“假說-演繹”法培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的課堂實踐

摘 要：科學(xué)思維作為生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容之一，是學(xué)生形成生命觀念的重要途徑，也是科學(xué)探究的重要組成部分。其中，“假說-演繹”法是一種重要的科學(xué)思維方法。本文依據(jù)筆者對科學(xué)思維的理解，選取“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”一節(jié)內(nèi)容為例，引導(dǎo)學(xué)生基于“假說-演繹”法進(jìn)行系統(tǒng)性的邏輯分析與科學(xué)論證，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，旨在為生物學(xué)教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；“假說-演繹”法；蛋白質(zhì)合成；課堂實踐

文章編號：1003-7586（2024）11-0079-03 中圖分類號：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 研究背景

科學(xué)思維是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，在《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中的描述為“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、解決實際問題的思維習(xí)慣和能力”。近年來，高考生物學(xué)命題同樣也注重對學(xué)生關(guān)鍵能力、思維品質(zhì)和思維過程的考查。

2023年高考北京卷生物學(xué)第17題以知識為載體，科學(xué)思維為命題主線，創(chuàng)設(shè)真實科研情境，全面考查學(xué)生的科學(xué)思維。題目融入多學(xué)科知識和思想方法，要求學(xué)生運用歸納與概括、設(shè)計與預(yù)期、科學(xué)表述等能力，解答生物學(xué)相關(guān)問題，契合生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的價值導(dǎo)向。

細(xì)胞膜的選擇透過性與細(xì)胞膜的靜息電位密切相關(guān)。科學(xué)家以哺乳動物骨骼肌細(xì)胞為材料，研究了靜息電位形成的機(jī)制。

（1）骨骼肌細(xì)胞膜的主要成分是""" ，膜的基本支架是""" 。

（2）假設(shè)初始狀態(tài)下，膜兩側(cè)正負(fù)電荷均相等，且膜內(nèi)K＋濃度高于膜外。在靜息電位形成過程中，當(dāng)膜僅對K＋具有通透性時，K＋順濃度梯度向膜外流動，膜外正電荷和膜內(nèi)負(fù)電荷數(shù)量逐步增加，對K＋進(jìn)一步外流起阻礙作用，最終K＋跨膜流動達(dá)到平衡，形成穩(wěn)定的跨膜靜電場，此時膜兩側(cè)的電位表現(xiàn)是"""""""""""""""" 。K＋靜電場強(qiáng)度只能通過計算得出。

（3）骨骼肌細(xì)胞處于靜息狀態(tài)時，實驗測得膜的靜息電位為－90mV，膜內(nèi)、外K＋濃度依次為：155mmol／L和4mmol／L，此時沒有K＋跨膜凈流動。

①靜息狀態(tài)下，K＋靜電場強(qiáng)度為""" mV，與靜息電位實測值接近，推測K＋外流形成的靜電場可能是構(gòu)成靜息電位的主要因素。

②為證明①中的推測，研究者梯度增加細(xì)胞外K＋濃度并測量靜息電位。如果所測靜息電位的值"""""""""""" ，則可驗證此假設(shè)。

參考答案：

（1）磷脂和蛋白質(zhì)；磷脂雙分子層

（2）膜內(nèi)電位比膜外低（內(nèi)負(fù)外正）

（3）①－95.4；②均與相應(yīng)狀態(tài)下K＋靜電場強(qiáng)度理論值接近

具體而言，第（1）小題要求學(xué)生熟悉生物膜的組成成分和結(jié)構(gòu)，考查學(xué)生對“結(jié)構(gòu)與功能觀”的掌握情況；第（2）、（3）小題要求學(xué)生具有一定的高階思維，需要學(xué)生能夠基于題干假設(shè)，結(jié)合“靜息電位”“K＋靜電場強(qiáng)度”“電荷平衡”等知識進(jìn)行演繹推理，并運用數(shù)學(xué)公式分析數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確表達(dá)結(jié)果，考查學(xué)生的科學(xué)思維。題干設(shè)問的角度新穎，有效考查了學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究核心素養(yǎng)。

測試結(jié)果顯示第（3）小題的得分率較低，這表明學(xué)生難以抓住本題的考查主線，其演繹推理等科學(xué)思維能力也有待提升。因此，在平時的教學(xué)過程中，教師應(yīng)充分利用教材和拓展資源多角度培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

2 “假說-演繹”法

“假說-演繹”法是指在觀察和分析的基礎(chǔ)上先提出問題，再通過推理和想象提出解釋問題的假說，接著根據(jù)假說進(jìn)行演繹推理，最后通過實驗檢驗結(jié)論的科學(xué)研究方法。如果實驗結(jié)果與預(yù)期結(jié)論相符，就證明假說是正確的；反之，則說明假說需要修正。該法是現(xiàn)代科學(xué)研究中常用的一種科學(xué)方法，整個過程科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，具體流程如圖1所示。

3 基于“假說-演繹”法培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的課堂實踐

3.1 挖掘教材資源，融入日常教學(xué)

教材融入了很多能體現(xiàn)“假說-演繹”法的科學(xué)史資料，有助于高效訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維。例如人教版普通高中教科書《生物學(xué)·必修2·遺傳與進(jìn)化》（以下簡稱“教材”）中包括以下科學(xué)史內(nèi)容：①基因分離和自由組合定律；②摩爾根（T. H. Morgan）證明“基因在染色體上”；③DNA的復(fù)制方式；④遺傳學(xué)中心法則；⑤遺傳密碼的破譯過程等。教材作為教師培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的載體，在教學(xué)中發(fā)揮著重要作用。學(xué)生通過對教材中的科學(xué)史進(jìn)行學(xué)習(xí)，能夠在面對問題時，模仿科學(xué)家的思維方式進(jìn)行思考。筆者以教材中“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”一節(jié)內(nèi)容為例，引導(dǎo)學(xué)生基于“假說-演繹”法進(jìn)行系統(tǒng)性的邏輯分析與科學(xué)論證，在探究活動中培養(yǎng)其科學(xué)思維。

3.2 教學(xué)過程

3.2.1 基于科學(xué)史，提出問題

20世紀(jì)50年代，科學(xué)家對“遺傳信息如何從DNA傳遞到蛋白質(zhì)”這一問題展開了深入的研究，提出了多種假說。蛋白質(zhì)是在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的核糖體上合成的，受細(xì)胞核內(nèi)的DNA指導(dǎo)。DNA直徑是2 nm，核糖體直徑約23 nm，而細(xì)胞核的核孔只有0.9 nm，DNA和核糖體均不能通過核孔進(jìn)出細(xì)胞核，因此 DNA 上的基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成需要“信使”進(jìn)行輔助。尋找DNA轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)的媒介是科學(xué)家面臨的主要問題。

教師提供證據(jù)引導(dǎo)學(xué)生尋找信使。

資料1：1955年，比利時細(xì)胞生物學(xué)家布拉奇特（J. Brachet）用洋蔥根尖和變形蟲進(jìn)行了酵母菌酶解實驗：①加入RNA酶分解細(xì)胞中的RNA，蛋白質(zhì)合成停止；②加入從酵母菌中提取的RNA，蛋白質(zhì)的合成效率有一定程度的恢復(fù)。教師提出問題：該實驗采取的實驗方法是什么？實驗結(jié)果說明什么？

資料2：1955年科學(xué)家戈爾德斯坦（Goldstein）和普勞特（Plaut）將用放射性同位素標(biāo)記的尿嘧啶培養(yǎng)液來培養(yǎng)變形蟲，檢測發(fā)現(xiàn)具有放射性的RNA首先在細(xì)胞核中出現(xiàn)，而后在細(xì)胞質(zhì)中出現(xiàn)。教師提出問題：實驗結(jié)果說明什么？

3.2.2 教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行推理分析，利用假說解釋問題

學(xué)生通過學(xué)習(xí)科學(xué)史，了解到DNA將遺傳信息傳遞給RNA，隨后RNA通過細(xì)胞核進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，在這個過程中充當(dāng)信使角色。教師提出問題：真核生物的RNA種類很多，是否每一種RNA都能夠作為信使？教師提供三類RNA的信息和特點：核糖體組成成分的rRNA、能與特定氨基酸結(jié)合的tRNA以及在合成后一段時間分解的mRNA。科學(xué)家在研究小鼠體內(nèi)不同種類的細(xì)胞時發(fā)現(xiàn)，tRNA在不同細(xì)胞中的種類大體相同，因此排除tRNA作為遺傳信使的可能。

資料3： 1958年，克里克（F. Crick）提出假說一，即rRNA是“信使”。rRNA一般與蛋白質(zhì)結(jié)合形成核糖體。克里克認(rèn)為，rRNA不可能離開核糖體而存在，每個核糖體以rRNA為模板指導(dǎo)合成同一種蛋白質(zhì)，即一個核糖體合成一種蛋白質(zhì)。

資料4： 1961年，布倫納（S. Brenner）等人提出假說二，即另一種不穩(wěn)定的mRNA是信使。布倫納等人研究發(fā)現(xiàn)噬菌體侵入到大腸桿菌后，大腸桿菌立即停止合成自身的蛋白質(zhì)，轉(zhuǎn)而合成噬菌體的蛋白質(zhì)。在此過程中，細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)合成了噬菌體的RNA。為確定新合成的噬菌體RNA是否為“信使”，科學(xué)家還需要進(jìn)一步的實驗。

教師提出問題：哪種假說能夠成立？如何設(shè)計實驗進(jìn)行驗證？教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗，培養(yǎng)其實驗設(shè)計能力，從而為演繹推理提供幫助。

實驗設(shè)計：用含¹⁵N／¹³C的培養(yǎng)基培養(yǎng)細(xì)菌，然后將這些細(xì)菌轉(zhuǎn)移至含 ¹⁴N／¹²C 的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，同時接種噬菌體，并向該培養(yǎng)基中加入³²P標(biāo)記的尿嘧啶核糖核苷酸。培養(yǎng)一段時間后，進(jìn)行密度梯度離心和放射性檢測。

3.2.3 根據(jù)假說進(jìn)行演繹推理

問題驅(qū)動，層層深入：教師設(shè)置合理的、層層遞進(jìn)的問題來引導(dǎo)學(xué)生以科學(xué)家的思維進(jìn)行分析推理，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、探究事實的能力，訓(xùn)練學(xué)生的高階思維。

教師提出問題：若假說一成立，則大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)的核糖體種類是否相同？為什么？密度梯度離心和放射性檢測的結(jié)果是什么？

學(xué)生推理分析：若假說一成立，則大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)的核糖體種類不同。細(xì)菌合成噬菌體的RNA和蛋白質(zhì)，其作為傳遞信息的載體，參與生成新的核糖體，與原有的核糖體不同。其預(yù)期實驗結(jié)果應(yīng)如圖2所示。

教師提出問題：若假說二成立，則大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)的核糖體種類是否相同？新合成的mRNA與原有的核糖體有什么關(guān)系？密度梯度離心和放射性檢測的結(jié)果又是什么？

學(xué)生推理分析：若假說二成立，則噬菌體侵染細(xì)菌后會產(chǎn)生一種被³²P 標(biāo)記的mRNA。這種mRNA不會參與生成核糖體，其與細(xì)胞內(nèi)原先的“重核糖體”結(jié)合參與蛋白質(zhì)的合成。其預(yù)期實驗結(jié)果應(yīng)如圖3所示。

3.2.4 通過實驗檢驗演繹推理

學(xué)生對被噬菌體入侵之后發(fā)生裂解的細(xì)菌進(jìn)行密度梯度離心和放射性檢測。教師根據(jù)結(jié)果提出問題：該實驗結(jié)果說明什么？支持哪個假說？

實驗結(jié)果與預(yù)期實驗結(jié)果二一致，說明噬菌體入侵后并沒有合成新的核糖體，而是利用新合成的具有放射性標(biāo)記的mRNA與細(xì)菌原有的“重核糖體”結(jié)合，指導(dǎo)其蛋白質(zhì)合成。這一發(fā)現(xiàn)直接證實rRNA不是信使，即假說二是正確的。

3.2.5 回顧“假說-演繹”法，得出結(jié)論

據(jù)此，科學(xué)家將這種能把遺傳信息從DNA傳遞至蛋白質(zhì)的物質(zhì)命名為“信使RNA”（mRNA）。在教學(xué)結(jié)束后，教師需要及時引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)“假說-演繹”法的思維歷程：根據(jù)事實提出問題—分析現(xiàn)象并提出假說進(jìn)行解釋—演繹推理產(chǎn)生認(rèn)知沖突—實驗驗證得出結(jié)論。教師通過還原科學(xué)研究歷史，不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4 教學(xué)啟示

培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維是生物學(xué)教學(xué)的核心任務(wù)之一。^［1］教師應(yīng)在日常教學(xué)中融入科學(xué)思維訓(xùn)練，潛移默化地培養(yǎng)并提升學(xué)生的思維品質(zhì)，確保生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)得到有效實施。科學(xué)史不僅能呈現(xiàn)概念的生成過程，而且還隱含著科學(xué)家的思維方法。^［2］在教學(xué)實踐中，教師既可以組織學(xué)生學(xué)習(xí)教材中蘊(yùn)含“假說-演繹”法的內(nèi)容，讓學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)思維的本質(zhì)過程；也可以靈活運用教材中的實驗素材，創(chuàng)設(shè)“假說-演繹”模式，設(shè)置合理的、層層遞進(jìn)的問題來引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析歸納、推理論證等思維活動。在此過程中，學(xué)生主動獲取知識并提升科學(xué)思維，進(jìn)而養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣。

參考文獻(xiàn)

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［2］孔瑋，畢詩秀.“基因的表達(dá)——翻譯”一課中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的實踐［J］.中學(xué)生物教學(xué)，2021（19）：20-24.