应用科学史发展学生的科学探究能力

郑晓璇

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》明确提出课程的基本理念要以核心素養为宗旨。科学探究是核心素养的一方面，是指能够发现现实世界的生物学问题，针对待定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及对结果的交流与讨论的能力。学生应在探究过程中，逐步增强对自然现象的好奇心和求知欲，掌握科学探究的基本思路和方法，提高实践能力;在探究中，乐于并善于团队合作，勇于创新。授人以鱼不如授人以渔，笔者认为生物科学史是培养学生探究能力的好素材，生物科学史记录着生命科学的探究历程，其体现着科学探究必备的科学素养，是科学家科学探究能力的体现。如果教师能够活用每一段科学史，让学生体验科学家的探究历程，掌握科学探究的基本思路和方法，学习科学家敢于质疑，勤奋实践，严谨求实的精神，真正地培养了学生的科学探究的意识和能力，从而提高学生的生物学素养，那么教学才算成功。下面以“基因在染色体上”一节为例，阐述生物科学史在发展学生探究能力方面的应用。

“基因在染色体上”是人教版高中生物学教材《比修2*遗传与进化》第二章第二节的内容，教材主要安排了萨顿的假说、基因位于染色体上的实验证据和孟德尔遗传规律的现代解释三部分。沿着科学史的发现过程来看，本节课是孟德尔遗传规律、减数分裂的延续，这一科学史的探究历程是很好的教学史料，有助于学生将孟德尔的遗传规律和减数分裂有机地结合在一起，更好地理解其本质意义，还可促进学生对常染色体和伴性遗传规律的理解和综合运用，有助于学生认识科学知识的形成、发展和完善到应用的过程。笔者在本节课中以完整的科学史发现过程为主线，采用问题进行合作探究，激发学生的学习兴趣，让学生亲身体验“类比推理法”和“假说一演绎法”这两种重要的科学方法的应用，发挥学生学习的主动性，培养学生科学探究的意识和能力。

1 导入：培养学生观察、比较、分析、推理、讨论交流的能力

教师引导学生回顾孟德尔豌豆杂交实验中基因的行为变化以及减数分裂过程中染色体的行为变化，并要求学生以图的形式总结两对遗传因子在形成配子时的行为变化规律和减数分裂两对同源染色体的细胞在形成配子时的行为变化规律。教师引导学生思考：基因和染色体有什么关系？基因到底在哪里？

学生回顾、思考、讨论、画图，通过观察发现基因和染色体之间存在平行关系，并且大胆推测：①基因就是染色体;②基因位于染色体上。

教师引导学生继续推理哪种可能大些，学生通过自身己掌握的生物学知识可推出基因在染色体上：

①从数量关系看，如人的染色体只有46条，但基因却成百上千个;

②从大小看，在光学显微镜下染色体可见，基因不可见。

通过上面的分析，学生无意识地运用了类比推理的科学方法。教师肯定并表扬学生具备科学探究的精神，简要介绍类比推理法，并提示有科学家用了类比推理法推理出基因在染色体上。学生的好奇心被激发，迫切想知道科学家的推理过程是否与自己的一致。

2 学习萨顿的假说：培养学生合作学习的能力

教师呈现萨顿的发现，引导学生阅读教材27页萨顿提出基因在染色体上的原因，并且要求学生合作完成表1。

学生合作完成表1，对比发现，萨顿推理的过程和自己推理的过程很类似，都用了类比推理。学生尝试到了探究成功的成就感。紧接着，教师重点介绍类比推理，学生由此知道了通过类比推理得出的结论并不具有逻辑的必然性，其正确与否还需要观察和实验的检验。此时，学生的探究欲望被激发，进而转入寻找基因位于染色体上的实验证据。

3 寻找基因位于染色体上的实验证据：体验假说一演绎法的应用，培养学生主动探究的意识和能力

3.1 发现问题

教师以课件展示教材图2-8摩尔根的果蝇杂交实验以及红、白果蝇图片，引导学生据图描述其实验过程以及实验结果，目的是使学生学会观察遗传图解并用规范语言表述，训练学生的观察和语言组织能力。

通过观察，学生发现了果蝇的眼色这对相对性状受一对等位基因的控制，符合孟德尔分离定律，同时也发现问题：白眼性状只出现在雄性个体中。教师提问：为什么白眼性状的表现总是与性别相联系？

教师引导学生思考：如果按照萨顿的理论，基因在染色体上，那么控制白眼的基因是在常染色体上，还是在性染色体上呢？

学生回答：在性染色体上。

教师展示教材图2-9雌雄果蝇体细胞的染色体图解补充介绍果蝇体细胞的染色体组成，同时展示性染色体的结构（图1），并提出问题：大家认为控制白眼的基因位于性染色体上，那么白眼基因可能在性染色体的哪个位置呢？

3.2 提出假说

学生通过讨论提出三种假说：

①控制白眼的基因是在Y染色体上，而X染色体上没有。

②控制白眼的基因在X、Y染色体上。

③控制白眼的基因在X染色体上，而Y染色体上不含有它的等位基因。

教师进一步提问：这些假说都与摩尔根的杂交实验结果相符吗？

3.3 对实验现象进行解释

学生被激发进一步探究欲望，进行了激烈的讨论。教师引导学生用遗传图解分析，并且让学生代表演示其过程及分析结果（图2～4）。

通过演示结果可以排除假说①，但是也发现了假说②和③都可以解释摩尔根的实验结果。到底哪种才是正确的？此时，学生的探究热情不断发酵。

教师提示学生回顾孟德尔发现遗传规律的过程用的科学方法，提出：假说除了能解释当前实验之外，还需得能预测未做的实验，即需要对假说进行验证，那么应该要用什么方法呢？学生顺势想到了测交。

3.4 演绎推理

教师引导学生进一步讨论，设计测交实验方案并进行演示（图5）。

从演示结果看出，假说②和假说③子代的表现型及其比例完全相同，这样的结果再次出乎学生的意料。验证遇到困难，要怎样才能检测哪种假说是正确的呢？学生充满疑惑，探究的欲望空前高涨，教师需引导学生重新设计出新的测交方案：“我们知道测交是将F1与隐性纯合子杂交，那么同学们观察你们设计的测交方案，是否只能是红眼雌果蝇和白眼雄果蝇杂交？”学生通过观察发现可以用红眼雄果蝇和白眼雌果蝇杂交，学生讨论并画出遗传图解（图6）。学生意识到这正是孟德尔设计的正反交实验，使其深入理解孟德尔设计正反交实验的用意，体验科学探究的严谨，以及科学探究方法的应用，提高学生的探究意识。

3.5 验证假说，得出结论

教师展示摩尔根的测交实验结果：①红眼雌果蝇和白眼雄果蝇测交结果：红眼雌果蝇126只，红眼雄果蝇132只，白眼雌果蝇120只，白眼雄果蝇115只。②红眼雄果蝇和白眼雌果蝇测交结果：红眼雌果蝇和白眼雄果蝇为1：1。从而说明假说③才是正确的，即控制白眼的基因在X染色体上，而Y染色体上不含有它的等位基因，也就说明了基因位于染色体上。

教师展示教材图2-11果蝇某一条染色体上的几个基因，介绍摩尔根绘出的果蝇各种基因在染色体上的相对位置，同时展示现代分子生物学技术将基因定位在基因染色体上的图确定基因在染色体上，引导学生观察并得出结论：一条染色体上有许多基因;基因在染色体上呈线性排列。

4 理解孟德尔遗传规律的现代解释：培养学生分析、对比、交流、合作的能力

教师展示减数分裂细胞模式图，引导学生总结孟德尔遗传规律的实质。通过对分离定律和自由组合定律的现代解释对比，教师提出问题：一对染色体上的两对等位基因符合孟德尔的自由组合定律吗？它们会不会发生自由组合？学生讨论后，画出其对应的细胞减数分裂图。

学生通过讨论并画图，很快就能领悟到孟德尔遗传规律的现代解释的本质，最后师生共同分析、总结。

5 教学反思

本节课教学之前，教师需要做大量的课前准备工作：

①将科学史转化为让学生主动探究发现的过程，使学生在体验科学发现过程中学会运用类比推理和假说一演绎法这两种科学方法深入分析实验过程。

②设计一系列的问题串，将教学内容层次化、渐进化，有效地激发学生的探究欲望，使学生的思维处于兴奋状态。同时问题的设置需符合学生的思维，才能为学生做好铺垫。

③充分预设课堂可能出现的情况，做好意外生成的准备。

教学过程始终以学生为主体，教师适时以问题引导，主要让学生通过合作学习体验科学探究的过程，学会运用科学探究方法解决实际问题，培养学生科学探究的意识和能力，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，以及培养学生严谨求实的科学态度和科学精神，进而提高学生的生物学素养。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版）[s].北京：人民教育出版社，2017.

[2]朱止威，赵占良.普通高中课程标准实验教科书：生物·必修2.遺传与进化教师教学用书[M].北京：人民教育出版社，2007：46-56.

[3]陈侠.按照知识的逻辑组织教学，促进学生逻辑思维的发展——以“基因在染色体上”教学内容为例[J].中学生物学，2017（8）：5-7.