聚焦科學思維發展的生物學課堂教學

時晨?陳廷華

[摘要] 科學思維核心素養作為高中生物學學科核心素養的重要組成部分，對于學生科學實踐能力、適應與改造未來社會能力的提升均具有不可或缺的作用。研究通過課例研究的方式，明晰并凝練出了以具身性參與浸潤科學思維的萌芽，以全面性互動推進科學思維的縱深，以統整性主題聚合科學思維的發展等生物學課堂教學策略。以上策略相輔相成，旨在經由逐層進階的方式聚焦學生的科學思維培養。

[關鍵詞] 高中生物學;科學思維;具身實踐;統整性主題

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《新課標》）提出了以生命觀念、科學思維等在內的學科核心素養為課程目標，具體教學過程應高度關注學生學習過程中的實踐經歷，達成學生主動性投入學習的基本樣態。[1]科學思維核心素養關乎著學生的科學求知態度、證據推理能力與循證創新思考，可見在高中生物學的課堂教學中理應聚焦學生科學思維的發展進行實踐教學。誠然，科學思維核心素養的培育不可能一蹴而就，其往往需要通過沉浸式參與活動、互動式推理論證，進而在認知論水平或大概念水平的教學主題中不斷提升，方能達成科學思維的改善與優化。正因如此，研究者旨在以課例研究的方式探究聚焦科學思維發展的生物學課堂教學基本策略。

一、以具身性參與浸潤科學思維的萌芽

學生是科學思維學習的主體，教師則在課堂中扮演著學習活動的組織者與引導者的角色。有效教學需要教師設計有意義的學習活動，讓學生在課堂中全身心主動投入學習，并在活動的體驗探究與認知同化中不斷建構知識。[2]然而，在實際教學中我們要注意到學生參與學習活動的不平衡性，即單純的行為參與可以促進學生技能的發展，但并不能促進學生高層次思維能力的發展;認知參與是學生深度參與教學活動的前提條件與典型特征;只有以積極的情感體驗和深層次的認知參與為核心的全面參與，才能促進學生獲取各類高層次思維。簡而言之，以體腦與情智等要素共同作用的學生具身性參與，方可啟發他們包含科學思維在內的高階思維提升。為此，教師在生物學課堂教學中要堅持采用啟發式教學、互動式教學和探究式教學等方式，在留給學生學習空間的同時，引導他們主動思考、質疑探究，進而悄然浸潤其科學思維的萌芽。

以人教版必修2《遺傳與進化》中“基因在染色體上”教學為例，教學目標包含了通過對薩頓的假說和摩爾根的果蠅雜交實驗分析，認同并嘗試解釋基因在染色體上的結論，進一步體會假說——演繹法等科學研究方法;運用基因與染色體關系的知識，闡明孟德爾遺傳規律的實質。此外，還需要通過科學進程的學習研究，培養學生尊重事實、大膽質疑、小心求證的科學精神。本節教材內容并未安排具體的探究性實驗活動，更多的是科學史的實驗分析。這一過程會致使學生的行為參與不足，學習活動的參與缺乏了實踐體驗與具身探究的過程。因此，研究者作了如下改進：對基因位于染色體上的假說和實驗證據、孟德爾遺傳規律的現代解釋等重難點知識，采用列表進行類比分析、實驗設計等活動增強認知參與，借助畫圖及學具模型操作等體驗性、探究性活動，增加了行為參與和情感參與，以此來給學生創設思考、表達與實踐的空間，發展理性思維和科學情感。具體教學流程如圖1所示。

二、以全面性互動拓展科學思維的縱深

具身性的參與為科學思維的萌芽提供了沃土，然而單純的參與并非定能促進思維的改善。思維的改善應該是讓學生在學習活動中，不斷依據現象做出假設、提出問題，基于事實證據進行推理、論證，從而增進其自身對科學概念以及本質的理解。學生的學習活動是知識建構與探究的思維活動，是在合作、對話與交流的互動中生成對前概念的轉變，是具有真實性與情境性的社會性學習活動。[3]誠然，拓展科學思維縱深的學習活動中互動過程是多方位的，包含了師生互動、同伴（生生）互動、人機互動等，尤以同伴互動為核心的學習和實踐共同體進行知識分享、沖突解決，進而共同向縱深發展科學思維。在全面性的互動中，異質性主體的思維相互碰撞、沖突與解構，必然會有新的問題顯露，新的認知矛盾產生，新的解決問題的方法出現，從而促進了知識體系與思維方式的生成建構。全面性的互動提供了沖突與爭鳴的可能，徜徉其中有價值的教學資源會不斷被發現與應用，才使得課堂教學的科學思維培養充滿著生機活力。

以“減數分裂和受精作用”教學為例，該內容較為零散艱深，思維要求高，以教師講授為特點的教學往往會讓學生的學習停留在機械記憶的淺層水平。教學中應以學生的演示、觀察和模擬操作活動為主，選擇圖片、動畫、錄像等輔助手段為學生提供必要的情境學習材料，規劃好適于學生討論的問題，在全面性的互動中解決問題。如筆者在教學中設置了以下問題：（1）減數分裂過程中染色體的數目及細胞核中DNA含量變化如何？（2）如何判別二倍體生物細胞有絲分裂、減數分裂各時期的圖像？（3）如何根據細胞質分裂情況判斷細胞名稱？（4）請分析減數分裂過程中染色體行為變化與孟德爾遺傳規律的關系。學生在討論過程中隨時都可能提出疑問或表達錯誤觀點。教師在教學中就應當充分捕捉學生的質疑、提問與試錯信息，引導學生相互討論和交流，增加生生互動的頻率。如筆者讓學生自己嘗試建構模擬減數分裂過程的圖像時，會出現一些錯誤的模擬圖像。這些錯誤恰恰是不可多得的教學資源，教師應利用好這些試錯的表現，讓學生現場相互糾錯，對不同的觀點進行深入討論，讓他們通過“尋找證據—進行推理—得出主張”的方式生成循證意識、訓練論證技能[4]，從而拓展科學思維的縱深。

三、以統整性主題聚合科學思維的發展

科學思維能夠支持學生獲取新知、利用知識、建構并評價假設和觀點，科學思維能力一旦獲得就不會失去，學生對科學進行探索、假設、實驗、得出結論的過程都需要使用科學思維。[5]庫恩認為“科學思維是智力發展的最終目標。教育的核心在于發展學生的思維，尤其是科學思維”。[6]而在師生具身性參與的全面互動課堂中，把課堂還給學生不是讓學生放任自流，而是要圍繞學習目標開展有意義的學習活動，所謂“形散”而“神聚”，就是要聚焦探究問題或生物學本質認識，聚合學生科學思維發展，讓其生成連續性、整合性的工程化思維。在實際的課程教學中可以通過強化STEM教育和PBL教學（項目研究學習：project based learning;基于問題解決學習：problem based learning），從根本上改變學生的學習方式，讓其生成連續性、整合性的工程化思維。無論是STEM教育，還是PBL教學，都是在以統整性主題進行教學，讓學生的學習過程經歷某一主題的問題發現、分析和解決過程。

如“DNA是主要的遺傳物質”的教學中，筆者根據噬菌體侵染細菌的實驗，采用問題鏈的教學方式聚合教學主題。設置問題1：用32P或35S標記的T2噬菌體分別侵染未被標記的大腸桿菌，經過短時間保溫后，用攪拌器攪拌、離心，得到了相應結果，讓學生看圖比較，回答離心的目的是什么。問題2：用32P或35S分別標記的二組感染實驗，放射性主要分布在哪里？這一結果說明了什么？學生在推導中通常可以得出DNA是遺傳物質，蛋白質不是遺傳物質。此時，有學生提出異議，即實驗結果不能說明DNA是遺傳物質，只能說明32P標記的DNA主要在沉淀物中，也就是進入細菌中，35S標記的蛋白質主要在上清液中，也就是未進入細菌中。教師肯定學生的異議，順水推舟引出問題3：怎樣的同位素標記法才能說明某種物質是該生物的遺傳物質呢？引導學生進行實驗設計，對新的問題進行思考，分析討論解決問題的方法。問題4：細菌裂解釋放的子代噬菌體中，可以檢測到32P標記的DNA，但檢測不到35S標記的蛋白質，可得出什么結論？學生得出結論：親代噬菌體將32P標記的DNA傳給了子代噬菌體，DNA是噬菌體的遺傳物質。至此對生命現象的認識已基本明朗，但教師并未將學生的思維在此“剎車”，而是進一步提出問題5：該實驗能否說明蛋白質不是遺傳物質？既然DNA是噬菌體的遺傳物質，為什么用32P標記的一組感染實驗結果上清液中也有少量放射性？這樣通過學習活動再次生成新的問題，學生經歷推理與論證，促進了科學思維進一步提升與聚焦。

指向科學思維核心素養培育的生物學課堂教學，不應當局限于師生互動，也不應該將學習活動局限于教材內容中，而是以具體的事實性知識、概念性知識為依據，創設解決問題的學習情境，根據學生的即時反應提出難易適度、層層深入的問題，讓學生在復雜的情境中開展科學探究，利用所學知識，運用歸納與概括、演繹與推理、批判與論證等方法，在分析與解決某一主題問題中，發展科學思維核心素養。

[本文系華東師范大學“國培計劃”中小學名師領航首期基地班立項課題“構建科學探究實踐平臺，促進高中生物教學變革”（項目編號：2018GP01-M12）、江蘇省教育科學“十三五”規劃立項課題“基于Exposome探究范式開發有觸感的生物課程”（項目編號：D/2018/02/179）研究成果]

[參考文獻]

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]黃惠濤，丁奕然.基于格斯丁翻轉教學模式的生物學實驗深度學習[J].天津師范大學學報（基礎教育版），2021，22（04）：46-50.

[3]榮瑩.基于前概念轉變的生物科學史教學研究[J].中小學班主任，2020（02）：69-70.

[4]許桂芬，卞祖華.通過論證技能訓練發展學生批判性思維[J].生物學教學，2021，46（08）：26-28.

[5]教育部基礎教育課程教材專家工作委員會.普通高中生物學課程標準（2017年版解讀）[M].北京：高等教育出版社，2018.

[6]Kuhn D.Science as argument：implications for teaching and learning scientific thinking [J]. Science education，1993，77（3）：319-337.