例談高中生物學復習課中“假說－演繹”法的建模與應用

摘要：“假說演繹”法的應用是歷年浙江高考的高頻考點，科學思維是核心素養的考查要求。本文基于生物學情境設計教學內容，以“假說－演繹”法建模與應用為主線，引導學生在“提出問題－建立假設－演繹推理－實驗驗證－得出結論”的過程中，提高分析和解決問題的能力，發展生物學學科核心素養。

關鍵詞：“假說演繹”法；科學思維；高中生物學

文章編號：1003-7586（2024）05-0048-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

1問題的提出

科學思維是一種通過系統、邏輯和實證方式來研究和理解世界的思考方法，是生物學科四大核心素養之一。《普通高中生物學課程標準（2017年舨2020年修訂）》指出科學思維能力包括觀察能力、演繹推理能力、假設檢驗能力、統計分析能力。“假說－演繹”法是生物學科學研究中利用生物學規律解決實際問題的重要工具，它肯定了理性與演繹在科學發現中的作用，確保了生命科學也具有自我修正的“假說－演繹”機制。

本文統計了“假說演繹”法在近五年浙江省生物高考中的考查頻度（見表1），幫助學生更好地明確考點和側重方向，提高備考效率。“假說演繹”法在科學史考查、基因位置的判斷和實驗設計等題型中高頻出現，但有關遺傳密碼破譯、體液調節的發現——促胰液素的發現等科學史內容的考查暫未涉及。

本文以不同生物學情境設計教學內容，從以下幾個方面探究在高中生物學復習課教學中“假說演繹”法建模與應用的教學策略（見圖1）。

2創設教學情境，感知“假說－演繹”法模型

教師在“關于酶發現歷程的探索”教學時，結合實踐活動，搜集相關資料，創設535fe167633cd1c2a0b9d57c53e3d0b6情境，讓學生初步感知“假說演繹”法的模型。

教師提前20天左右組織學生利用校本課程活動時間開展自制葡萄酒實驗，觀察發酵現象并提出問題：為什么葡萄汁加酵母菌經過一段時間能發酵產生酒精？

學生猜想可能與酵母菌有關，并設計初步的實驗驗證方案（見表2）。

教師提供實驗材料，組織學生分組進行驗證實驗，并對實驗結果進行交流分析，得出酒精發酵與酵母菌有關的實驗結論。實踐活動后，學生已經初步體驗了“假說演繹”法的各個環節（見圖2）。

教師接著引導學生進一步思考：葡萄酒發酵過程中，酵母菌是如何起作用的？是活的酵母菌本身參與進來了，還是細胞里面的一些物質起作用了？

資料一 畢希納（E.Buchner）發現用無細胞的酵母汁可以進行酒精發酵，且酒精發酵的酶在起催化作用時，需要離子和小分子輔助。

教師引導學生使用下列材料設計實驗并根據問題完成驗證。

實驗材料：酵母汁、酵母菌、葡萄糖溶液、X溶液（含酵母汁中的各類離子、小分子）、D溶液（含酵母汁中的各類大分子）、無菌水。

教師根據上述資料設計以下問題。

問題一：怎樣利用上述材料設計實驗來驗證科學家的結論？

問題二：不同組別分別做什么實驗處理？

問題三：預期實驗結果中哪些組別出現陽性能夠驗證結論？

教師引導學生以“結論”為“假說”，設計實驗過程和預計實驗結果為“演繹推理”，用逆推法完成“假說一演繹”法探究建模過程（見圖3）。

設計意圖：根據建構主義理論的學習方法，在一定的情境中利用“假說－演繹”法構建生物學知識的相關模型是一種有效的學習模式。通過創設學生熟悉的生物學情境來激發學習積極性，教師引導學生主動構建抽象的知識概念并組織開展生物學實驗活動，讓學生能夠由淺人深地理解和應用生物學知識，增強動手實踐能力，快速調動學生的思維和熱情。

3依托活動論證，構建“假說－演繹”法模型

3.1基于科學史探究光反應中ATP的生成

教師提問：跳臺上的運動員可將具有的重力勢能轉化成動能，光反應的產物ATP中的能量直接來自哪里？

資料二 進行光反應時，葉綠體類囊體腔內pH值≈4，葉綠體基質pH值≈8。

教師展示資料二并引導學生提出假說：ATP中的能量可能直接來自光能；ATP中的能量或許直接來自類囊體內外H+的濃度差形成的電化學勢能。

結合先前所構建的“假說－演繹”法模型，教師引導學生應用“加法原則”和“減法原則”，精準找出兩個假說之間的差異，快速抓住應該加減的自變量，設計出驗證實驗的思路，進行演繹推理。隨后，教師展示賈格道夫（Jagendorf）等科學家的實驗（見圖4），學生觀察實驗現象分析得出結論，驗證猜想。

設計意圖：培養學生運用當前已有的生物學知識，大膽思考，深入探索，學會設計實驗，動手重新構建ATP合成的模型，領悟光反應中ATP合成的生物學原理，完成科學思維提升，發展批判性思維、模型構建等素養能力。

3.2基于遺傳設計題構建解題模型

例題 果蠅的有趣與無翅由一對等位基因（D、d）控制，翅形的長翅與殘翅由另一對等位基因（Q、q）控制，兩對基因均不住于Y染色體上。一只無翅雌果蠅與一只殘翅雄果蠅交配，F1全為長翅，讓F1雌雄果蠅隨機交配到得F2，統計F2表現型及比例如下所示。

（1）控制有翅與無翅的基因在_____染色體上，以_________為顯性性狀。

（2）控制長翅與殘翅的基因在_______染色體上，以_______為顯性性狀。

教師引導學生小組討論并依據“假說演繹”法合作歸納解題模板。

設計意圖：在高考復習中需要注重對知識的整合建模和在新情境中的靈活應用，將遺傳基因定位等題型的解題方法歸納建模，便于學生形成整體化、結構化、系統化的思維邏輯關系，有利于相關方法技巧的儲存和調取，從而快速突破高考高頻考點和難點。

3.3遷移學習模型，應用“假說－演繹”法解決問題

教師引導學生使用模型解決如下例題。

例題 從一個自然果蠅種群中選取一些從未交配過的果蠅，翅形為長翅和殘翅且數量相等，每種翅形果蠅雌雄各半。己知相對性狀長翅和殘翅由一對等位基因控制，均能正常存活。現采用兩個組合：長翅雌蠅×殘翅雄蠅、殘翅雌蠅×長翅雄蠅，只做一代雜交試驗，每個雜交組合均選用多對果蠅。嘗試推測兩個雜交組合中子代可能出現的性狀，對以下兩個問題做出相應的推斷：哪一種翅形是顯性性狀？控制翅形的基因位于常染色體上還是X染色體上？

教師請學生針對解答過程中出現的問題進行分析：把“未交配過的”果蠅當作純合子對待；視“多對果蠅”為一對果蠅；在設計實驗過程中，缺少最后預測結論。

在此處，教師向學生介紹處女蠅在遺傳學實驗中的重要意義，處女蠅不等同于純合子，且在多對果蠅雜交過程中會出現混交的情況，即母本是一個既有純合子又有雜合子的顯性群體。

在分析結束后評價提升，建構新的遺傳“假說－演繹”法解題模型（見表3）。

對于這類題型，教師可以歸納出答題模型：利用題目給出的“演繹結果”反推“假說”（見圖5）即分析實驗結果結論。

設計意圖：通過變式練習拓展應用等方法評價學生能否舉一反三地遷移應用模型，可以反映出學生科IpB2WlIv1W5+941hrx+GnnknquG48aYo9jFLWJ/8zJg=學思維等核心素養的發展情況。同時，學生在運用的過程中會產生新的矛盾、問題和體驗，從錯處出發，啟發深度思考，且生生互動活躍，此舉效果顯著。由此對先前所掌握的理論體系產生更加深刻的理解和創新，為后續學習提供源源不斷的動力。

4教學反思

在課堂中落實“五構”教學，通過“初構－解構－重構－創構－架構”這五個教學環節，“假說－演繹”法模型建構的明線與學科核心素養發展的暗線相交融，同時在情境創設中落實社會責任的培養。在這種教學模式下，學生可以通過模型建構、科學推理、理性思考、實驗驗證、質疑創新等方式，將知識體系遷移至新情境下解決問題，發展歸納演繹、抽象概括、分析綜合、批判性和創新性等科學思維。

將“假說－演繹”法應用于動植物實驗設計題的教學中，在課堂上增加互動，給學生提問和表達的機會，讓學生按照“假說－演繹”法的步驟，以科學家視角進行探索，學生經過自己的思考后，與小組同學溝通解決問題，發揮學生的主觀能動性。

針對學生的迷思概念進行“演繹”，教師可以在教學過程中引導學生強化“提出假說”和“演繹推理”步驟，運用多種方式教學，給學生更多的時間進行思考和探討。

筆者在實踐教學過程中發現，有的小組組員科學思辨能力較強，任務完成度高，但個別小組存在任務阻滯現象，活動推進困難。這就要求教師在課前對學生的原有知識和水平有所了解，合理分組，確定適合每個小組的組織者、記錄員、小結員、計時員等，確保小組內每一位同學都能充分參與，進而確保活動任務高效、順利完成。

利用科學史再現科學實驗情境，學生通過層層遞進式的分析代人科學家的思維，運用“假說演繹”法嘗試自主實驗設計。教師要盡可能地開展實驗教學，讓學生將自己的實驗設計動手實踐落地，增強學生對探究實驗的興趣和熱情，化抽象為具象，便于學生直觀理解。運用“假說－演繹”法對生物學事實進行探究式教學，能夠訓練科學思維，進而發展學生的生物學核心素養。