基于科學(xué)思維培養(yǎng)的高中生物學(xué)教學(xué)例析

韓益鈞

摘要 闡述教師在理解科學(xué)思維內(nèi)涵價值基礎(chǔ)上，確定科學(xué)思維的教學(xué)目標(biāo)，依托教材整合拓展教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的實證研究能力、邏輯思維能力、批判性思維能力和與創(chuàng)造性思維能力，提升學(xué)生核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 科學(xué)思維 核心素養(yǎng) 關(guān)鍵能力 教學(xué)目標(biāo) 整合拓展

中圖分類號 G633.91 文獻標(biāo)志碼 B

科學(xué)思維是高中生物學(xué)核心素養(yǎng)的重要組成部分，是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)與前提。生物學(xué)教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生用生物科學(xué)的眼光去觀察了解現(xiàn)實世界，用生物科學(xué)的思維去分析探究現(xiàn)實世界。教師在教學(xué)中應(yīng)整合拓展素材，引導(dǎo)學(xué)生觀察思考、分析推理與實驗實踐，促進認(rèn)知結(jié)構(gòu)的同化和順應(yīng)，提高學(xué)生科學(xué)思維水平，提升學(xué)生關(guān)鍵能力，發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 理解科學(xué)思維內(nèi)涵價值

科學(xué)思維是指尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實的求知態(tài)度，運用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物、解決問題的思維習(xí)慣和能力。科學(xué)思維、生命觀念、科學(xué)探究和社會責(zé)任共同構(gòu)成生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，科學(xué)思維與其他三者之間的關(guān)系如圖1所示。提升學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)首先要培養(yǎng)科學(xué)思維。教師要引導(dǎo)學(xué)生運用科學(xué)思維嘗試科學(xué)探究，同時在探究過程中不斷提升學(xué)生的科學(xué)思維水平，使學(xué)生在師生與生生互動中建構(gòu)知識體系，進而形成生命觀念，強化社會責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。因此，提升科學(xué)思維水平是發(fā)展學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的關(guān)鍵。

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版》）（以下簡稱課標(biāo)）明確指出，核心素養(yǎng)是學(xué)生通過生物學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價值觀念、必備品格與關(guān)鍵能力，實證研究能力、邏輯思維能力、批判性思維能力、創(chuàng)造性思維能力等既是生物學(xué)等自然科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是學(xué)生未來從事生物科學(xué)研究、更好適應(yīng)未來社會發(fā)展變化的關(guān)鍵能力。科學(xué)思維的發(fā)展是關(guān)鍵能力提升的基礎(chǔ)，課標(biāo)以舉例的方式列出了科學(xué)思維包含的主要內(nèi)容，厘清了科學(xué)思維的內(nèi)涵，明晰了科學(xué)思維的教學(xué)目標(biāo)。表1所示為基于關(guān)鍵能力的科學(xué)思維舉例與歸類。但是，滿足學(xué)生發(fā)展所需的關(guān)鍵能力并不止于此，表中所示為與科學(xué)思維相對應(yīng)的關(guān)鍵能力。

2 確定科學(xué)思維教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)是教學(xué)的出發(fā)點和歸屬，對教學(xué)設(shè)計與實施起到總攬與指導(dǎo)作用，是核心素養(yǎng)落地的關(guān)鍵。基于核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)一般從生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任四個方面設(shè)計，其中科學(xué)思維教學(xué)目標(biāo)對其他目標(biāo)的設(shè)計與實施起到支撐和促進作用。生物科學(xué)發(fā)現(xiàn)史能為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實情境，是訓(xùn)練科學(xué)思維的良好素材。

以人教版必修2“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”為例，本節(jié)通過肺炎雙球菌的體內(nèi)轉(zhuǎn)化、體外轉(zhuǎn)化和噬菌體侵染細(xì)菌等實驗，引導(dǎo)學(xué)生體會研究思路的確定、實驗材料的選擇、實驗方案的設(shè)計和技術(shù)手段的進步等在科學(xué)探究中所起作用，引導(dǎo)學(xué)生感悟科學(xué)探究是一個不斷深入與發(fā)展的過程，教學(xué)內(nèi)容充滿理性與思辨。筆者結(jié)合課標(biāo)要求制定了科學(xué)思維的教學(xué)目標(biāo)：通過對遺傳現(xiàn)象與實驗證據(jù)的分析，結(jié)合猜想與質(zhì)疑、歸納與概括，探索生物的遺傳物質(zhì)，構(gòu)建探究學(xué)習(xí)模型并嘗試應(yīng)用，提升實證研究、邏輯思維、批判性思維與創(chuàng)造性思維能力。

3 整合拓展教學(xué)內(nèi)容培養(yǎng)科學(xué)思維

現(xiàn)行高中生物學(xué)教材中科學(xué)思維相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容相對分散，教師要梳理整合教材內(nèi)容，對科學(xué)思維相關(guān)內(nèi)容二次加工后融入教學(xué)設(shè)計，突出科學(xué)思維的形成過程，促進學(xué)生關(guān)鍵能力提升。另外，教材中科學(xué)思維相關(guān)的素材有限，教師可依托教材拓展、挖掘素材，通過創(chuàng)設(shè)真實情境，增加設(shè)問、適時追問、適當(dāng)引申等方式，引導(dǎo)學(xué)生拓寬思路、理性判斷，提升科學(xué)思維水平。下面以“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”為例闡述如何在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維。

3.1 培養(yǎng)實證研究能力

實證研究能力是指基于事實與證據(jù)進行觀察、分析與歸納并得出相應(yīng)結(jié)論的能力。教師要培育學(xué)生尊重事實與證據(jù)、依托實驗和實例開展分析推理的實證思維，形成實證精神，提升實證研究能力。例如，在學(xué)習(xí)“肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實驗”時，教師提出問題：艾弗里將DNA水解酶與S型細(xì)菌的DNA混合后再與R型菌共同培養(yǎng)，若結(jié)果只出現(xiàn)R型菌落則進一步說明DNA是遺傳物質(zhì)。但若仍出現(xiàn)R型和S型菌落，該如何處理呢？學(xué)生思考后認(rèn)為：科學(xué)研究應(yīng)該尊重客觀事實，秉持嚴(yán)謹(jǐn)求真的科學(xué)態(tài)度，如果真的出現(xiàn)了第二種情況，應(yīng)該進行重復(fù)實驗驗證。如果依然如此，則要重新設(shè)計實驗繼續(xù)探究。

3.2 培養(yǎng)邏輯思維能力

邏輯思維能力是一種理性分析能力，是對觀察、總結(jié)、分析、判斷、推理、論證、假設(shè)、歸納、演繹、抽象與概括等方法和知識的綜合運用，從而逐步探求出研究結(jié)論的能力。邏輯思維有明確的思維方向和充分的思維依據(jù)，是建立在證據(jù)與邏輯推理基礎(chǔ)上的思維方式，因此，邏輯思維能力是學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)以及未來從事科學(xué)研究不可或缺的關(guān)鍵能力。歸納與概括、演繹與推理、模型與建模等均屬于邏輯思維范疇。

（1）歸納與概括是指從某些個別或特殊現(xiàn)象中推導(dǎo)得出具有普遍意義的一般性結(jié)論，教師要引導(dǎo)學(xué)生透過例證分析進行歸納與表達(dá)，進而概括出結(jié)論。例如，在學(xué)習(xí)了“肺炎雙球菌體內(nèi)、體外轉(zhuǎn)化實驗”“T₂噬菌體侵染大腸桿菌實驗”后，教師請學(xué)生根據(jù)相關(guān)實驗歸納結(jié)論，學(xué)生在總結(jié)時出現(xiàn)了兩種表述：①“生物體的遺傳物質(zhì)是DNA”：②“T₂噬菌體的遺傳物質(zhì)是DNA”。教師及時追問：你覺得哪個結(jié)論更為嚴(yán)密？為什么？學(xué)生思考討論后認(rèn)為：結(jié)論①不嚴(yán)密，該實驗只能證明T₂噬菌體的遺傳物質(zhì)是DNA，并不能確定其他生物的遺傳物質(zhì)：此外，少數(shù)生物體只含有RNA，這些生物的遺傳物質(zhì)不可能是DNA。因此，結(jié)論二表述正確，生物體的遺傳物質(zhì)究竟是什么，還需要繼續(xù)探究后重新歸納。

（2）演繹與推理是指從某個結(jié)論或規(guī)律出發(fā)，推理、解釋某些個別或特殊的生命現(xiàn)象，教師要為學(xué)生提供合適的問題或研究情境，指導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)的知識合理分析推理，提出解決問題的方法。例如，學(xué)生在學(xué)習(xí)了“肺炎雙球菌體內(nèi)、體外轉(zhuǎn)化實驗”后己經(jīng)得出初步結(jié)論：肺炎雙球菌的遺傳物質(zhì)是DNA。因此在學(xué)習(xí)T₂噬菌體侵染細(xì)菌的實驗時，教師重在引導(dǎo)學(xué)生基于預(yù)期結(jié)論演繹推理、預(yù)設(shè)實驗：T₂噬菌體的遺傳物質(zhì)究竟是蛋白質(zhì)，還是DNA呢？、關(guān)鍵要證明究竟是蛋白質(zhì)還是DNA進入大腸桿菌并指導(dǎo)子代噬菌體的合成。→運用何種技術(shù)可以觀察并判斷進入噬菌體的物質(zhì)種類？→放射性同位素標(biāo)記法。→選擇何種元素標(biāo)志？→蛋白質(zhì)和DNA的特征元素。→如何標(biāo)志蛋白質(zhì)與DNA？→用大腸桿菌培養(yǎng)T₂噬菌體。在具體的問題情境中，學(xué)生沿著一定的邏輯順序演繹推理，探尋實驗設(shè)計思路，逐步形成解決問題的能力。

（3）模型是為了理解事物、實踐運用而對事物做出的一種抽象，教師要引導(dǎo)學(xué)生在實驗、實踐與總結(jié)反思基礎(chǔ)上構(gòu)建模型并指導(dǎo)運用。例如，本節(jié)課經(jīng)典實驗的探究歷程都可以概括為“發(fā)現(xiàn)問題→做出假設(shè)→實驗驗證→得出結(jié)論”等一般步驟，同時在每個實驗之后又會發(fā)現(xiàn)新的問題進而引發(fā)新的討論與探究，師生在討論交流中逐步總結(jié)完善科學(xué)探究的一般過程，構(gòu)建科學(xué)探究的基本模型（圖2）。教師要引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中有意識地運用該模型進行探究性學(xué)習(xí)。

3.3 培養(yǎng)批判性思維能力

批判性思維能力是基于邏輯推理對現(xiàn)象和觀點進行的反思性思維，是在查驗問題與證據(jù)基礎(chǔ)上對結(jié)論進行評價并提出解決方案的能力。因此，批判性思維不是簡單的批評反對，其核心是論證，即引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)客觀事實與證據(jù)，在深度思維基礎(chǔ)上質(zhì)疑、釋疑。例如，教材中“肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實驗”分別研究了DNA、蛋白質(zhì)、多糖作為遺傳物質(zhì)的可能性，為什么沒有將RNA納入研究范疇呢？學(xué)生對此產(chǎn)生疑問。教師肯定了學(xué)生的質(zhì)疑，同時引導(dǎo)學(xué)生思考：教材實驗沒有將RNA納入研究范疇的可能原因是什么？讓學(xué)生課后查閱相關(guān)資料回答。學(xué)生課后搜集相關(guān)素材并討論后認(rèn)為：當(dāng)時的科學(xué)家對RNA的了解還不夠充分，但艾弗里比較嚴(yán)謹(jǐn)，在實驗時對加熱殺死的S型肺炎雙球菌各種生物化學(xué)成分都進行了酶解實驗，證實蛋白質(zhì)和RNA是否水解與轉(zhuǎn)化無關(guān)，進而確認(rèn)肺炎雙球菌的遺傳物質(zhì)是DNA。學(xué)生討論后認(rèn)為，教材沒有將艾弗里對RNA的相關(guān)研究納入值得商榷，同時建議教材將來能對這段生物科學(xué)史作出更為充分的還原。

3.4 培養(yǎng)創(chuàng)造性思維能力

創(chuàng)造性思維是一種具有開創(chuàng)意義的思維活動，需要推理、想象、聯(lián)想、直覺等思維的深度參與，表現(xiàn)為創(chuàng)造性地提出問題、解決問題。教師應(yīng)抓住機會激發(fā)學(xué)生一閃即逝的靈感，鼓勵學(xué)生大膽猜想、勇于實踐、善于表達(dá)，培育學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力。例如，在“肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實驗”中，提取的DNA純度最高時仍然有0.02%的蛋白質(zhì)，無法排除蛋白質(zhì)是否具有遺傳效應(yīng)，教師適時提問：你認(rèn)為應(yīng)該如何繼續(xù)探究？學(xué)生思維活躍，提出了各種研究思路：有的認(rèn)為應(yīng)該優(yōu)化技術(shù)手段繼續(xù)提純：有的認(rèn)為要充分發(fā)揮蛋白酶和DNA水解酶的作用，將雜質(zhì)徹底水解。但有學(xué)生認(rèn)為，細(xì)菌的組成成分相對復(fù)雜，無論怎樣提純理論上也難以得到100%純度的DNA和蛋白質(zhì)，應(yīng)該轉(zhuǎn)變一味提純獲取的思路，選擇結(jié)構(gòu)成分更為簡單的微生物重新設(shè)計實驗驗證，這與赫爾希和蔡斯實驗的思路是一致的。該教學(xué)環(huán)節(jié)有效激發(fā)了部分學(xué)生的創(chuàng)造性思維與探索熱情，這種思維的火花和靈感與真實的科學(xué)探究過程是相似的，教師要善于鼓勵激發(fā)。

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