例析生物学教学中逆向思维的运用策略

陶忠华

(浙江省富阳中学 杭州 311400)

生物学概念、原理的发现大多是科学家从生物学现象入手，不断地提出问题、分析并解决问题，从而逐步建构和完善生物学概念、原理图式。这通常是一个“执果索因”的逆向思维的过程。因此，教师需要充分利用生物学科优势，挖掘生物学科资源，努力培养学生的逆向思维能力，这是提高学生科学素质、培养学生创新能力的重要途径。

1 逆向思维在“提出问题”过程中的运用

1．1 科学家运用逆向思维“提出问题”的样例 在生物学概念的形成、原理的探索过程中，科学家经常会运用逆向思维发现问题，提出问题。例如，科学家在探索基因控制蛋白质的合成过程中发现，在以DNA作为遗传物质的生物中，转录是以DNA的一条链为模板合成了RNA。根据当时对遗传物质的探索，将生物分为两类：以DNA作为遗传物质的生物和以RNA作为遗传物质的生物。于是科学家进行了逆向思考：既然前者能以DNA为模板合成RNA，那么后者能否以RNA为模板来合成DNA呢？最终，科学家在RNA病毒——劳氏肉瘤病毒中找到了逆转录酶，证明了在RNA病毒中能以RNA为模板合成DNA。

1．2 生物学教学中培养学生运用逆向思维“提出问题”的策略 教师在生物学教学中，向学生呈现的不应只是科学家运用逆向思维“提出问题”的结果，更重要的是要让学生学会如何运用逆向思维提出问题。这需要教师引导学生分析科学家是怎么运用逆向思维提出问题的。例如，在上例中，可以对科学家研究生物体内遗传信息的传递方向作一小结(表1)。从表中“？”处很自然地可以提出有意义的科学问题。教师进一步引导学生归纳运用逆向思维“提出问题”的一般性过程：①寻找已有概念的对立面：如“以DNA作为遗传物质的生物”的对立面为“以RNA作为遗传物质的生物”；②运用列表比较、画概念图等方法去发现未知的问题：如通过比较发现了以DNA作为遗传物质的生物中遗传信息的表达过程，于是发现了“以RNA作为遗传物质的生物中遗传信息如何表达”的问题；③提出假设：如根据“以DNA作为遗传物质的生物中，遗传信息从DNA→RNA”提出“以RNA作为遗传物质的生物中，遗传信息从RNA→DNA”的假设；④推理论证并寻求实验证据；⑤建构并完善认知图式。

1．3 生物学教学中培养学生运用逆向思维“提出问题”的实例分析 学生在学习“自由组合定律”后，明确了“自由组合定律”的实质：两对等位基因分别位于两对同源染色体上。根据这一实质，教师可以让学生分析这两对等位基因的关系，并进行列表比较(表2)，可以明确已知部分——两对等位基因互不干扰，独立分配时的遗传规律，未知部分——其对立面(两对等位基因有不同程度的相互干扰时)的遗传规律，从而提出有质量的科学问题。提出问题后，教师让学生进行假设：如果两对等位基因在同一对同源染色体上完全连锁。然后进行推理论证，巩固孟德尔的科学研究过程。同时学生也能发现：孟德尔的“自由组合定律”实际上是两对等位基因在干扰程度为0时的特例。

表1 两类生物体遗传信息传递方向

表2 两对等位基因的遗传“问题提出”分析表

2 逆向思维在“问题解决”过程中的运用

2．1 科学家运用逆向思维进行“问题解决”的样例 “DNA是主要的遗传物质”是科学家运用逆向思维进行问题解决的经典样例。在寻找“转化因子”的过程中，艾弗里将S型肺炎双球菌的DNA和蛋白质等物质分离提纯进行“离体细菌转化实验”。针对该实验的缺陷——物质分离提纯的纯度，艾弗里运用了逆向思维来解决这一问题：假如DNA不是遗传物质，则如果将DNA分解，将不会影响R型菌的转化。据此，他设计实验，用DNA酶分解S型菌的DNA，结果R型菌没有被转化。从反面证实了DNA是遗传物质，绕开了DNA提纯的困难。同时，教材也列举了运用正向思维来解决这一问题的实例：赫尔希等人通过“噬菌体侵染细菌的实验”证明DNA是遗传物质。他们利用噬菌体的结构特点直面艾弗里实验中的DNA纯度问题，但检测所用的技术手段显得更复杂。教材试图通过正向思维和逆向思维对同一问题进行解决的比较，使学生能体会到：在对某一问题解决陷入困境时，可以尝试从其反面来思考，可能会更简单。

2．2 生物学教学中培养学生运用逆向思维进行问题解决的策略 在教学实践中，需要教给学生运用逆向思维进行问题解决的思考范式或路径。教师需要充分利用教材样例，引导学生归纳运用逆向思维进行问题解决的可操作性流程，从而提高学生进行问题解决的能力。分析艾弗里的逆向思维过程，大致分成三大步骤：①假设待解决问题的对立面成立，如艾弗里待解决的问题是证明“DNA是遗传物质”，则假设其对立面“DNA不是遗传物质”成立；②将假设作为已知条件，进行实验设计、推理论证。如艾弗里在假设后，进行实验设计：用DNA酶将S型菌的DNA分解，并和R型菌混合；③分析推理结果或实验结果，证明假设或推翻假设。艾弗里用DNA酶处理的结果是R型菌不能转化，从而推翻假设，证明“DNA是遗传物质”。

2．3 生物学教学中培养学生运用逆向思维进行问题解决的实例分析 归纳了逆向思维在问题解决过程中的具体策略后，教师创设具体的生物学情境，引导学生运用逆向思维进行问题解决的训练。例如，教师可以让学生进行如下生物学问题解决：一批经多代种植果实均为红色的柿子椒种子被带上太空，将遨游过太空的柿子椒种子种植后，第一年收获的柿子椒均为红色，用收获的种子再种，第二年发现有数株所结柿子椒均为黄色。根据已知条件，你能否确定柿子椒果色的显隐性？请简要说明推断过程(设控制果色的基因为A，a)。

解析：①提出假设：假设红色对黄色为显性；②将假设作为已知条件，推理论证：根据假设，则遨游过太空的柿子椒(胚)的基因型为AA(红色)。若发生基因突变，可能结果是Aa或aa，其中aa种子种植在第一年不可能收获红色椒，所以突变结果只能是Aa。播种上述Aa种子，第一年收获的柿子椒，果色表现为红，但胚的基因型有些为aa，次年种植，aa种子长成的植株均结黄色果实。③对照生物学现象，吻合题意。同时，教师也可以让学生进行相反的假设，即红色对黄色为隐性，进行推理。