IBDP生物学教材中科学本质的特点分析和启示

何浅慧

摘要：最新修订的IBDP生物课程文件的一个重要变化是增加了科學本质的课程模块，通过对IBDP生物教材中科学本质内容的分析，发现在呈现方式方面，科学本质以显性的方式呈现，并与知识论课程整合;在内容设计方面，强调跨学科，重视科学史和科学论证。

关键词：IBDP生物教材 指南 科学本质

中图分类号：G633.91 文献标志码：B

1引言

国际文凭课程（International Baccalaureate DiDlo-ma Programme，IBDP）是为16～19岁学生提供的、为期两年的大学预科项目。在最新修订的IBDP生物学课程文件（Biology guide：first assessment 2016）（以下简称《指南》）的一个重要变化就是增加了“科学本质（Nature of science，NOS）”这一全新的课程模块，旨在鼓励教师理解科学的本质，并在2014年哈佛大学出版社（Oxford University Press）出版的的高中生物学教材（Biology Course Companion：IB Diploma Program）（以下简称IBDP生物学教材）中安排了较丰富的实例。将对IBDP教材中的科学本质内容从呈现方式和内容设计进行分析，以期为我国高中生物学教材的设计提供有益的启示。

2鲜明的呈现方式

2.1显性呈现，排版鲜明

IBDP生物指南中通过对“科学本质”这一部分的表述，对各章节均详细列出科学本质的核心概念，并将其特定的内涵与生物学内容相联系。在IBDP生物学教材中也是以独立的栏目来阐述科学本质的内容，例如，如图1所示的实验设计：酶实验中确定量测量需要重复以确保可靠性。我们对酶活性的了解是基于实验证据，为了获得有力的证据，必须精心设计这些并遵循一些基本原则：实验的结果应该是定量的而不是描述性的测量应该是准确的，这在科学上意味着对接近真实值;实验应该重复，这样可以比较重复的课来评估它们的可靠性教材中与指南中对科学的要求一一对应“寻找趋势和差异：尽管大多数生物符合细胞理论，但也有例外，研究的论理意义：涉及于细胞的研究越来越好，并提出伦理议题”（图2）。这种显性的呈现方式明确了科学本质教学的生物学科内容载体，使得科学本质不再是抽象的理论，有助于学生在概念的学习过程中增进对科学本质的认识和理解，为课堂教学开展科学本质教育提供丰富的素材。

2.2整合知识论，培养理性思维

知识论（Theory of Knowledge，TOK）是IBDP体系中的核心课程，这门课程不以教授具体的专业知识为目的，而是通过追问知识的本质来培养学生对问题的理性思维能力。在生物学教材中的旁栏中专门设置了知识论一栏（图3），它是以生物学科内容为背景来探索某一潜在的知识论问题。例如，“酶”这一节中的知识论栏目的问题——“为什么锁与钥匙模型没有被诱导契合模型完全取代？”，学生通过对这个问题的思考，更加深入地理解酶的作用原理，并对模型的提出历程有一定的了解，认识到没有哪个科学发现是轻而易举的，没有哪个模型是真正完美的，它需要不断地被完善。再如，“DNA和RNA的结构”这一节中的知识论设置了“竞争和合作在科学研究中的相对作用是什么？”，学生通过对DNA结构发现的科学史的回顾，深入地思考什么是科学探究，认识到在科学研究小组内部合作很重要，而另一方面，竞争可能会激励雄心勃勃的科学家不懈地工作。通过对知识论栏目问题的思考和回答，学生能够对生物学科有更深入的学习，有利于批判性思维和探究式学习习惯的培养，从而建立科学本质观。

3巧妙的内容设计

3.1体现跨学科，形成大概念

IBDP生物学教材中科学本质的内容强调和化学、物理、数学等学科的融合，打破学科间的界限，完整地展示科学事业的发展。例如，在“细胞的超微结构”这一部分中介绍了从光学显微镜到电子显微镜的发展历程，强调了在物理上电子显微镜的发明促进了对细胞超微结构的理解。再如，“染色体”部分介绍了放射自显影技术从用来发现特定物质在细胞和组织中的位置，到凯恩斯用此技术来确定染色体中DNA分子的长度并揭示复制叉，进一步说明了生物学的发展离不开物理和化学研究在技术上的革新。又如，在“神经元和突触”中介绍了不同专业领域的科学家之间合作致力于记忆和学习的研究，并以牛津大学的光遗传学的研究技术为例，强调生物学的发展离不开各学科的融合，离不开不同专业领域的科学家小组之间的协作……让学生理解生物学不是一门独立发展的学科，而是与其他学科相互促进，关联发展的。

3.2重视科学史，激发学生兴趣

IBDP生物学教材对科学历史和文化的科学本质教学非常重视。在内容的编排上，特别注重对科学知识形成、发展的历程进行深入的阐述，侧重于通过科学历程的体验来学习科学知识和研究方法，从中让学生挖掘蕴含的科学家的思维品质，并认识到科学的发现是要经历数代科学家不懈的工作，科学知识可能会随着科学研究的深入而发生改变。例如，“膜结构模型”这一部分从戈特（Gorter）和格伦德尔（Grendel）开始提出膜具有双层磷脂到辛格（Singer）和尼克尔森（Nieolson）提出流动镶嵌模型，呈现了膜结构模型的来龙去脉，涉及了使用模型作为现实世界的表示，以及一种理论被另一种理论取代的科学本质教学，有利于学生理解科学知识是不断修正、不断发展的，并且深刻体会到敢于质疑是科学不断发展的动力，激发了学生学习的兴趣。这种以科学史发展历程的教学潜移默化地培养了学生全面的科学思维和严谨的科学态度，促进学生树立科学本质观。

3.3强调科学论证，保证客观性

IBDP生物学指南中特别强调，为了增强科学的客观性，要重视科学研究中的数据，通过重复测量、增加样本量、避免随机误差和系统误差以及利用多种技术手段来提高数据的可靠性;理解误差、不确定性、准确性与精确性之间的差异;认识到认知的偏差产生的影响;重视大数据的应用，等等。例如，在“设计渗透实验”中就要求精确地定量测量，并且列出一系列的清单来评估设计：如果可能，结果应该是定量的;使用最合适和最优质的仪器或其他设备，测量应尽可能准确;需要重复测量;必须控制可能影响实验结果的所有因素，只允许调查中的因素发生变化，其他的因素不变。此清单可用于确保实验设计的严谨。在IBDP生物的科学本质教学中，指南要求学生完成一定量的定量实验，在实验和课题中测量数据，对自变量、因变量的选取、数据的处理、结果的误差判断都做了详细的规定。这种对证据和数据的重视，能够保证科学的真实性和客观性，进一步培养了学生的科学素养。

4启示

2002年4月我国颁布了《全民科学素养行动计划》，目标是到2049年中华人民共和国成立100周年时，全体公民都达到“人人具备科学素养”。而“什么是科学素养”“怎样提高学生的科学素养”这些问题还缺乏可操作的实验方案。吴坚在他的著作《全球教育发展新趋势》中指出：“由于对科学哲学缺乏探索而带来的对现代科学的片面认识，我国学校的科学课程与教学几乎都不涉及科学自身的局限性、科学的本质和精神，以及科学技术与社会的互动等重大问题。在大多数国人的眼里，科学即真理，因而科学是不可错的;科学知识是精确的证实知识，因而它有着至高无上的权威。这种科学观必然导致科学‘神圣的心理，成为滋生唯科学主义的心理基础，其直接结果反映在科学教育上，便是不能培养学生的怀疑精神、批判精神和创新精神。”我国的科学教育还注重基础知识和技能的传授，大量的教学内容以讲述结论和定论为主，很少讨论这些结论发展的过程，对于科学精神、科学研究能力很少涉及，对于科学素养的培养还不够重视。其实，科学不仅仅是知识体系，它也是一种探究的过程，并在不断的探究历程中形成科学研究特有的思维方式。生物科学本质上是一门自然科学，与物理、化学、地球科学有着一样的自然科学属性，它不仅是一个结论丰富的知识体系，也包括了人类认识自然世界和规律的一些特有的思维方式和探究过程。所以要培养良好的科学素养就必须对科学有一个比较全面的了解，要重视科学本质的教学。在中学生物教学过程中，教师要倡导学生合理的怀疑，“以怀疑作审视的出发点”，重视逻辑和实证，强调数据和证据对科学研究的重要性，“以实证为判别尺度，以逻辑作论辩的准绳”，理解科学的本质并形成科学的态度和价值观，培养学生的科学探究精神，让学生通过严密的逻辑推理和审慎的实验，来理解科学是客观、真实的。这样，学生才会对科学产生兴趣，才会信服科学。着眼新冠肺炎的控制提升学生生物学学科核心素养

张小明

2019年12月下旬，湖北省武汉市陆续出现不明原因肺炎病例。人们认识到这是一种能导致急性呼吸道传染病的新型冠状病毒。2020年1月31日，此次疫情被世界卫生组织（WHO）列为国际关注的突发公共卫生事件。2020年2月8日，国家卫生健康委员会决定将“新型冠状病毒感染的肺炎”暂命名为“新型冠状病毒肺炎”，简称“新冠肺炎”（novel coronaviruspneumonia，NCP）。2月11里，WHO将新型冠状病毒感染的肺炎命名为COVID-19（Corona Virus Disease2019）。2月11日晚，国际病毒分类委员会的冠状病毒研究小组（CSG）正式将新冠病毒命名为“SARS-CoV-2”。疫情初期，人们对病毒认知有局限，从地理位置上，武汉四通八达，春运大潮使武汉人流通向全国各地，疫情猝不及防地蔓延开来。我国政府及时果断采取行动应对疫情，展现了惊人的速度和果断的决策力;14亿人民联防联控，各尽其力，万众一心，攻克疫情，终于控制住疫情在我国的蔓延。目前，新冠肺炎病例己在全球多个国家发现，受到了世界的广泛重视。3月11日，WHO宣布新冠肺炎具有全球大流行的特征。这是首个冠状病毒传播引发的全球大流行。

此次疫情的抗击中，每个学生都参与其中，履行着自己的义务，保卫自己，保卫家园。生物学教师在教学中可以针对此次疫情，开展校本专题，拓展教学，培养学生的生物学学科核心素养。

1从生命观念出发，解读SARS-CoV-2

本次疫情发生突然，发展迅速。教师要引导学生从生命观念的角度，科学了解本次疫情的发生，坚信疫情最终能够被控制。尤其，教师要使学生树立人是自然的一个部分，促进学生树立人与自然和谐相处的平衡观。

1.1从结构与功能观认识病毒

冠状病毒（Coronaviridae/Coronaviruse，CoV）在自然界中广泛存在。它是一类严重危害人类及家畜家禽健康的病原微生物，目前发现的冠状病毒有十几种。从形态学上来说，冠状病毒略呈球形，因外形类似中世纪欧洲帝王的皇冠而得名。病毒进入宿主细胞后迅速增殖，对敏感细胞造成损伤乃至引发细胞裂解死亡。

SARS-CoV-2是一种冠状病毒，是一类具有囊膜、基因组为线性单股正链的RNA病毒，是自然界广泛存在的一大类病毒。临床统计数据表明，此次由新冠状病毒引发的肺炎以发热、呼吸困难、乏力为主要表现，少数有腹泻、鼻塞和咽痛等症状。重症患者多在发病后一周出现呼吸困难、低氧血症，严重者会快速发展为急性呼吸窘迫综合征、脓毒性休克等，甚至死亡。

学生已经具备对病毒结构认识的能力，教师可引导学生回顾病毒的相关内容，提出问题，促进学生思考，从而使学生理解SARS-CoV-2的特点：SARS-CoV-2的结构是什么？它如何侵入到细胞内？在细胞内，病毒遵循了那些遗传信息流？为什么会致病？新冠病毒在体外可以进行增殖嗎？

在学生思考后，教师提供资料，要求学生修正关于遗传信息流的回答：SARS-CoV-2有包膜结构，由蛋白质衣壳包裹遗传物质，遗传物质是单链RNA。病毒进入宿主细胞后，不需要经过逆转录过程，而是直接以病毒RNA为模板表达出RNA聚合酶;随后，RNA聚合酶参与合成mRNA以及病毒遗传基因组RNA的复制;mRNA参与各种蛋白质合成。接着，教师追问：为什么新冠病毒的变异快？学生从而可以知道：在新冠病毒的增殖过程中，和DNA生物不一样，RNA病毒的错误修复机制的酶活性很低，几乎是没有，所以变异很快。

教师补充：在SARS-CoV-2侵染宿主细胞过程中，作用于细胞受体血管紧张素转化酶II（ACEII），从而特异性感染人的呼吸道上皮细胞，引发的肺炎以发热、呼吸困难、乏力为主要表现。

学生从结构与功能出发，认识SARS-CoV-2，可以帮助理解疫情的发生原因与应对措施，减少不必要的恐慌，能够科学地看待问题。

1.2从进化和适应观看待新冠病毒是如何跨界传播的

1937年，科学家首次从鸡身上分离获得第一株冠状病毒，从此开启对冠状病毒微生物的研究。2020年2月，中科院联合国内相关机构和科研所收集四大洲12个国家的93个SARS-CoV-2基因组数据，根据研究，发现SARS-CoV-2可能在11月下旬就已经开始人传人。

教师提出问题：科学家为什么要寻找病毒的发源地？病毒是如何传播到人体的？从而引发学生思考科学家推测有中间宿主的原因，并明确：寻找病毒的来源以及确定中间宿主，对疫情的控制和避免再次爆发具有至关重要的意义。

教師追问：为什么SARS-CoV-2并没有使中间宿主患上严重的流行性疾病呢？教师引导学生分析，得出病毒和中间宿主共同进化：免疫力低的中间宿主在自然选择中被淘汰;毒性特别强的毒株也随中间宿主的死亡而被淘汰;存留下来的病毒与中间宿主发生了共同进化。

教师补充资料：曾有研究在2008年做过统计，当出现新的传染病时，60%是人畜共患。SARS-CoV（引起严重急性呼吸道综合症）源自中华菊头蝠，MERS-CoV（引起中东呼吸综合征）源自骆驼，HIV来自灵长类近亲黑猩猩，野生大雁身上的病毒造成甲型流感。野生动物贴近人类、爬上餐桌，身上所携带的病毒也实现了一次从畜到人的跨越。这些未知病毒可能在人群中肆虐传播，对人的免疫系统是一个巨大挑战。

学生通过这样的分析，知道了要敬畏自然，要科学地看待感染病毒后所患的COVID-19。

1.3从稳态和平衡观，理解感染了SARS-CoV-2的个体被治愈的过程

免疫系统像战士一样，时刻保护着人体不受侵犯。人体有三道免疫防线抵抗外界病原体。SARS-CoV-2借助空气传播，繁殖周期非常短，主要攻击人的肺部细胞，容易突破人的第一、二道防线，并通过大量繁殖对身体的稳态产生影响。因此，人体主要靠淋巴细胞消灭病毒。人们生活的环境非常复杂，淋巴细胞储备数以百万计不同种类的抗原受体时刻准备迎战病原体。现代免疫学理论认为，这是淋巴细胞内有关基因随机重新组合的结果。一个人的全部B淋巴细胞和T淋巴细胞的基因都是相同的，其中包括为抗原受体编码的基因。在淋巴细胞成熟的过程中，由于抗原受体编码的基因中的不同部分随机地移动（重新组合），可以造成数以百万计的重排。对于一个B细胞或一个T细胞，这种随机重排的过程中只产生一种基因，它编码出一个抗原受体，这种受体只能特异识别一种抗原。一个人会有10¹⁰以上不同抗原受体的淋巴细胞。当一种抗原入侵时，只有一种基因型的淋巴细胞受体能识别抗原的“非我”标志的特定结构，即抗原蛋白，并与之结合，这种淋巴细胞被激活后产生一个免疫学上同一的克隆（克隆就是遗传学上由一个细胞增殖来的相同的细胞群体）来对抗这种抗原。这构成了免疫学上特异性的分子和细胞基础。

教师提出问题：是不是所有的人接触SARS-CoV-2都会产生一样的反应？只要感染SARS-CoV-2就会发展成为重症或危重症患者吗？教师联系免疫的相关内容，使学生理解：在本次新冠病毒感染人体的过程中，还是需要依靠人体自身的免疫力抵抗病毒。这也是一些免疫力强的病人能自愈的原因。因此不是所有的人感染了都会患病，只有少数的人才会发展成重症或危重症患者。

教师追问：治愈后的人群还会有再感染的风险吗？学生经过分析后，明确：在一次对付一种抗原的免疫应答中并不是全部克隆出来的T淋巴细胞和B淋巴细胞都消耗干净，而是有一部分保留在血液循环中成为记忆细胞。以后一旦遇到同一抗原，这些记忆细胞便会更快更大规模地增殖，做出强有力的反应。所以被治愈的患者具备了快速消灭同种病毒的能力，并且他们的体内产生了抵抗病毒的抗体。他们的血清也成为治疗重症患者的高效物质。

只有科学了解生物学的生命现象，形成科学的自然观，才能展开对生命活动规律的探究，从而解决实际问题。只有正确地认识病毒与疫情，才能在遇到身体不适时，不发生恐慌，正确对待。

2体验我国科学家利用科学思维通过科学探究寻找控制疫情的历程

肺炎传播后，如何确认病原体侵入人体的路径？如何快速诊断疑似患者？只有运用科学的思维方法认识疫情，才能解决实际问题。教师可以引导学生简单梳理我国科学家和医护工作人员进行科学思维、找出确诊患者的历程，从而使学生明白对确诊患者进行治疗、有效切断传播路径才是减少疫情传播的重要手段。

2.1快速认清病毒

此次疫情开始后，曾有人怀疑是不是SRAS病毒。科研人员将SARS-CoV-2的序列和SARS-CoV进行比对，发现两者很相似。因为冠状病毒的S蛋白对病毒识别和入侵有着关键作用，于是科学家比对了这两种冠状病毒的S蛋白，再通过计算机建立模型，发现虽然相互作用的5个氨基酸有4个都发生了突变，但是SARS-CoV-2的S蛋白与人体的ACEII蛋白整体上依旧有相互作用的能力。这也加深了科研人员对新冠病毒感染人体机制的研究。

2.2利用病毒的特点准确找出患者

感染SARS-CoV-2后，人体早期症状类似于流感。怎样确诊？理论上，可以进行抗体检测、病毒的基因测序和核酸检测。采用抗体检测方法有不足之处，因为患者体内产生抗体需要一定的时间延迟，容易产生假阴性结果。目前，分子生物学手段上常用的方法有病毒的基因测序与核酸检测。基因测序对于技术的要求比较高，所以目前进行的确诊主要是病毒的核酸检测过程。

有不少民众认为：只要用病毒的检测试剂盒就能检测出是否被感染。事实非然，每种病毒检测试剂盒都具有专一性，对于这种新的病毒，首先需要研制针对性的核酸检测试剂盒。因此在核酸检测的前期，首先从患者细胞中提取出病毒RNA。然后依赖反转录酶将RNA反转录成cDNA，利用PCR方法进行扩增，通过机器荧光分析实时检测定量扩增的产物，最后确诊。开始使用核酸检测，得到结果一般需要5 h左右。为了加快检测速度，我国科研人员、各个医疗结构和核酸试剂盒生产企业也加快开发针对SARS-CoV-2的试剂盒。

教师可引导学生理解核酸检测的原理和方法，并促进学生思考：在实际检测中，为什么会存在假阴性？假阴性的出现是不是说明了病毒出现了变异呢？学生需要运用批判性思维，辩证看待问题，找出可能的原因。学生联系免疫学和基因工程的内容，分析后，可以知道：假阴性的出现与采样方法、采样部位、采样量、运输、实验室检测条件以及疾病发展的阶段都有关系;另外，试剂盒的灵敏度也可能是影响因素。

教师可以追问：那么，如果将诊断COVID-19的主要依据改为CT，是否可靠？这种检测试剂盒的检测效果能一劳永逸吗？学生思考后，才会明白：胸部CT的结果只能表明病人的肺部是否出現病变，而导致病变的原因并不清楚。因此核酸检测与CT各有应用价值，可以用CT检测作为辅助筛查的重要手段。但是，确诊标准仍是试剂盒检测阳性和基因测序与新冠病毒同源。由于，此次疫情爆发得突然，因此国家药监局规定所研制的核酸试剂盒仅为新型冠状病毒感染的肺炎辅助诊断及应急储备，有效期一年;如果想延续注册使用，还要提交实验室的临床数据。

2.3寻找遏制疫情发展的突破口

科学家和医护人员通过分析SARS-CoV-2，在治疗COVID-19的过程中寻找病毒的传播途径，从而提出未感染者的预防措施。我国政府迅速应对，采取了一系列措施，并号召人们减少外出，勤洗手，戴口罩，降低人与人之间的接触概率。这些举措大大遏制了病毒的肆虐传播，提高了我国控制疫情的有效性。

3树立人与自然和谐共处的社会责任感

每个学生都亲身经历这次疫情，知道了生物学关联着每个人的每一天。教师要引导学生跳出课本，厘清科学知识，基于生物学的认识，参与个人与社会事务的讨论，作出理性解释和判断，解决生产生活问题。教师要利用这次的疫情，使学生更加理解人是自然的一员，要学会和自然的和谐相处;宣传对野生动物的保护，只有保持适当的距离感，才能保证人类社会和自然环境的和谐共进，从而使学生树立造福人类的态度和价值观，形成生态意识，参与环境保护实践。在面对问题和社会言论时，教师要引导学生积极运用生物学的知识和方法，不盲从，要勤于思考，注重实践，利用科学的解释来辨别迷信和伪科学，并能主动向他人宣传正确的观念和知识，尽到普通公民的义务。

未来，人们还有可能遇到自然界的其他考验，只有不断提高学生的生物学学科核心素养，才能使学生更好地促进生态文明，迎接挑战。