科学素养的生动教材。