基于科学思维的启发式教学在高中生物教学中的应用

徐小欢 李德红

摘要 以“DNA的复制方式”教学为例，探讨启发式教学对学生科学思维培养的有效性。通过分析学生学习前的心理素质结构水平，在结构水平较低处采取多元化的启发策略，达成培养学生的科学思维的目标。

关键词 科学思维 启发式教学 高中生物 DNA的复制方式

中图分类号 G633.91

文献标志码 B

1 启发式教学的定义及理论基础

启发式教学是从学生的生活经验和知识基础出发，结合教学内容，激发学生的动机和兴趣，促使学生主动思考，并获得知识，发展能力的教学模式。

启发式教学源于现代认知派心理学家布鲁纳的发现学习理论。而现代意义上的启发式教学是有指导的发现学习，即结构化的发现学习，教师需要通过问题情境和材料信息等引导学生积极主动地形成认知结构。建构主义理论从思维本质上揭示了新知识的学习过程，即学习者是主动地建构知识。在其指导下，启发式教学更加注重以学生为主体、知识间的关联性、符合意义建构的情境等。学习是学习者系统中的心理素质结构，即知识、技能和人格品质由于受到启发而不断改善，从低级状态进入有序的高级状态，实现进步的过程（图1）。因此，教师应从多方面启发诱导，学习系统才能更快地发展。

2 科学思维方法与品质

科学思维是生物学核心素养之一，其方法包括比较与分类、分析与综合、归纳与演绎、抽象与概括、建立模型、批判性思维等。个体的思维能力依赖于思维方法和思维品质。而思维品质主要表现在深刻性、灵活性、批判性和创造性等方面。

科学探究案例是培养科学思维的重要材料，下面以“DNA的复制方式”教学为例，阐述如何在高中生物教学中采用启发式教学，着力发展学生的科学思维。

3 应用启发式教学，发展科学思维

在启发式教学中，启发的方法有多种，从途径上分为观察启发、讨论启发、实验启发、现代化教学手段启发等;从材料上分科学史启发、上位知识引申启发、实际问题启发等，具体方法依教学内容而定。

3.1 学生学习前心理素质结构分析

学习之前，教师需要分析学习前学生的心理素质结构水平。在知识结构上，学生已经了解DNA是遗传物质、DNA分子的双螺旋结构、同位素标记法，并对细胞分裂间期的DNA复制具备感性认识。但是学生容易将“同位素标记”局限于“放射性同位素标记”，且逻辑推理能力不够完善，而教材中该实验缺乏研究思路推导过程，学生难以理解。因此，教师应在学生心理素质结构建构和进化较难处，采用多元化的策略启发。

3.2 多元化启发策略

多元化的启发策略旨在运用多种启发方法，适时适当地为学生心理素质结构的更新和建构提供桥梁，促进其思维的发展。

3.2.1 问题启发，发展分析与综合思维

问题启发是揭示事物的客观矛盾，形成问题情境，引起学生积极主动思考的教学方法。

在导入环节，笔者根据学生已有的认知结构，设置问题情境：沃森和克里克在構建DNA双螺旋结构后提出DNA复制的一种可能机理。假如你是沃森和克里克，你能根据结构设想DNA复制的方式吗？问题情境激发学生的兴趣，启发其猜想DNA复制的方式。

在设计实验时，笔者设计了一连串问题链：（1）如何用实验证明DNA的复制方式？（2）实验的关键是什么？（3）从亲代DNA（母链）去向来看，半保留和全保留复制有什么不同？问题链启发学生表征核心问题“如何证明DNA的复制方式”，将抽象问题具体化为“如何追踪母链在子代DNA中的分布”，从而得出实验目的，培养自己分析和综合的思维方法。

在选择“同位素标记法”后，学生会想到检测子代DNA的放射性。笔者围绕“能否检测出DNA -条链的放射性？”设置层层深入的问题链，启发学生分析自己的认知过程，在前概念暴露的过程中发展分析和综合的思维方法：

（1）应该怎么样检测子代DNA的标记情况？（检测子代DNA的放射性）

（2）半保留复制的子代DNA有没有放射性？（都具有放射性）

（3）全保留复制的子代DNA有没有放射性？（一半子代DNA有放射性，一半没有）

（4）大肠杆菌在培养液中分裂，DNA复制产生的子代DNA在子代大肠杆菌体内，都在同一培养液中，而检测的是溶液体系总体的放射性，那这两种培养液哪种可以检测到放射性吗？检测放射性可以区分两种复制方式吗？（都能检测到放射性;不能区分）

3.2.2 科学史启发，发展归纳与演绎思维

科学史启发即通过蕴含科学方法、思维和精神的科学史资料来启发学生。14N/14N-DNA和15N/15N-DNA在密度梯度离心后形成了不同位置的DNA密度带。为了便于学生理解，教师将实验现象转化为直观模式图（图2）。学生根据假说，演绎推理预期现象，用模式图表示。教师再从梅塞尔森和斯塔尔实验现象（图3）中选出亲代、第一代、第二代的DNA密度带，启发学生分析预期现象和实验现象（图4），归纳出结论。科学史的还原增强了实验教学的科学性和说服力。在体验假说演绎法时，学生的归纳和演绎思维得到发展。

但科学史也要适当选择。密度梯度离心技术的具体操作就不需讲解，教师要着重把握实验的主线。而实验对象大肠杆菌是原核生物，最后教师简要补充泰勒等人以蚕豆根尖进行实验，证明真核生物DNA也是半保留复制，归纳得出结论，培养学生归纳思维的深刻性。

3.2.3 认知冲突启发，发展批判性思维

巧用认知冲突，诱导学生发现并矫正认知，是启发学生会学的方法。选择方法“密度梯度离心”是难点之一。同位素标记后，学生会想到“检测放射性”，由此暴露前认知水平。此时，教师通过问题链，从放射性能否区分两种复制方式的角度，搭建思维支架，学生得出“检测放射性”行不通，产生认知冲突。教师再启发学生剖析标记同位素和普通元素的质量差异，得出“密度梯度离心”的方法，使学生重建认知结构（图5）。学生内省和调整自己认知结构，实现认知顺应。在此过程中，学生的批判性思维得到发展，思维的灵活性也不断提升。

3.2.4 小组讨论启发，发展创造性思维

讨论法是在教师指导下，以学生为中心，学生间相互启发、交流的教学形式。讨论法能激发学生学习的积极性和创造精神。本教学片断有三次小组讨论：（1）猜想DNA的复制方式;（2）合作设计实验;（3）根据假说一演绎推理预期现象。小组讨论时，教师是引导者和调节者。在猜想DNA复制的方式时，可能有小组会想到类似弥散复制的情况，教师需指出：DNA链先被切断后拼接的过程复杂，而细胞是精细的生命系统，不符合经济原则，当时该方式很快被科学家排除。设计实验和预测现象也是小组合作的过程。组内讨论、组间分享和教师反馈都能发展学生的创造性思维，提升思维的深刻性。

3.2.5 现代化教学手段启发，发展模型方法与形象思维

现代化教学手段形象生动，是启发学生学习，调动学习兴趣的方法。教师提供DNA双链的直观教具模型，用红色和蓝色卡纸条分别代表15N、14N标记的DNA单链。直观的教具克服了DNA的抽象性，学生动手拼DNA链的活动会启发其猜想半保留复制和全保留复制的假说。教师请部分小组代表到黑板上进行展示，再结合多媒体动画再现两种复制方式的具体过程，使DNA复制方式的直观形象在学生头脑中形成表象，实现概念和具体内涵的深度联系，发展了学生的形象思维。教具DNA链也相当于物理模型，学生动手设计第二代DNA链，启发其通过演绎推理，预测DNA带在离心管中的位置。教师使用简化的模型分析原型，从而发展模型方法。

4 总结与启示

启发式教学强调采用多元化启发策略，加速学习系统的心理素质结构的自主意义建构，培养学生的科学思维能力。针对本片段的教学设计，笔者在教学比赛和教学实践中发现，深入分析学生学习前的知识和能力等心理素质结构尤为重要，以此为基础，才能在心理素质结构水平较低处采用恰当的启发策略，实现多种启发策略的优化组合。另外，科学思维的培养是一个长期的过程，有赖于师生、生生之间的思维对话，在运用启发式教学策略时要适当安排教学环节，给予学生思考的空间，才能实现科学思维的这一生物学核心素养的提升。

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