高中生物課堂教學(xué)發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的教學(xué)策略

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版2020年修訂）提出的學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，科學(xué)思維是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分。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。發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的能力和品質(zhì)是生物學(xué)教學(xué)的重要目標(biāo)之一。在教學(xué)實踐中，教師應(yīng)以核心素養(yǎng)為宗旨，探討生物課堂中發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維能力的有效教學(xué)策略。

一、利用經(jīng)典實驗搭架，培養(yǎng)學(xué)生批判性思維

在整個高中的生物科學(xué)習(xí)過程中，教材展示了諸多的科學(xué)史，這些科學(xué)史，也是諸多經(jīng)典實驗的再現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，除了感受科學(xué)家為科學(xué)奉獻(xiàn)的探究精神、人格魅力外，蘊(yùn)藏在實驗設(shè)計中的各種思維品質(zhì)也是學(xué)生可以體驗的。在教學(xué)過程中，利用好經(jīng)典實驗的素材，既有助于學(xué)生對科學(xué)過程和本質(zhì)的理解，也有利于提升科學(xué)思維能力，特別是批判性思維。

（一）問題導(dǎo)向強(qiáng)化批判性思維

當(dāng)今社會科技、信息高度發(fā)達(dá)，如何適應(yīng)瞬息萬變的環(huán)境，學(xué)生的獨立性、創(chuàng)造性是不可缺少的，而批判性思維正是學(xué)生獨立思考的前提。生物學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗設(shè)計體現(xiàn)科學(xué)家敏銳的洞察力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S能力，科學(xué)家獨到的思考能力和巧妙的實驗設(shè)計，體現(xiàn)著批判性思維。教師可以利用經(jīng)典實驗的素材分析，設(shè)置相關(guān)問題，引導(dǎo)學(xué)生在分析綜合的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化獨立思考、批判性思維。

人教版必修二《DNA是主要的遺傳物質(zhì)》，本節(jié)內(nèi)容介紹了科學(xué)家的四個實驗設(shè)計，都很經(jīng)典，值得學(xué)生不斷思考和回味。在格里菲思的肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實驗中由于DNA是分子結(jié)構(gòu)水平，抽象不好理解，教師可以借助問題串，剖析科學(xué)家的設(shè)計思路，在深度思考中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維。1.S型肺炎鏈球菌和R型肺炎鏈球菌的區(qū)別是什么？——實驗材料的選擇很重要。2.為什么加熱殺死的S型細(xì)菌還能使R型活細(xì)菌轉(zhuǎn)化為S型活細(xì)菌？—DNA和蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)不同。3.用流程圖寫出4組對照實驗過程—一找出實驗的自變量和因變量，在比較中理解科學(xué)家的實驗設(shè)計思路和目的。4.第4組實驗中，所有R型菌都會被轉(zhuǎn)化為S型菌嗎——轉(zhuǎn)化是有條件的，科學(xué)實驗不是想當(dāng)然，而是在實驗中不斷摸索、總結(jié)經(jīng)驗，在失敗中前進(jìn)。

通過對科學(xué)家設(shè)計思路的拆解，以問題形式呈現(xiàn)，還原思考過程。學(xué)生在解讀實驗過程中，需要加入自己的獨立思考和認(rèn)知。這也是發(fā)展批判性思維需要經(jīng)歷的途徑。

（二）數(shù)據(jù)解讀訓(xùn)練批判性思維

在實驗的論證過程中，數(shù)據(jù)解讀是很重要的一個環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)是直觀的、形象的，如何從直觀的信息中提取出有效的信息，并加工形成一定的理論知識，也是科學(xué)思維的過程。教師可以通過事實的呈現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有效的思考和討論，有助于學(xué)生基于事實與證據(jù)，在分析、綜合的基礎(chǔ)上，發(fā)展學(xué)生的批判性思維。

人教版必修一《細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)和功能》圍繞“細(xì)胞核的功能”，教材呈現(xiàn)多則資料分析，事實上是多個經(jīng)典實驗，教師以經(jīng)典實驗為載體，搭建支架，通過分析與綜合、歸納與概括等，學(xué)生初步得出細(xì)胞核的重要性。“是不是只要有細(xì)胞核，細(xì)胞的存活就沒有問題？”批判性思維的訓(xùn)練可以借此登場。教師給出資料分析：科學(xué)家曾做過實驗，100個細(xì)胞，把每個細(xì)胞都分成兩部分，一部分含有細(xì)胞核，另一部分沒有細(xì)胞核。所有的細(xì)胞都放在一定的相同條件下培養(yǎng)。實驗數(shù)據(jù)如表1所示：

表1實驗相關(guān)數(shù)據(jù)

如何對這么多細(xì)胞有核部分的死做出合乎邏輯的解釋？學(xué)生借助這些數(shù)據(jù)，對實驗進(jìn)行一定的分析、推理，如果還停留在細(xì)胞核的重要性，是得不到答案的。要求學(xué)生要有一定的敏銳、求真思維特性，有反思及自我調(diào)整特性，才能得出答案：“一是實驗過程中人為因素對細(xì)胞造成了傷害，導(dǎo)致部分細(xì)胞死亡，二是細(xì)胞的正常凋亡。”這樣的訓(xùn)練正是批判性思維所需要的。

二、借助思維可視化，提升思維建模能力

高中生物學(xué)的學(xué)習(xí)需要學(xué)生完成從直觀形象思維向抽象邏輯思維的轉(zhuǎn)化，以適應(yīng)抽象程度越來越大的知識體系構(gòu)建，在不同的教學(xué)內(nèi)容中實現(xiàn)共同的教學(xué)目標(biāo)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。在這一過程中，教師可借助科學(xué)思維可視化的過程引導(dǎo)學(xué)生深度理解和遷移應(yīng)用概念。

（一）圖文轉(zhuǎn)化助推思維建模能力

知識的學(xué)習(xí)和理解主要體現(xiàn)在解決實踐情境的真實問題，它絕不是簡單的死記硬背。教師可引導(dǎo)學(xué)生利用圖文轉(zhuǎn)化、歸納與概括、思維建模等科學(xué)思維方法，完成知識的應(yīng)用和遷移。近年來的生物高考，強(qiáng)調(diào)以生物學(xué)知識為載體，考查學(xué)生對有效信息的獲取能力。試題的情境是新穎而且復(fù)雜的，傳統(tǒng)的“刷題”很難形成思維訓(xùn)練，無法契合當(dāng)前要求的情境化高考試題中正確解釋生物學(xué)現(xiàn)象。這就要求學(xué)生在平時能進(jìn)行有效的圖文轉(zhuǎn)化，養(yǎng)成思維建模的好習(xí)慣，讓思維可視化。

例如：某抗體類藥物能結(jié)合肺癌細(xì)胞表面HER2受體，阻斷受體功能，引起癌細(xì)胞發(fā)生一系列變化而凋亡（見圖1）。下列對癌細(xì)胞變化的分析不合理的是

A.凋亡基因表達(dá)上調(diào)，提示HER2受體被激活B.細(xì)胞由扁平形變?yōu)榍蛐危崾炯?xì)胞骨架受到影響C.細(xì)胞膜的磷脂酰絲氨酸由內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)到外側(cè)，提示細(xì)胞膜流動性改變D.基因組DNA被降解成約200堿基對的小片段，提示DNA酶被激活

圖1某抗體藥作用機(jī)制模型

在解題的過程中，引導(dǎo)學(xué)生完成圖文轉(zhuǎn)化和信息簡化過程，用圓圈代表癌細(xì)胞，HER2受體在膜上，當(dāng)抗體藥和受體結(jié)合，引起細(xì)胞凋亡，用相應(yīng)圖形表示出來，非常直觀，讓思維可視化，由此也完成了信息的轉(zhuǎn)化、推理過程，學(xué)生能快速判斷出A選項表達(dá)的意思和轉(zhuǎn)化出來的信息是不符的，從而判斷A是錯誤選項。

（二）信息整合訓(xùn)練思維建模能力

《中國高考評價體系》把高考考查內(nèi)容凝練為“四層”，其中“學(xué)科素養(yǎng)”是其中的一層，學(xué)科素養(yǎng)的二級指標(biāo)“科學(xué)思維”就要求學(xué)生能運用多種思維方法組織、調(diào)動相關(guān)知識與能力，在面對各種與學(xué)科相關(guān)的實際問題時，在科學(xué)思維指引下，能進(jìn)行相應(yīng)信息轉(zhuǎn)化、構(gòu)建解釋等，達(dá)到解決真實情境中的問題。科學(xué)探究也是生物學(xué)的主要內(nèi)容，在科學(xué)探究過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生采用科學(xué)工具和科學(xué)方法對生活實踐情境進(jìn)行信息整合、演繹推理、構(gòu)建思維模型，解決、論證相關(guān)實踐問題。

例如：科研人員以擬南芥為材料，通過實驗發(fā)現(xiàn)：萌發(fā)擬南芥下胚軸的伸長量和乙烯、HY5蛋白（光形態(tài)建成蛋白）密切相關(guān)，且在黑暗中的伸長量顯著高于正常光照條件下；與野生型相比，無論光照或者黑暗條件下，乙烯過量生成突變體和HY5基因缺失突變體均表現(xiàn)出下胚軸明顯伸長的表型。回答下列問題：

（1）光照條件下野生型擬南芥幼苗下胚軸明顯縮短，從光調(diào)控植物生長發(fā)育的反應(yīng)機(jī)制角度來看，可能的原因是

（2）乙烯和 HY5蛋白均參與擬南芥幼苗下胚軸生長的調(diào)控，它們對下胚軸伸長分別起作用。 （其他小題略）

根據(jù)題目提供的信息，可以構(gòu)建如圖2的解題模型：

過量生成正常 乙烯 下胚軸明顯伸長伸長下胚軸HY5蛋白 下胚軸明顯伸長（黑暗gt;正常光照） 缺失突變

根據(jù)模型，下胚軸伸長與乙烯和HY5蛋白有關(guān)，乙烯過量，HY5蛋白缺失，下胚軸明顯伸長，很直觀推出（2）題答案乙烯是促進(jìn)作用，HY5蛋白是抑制作用。又因為黑暗中伸長量大于正常光照，HY5蛋白是光形態(tài)建成蛋白，所以，推出（1）題答案的邏輯線是光照一一光敏色素激活—結(jié)構(gòu)發(fā)生變化—誘導(dǎo)表達(dá)HY5蛋白抑制伸長一下胚軸比較短。然后再組織梳理答案。

三、利用概念模型，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)、整體思維

生物學(xué)的學(xué)習(xí)，概念的建立很重要。而概念也是一種重要的模型，概念的形成過程就是建立模型的過程[1]。在一節(jié)課中，學(xué)生學(xué)到的知識點是細(xì)碎、零散的，最終，教師要引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)一定的重要概念，形成相關(guān)的生命觀念，這一過程也是在運用一系列的科學(xué)思維方法中形成的，特別是系統(tǒng)、整體思維。

（一）概念建構(gòu)訓(xùn)練系統(tǒng)思維

圖2乙烯和HY5蛋白調(diào)控擬南芥幼苗下胚軸生長模型

在概念的建構(gòu)過程中，系統(tǒng)思維的訓(xùn)練具有關(guān)鍵的作用。系統(tǒng)思維指的是學(xué)生在技術(shù)學(xué)習(xí)過程中所養(yǎng)成的一種思維方式和行為習(xí)慣，它一般具有五個特點，即整體性、結(jié)構(gòu)性、立體性、動態(tài)性和綜合性[2]。概念的建構(gòu)應(yīng)該遵循從局部到整體的原則。教學(xué)過程中，教師可引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用系統(tǒng)思維，學(xué)會從系統(tǒng)的整體性出發(fā)，分析整體與局部，局部與局部之間的相互關(guān)系，設(shè)計概念圖。

例如：在人教版選必二《人與環(huán)境》這章中，知識內(nèi)容對學(xué)生來說并不是難點，重要的是相關(guān)核心素養(yǎng)的達(dá)成。人與環(huán)境的關(guān)系是十分復(fù)雜的，通過這一章的學(xué)習(xí)，學(xué)生要能夠感悟生物學(xué)因果關(guān)系的復(fù)雜性。

通過教師設(shè)計的概念圖，一步步引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識人與環(huán)境之間復(fù)雜的關(guān)系。在解決問題的過程中，把零散的知識串成有機(jī)的一條線、整體化，建構(gòu)概念“人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡有著深遠(yuǎn)的影響，依據(jù)生態(tài)學(xué)原理保護(hù)環(huán)境是人類生存和可持續(xù)發(fā)展的必要條件”。在建構(gòu)概念過程中訓(xùn)練學(xué)生的系統(tǒng)思維。

（二）板書設(shè)計形成整體思維

課堂教學(xué)中，板書經(jīng)常有畫龍點晴的作用，精心設(shè)計的板書，有事半功倍的作用，能站在高屋建瓴的角度，從整體、全局出發(fā)，幫助學(xué)生構(gòu)建完整的概念。好的板書是在一系列事實性材料的基礎(chǔ)上，提煉、歸納出來的，學(xué)生在充分運用分析與綜合、抽象與概括等科學(xué)思維方法之后，兼顧局部和整體的關(guān)系，形成整體思維。所以，通過教師精心設(shè)計的板書，引導(dǎo)建構(gòu)概念，是多種科學(xué)思維方法的綜合應(yīng)用，特別是對培養(yǎng)學(xué)生的整體思維是很好的機(jī)會。

例如：人教版必修一《細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)和功能》一節(jié)的板書。

圖3人與環(huán)境關(guān)系概念圖

面對教師呈現(xiàn)或者學(xué)生觀察到的事實性材料，如何得出結(jié)論，得出什么樣的結(jié)論，需要教師給予思維上的引導(dǎo)[3]。本節(jié)課的板書，以細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)為起點，從染色質(zhì)一DNA一基因，引出遺傳信息庫，再從結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念探究細(xì)胞核的功能，最后，聯(lián)系細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)，幫助學(xué)生建構(gòu)概念“細(xì)胞是生命體結(jié)構(gòu)的基本單位”和“細(xì)胞是代謝和遺傳的基本單位”，體現(xiàn)了思維的整體性。

四、通過建構(gòu)物理模型，提升學(xué)生思維品質(zhì)

模型建構(gòu)不僅要做，而且要在做中實現(xiàn)概念的形成和理解，更要在做中體驗、思維和創(chuàng)造[4]。可以利用書本探究實踐“嘗試制作真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型”“利用廢舊物品制作生物膜模型”“制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”“制作質(zhì)粒載體模型”等活動，引導(dǎo)學(xué)生課后體驗建構(gòu)物理模型，它是多種科學(xué)思維方法的綜合應(yīng)用過程。

（一）模型建構(gòu)中體驗科學(xué)思維方法

高中許多生物知識點是抽象的，特別是分子結(jié)構(gòu)，看不見，摸不著，對學(xué)生來說是難點。教師可以借助物理模型的建構(gòu)，化抽象為形象，利于學(xué)生理解、掌握相應(yīng)的知識。學(xué)生通過模型建構(gòu)活動，在制作、修正、展示、交流等環(huán)節(jié)中，是模型與建模、歸納與概括、分析與綜合等多種思維方法的具體運用，也是提升學(xué)生科學(xué)思維品質(zhì)的途徑之一。

人教版選必三《重組DNA技術(shù)的基本工具》，書本介紹了將外源基因送入細(xì)胞的載體一一質(zhì)粒。質(zhì)粒是一種獨立的、具有自我復(fù)制能力的環(huán)狀雙鏈DNA分子。因為DNA是分子結(jié)構(gòu)，對學(xué)生來說很抽象，加上許多高考題在這方面的拓展很多，這個知識點是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點，化解這個難點就可以通過建構(gòu)物理模型來解決，學(xué)生能更直觀感受質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)特點。活動要求：課前布置任務(wù)，學(xué)生以礦泉水瓶子、不同顏色的卡紙為材料，在卡紙上打印不同的堿基系列，代表不同的DNA結(jié)構(gòu)。還需要剪刀、膠水等工具，建構(gòu)大腸桿菌載體模型。建模目的：利用物理模型，學(xué)生能更直觀感受質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)特點，歸納總結(jié)作為載體需具備的條件、單酶切、雙酶切、正向連接、反向連接等諸多基因工程操作具備的基本常識。活動過程：1.根據(jù)活動要求，小組成員分工合作，用礦泉水瓶子代表一個大腸桿菌細(xì)胞，用白色環(huán)狀紙的堿基序列代表質(zhì)粒DNA，用紅色紙條堿基序列代表目的基因，剪刀代表限制酶，膠水代表DNA連接酶，小組要完成目的基因和質(zhì)粒的連接，并送入大腸桿菌細(xì)胞。2.在展示交流中達(dá)成共識，目的基因和質(zhì)粒連接的條件，單酶切和雙酶切的不同點，正向連接和反向連接的條件和區(qū)別等。在建模的過程中，學(xué)生需要應(yīng)用多種科學(xué)思維方法，如分析與綜合、歸納與概括等，科學(xué)思維能力得到訓(xùn)練，思維品質(zhì)得到提升。

（二）評價促進(jìn)創(chuàng)新思維

在這個知識更新速度極快的時代，創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)已經(jīng)成為教育的重要目標(biāo)[5]。在傳授知識的同時，能力的培養(yǎng)也是不可忽視的。評價機(jī)制是對學(xué)生的肯定，也能大大激發(fā)學(xué)習(xí)熱情和欲望。教師可以創(chuàng)造條件和機(jī)會，使學(xué)生思維外顯化，并充分發(fā)揮評價的功效，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展。

例如：學(xué)生在制作物理模型時，他們的思維往往是發(fā)散的，他們展現(xiàn)出了絕妙的創(chuàng)意和超強(qiáng)的動手能力，這一過程是激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維很好的途徑。教師要抓住這樣的機(jī)會，呵護(hù)學(xué)生的創(chuàng)新思維。相應(yīng)的模型活動要求學(xué)生課后合作，以小組為單位，上交模型作業(yè)。評價原則主要從科學(xué)性、創(chuàng)新性、美觀性及團(tuán)隊合作等方面進(jìn)行評價，評出一、二、三等獎若干，并用展板在年段進(jìn)行展示、交流、表揚。學(xué)生通過作品，可以把科學(xué)思維能力外顯化，在展示、交流中，對自我的肯定，對團(tuán)隊的肯定，是學(xué)生滿足感的良好體驗。有了滿足感，才有進(jìn)一步學(xué)習(xí)、發(fā)展的欲望以及探究的動力，并促進(jìn)創(chuàng)新思維的發(fā)展。

圖5學(xué)生制作的部分真核細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)模型

結(jié)束語

科學(xué)思維是在認(rèn)識事物、解決問題的過程中形成的能力和品格，是學(xué)生終身發(fā)展所需要的，也是學(xué)科育人價值的體現(xiàn)。高中生物學(xué)中抽象、龐大的知識體系，需要學(xué)生以事實證據(jù)和邏輯分析為主要指向，充分利用各種科學(xué)思維方法解決問題。教師必須在不同的教學(xué)內(nèi)容中實現(xiàn)共同的教學(xué)目標(biāo)發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維。它絕非一節(jié)之功或一日之功，需要的是教師在教學(xué)中有意識地培養(yǎng)和日積月累。

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