深度體驗假說—演繹法發展生物學核心素養

姜平

摘要 以新冠病毒為背景，創設情境，使學生深度體驗假說—演繹法，提高學生的歸納與概括、演繹與推理的科學思維能力，提高實驗設計的科學探究能力，提升關注社會熱點問題的社會責任感，從而發展學生的生物學學科核心素養。

關鍵詞 假說—演繹法 核心素養 新冠病毒

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》明確提出：學生應該在學習過程中逐步發展科學思維，如能夠基于生物學事實和證據，運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創造性思維等方法，探討、闡釋生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題。假說—演繹法是生物學等科學領域廣泛應用的研究方法。下面以社會熱點——新冠病毒為背景，創設“新冠病毒受體的研究”和“阻止新冠病毒侵染人體細胞的藥物研究”情境，使學生在理解假說—演繹法的思維過程基礎上，運用該方法分析和解決實際問題，提高學生的科學思維能力和科學探究能力，提升其社會責任感，從而發展學生的生物學核心素養。

1教學內容分析和學情分析

假說—演繹法是貫穿整個高中生物的一個科學研究方法，尤其是必修2中孟德爾定律的研究、遺傳的染色體學說的證明、DNA的半保留復制、遺傳密碼的破譯、中心法則等內容。該方法在浙科版教材中首次出現是在必修2第一章“遺傳的基本規律”的課外讀“孟德爾獲得成功的原因”中。教材的介紹非常簡略，不利于學生充分理解該方法的內涵。很多學生初學假說—演繹法時，不能理解假說—演繹法的思維過程，無法區分假設、推理和驗證環節，更談不上運用該方法分析和解決新的問題。所以，筆者嘗試以學生熟悉的社會熱點問題為切入點，幫助學生深刻理解和運用假說—演繹法。

2教學目標

1通過假說—演繹法在發現分離定律中的應用分析，理解假說—演繹法各環節的內涵，提高歸納與概括的科學思維素養。

2初步運用假說—演繹法分析“新冠病毒受體的研究”，提升演繹與推理的科學思維素養。

3通過比較假說—演繹法在發現分離定律和新冠病毒受體研究中的應用，歸納假說—演繹法的思維模式。

4討論“阻止新冠病毒侵染人體細胞的藥物研究”，進一步運用假說—演繹法探究未知問題，提升演繹與推理的科學思維素養、提問和實驗設計的科學探究素養以及社會責任感。

3教學過程

3.1新冠病毒導入，提出研究問題

教師介紹新冠疫情的現狀，播放“病毒進入人體細胞”的視頻，介紹已知的多種冠狀病毒的受體，引入本節課的研究問題：新冠病毒的受體和其他冠狀病毒相同嗎？從而引入未知問題的研究方法——假說—演繹法。

設計意圖：教師聯系當前的社會熱點議題，利用生動的視頻，引入本節課的學習內容，激發學生探究的興趣。

3.2分析典型實例，理解假說—演繹法各環節的內涵

教師指導學生閱讀必修2教材第一章第一節“孟德爾從一對相對性狀的雜交實驗中總結出分離定律”的內容，梳理分離定律的發現歷程，總結出假說—演繹法的6個環節及其內涵，見表1。

設計意圖：教師利用學生熟悉的典型實例分析——分離定律的發現過程，使學生體會假說—演繹法是如何應用到科學研究中的，進而準確理解假說—演繹法各環節的內涵。

3.3創設“新冠病毒受體的研究”情境，引導學生初步應用假說—演繹法

教師提出本節課的研究問題：新冠病毒的受體和其他冠狀病毒相同嗎？并引導學生針對問題思考作出假設。學生假設：新冠病毒的細胞受體與SARS病毒相同，均是ACE2（血管緊張素轉化酶2）。教師創設情境，要求學生利用新冠病毒、SARS病毒、HeLa細胞（不表達冠狀病毒受體）、人ACE2基因、ACE2抑制劑、來自人體的多種不同細胞系（人腎細胞系、肺細胞系、肝細胞系等）等實驗材料，對假設進行演繹推理。學生推理的思路有多種：1若新冠病毒的細胞受體是ACE2，則它可以感染表達ACE2的細胞，而不能感染沒有ACE2的細胞;2若新冠病毒的細胞受體是ACE2，則抑制ACE2的物質能抑制新冠病毒感染表達ACE2的細胞;3若新冠病毒的細胞受體與SARS病毒相同，則用兩種病毒去感染一系列不同的細胞系時，兩者的易感細胞系相同。

在驗證環節，教師展示武漢病毒所石正麗團隊發表在Nature上的文章《肺炎爆發與可能源于蝙蝠的新型冠狀病毒有關》中的實驗結果，與學生推理的思路1預測結果相符，由此證明了假設正確。新冠病毒的細胞受體正是ACE2，而ACE2是一種跨膜蛋白，在上呼吸道黏膜細胞、肺泡組織、心臟、眼睛、胃腸道、腎臟、睪丸等部位都有分布。所以這些部位正是新冠病毒侵襲導致人體病變的主要部位。由此，學生明確新冠病毒感染人體后的癥狀。

設計意圖：教師引導學生在新情境中初步應用假說—演繹法，體驗作出假設和演繹推理的過程，提高了學生演繹與推理的科學思維能力，使學生感悟科學的研究方法。

3.4引導學生比較假說—演繹法在發現分離定律和新冠病毒受體研究中的應用，歸納假說—演繹法的思維模式

教師引導學生在表1的基礎上，梳理假說—演繹法在新冠病毒受體研究中的應用，比較假說—演繹法在發現分離定律和新冠病毒受體研究中的應用，總結共同點，進一步領會假說—演繹法各環節的內涵。并引導學生思考：若實驗驗證的結果與演繹推理不一致，則假設被證偽，需要人們提出新的假設繼續研究。學生討論、歸納出假說—演繹法的思維模式（圖1）。

設計意圖：學生通過比較假說—演繹法在發現分離定律和新冠病毒受體研究中的應用，體會假說—演繹法在不同研究中的共性，歸納出其思維模式，提高了歸納與概括的科學思維能力。

3.5創設“阻止新冠病毒侵染人體細胞的藥物研究”情境，進一步引導學生應用假說—演繹法

教師展示現象：Cell發表的一項研究揭示了新冠病毒進入細胞取決于病毒刺突蛋白與細胞受體ACE2的結合，而刺突蛋白的活化依賴于宿主細胞跨膜絲氨酸蛋白酶2（TMPRSS2）。目前，在日本有一種治療胰腺炎的上市藥物——甲磺酸卡莫司他，它能抑制跨膜絲氨酸蛋白酶2的活性，因此有望成為潛在的抗病毒靶向藥。教師啟發學生提出問題：甲磺酸卡莫司能阻止新冠病毒侵染人體細胞嗎？學生作出假設：甲磺酸卡莫司他能阻止新冠病毒侵染人體細胞。教師引導學生利用人結腸細胞Caco-2、細胞培養液、新冠病毒、甲磺酸卡莫司他、生理鹽水、培養瓶等實驗材料，設計實驗進行演繹推理。經過小組討論后，學生展示實驗思路：1將等量的人結腸細胞Caco-2和細胞培養液加入A、B兩組的培養瓶中;2在A組培養瓶中加入適量且等量的甲磺酸卡莫司他，B組培養瓶中加入等量的生理鹽水;3用適量的新冠病毒感染各組細胞;4一段時間后測定病毒的細胞進入率;5統計分析數據。若假設成立，則A組的細胞進入率顯著低于B組。該推理過程得到Cell上的文章《SARS-CoV-2進入細胞依賴于ACE2和TMPRSS2，并被臨床證實的蛋白酶抑制劑所阻斷》的驗證。由此證明了學生作出的假設正確。甲磺酸卡莫司他通過阻止新冠病毒侵染人體細胞而對新冠肺炎有治療作用。這僅僅是新冠肺炎的治療方法之一。病毒侵入人體細胞后在人體細胞內繁殖的過程有諸多環節，教師要注意啟發學生思考：還有哪些方法可以成為研究治療新冠肺炎的方向？

設計意圖：學生在新情境中進一步應用“假設—推理法”，體驗提出問題、作出假設和演繹推理的研究歷程，提高了演繹與推理的科學思維能力，提高了提問和實驗設計的科學探究能力，培養了開放性思維。

3.6課堂總結

教師再次呈現假說—演繹法的各個環節，總結假說—演繹法在新冠病毒研究中的應用，并向學生提出希望：人類對新冠病毒的了解是逐步深入的。科學的發展是一種螺旋式的上升過程，希望同學們以后面對未知現象時能向科學家學習，用科學態度來對待，用科學思維來論證，將基于事實或證據而發表言論當成一種內化于心的習慣，使它成為自身生物學科核心素養的一部分。

4教學反思

情境是湯，知識是鹽，鹽只有溶于湯中才好入口，知識只有融于情境才好理解和消化，能力只有在分析和解決情境中的問題時才能更有效地提高。本節課上，教師以新冠病毒為背景，精心創設兩個情境，激發學生提出問題，引導學生利用已有的知識和經驗提出合理假設，并根據假設進行演繹推理。教師展示科學家的真實實驗結果，來驗證學生推理，從而使學生得出結論。“新冠病毒受體的研究”情境和“阻止新冠病毒侵染人體細胞的藥物研究”情境呈現遞進式的關系，可以讓學生步步深入地體驗科學研究的歷程，深度體驗假說—演繹法，從而深刻理解其內涵和應用，提高歸納與概括、演繹與推理的科學思維能力，提高實驗設計的科學探究能力，提升關注社會熱點問題的社會責任感，從而發展生物學學科核心素養。