普通高中《生物課程標準》指出，科學是一個發展的過程。學習生物科學史能使學生沿著科學家探索生物世界的道路，理解科學的本質和科學研究的方法，學習科學家獻身科學的精神。因此，生物科學史對培養學生的生物科學素養有著重要意義。
1 生物科學史是培養學生科學素養的生動教材
科學，作為人類的發明和思想方法，是人類文化的一個重要組成部分，理應在人類的歷史中占有顯著的地位。在自然科學領域中，生物學的內容極其豐富、復雜而又充滿活力，在其發生和發展的各個特定時期內，都有許多科學家傾注了大量的精力，對某個重大問題進行一系列研究，他們曾經遇到各種障礙和坎坷，經歷過無數的挫折和失敗，但是，憑借科學家的頑強毅力、聰明智慧、不斷探索和通力協作，終于取得了令人振奮的成果和成功經驗，在生命科學的歷史長卷中寫下輝煌的一頁。
生命科學史正是以生物科學產生和發展的過程為輪廓，以科學發展歷程中帶有重大轉折作用的課題及事件為主線，用翔實的資料論述科學家的創造性勞動，生動地描述他們進行科學探索的思維過程和方法，同時也對生物學發展的邏輯和社會歷史背景等重大問題作出評論。對生物科學史的研究，如同生物科學研究本身一樣，既充滿興趣和困難，又顯示其必要性，因此說，生物科學史也是一門充滿生命力的科學，是培養學生科學素養的生動教材。那么，生物科學史蘊含著哪些教育功能呢？我們回顧一下科學家探索遺傳奧秘的100多年的歷史，會令人興奮、感慨萬千和受到啟迪的。
眾所周知，在生命科學歷史的長河中，“生命是什么”“遺傳的奧秘是什么”，始終是人類永恒不懈探究的主題。1865年，遺傳學奠基人孟德爾（G．Mendel）通過豌豆等植物的雜交試驗，提出生物性狀的遺傳受遺傳因子控制的假說，并發現著名的孟德爾定律。但是，由于孟德爾的科學思想、研究方法及成果的超前性，使其被埋沒了35年。直至1900年，孟德爾的《植物雜交試驗》論文，才幾乎被德佛里斯（H．de Vries）、科倫斯（C．Correns）、切爾馬克（E．von Tsehermak）3位科學家同時發現，并在世界科學界引起轟動和爭論。這場爭論的開始，幾乎使盂德爾理論又面臨被扼殺的危險，其間，貝特森（W．Bateson）成為孟德爾學說的堅定捍衛者，從1900—1904年他利用各種機會宣傳孟德爾理論，利用一系列試驗數據證明孟德爾理論的普遍意義。1906年，他建議把“我們所致力研究的新學科”叫做Genetics，從此“遺傳學”宣告誕生。在遺傳學的創立過程中，他和約翰遜（W.L.Johansen）一起提出許多新概念，如基因、等位基因、純合子、雜合子、基因型、表現型等，1909年貝特森出版《孟德爾遺傳原理》一書，完成了他對孟德爾著作的重新詮釋，書中還提出遺傳病是由于缺少某種關鍵物質引起的，并把遺傳與酵素（酶）聯系起來。
那么，基因在哪里？基因是什么呢？早在 1900年前，科學家已經認識到減數分裂和受精過程中染色體行為。1902年，薩頓（W．S．Sutton）等發現，染色體動態與貝特森提出的等位別型（后來稱為等位基因）的行為完全平行，因此，提出“遺傳因子一定是位于染色體上”的假說。但是，貝特森表示“染色質顆粒無論如何復雜，能夠具有我們的遺傳因子所具有的那種能力是不可思議的”。摩爾根（T．H．Morgan）也宣稱絕不接受“沒有實驗基礎的結論”。1911年，摩爾根等人通過果蠅的雜交實驗證實，黑腹果蠅的白眼基因和殘翅基因，位于細胞的X染色體上，發現基因的連鎖遺傳規律。1913年，他的學生斯特蒂文特（A．H．Sturtevant）推出果蠅 X染色體上 6個基因的連鎖圖；1916年，他的學生布里吉斯（C．B．Bridges）用實驗證明，性連鎖基因的行為與性染色體行為完全平行，從而提出染色體遺傳學說； 1921年他的學生繆勒（H．J．Muller）發現，用 X射線照射X染色體能夠誘發基因突變。1922年初貝特森參觀了哥倫比亞大學內摩爾根領導的果蠅實驗室及布里吉斯等人的工作，使其改變對染色體遺傳學說的認識，隨后在多倫多國際遺傳學會議上宣告：“對于從未見過細胞學奇異景象的人，懷疑染色體是可以原諒的；但是對于果蠅研究者們的主要論點再不能有所懷疑了……我為升起的這顆西方的星，恭謹地奉獻我的敬意……”一位畢生為遺傳學的誕生和發展做出卓越貢獻的著名學者，在其61歲（去世前4年）時放棄堅持了20年的錯誤，展現出一代偉人的高尚品格，堪稱后輩學習的楷模。
那么，基因究竟是什么呢？1885年，魏斯曼（A．Weismann）曾經提出，生物世代之間的聯系在于遺傳性狀的傳遞，這種傳遞應是通過一個化學實體進行的。這預示著，一種遺傳物質的發現是歷史的必然。米歇爾（J．F．Miescher）首先發現核酸，但至今他是個被忘卻的學者。早在 1868年，他研究膿細胞、酵母和其他細胞化學時，在細胞核中分離出一種含磷高而含硫低的有機物，這種物質“可能在細胞發育中發揮著極為重要的作用”，被稱為核素。他用鮭魚精子研究核素時，發現一種化學組成不同于魚精蛋白的酸性物質。由于米歇爾對核素研究的某些不足，曾受到一些人的批評和攻擊。1885年，赫特維希（O．Hertwig）提出，核素可能負責受精和傳遞遺傳性狀。1895年，威爾遜（E．B．Wilson）指出，遺傳也許受到從親代傳遞到子代的一類特定化學物質的影響。19世紀末和20世紀初，科塞爾（A．Kossel）研究胸腺和酵母的核素時，發現了核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）。早在1900年，萊文（P.A.Levene）開始研究核酸化學的基本原理，先后發表700多篇論文。他提出，來源不同的各種脫氧核糖核酸，4種堿基的克分子數相等，即“四核苷酸假說”。然而，正當人們剛剛認識到核酸的化學組成時，卻誤認為如此“簡單化”的物質不能行使遺傳因子的復雜功能，從而轉向探索復雜的蛋白質與遺傳因子的關系，使基因本質的研究偏離了正確思路。1910年，德佛里斯力勸遺傳學家將精力集中在基因上，他認為“必須通過物理和化學相結合的方法，一直深入到分子或原子這樣的單位上，才能正確解釋生命世界的種種現象”。
核酸果真是與生物遺傳無關的一種“簡單化”物質嗎？20世紀30年代，哈馬斯頓（E．Hammarsten）等人的研究證明，DNA是一種高分子量的長鏈結構，分子量約為 500 000～1 000 000之間。1936年斯坦利（W.M.Stanley）發現，煙草花葉病毒結晶后仍保持其物理、化學和生物學特性不變。1941年，比德爾（G．W．Beadle）和塔特姆（E．Tatum）提出“一個基因一個酶”的假設，明確地表述出基因的作用；1944年，艾維里（O．Avery）等人繼續格里菲斯（F．Griffth）于1928年進行的肺炎雙球菌轉化的研究，通過肺炎雙球菌的體外轉化實驗證明DNA具有轉化作用。1951—1952年間，赫爾希（A．Hershey）和蔡斯（M．Chase）的噬菌體侵染細菌進行復制繁殖的實驗，證明DNA能夠進行自我復制并指導蛋白質的生物合成，1950年，查格夫（E．Chargaff）用紙層析、離子交換層析和紫外線分光光度計測量等，證實各種不同的DNA分子中4種堿基的數量不等，同種生物體不同器官的DNA分子組成是恒定的，而且腺嘌呤與胸腺嘧啶的數目相等，鳥嘌呤與胞嘧啶的數目相等，這就是所謂的“查格夫法則”。
DNA是遺傳物質的觀念終于被人們接受了，但由于它的結構仍然是個謎，尚無法解釋基因的本質及其遺傳功能。早在 1947年，劍橋大學的卡文迪計實驗室在英國醫學委員會的贊助下，建立“生物系統的分子結構單元”（分子生物學實驗室的前身），最初成員為佩魯茲（M．Perutz）和他的學生肯德魯（J.Kendrew），克里克、赫胥黎、沃森陸續加入（克里克是佩魯茲的研究生，沃森是肯德魯的博士后）。沃森和克里克都是在閱讀過薛定愕的《生命是什么》一書后，對基因產生濃厚興趣的。1947年沃森在印第安納大學當研究生時曾參加噬菌體研究小組，其博士論文中論述了噬菌體復制中X射線的效應。1949年，克里克在佩魯茲指導下用 X射線技術研究蛋白質分子的結構。1951年，25歲的沃森與大他12歲的克里克相遇，兩位性格截然相反的學者在科學研究上建立起相互鼓勵、密切合作的關系。
沃森和克里克是怎樣建構DNA分子雙螺旋結構模型的呢？顯然，“查格夫法則”對他們構思DNA分子的4種堿基之間的結構聯系有著重大啟示，另一個重要啟示則來源于 X射線衍射晶體學提供的資料。1950年，鮑林（L．pauling）發表的有關蛋白質結構的a 螺旋模型，對他們有很大的啟發，使其意識到：先從理論上推測出一種物質分子的各種結構模型，再運用X射線衍射提供的實驗數據對模型進行校正，是研究和揭示生物大分子空間結構的極其合理的方法。于是，建議佩魯茲將樓梯下的一間斗室供他們討論DNA使用。他們經常與威爾金斯（M．Wilkins）和富蘭克林（R．Franklin）溝通研究信息利用威爾金斯提供的X射線數據，富蘭克林提供的當時最好的X射線衍射B型DNA圖像，經過一系列數據分析、推測和多次建立模型，終于在1953年3月18日提出 DNA雙螺旋結構模型。DNA雙螺旋結構模型的關鍵特征，在于內部的特異性堿基遵循互補配對原則，而且互補堿基對的排列順序可以改變。這樣，DNA不僅能夠自我復制，而且具有特異性及其多樣性，從而使科學家信服基因的化學本質是DNA。
在提出 DNA雙螺旋結構模型之前，受其他科學家研究工作的啟發，沃森曾經作出一個預測：“DNA→RNA→蛋白質”，并把這個公式貼在辦公室的墻壁上。提出DNA雙螺旋結構模型之后，沃森和克里克先后發表論文闡述DNA“半保留復制”的設想。此后，科恩伯格（A．Kornberg）、梅塞爾森（M．S．Meselson）和斯塔爾（F．W．Stahl）等科學家揭示出DNA半保留復制的機制。1958年克里克發表《論蛋白質的合成》的論文，提出了著名的“連接物假說”，討論了核酸中堿基序列與蛋白質中氨基酸序列之間的對應關系，并詳盡地闡述了“中心法則”。此后，梯明（H．Temin）、德爾貝克（R.Dulbecco）和巴爾蒂莫（D．Baltimove）等發現逆轉錄酶和RNA病毒復制，為此，克里克于 1970年提出了更為完善的中心法則圖解。至此，遺傳物質及其作用原理告一段落。
總之，遺傳學誕生至今有 100年的歷史。如果以10年為一個歷史階段，第1個10年科學家主要是探索基因與性狀之間的關系；第2個10年則揭示了基同與染色體的關系；但是，從1910—1930年間對基因本質的研究曾經偏離了正確思路。此后的20年，科學家逐漸認識到基因與DNA的關系，為揭開遺傳奧秘奠定了基礎。50年前，沃森和克里克提出DNA分子雙螺旋結構模型，是人類探索生命奧秘歷史的必然，它宣告人類對遺傳物質及其作用原理的研究邁出了具有里程碑意義的一步，這個發現的重要意義在于扣開了遺傳奧秘的大門，改變了整個生物學研究的模式，加速了生命科學發展歷史的進程。50年后，人類基因組DNA序列測定的完成，則是生命科學跨人基因組學或后基因組時代的新里程碑。這半個世紀中基因科學的迅速發展，足以使人們欣賞和感悟到DNA雙螺旋結構是生命科學中的一朵奇葩，是20世紀生物學的最偉大的成就之一。
綜觀遺傳物質及其作用原理的發現史，使我們認識到科學發現是不能計劃或憑空設想的，而是在良好的研究環境和氛圍中，通過許多科學家的創造性思維和腳踏實地的努力取得的。在生物科學史中，不僅記載著生命科學知識的形成過程，而且蘊含著科學家的創造性思維方式和靈活多樣的科學方法，體現著科學家尊重事實、服從真理和實事求是的科學態度，以及勇于創新、善于合作和無私奉獻的科學精神。因此，在高中生物學教學中注重科學史的學習，必將對培養學生的生物科學素養產生深遠的影響。
2 將生命科學史的學習融入生物學教學
盡管生物科學史對培養學生的科學素養有著重要的啟示作用，由于諸多因素的限制，不可能以科學史為主線編寫教材。這就要求教師在教學中針對具體的課題內容及教學目標，從學生的認知水平出發，適當地選取或處理相關的史料，將其作為教學內容的一個組成部分，融入單元課題的教學之中，引導學生從有關科學史的學習中接受教育和啟發。
普通高中《生物課程標準》中建議安排的學習史料有兩類：一類是必修或選修課本中的以課文形式呈現的史料，如“分析細胞學說建立的過程”、“說明光合作用及對它的認識過程”、“總結人類對遺傳物質的探索過程”、“概述植物生長素的發現和作用”、“簡述基因工程的誕生”等；另一類是建議學生自行搜集的相關史料，如“搜集DNA分子結構模型建立過程的資料”、“搜集生物進化理論發展的資料”和“搜集有關干細胞研究進展的資料”等。除此之外，有些專題內容還涉及到科學家進行探索的經典實驗及資料，如細胞膜的亞顯微結構及特性，配子在有性生殖中的作用，孟德爾定律的發現，核酸是遺傳物質的實驗分析，艾滋病和非典型肺炎等傳染病的發生及防治，生態系統的能量流動等。
標準中建議安排的課文性史料，各自蘊含著多種教育功能，教學中要充分發揮它們的作用。例如，在《標準》的“分子與細胞”模塊中指出，學習細胞的發現、細胞學說的建立和發展等內容，有助于學生對科學過程和本質的理解。顯然，該模塊建議安排的“分析細胞學說建立的過程”史料包括：細胞的發現簡史和細胞學說創立的簡史，其中，主要涉及到虎克（H．Robert）、列文虎克（A．Leeuwenhoek）、施萊登（M．J．Sehleide）、施旺（T．Schwann）和微耳和（R．L．C．Virchow）等科學家的貢獻。虎克是第1位用顯微鏡觀察和描述細胞結構的學者，他不但將觀察到的軟木中每個中空的“小室”稱為細胞（cell），而且描述了植物活細胞中的物質。虎克在生物學領域的研究成果帶有傳奇性，也對科學家有一定的啟發，在細胞概念的教學中以虎克事跡導入教學過程，顯然容易激發學生的學習興趣。列文虎克是自學成材的楷模，他充滿活力的一生及其研究成果令人欽佩和贊賞，頌揚他的事跡使學生學習科學家的不斷進取精神。施萊登和施旺是細胞學說的首創者，細胞學說不僅初步闡明細胞的概念，而且開創了細胞研究的新時代和促進生物學的發展。通過這部分史料的學習，有助于學生認識科學理論的形成是科學發展的必然，又對科學發展的進程產生重大的影響。微耳和是19世紀的一位多才多藝的學者，文化界和社會活動的杰出人物，他創立了細胞病理學并提出“細胞來自于細胞”的觀點，從而修正和完善了細胞學說。微耳和的事跡有助于學生領悟科學家的博學、嚴謹和為科學而獻身的精神。
科學史有助于學生理解科學知識，但要根據單元教學目標的要求，對相關史料進行適當整理，突出其主題和關鍵事件。例如，古希臘學者亞里士多德提出，土壤是構成植物體的原材料。1642年赫爾孟德（J．vanHelmont）栽培的柳苗試驗推翻了亞里士多德的觀點，至今科學家對光合作用的研究已有360多年的歷史。初中階段的教學在于形成光合作用的概念，以揭示柳苗生長之謎為線索，通過實驗引導學生探索光合作用的原料。產物和條件，實際上是重復普利斯特利（Joseph Priestley）、英格豪斯（Jan Ingenhousz）、謝尼伯（Jean Senebier）和薩克斯（Julius Sachs）等科學家的研究過程的方法。高中階段的教學在于闡明光合作用是一個氧化還原過程可分為光反應和暗反應兩個階段。因此，將瓦伯格（O．Wanbung）、盧賓（S．Ruben）、卡門（M．Kamen）、卡爾文（M．Calvin）、阿爾農（D．Amon）和派克（Pank）等科學家的研究史料整合到相應的教學內容中，不僅有助于學生認識光合作用的實質，而且有助于他們體會科學家的思維過程。
科學史有助于學生形成科學觀念，但要尊重科學發展歷史的事實，應引導學生對相關史料進行科學而客觀的評價。例如，前面概述的人類對遺傳奧秘的研究經歷了100多年，在每個歷史發展階段中都有起到關鍵作用的核心人物，如貝特森、摩爾根、萊文等都曾經犯過科學錯誤，甚至他們的過失成為科學研究的阻力，但不能抵消他們做出的杰出貢獻，尤其是貝特森晚年的行為風范令人垂淚。對生物科學發展過程中的重大事件和關鍵人物進行客觀的評價，這就是歷史的辯證法。大家知道在遺傳學發展史上，孟德爾被尊稱為遺傳學奠基人，但早在1759—1790年間，科爾羅伊德（J．G．Koelreuter）曾用138種植物進行了500多種雜交實驗，他被后人稱為“植物雜交試驗之父”，孟德爾借鑒科爾羅伊德的成功經驗進行豌豆雜交試驗；1854年，諾丹（C．Naudin）進行的植物雜交試驗成果已經接近于分離規律的邊緣，諾丹在遺傳學史上享有孟德爾先驅者的盛譽。同樣，沃森和克里克的DNA分子雙螺旋結構模型被視為具有劃時代意義的里程碑，然而，查格夫、鮑林、威爾金斯和富蘭克林等人的研究成果，成為DNA分子雙螺旋結構模型應運而生的基石。將重大的科學研究成果既看作是歷史發展的必然，又充分肯定關鍵人物的天才和創造，這就是歷史唯物主義。
《標準》指出，探究性學習是重要的學習方式，但不應成為唯一的方式。科學探究包括一系列的活動，如發現問題和提出問題、作出假設、邏輯推斷、檢驗假設、分析結論、交流評價等。許多生物科學史料，是對學生進行科學方法訓練的好素材。例如，孟德爾是通過分析一對相對性狀的雜交試驗結果，發現并提出兩個問題：一是F1為什么全部為顯性？二是F2為什么出現一定比例的性狀分離？正是為了解決這些問題，他借鑒物理學的分子和原子論，作出顆粒性遺傳因子控制相對性狀的假設；進而推測 F1（Dd）的對等性因子之間有顯性關系，形成配子時D與d的分離導致雜種自交后代發生性狀分離現象；然后運用測交等方法檢驗假設的合理性，從而得出分離定律。但是，用科學史對學生的科學方法訓練，要防止將科學探索的過程固定化，應以活潑多樣的學習形式誘發學生的創造性思維。例如，孟德爾分離定律的發現過程以教師簡述為主，而自由組合定律則應以學生討論為主，特別是孟德爾應用正交和反交兩組測交試驗結果來檢驗假設的合理性，對學生的思維訓練具有重要作用。此外，《標準》中列舉的植物生長素的發現史，教師利用現代化教學手段，引導學生沿著科學家的思維方式探索生長素基本理論的形成過程，不僅促使學生深刻領會生長素理論的論點，而且使學生在親身體驗科學探索的過程中接受科學方法的訓練。也有的教師將植物生長素的發現史料，作為組織學生開展研究性學習的資料，促使學生在爭取探究實驗取得成功的活動中，培養他們持之以恒和堅韌不撥的科學品質。
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