基于发展科学思维的高中生物概念教学案例研究

徐正龙

（安徽省岳西县汤池中学，yxzxxzl@126.com）

摘  要：阐释科学思维的涵义及其主要内容，分析发展科学思维的常见错误，通过典型概念教学案例研究，探寻科学思维培养的有效路径。

关键词：高中生物 概念教学，案例研究，科学思维  核心素养

引  言

科学思维是生物四大核心素养之一，对促进学生生命观念的形成^[1]，培养其科学探究精神，增强其社会责任感意义重大。

一、 高中生物学中科学思维的涵义及其内容

科学思维是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。高中生物学课程标准对发展科学思维，提出了如下的具体内容：能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学上的议题^[2]。

二、例举高中生物教学中缺乏科学思维现象

1.缺乏生活常识，得出错误结论

示例1：如许多学生在分析米酒酿制过程中为什么“先来水，后来酒？”时，往往得出这样答案：“微生物（或曲霉）先进行有氧呼吸产生水，再通过无氧呼吸产生酒精和二氧化碳”。米酒酿制过程中，第一步要把米煮成饭，这一过程中，1公斤米大约要通过淀粉的吸胀作用吸收1.5公斤水，在酿制过程中，通过微生物（曲霉）的作用促进淀粉水解，被吸胀的水释放出来，这才是“先来水”的主要原因，微生物通过有氧呼吸产生的水，占“先来水”的比例很低。

2．缺乏联系观点，孤立分析问题

示例2：如许多学生在分析水稻、番茄吸收硅酸根离子和钙离子的柱状图时，对培养液中离子浓度显著下降现象，用植物吸收很好解释，对离子浓度增大了现象，很是困惑，甚至得出“水稻在生长过程中不断排出钙离子”的错误结论。缺乏联系观点，孤立地分析问题，没有考虑到水稻在生长过程中，通过根系既要吸水，又要吸收矿质离子，才得出如此荒唐的结论。

3．缺乏思维深度，分析浅尝辄止

示例3：接上述水稻吸水与吸收矿质离子问题。有的同学即使考虑到了吸水与吸盐，单纯从吸水多于吸盐，分析离子浓度上升。事实上，水稻生长过程中，对任何矿质离子而言，肯定都是吸水多于吸盐，为什么有的浓度显著下降了，有的浓度上升了，一定要基于培养液的起始矿质离子浓度，考虑到吸水与吸盐的相对比例（如矿质离子起始浓度为5%，吸收5%的矿质离子与吸收95%的水，视为相对比例一致，培养过程中，矿质离子浓度不升不降。）

三、在概念教学中发展科学思维的几个案例

着力于“教学实践研究”，即加强概念教学案例研究，进行科学的生物学阐释，并通过归纳、总结、提炼生物概念，引导学生发展科学思维。

1.引导学生进行归纳与概括

案例1：光合作用历程的探究 先引导学生先阅读教材，了解十九世纪末科学界的普遍观点：光合作用第一步是二氧化碳中氧和碳的分离，氧元素以氧气方式释放，碳与水形成甲醛，甲醛再转化为糖类等有机物。继而了解科学家发现甲醛对植物有毒害作用，甲醛无法在植物体内转化为糖类，依据这个发现否定之前的普遍观点。随后知悉希尔反应，即离体叶绿体在没有提供二氧化碳情况下，产生了氧气。最后，知悉鲁宾和卡门运用同位素示踪法，发现光合作用产生氧气中的氧元素全部来自水。

运用在光合作用原理中光反应的发现历程，引导学生基于事实和证据，进行归纳、、概括，思维能力得以提升，从而理解光合作用光反应的物质转变过程，即水的光解，释放氧气，产生ATP和NADPH。

2.培养学生演绎与推理能力

案例2：遗传推断题案例教学 在分析遗传系谱图时，父母表现型均正常，生了一个患病的女儿（致病基因用b表示，正常基因用B表示）。怎样判断该病属于常染色体隐性遗传病呢？在学生已经能够推断这种病属于隐性遗传病基础上，此病只有两种情况，一是常染色体隐性遗传病，二是X染色体隐性遗传病。假设该病是X染色体隐性遗传病，女孩的基因组成为X^bX^b，依据减数分裂和受精作用的事实，必然有一个X^b来自其父亲，则其父亲基因组成必然是X^bY，表现型为患病，与题干中表型正常相矛盾，由此说明我们的假设不正确，假设的对立面正确，即该种病属于常染色体隐性遗传病。

运用假说演绎法，分析遗传推断题，是培养学生演绎与推理能力的最佳切入点。而且此推断过程，还灵活运用了演绎推理，得出结果与预期不一致，再根据非此即彼的辩证思维，判断不是假设的情况，必然是没有假设的那种情况。

3.培养学生运用模型与建模解释生物学概念

案例3：有丝分裂各个时期主要特征的案例教学 教师引导学生解构染色体成分是DNA和蛋白质，再结合DNA是遗传信息的载体，染色体是基因的载体，引导学生分析有丝分裂过程中染色体的行为特征。如丝状的染色质为什么要复制？为什么要缩短变粗成为棒状的染色体？为什么要出现纺锤丝和纺锤体？纺锤丝为什么要先牵引染色体在赤道板有序排列，着丝点再分裂？核仁和核膜在前期为什么要消失，末期为什么会重新出现？

结合上述思考题，教师引导学生以一起建构分裂间期以及分裂前、中、后、末四个时期的染色体物理模型，加深对有丝分裂意义“确保遗传物质精确的平均分配”的理解。在学生学懂弄通的基础上，进一步阐明有丝分裂过程中基因在间期进行选择性表达，在分裂期高度封闭等，其目的也是“确保遗传物质精确的平均分配”。

4. 训练学生批判性思维

案例4：酶的概念形成 酶的概念是不断发展的，其概念形成过程，充分展示了批判性思维对科学发展的推动作用。高中生物教材中从赫赫有名的微生物学家巴斯德与名气不大的李比希的争论入手，到底哪一个观点正确。直接推动了毕希纳的研究，发现巴斯德和李比希的观点都有正确的成分，也有不太合理的内容。毕希纳的研究，让人们对酶的概念，有了进一步的认识，即在细胞内产生，在细胞内外都能发挥催化作用。特别是多种酶的本质被实验证实为蛋白质之后，切赫和奥特曼的研究发现少数酶的本质是RNA，由此酶的概念在具有批判性思维的科学家们不断争论和研究中发展，最终定义为“活细胞产生的一类具有催化作用的有机物，绝大多数酶的本质是蛋白质。”

敢于质疑权威理论，基于科学史实，找到确凿证据，发展批判性思维，这是许多科学理论不断发展的基本路径。诸于光合作用概念的形成与发展、中心法则的提出与发展、遗传物质的发现过程等，都是发展学生批判性思维的最佳切入点。

5. 培养学生创造性思维

案例5：同源染色体概念及染色体结构变异的教学 人教版教材中同源染色体的概念是这样表述的：“配对两条染色体，形状、大小一般都相同，一条来自父方，另一条来自母方，叫做同源染色体。” 有学生会提出疑问：“一条来自父方，另一条来自母方，来源不同啊？怎么叫同源染色体？”

教师要运用生物生殖方式进化的知识来答疑解惑，有必要花费一些时间，跟学生说明最原始的单细胞生物染色体是成单存在的，细胞增殖时染色体复制之后不分裂或两个单细胞融合，会产生染色体加倍的单细胞生物，这种变异的生物个体，在适应环境方面占有明显优势，通过自然选择出现了二倍体生物。所以这个“同源”是指染色体的进化起源相同，近期来源反而不同^[3]。

染色体结构变异中的缺失、重复、颠倒与易位，是怎样产生的？教师结合减数分裂I过程中的交叉互换，正常的等价互换产生基因重组，不等价互换即产生某条染色单体片段缺失，那段没有正常交换过来的染色体片段，如果顺接到姊妹染色单体的末端，即产生重复，如果反接到姊妹染色单体的末端或中间，即产生颠倒；如对接到非同源染色体的染色单体上，即产生易位。

剖析同源染色体“进化起源”相同，合理解释染色体结构变异中颠倒和易位现象，引导学生深刻理解基因数量增减、基因选择性表达的程序改变，都属于基因的稳态与平衡，从而培养学生的创新思维。

参考文献

 [1]吴成军：《基于生物学核心素养的高考命题研究》，《中国考试》2016年第10期。

[2]中华人民共和国教育部：《普通高中生物学课程标准》，人民教育出版社，2020年。

[3]徐正龙：《高中生物概念教学难点与突破策略》，《安庆师范学院学报》（自然科学版）

2016年第1期