例析生物學教學中逆向思維的運用策略

陶忠華

(浙江省富陽中學 杭州 311400)

生物學概念、原理的發現大多是科學家從生物學現象入手，不斷地提出問題、分析并解決問題，從而逐步建構和完善生物學概念、原理圖式。這通常是一個“執果索因”的逆向思維的過程。因此，教師需要充分利用生物學科優勢，挖掘生物學科資源，努力培養學生的逆向思維能力，這是提高學生科學素質、培養學生創新能力的重要途徑。

1 逆向思維在“提出問題”過程中的運用

1．1 科學家運用逆向思維“提出問題”的樣例 在生物學概念的形成、原理的探索過程中，科學家經常會運用逆向思維發現問題，提出問題。例如，科學家在探索基因控制蛋白質的合成過程中發現，在以DNA作為遺傳物質的生物中，轉錄是以DNA的一條鏈為模板合成了RNA。根據當時對遺傳物質的探索，將生物分為兩類：以DNA作為遺傳物質的生物和以RNA作為遺傳物質的生物。于是科學家進行了逆向思考：既然前者能以DNA為模板合成RNA，那么后者能否以RNA為模板來合成DNA呢？最終，科學家在RNA病毒——勞氏肉瘤病毒中找到了逆轉錄酶，證明了在RNA病毒中能以RNA為模板合成DNA。

1．2 生物學教學中培養學生運用逆向思維“提出問題”的策略 教師在生物學教學中，向學生呈現的不應只是科學家運用逆向思維“提出問題”的結果，更重要的是要讓學生學會如何運用逆向思維提出問題。這需要教師引導學生分析科學家是怎么運用逆向思維提出問題的。例如，在上例中，可以對科學家研究生物體內遺傳信息的傳遞方向作一小結(表1)。從表中“？”處很自然地可以提出有意義的科學問題。教師進一步引導學生歸納運用逆向思維“提出問題”的一般性過程：①尋找已有概念的對立面：如“以DNA作為遺傳物質的生物”的對立面為“以RNA作為遺傳物質的生物”；②運用列表比較、畫概念圖等方法去發現未知的問題：如通過比較發現了以DNA作為遺傳物質的生物中遺傳信息的表達過程，于是發現了“以RNA作為遺傳物質的生物中遺傳信息如何表達”的問題；③提出假設：如根據“以DNA作為遺傳物質的生物中，遺傳信息從DNA→RNA”提出“以RNA作為遺傳物質的生物中，遺傳信息從RNA→DNA”的假設；④推理論證并尋求實驗證據；⑤建構并完善認知圖式。

1．3 生物學教學中培養學生運用逆向思維“提出問題”的實例分析 學生在學習“自由組合定律”后，明確了“自由組合定律”的實質：兩對等位基因分別位于兩對同源染色體上。根據這一實質，教師可以讓學生分析這兩對等位基因的關系，并進行列表比較(表2)，可以明確已知部分——兩對等位基因互不干擾，獨立分配時的遺傳規律，未知部分——其對立面(兩對等位基因有不同程度的相互干擾時)的遺傳規律，從而提出有質量的科學問題。提出問題后，教師讓學生進行假設：如果兩對等位基因在同一對同源染色體上完全連鎖。然后進行推理論證，鞏固孟德爾的科學研究過程。同時學生也能發現：孟德爾的“自由組合定律”實際上是兩對等位基因在干擾程度為0時的特例。

表1 兩類生物體遺傳信息傳遞方向

表2 兩對等位基因的遺傳“問題提出”分析表

2 逆向思維在“問題解決”過程中的運用

2．1 科學家運用逆向思維進行“問題解決”的樣例 “DNA是主要的遺傳物質”是科學家運用逆向思維進行問題解決的經典樣例。在尋找“轉化因子”的過程中，艾弗里將S型肺炎雙球菌的DNA和蛋白質等物質分離提純進行“離體細菌轉化實驗”。針對該實驗的缺陷——物質分離提純的純度，艾弗里運用了逆向思維來解決這一問題：假如DNA不是遺傳物質，則如果將DNA分解，將不會影響R型菌的轉化。據此，他設計實驗，用DNA酶分解S型菌的DNA，結果R型菌沒有被轉化。從反面證實了DNA是遺傳物質，繞開了DNA提純的困難。同時，教材也列舉了運用正向思維來解決這一問題的實例：赫爾希等人通過“噬菌體侵染細菌的實驗”證明DNA是遺傳物質。他們利用噬菌體的結構特點直面艾弗里實驗中的DNA純度問題，但檢測所用的技術手段顯得更復雜。教材試圖通過正向思維和逆向思維對同一問題進行解決的比較，使學生能體會到：在對某一問題解決陷入困境時，可以嘗試從其反面來思考，可能會更簡單。

2．2 生物學教學中培養學生運用逆向思維進行問題解決的策略 在教學實踐中，需要教給學生運用逆向思維進行問題解決的思考范式或路徑。教師需要充分利用教材樣例，引導學生歸納運用逆向思維進行問題解決的可操作性流程，從而提高學生進行問題解決的能力。分析艾弗里的逆向思維過程，大致分成三大步驟：①假設待解決問題的對立面成立，如艾弗里待解決的問題是證明“DNA是遺傳物質”，則假設其對立面“DNA不是遺傳物質”成立；②將假設作為已知條件，進行實驗設計、推理論證。如艾弗里在假設后，進行實驗設計：用DNA酶將S型菌的DNA分解，并和R型菌混合；③分析推理結果或實驗結果，證明假設或推翻假設。艾弗里用DNA酶處理的結果是R型菌不能轉化，從而推翻假設，證明“DNA是遺傳物質”。

2．3 生物學教學中培養學生運用逆向思維進行問題解決的實例分析 歸納了逆向思維在問題解決過程中的具體策略后，教師創設具體的生物學情境，引導學生運用逆向思維進行問題解決的訓練。例如，教師可以讓學生進行如下生物學問題解決：一批經多代種植果實均為紅色的柿子椒種子被帶上太空，將遨游過太空的柿子椒種子種植后，第一年收獲的柿子椒均為紅色，用收獲的種子再種，第二年發現有數株所結柿子椒均為黃色。根據已知條件，你能否確定柿子椒果色的顯隱性？請簡要說明推斷過程(設控制果色的基因為A，a)。

解析：①提出假設：假設紅色對黃色為顯性；②將假設作為已知條件，推理論證：根據假設，則遨游過太空的柿子椒(胚)的基因型為AA(紅色)。若發生基因突變，可能結果是Aa或aa，其中aa種子種植在第一年不可能收獲紅色椒，所以突變結果只能是Aa。播種上述Aa種子，第一年收獲的柿子椒，果色表現為紅，但胚的基因型有些為aa，次年種植，aa種子長成的植株均結黃色果實。③對照生物學現象，吻合題意。同時，教師也可以讓學生進行相反的假設，即紅色對黃色為隱性，進行推理。