新课改视域下高中学生生物学科学思维能力的培养

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》中指出，“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。学生应该在学习过程中逐步发展科学思维，如能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，审视或论证生物学社会议题。生物学学科知识的学习离不开科学思维，科学思维能力的发展又贯穿生物学学科知识的学习过程中，二者相辅相成，不可分割。

一、归纳与概括

李画的《应用论证式教学培养高中学生生物科学思维能力的研究》一文中提到，“归纳与概括”是指依据现有的知识本质和特点对现有知识进行成体系整合，并最终形成“生物学大概念”的过程。这就要求学生在学习生物学知识时，要基于所学习的材料内容，进行分类比较、分析梳理，明确前因后果、左右联系，概括总结、综合归纳出各知识点之间的关系，明确规律性的方法和结论，构建生物学大概念。

例如，在学习“细胞核的功能”时，人教版高中生物学必修1第54-55页的“思考·讨论”中提供了4份资料。

（一）资料分析

资料1描述黑美西螈与白美西螈的细胞核移植实验，将黑色美西螈胚胎细胞的细胞核取出来，移植到白色美西螈的去核卵细胞中。移植后发育长大的美西螈，全部是黑色的。说明子代体色性状是由细胞核控制的。

资料4中，单细胞生物伞藻由“帽”、柄和假根三部分构成，细胞核在基部。进行伞藻的嫁接实验，将菊花型帽和伞型帽伞藻的帽、柄、假根分别切开，在伞型帽伞藻的假根上嫁接菊花型帽的柄为甲组，在菊花型帽伞藻的假根上嫁接伞型帽伞藻的柄为乙组，在相同且适宜条件下分别培养相同时间，甲组长出伞型帽，乙组长出菊花型帽，说明伞藻帽的形状由假根决定。那怎么说明伞藻帽的性状由假根中的细胞核控制呢？笔者引导学生设计出伞藻的嫁接实验，将伞型帽伞藻、菊花型帽伞藻的帽分别切去，取出各自假根中的细胞核，在伞型帽伞藻的假根中植入菊花型帽的细胞核为丙组，在菊花型帽伞藻的假根中植入伞型帽伞藻的细胞核为丁组。在相同且适宜条件下分别培养相同时间，丙组长出菊花型帽，丁组长出菊花型帽，说明伞藻帽的性状由假根中的细胞核控制。至此得出，细胞核控制细胞的遗传。

资料2为蝾螈受精卵的横缢实验，即用头发将蝾螈受精卵横缢为有核与无核两部分，中间只有部分细胞质相连，在适宜条件下培养发现，有核的一半能分裂，无核的一半停止分裂。当有核一半分裂到16～32个细胞时，如果将一个细胞核挤入无核的一半，这一半也会开始分裂。最后两半都能发育成正常胚胎，只是原来无核的一半发育得慢一些。说明受精卵发育成胚胎的过程中细胞分裂、分化生命活动受细胞核控制。

资料3中提供的是变形虫的分割和细胞核移植实验。将变形虫分割成两半，一半有核，一半无核。无核的一半虽然能消化已吞噬的食物，但不能摄取食物，对外界刺激不再发生反应。有核的一半则照样摄食，对外界刺激仍然有反应。摄食、对外界刺激作出反应都属于细胞的代谢范畴，说明细胞核控制变形虫细胞的代谢。

（二）实验结论

资料1和资料4说明细胞核控制细胞的遗传，资料2和资料3说明细胞核控制细胞的代谢。细胞核是细胞代谢和遗传的控制中心，那细胞核为什么有这样的功能呢？这与细胞核的结构有关，既体现了生物学的“结构与功能相适应”的观点，又调动了学生学习的积极性，将课堂学习兴趣延续到课后。

二、模型与建模

李画在《应用论证式教学培养高中学生生物科学思维能力的研究》一文中提到，模型与建_{/G93jUr3o54LyQWoH1dg/5iQ9qTIbAu9SN+LK/7LzzA=}模主要是基于不同知识类型，选择合适的模型类型，并选用相应的方法进行模型的构建。现阶段，生物模型主要分为概念模型、物理模型、数学模型。模型可以使抽象的知识具体化、直观化，使复杂的知识简单化，使杂乱的知识系统化。教师可在构建模型的过程中培养学生的科学思维。

例如，在人教版高中生物学必修1第2章第5节核酸的学习中，理解课题“核酸是遗传信息的携带者”是本节课的重点，也是难点。在课本“问题探讨”中提出DNA指纹技术在案件侦破工作中有重要的作用，说明不同的人DNA指纹也不同，具有特异性。DNA指纹实质是DNA携带的遗传信息。要明确DNA携带的遗传信息，就要了解DNA结构。

（一）DNA结构探究

DNA是由C、H、O、N、P五种元素组成，基本组成单位是脱氧核苷酸。首先，笔者在课堂上让学生阅读课本第35页图2-15《脱氧核苷酸和核糖核苷酸》，比较找出二者的相同点和不同点。学生发现一个核苷酸由一分子磷酸、一分子五碳糖和一分子含氮碱基组成。H、O、P元素组成磷酸（H3PO4），从图中可以看出，磷酸中的P元素为五价，P与O形成双键，P同时和两个羟基（—OH）相连，磷酸与五碳糖结合时，磷酸的一个羟基（—OH）提供一个—H，五碳糖五号碳原子的一个羟基—OH脱去一分子水，相互连接，五碳糖一号碳原子与含氮碱基脱去一分子水相互连接。让学生通过教材图2-16来明确DNA和RNA在化学组成上的异同，其共同有磷酸A、G、C，DNA特含碱基T，RNA特含碱基U，DNA特含脱氧核糖，RNA特含核糖，共同有磷酸。因此，核苷酸有脱氧核苷酸和核糖核苷酸两类。四种脱氧核苷酸组成了DNA，四种核糖核苷酸连接构成了RNA。接着，笔者通过视频展示了四种脱氧核苷酸连接构成DNA的过程，课件显示四种脱氧核糖核苷酸连接构成的DNA平面结构图，结合课本第34页图2-14核苷酸连接而成的长链，画出双链DNA平面结构图。然后，展示学生所画的多种多样的物理模型。有学生提出，课件显示的双链DNA平面结构图是错的，五边形不能代表五碳糖，五边形的顶角点代表氧原子，另外4个角顶点代表4个碳原子，没有画出5号碳原子。那怎么画呢？笔者在屏幕上展示了这位同学画的DNA平面结构图，让他到讲台前讲述。“他的图画得很精美，讲述很精准，观察得很仔细，理解得很到位，思路清晰，思维敏捷，值得肯定。”笔者给予了很高的评价。但有同学提出了疑问，认为课件图和这位同学画的碱基对有错误，笔者同样展示了该同学画的图，并让该同学讲解，也给予了及时的肯定、表扬。有同学又质疑：“A和T为什么画成尖的，C和G是圆的？为什么A、T画得长，G、C画得短？”有同学说道：“书中图2-14就是这样画的。”有同学提出反对意见：“这不是原因。”笔者及时给出了评价，明确：“这确实不是原因，真正的原因大家课后在网上找，下节课分享给大家。这是今天的作业之一。”

（二）构建DNA结构模型

“下面利用下发的模型材料，两人一组构建双链DNA平面结构图。”很快，学生就构建出了DNA结构模型。屏幕展示后，笔者对有错误的学生及时给予了校正，并让学生重新组装。笔者提出“数一下这些DNA结构模型的种类数”。有学生说是“25种模型”。笔者及时追问：“为什么会有这样的结果？”学生说：“关键是核苷酸的排列顺序不同。”笔者及时引导：“DNA中核苷酸的排列顺序就是遗传信息。那一个由10个核苷酸组成的双链DNA有多少种呢？”笔者画出DNA简图，讲解种类数有105种，若是n对脱氧核苷酸的DNA就有10n种，说明DNA结构具有多样性和特异性。笔者提议：“用每个人代表一个核苷酸构建DNA结构模型，应该怎么进行？”并提示：“可以用左拳代表磷酸，屈肘的肘关节代表五碳糖的5号碳原子，右手的不同变化代表四种碱基。”笔者引导学生构建DNA结构模型。课后四人一组用其他材料构建DNA结构模型，下节课分享交流。

（三）DNA结构特点应用

多种建模的学习过程，既引导学生获得了DNA结构的有关知识，尤其明确了DNA结构的特异性、稳定性和多样性，理解了DNA指纹技术在案件侦破及亲子鉴定中的作用，又加深了学生对知识的理解、内化和迁移运用，培养了学生科学思维的发散性、敏捷性和创新性。

三、演绎推理

李画在《应用论证式教学培养高中学生生物科学思维能力的研究》一文中提到，演绎推理主要是针对实验现象、自然实际提出问题，作出假设，利用假说对现象进行解释，设计实验进行演绎和推理，进行实验，进行检验，得出结论的过程。

例如，学习人教版普通高中生物学必修2孟德尔分离规律时，教材呈现了孟德尔的豌豆杂交实验。

（一）杂交实验现象

高茎豌豆与矮茎豌豆杂交发现，子一代全部是高茎，子二代高茎∶矮茎=3∶1，其中高茎是显性性状，矮茎是隐性性状。用豌豆其他的六对相对性状分别进行杂交实验，发现存在同样的现象：子一代全部是显性性状，子二代出现性状分离，分离比3∶1。为什么会出现这种情况呢？

（二）杂交实验现象的假说

孟德尔做出了如下假说：第一，生物性状由遗传因子决定，相对性状由显性遗传因子（如D）和隐性遗传因子（如d）决定。第二，在体细胞中，遗传因子成对存在的遗传因子为DD或dd的个体叫作纯合子，遗传因子为Dd的个体叫作杂合子。第三，生物体在形成配子时，成对的遗传因子彼此分离，分别进入不同的配子中。配子中只含有每对遗传因子中的一个。第四，受精时，雌雄配子的结合是随机的。

（三）杂交实验现象的解释

在阅读教材后，笔者让学生尝试用假说对高茎、矮茎豌豆相对性状杂交实验现象进行解释。亲代高茎豌豆的遗传因子组合DD，产生D配子，亲代矮茎豌豆的遗传因子组合dd，产生d配子，子一代遗传因子Dd，只表现D决定的性状，因此子一代全部为高茎（显性），子一代Dd产生D、d两种雌配子，比例1∶1，产生D、d两种雄配子，比例1∶1，雌雄配子随机结合，子二代遗传因子组合及比例为DD∶Dd∶dd=1∶2∶1，其中，DD和Dd都表现为高茎，dd表现为矮茎，性状分离比为是3∶1。

（四）杂交实验的演绎推理

上述解释是否正确，关键在于子一代产生配子时，遗传因子D与d彼此分离，产生比例为1∶1的D、d两种配子。dd个体只能产生d配子，如果让高茎Dd个体与矮茎dd个体杂交，子代就会出现高茎Dd与矮茎dd两种个体，并且比例为1∶1。这就是演绎推理。在实验田进行高茎Dd个体与矮茎dd个体杂交实验，统计子代高茎与矮茎植株的比例。若比例为1∶1，则说明演绎推理是正确的，假说是正确的，尤其Dd个体产生配子时，D与d配子分离，进入不同的配子，独立遗传给子代是正确的。

使用假说演绎的思维方法展开教学，既让学生获得了孟德尔分离定律的相关知识，注重了知识的生成过程，又培养了学生的科学思维能力，尤其培养了学生的逻辑思维能力。

四、批判性思维方法

李画在《应用论证式教学培养高中学生生物科学思维能力的研究》一文中提到，批判性思维主要是指在学习的过程中，敢于怀疑和否定现存的观点和论点，并能寻找论证及解决方案的思维方法。

例如，学习了核酸之后，我们要引导学生辩证地去看对核酸的功能表述“核酸是遗传物质，控制生物的遗传和变异，在蛋白质的生物合成中具有重要作用”。

（一）核酸的功能

核酸不是一切生物的遗传物质。如朊病毒的成分中没有核酸，只含有蛋白质，因此，朊病毒的遗传物质是蛋白质，不是核酸。细胞中的核酸有DNA和RNA两大类型，在DNA控制生物性状，也就是DNA指导蛋白质的生物合成中，三种RNA起辅助作用。因此，细胞生物无论是真核生物还是原核生物，遗传物质都是DNA，RNA不是遗传物质。艾滋病毒等的成分是RNA和蛋白质，不含DNA，因此RNA是遗传物质。噬菌体等病毒的成分中，不含RNA，含有DNA和蛋白质，DNA是遗传物质。

（二）促胰液素的发现

促胰液素的发现史实际上是培养学生批判性思维的很好例证。当时人们认为，胃酸进入小肠促进胰腺分泌胰液是神经调节的结果。沃泰默探究这个结论是否正确，他将通往小鼠小肠的神经剔除，用稀盐酸灌注小肠，胰腺分泌胰液。说明神经调节可能不是胰腺分泌胰液的调节机制。但沃泰默迷信权威，认为问题出在未将通往小鼠小肠的神经剔除干净，致使胰腺分泌胰液。因此，胰腺分泌胰液仍然是神经调节。斯他林和贝利斯则认为胰腺分泌胰液不是神经调节，可能是盐酸刺激小肠黏膜分泌的化学物质起作用的结果，设计了实验方案，并论证了结论的正确性。用稀盐酸静脉注射狗的小肠静脉，狗的胰腺不分泌胰液，说明稀盐酸不能直接调节胰腺分泌胰液。将狗的一段小肠黏膜剐下，加入稀盐酸和少量石英砂，充分研磨、过滤，取等量的提取液滴注到小鼠小肠静脉，小鼠胰腺分泌胰液。提取液中含有稀盐酸和小肠黏膜分泌的化学物质。与前面的实验比较，稀盐酸不调节胰腺分泌胰液，胰液分泌与否，通往小鼠小肠的神经系统都正常，说明神经调节可能不是胰腺分泌胰液的调节机制。综合上述情况，胰腺分泌胰液可能是小肠黏膜分泌物调节的结果。学生在学习中，通过例证论证说明以及设计方案并实施，证明自己的观点和结论，既获得了相关生物学知识，明白了知识的来龙去脉和前因后果，加深了对知识的理解，又培养了科学思维能力和思维方法。

五、创造性思维方法

李画在《应用论证式教学培养高中学生生物科学思维能力的研究》一文中提到，创造性思维主要是指在学习过程中，善于在事物中发现现有矛盾，并通过富有创造力的方式进行论证的思维方法。在教学中，教师要从学生的视角出发，引导学生对所给的材料问题从正向、逆向不同的角度去思考、去寻求解决方法；也可以针对问题，引导学生一题多变，设计题干，一题多解，对题型归类，总结规律性的解题方法与技巧，培养学生的科学思维能力。

（一）逆向思维

学习孟德尔自由组合定律的内容中，教师可引导学生演绎推理测交实验。按照假说，测交实验中，子一代YyRr产生配子时，Y与y分离，R与r分离，Y（或y）与R（或r）自由组合，产生YR、Yr、yR、yr四种配子，比例为1∶1∶1∶1。个体yyrr产生yr一种配子，子一代YyRr与个体yyrr杂交，就是测交，其子代会出现YyRr、Yyrr、yyRr、yyrr四种个体，比例为1∶1∶1∶1。由此，教师可以引导学生逆向思维，由于个体yyrr产生yr一种配子，可以从子代四种个体的遗传因子组合（YyRr、Yyrr、yyRr、yyrr）中都去除yr，可以得到YR∶Yr∶yR∶yr=1∶1∶1∶1，这就是杂交中另外一种个体产生的配子及比例，从而推出这一个体的遗传因子组合为YyRr，这就获得了一种解题思路和方法。

（二）规律性的解题方法与技巧

在研究一对相对性状的遗传时，教师可引导学生对控制相对性状的遗传因子（基因）在染色体上的分布状况进行分组讨论，从中获得不同题型的解题思路和解题方法。

若控制性状的基因只位于Y染色体上，性状只出现在男性个体，且不存在显性、隐性区分，因为一般情况下，Y染色体只出现在男性个体的体细胞中，并且成单存在。若控制相对性状的一对等位基因位于常染色体上，体细胞中的基因成对存在，性状表现男女没有差异。若控制相对性状的一对等位基因位于X染色体上，男性显性的基因型为XDY，男性隐性的基因型为XdY，女性显性的基因型为XDXD、XDXd，女性隐性的基因型为XdXd，人群中，男性隐性性状的概率高。隐性女性所生男孩一定是隐性。女性显性性状的概率高。显性男性的女儿一定是显性。这样的分类讨论，可以引导学生掌握一些针对人类遗传病规律性的解题方法和思路，并且培养学生科学思维的灵敏性、发散性和创造性。

总之，在高中生物学教学中，教师要从学生的视角出发，充分整合课内、课外的多种资源，用科学思维方法实施教学活动，实现科学知识获得与思维能力提高同步。

（作者单位：宁夏育才中学）

编辑：常超波