遗传定律HPS教学中促进学生科学精神养成的课程资源开发

闫白洋

(上海市行知中学 上海 201999)

科学精神是科学教育的核心内容之一[1]。相比科学知识和科学方法，目前，科学教育中科学精神的培养普遍缺失[2]。科学史、科学哲学和科学社会学(history， philosophy and sociology of science，简称HPS)不仅蕴含着科学知识的形成过程，还蕴含着科学家的创造性思维方式和科学方法，体现了科学态度和科学精神。因此，HPS对培养学生的科学精神有着重要的价值。要有效地实施科学精神教育，教师必须能正确把握科学精神的本质，理解科学精神演化的历史进程。本文以遗传定律的HPS教学为例，挖掘遗传定律发现历程中的科学精神，为促进学生科学精神的养成提供参考。

1 遗传定律HPS教学中的科学精神

1.1 遗传定律HPS教学中的求实和实证精神 任何科学工作，必须立足于客观依据。1854年夏天，孟德尔(Gregor Johann Mendel)从34株不同品种的豌豆中挑选了22株进行实验研究。1856年到1863年，孟德尔种植和检测了28 000棵豌豆，分析了7对性状。1865年，孟德尔关于豌豆的实验结果，在布隆自然史学会会议上得到了讨论，并发表于1866年的学术会刊上。之后，孟德尔花了5年时间，试图通过杂交山柳菊去验证遗传定律。1870年，孟德尔发表论文提到没有验证出豌豆中的遗传规律。在整个过程中，可以看出孟德尔的发现均基于客观的实验数据，并不断地去求实和验证。19世纪90年代，荷兰生物学家德佛里斯(Hugo de Vries)对具有黑白标志的罂粟进行了一系列杂交实验，观察到了3∶1比例，并在15个物种中观察到了分离定律现象。德国生物学家科伦斯(Carl Erich Correns)在玉米的杂交实验中，观察到了3∶1比例。奥地利生物学家丘谢玛克(Erich von Tschermak)利用豌豆的子叶颜色和种子性状实验，观察到了3∶1比例。1911年，摩尔根(Thomas Hunt Morgan)以果蝇为实验材料，通过白眼突变果蝇与正常红眼果蝇交配，发现了伴性遗传规律，并第一次证明了基因在染色体上。后来，摩尔根用灰身残翅果蝇与黑身长翅果蝇杂交，发现了连锁与互换定律。由此可知，遗传定律发现的过程，就是无数科学家求实和实证的过程。求实和实证精神是科学家进行科学研究的必备品质。

1.2 遗传定律HPS教学中的怀疑和批判精神 怀疑和批判精神是对已有的结论、对曾有的权威，皆应保持某种理性的存疑。在遗传定律发现过程中，充满着许多科学家的怀疑和批判，也就是这些怀疑和批判使遗传定律越来越完善。1868年，达尔文(Charles Robert Darwin)提出了遗传现象的泛生说理论，认为组成身体的细胞都能产生微粒，并由循环系统带到生殖细胞，并集合一起形成后代。在一段时间内，遗传的泛生说理论被人们所认可，但是也有很多科学家如德佛里斯、高尔顿(Francis Galton)和威斯曼(August Weismann)等，都提出了质疑并进行实验证明，其中高尔顿用白兔的血注入黑兔体内，实验证明泛生说理论是错误的。在孟德尔提出遗传定律时，也被很多科学家所怀疑和批判，甚至孟德尔自己都在怀疑和批判自己的理论。主要原因是： 当时很多自然学家在牛的肉奶产量、绵羊产毛量等多基因控制的性状实验中，没有观察到3∶1现象。在慕尼黑植物学教授耐格里(Carl Nageli)指引下，孟德尔利用山柳菊进行实验，结果以失败告终(山柳菊是孤雌生殖)。法国遗传学家丘诺特(L. Cuenot)进行了关于家鼠毛色的实验研究，结果出现了2∶1的现象(胚胎致死)。美国胚胎学家摩尔根对孟德尔遗传定律也是持着怀疑和批判的态度。在当时科学发展状况下，人们还不知道孟德尔的“遗传因子”与染色体之间关系，科学家提出的怀疑是合理，也是科学发展所需要的。

1.3 遗传定律HPS教学中的继承和创新精神 科学研究是一个长期的过程，继承和创新精神在科学研究中至关重要。德国科学家科尔罗伊特(Josef Gottlieb Koelreuter)是第一个从事植物杂交研究的科学家，并发明了植物的人工杂交技术；英国育种学家奈特(Thomas Night)观察到豌豆的性状区分明显，并且是严格的自花传粉植物。法国科学家萨叶里在从事葫芦科植物的杂交实验，发现了性状的独立分配现象。德国科学家格特纳(C.F. Gaertner)做了1万多项植物杂交实验，分析了9 000多个实验结果，发现了F2代植株同F1代植株比较时，F2植株有很大的变异性，由于他把子代作为一个整体来分析，没有统计杂交后代中的个别性状。法国科学家诺丁(C. Naudin)发现了生殖细胞形成过程中的性状分离现象，但他没有从概率的角度统计各个性状出现的频率。这些早期的研究为孟德尔的研究提供了参考，也是孟德尔成功重要原因。同样，孟德尔发现的遗传定律也为其他科学家的研究提供参考，很多科学家的实验扩展了孟德尔的工作，并证明了孟德尔定律除了在植物中适用外，在动物中也同样适用。摩尔根的果蝇实验，也是基于孟德尔学说进行的，并在此基础上证明了基因位于染色体上，以及遗传学中连锁与互换定律。

1.4 遗传定律HPS教学中的互助和协作精神 纵观历史，很多科学的发现以及完善往往都是多代科学家互助和协作共同完成的。遗传定律的发现，孟德尔提出了实验现象，但并没有完美解释。1900年德弗里斯、科伦斯和丘歇玛克三个人重现了孟德尔遗传定律现象，使世人关注了遗传定律现象。之后，贝特森(William Bateson)引入了F1代、F2代、等位基因、合子、纯合子、异合子等遗传学特有的符号。丹麦植物学家约翰森(Wihelm Ludvig Johannsen)引入了基因(gene)这一术语代表遗传因子，创造了表现型和基因型等遗传学专用名词。魏斯曼为孟德尔遗传定律提供了细胞学基础。他提出每种生物都由两种不同成分组成，即种质和体质。有丝分裂是体质细胞的分裂方式，保持染色体数目恒定。减数分裂是种质细胞的分裂方式，使染色体数目减半。受精后，精卵细胞融合又恢复成正常的染色体数目。1910年，一些生物学家发现，在配子形成和受精过程中，成对的遗传因子位于精子和卵子提供的成对的染色体上。波弗里(Theodor Boveri)证明了细胞核控制遗传，认为不同染色体具有不同的性质。萨顿(Walter Stanborough Sutton)提出成对染色体在减数分裂过程中的分离，是“孟德尔遗传规律的物理基础”。摩尔根证明了基因位于染色体上。詹森(Frans Alfons Jansses)提出了在减数分裂早期时，同源染色体相互缠绕在一起。科学家的共同协作，完善了遗传定律。由此可以看出，遗传定律绝不是某个人能够发现的，是靠着许多科学家不断地去互助协同、探索研究的。

1.5 遗传定律HPS教学中的不怕失败和执着精神 遗传定律的发现到完善经历近100年，这个过程是科学家不断失败、不断实践、不断探索的过程。孟德尔利用了8年时间进行了豌豆实验，取得了成果，并没有被人们所认可。之后，孟德尔花了5年时间，试图通过杂交山柳菊验证遗传定律，结果失败了。即使在1900年遗传定律被三个科学家同时证明，之后的10年仍然被人们不断怀疑和论证。摩尔根用了19年的时间证明了基因在染色体上，发现了基因的连锁和互换定律，发现了基因在染色体上呈线性排列等。包括遗传定律发现过程中的很多实验都是在一次次失败中研究出来的。

2 遗传定律HPS教学中科学精神的培养策略

2.1 加深教师对科学精神的理解与重视 随着教育综合改革的推进，立德树人的思想深入人心，科学精神是学生六大核心素养之一，学科教师要充分认识到科学精神的重要性。利用HPS培养学生科学精神时，教师必须对HPS中科学精神进行归纳和总结，深刻挖掘和理解HPS中的科学精神。例如遗传定律HPS的科学精神，如果教师都不清楚知道，更难促进学生科学精神的养成。而且，在教学设计时，要重点突出科学精神的教学目标。并将其与HPS结合起来，学生通过HPS的经历和体验，在潜意识中养成科学精神。

2.2 加强HPS中实验、实践教学 相比于科学知识和科学方法，科学精神是无形的，不容易实际操作。仅靠教师在课堂教学中讲授是无法真正实现科学精神养成的。因此，可以尝试进行实验、实践教学，让学生在实验、实践中体会科学精神。例如遗传定律HPS教学中，可以让学生在研究性课题中去培养小麦植株，并进行小麦植株的杂交实验，统计实验数据。在这个过程中，学生更能养成科学精神。

2.3 实施科学精神的教学行为评价 当前科学教学测评中，对科学精神的评价较少。这也是科学精神被忽视的重要原因。很多教师认为科学精神是属于精神层面的，具有意识能动性，很难客观地评价。精神的养成是一个以行为影响思维的过程[3]，为此，可以通过对学生学习过程及行为的综合测评来评价学生的科学精神。教师在课堂教学中，可以通过考查学生在平时的学习表现和精神状态评价学生的科学精神。例如，关注学生是否经常参与和独立思考，是否经常进行批判和质疑，是否表现出坚持不懈、不怕困难和挫折的品格等。