基于問題解決模式的“數(shù)據(jù)分析”欄目特點及啟示

沈藝 郭蕊

由Miller和Levine兩位教授編著的“Biology”及配套的實驗手冊中，專門設(shè)置了“數(shù)據(jù)分析”的實驗欄目。本文通過該欄目中“RNA干擾的發(fā)現(xiàn)”實驗，與國內(nèi)人教版教材比較，分析討論基于問題解決模式的“數(shù)據(jù)分析”欄目的設(shè)置特點，為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力提供理論和實踐的借鑒。

一、“數(shù)據(jù)分析”欄目實驗舉例

1. 實驗名稱：《數(shù)據(jù)分析：RNA干擾的發(fā)現(xiàn)》

2. 實驗?zāi)康模和ㄟ^分析數(shù)據(jù)理解RNA干擾

3. 技能聚焦：分析數(shù)據(jù)，作出假設(shè)

4. 建立聯(lián)系

Andrew Fire 和Graig Mello在1998年所做的一個實驗有助于解釋RNA干擾的作用機制。在實驗中，他們運用了一個編碼肌肉細胞中蛋白質(zhì)的大分子基因，稱之為unc-22。他們首先制備了該基因的兩個外顯子區(qū)域?qū)?yīng)的短mRNA片段，然后將這些mRNA片段注入秀麗隱桿線蟲的卵細胞中。該實驗的部分結(jié)果如下表所示。其中“正義（sense）”鏈表示編碼蛋白質(zhì)的單鏈mRNA，“反義（antisense）”鏈表示與正義鏈互補的單鏈RNA，而雙鏈RNA標記為“正義+反義”。

5. 分析與討論

（1）分析數(shù)據(jù)。當卵細胞中注入單鏈的正義mRNA，對該卵細胞發(fā)育而來的成蟲有何影響？而注入單鏈的反義mRNA又有何影響？

（2）分析數(shù)據(jù)。當卵細胞中注入雙鏈的mRNA，對線蟲的發(fā)育有何影響？

（3）作出假設(shè)。當肌肉細胞的收縮失控時，會引起肌肉抽搐?？紤]到unc-22基因能編碼肌肉細胞中的蛋白質(zhì)，本實驗揭示了unc-22蛋白的功能。

（4）設(shè)計實驗。如何驗證你的假說？如何設(shè)計對照？（提示：思考正在抽搐的肌肉細胞應(yīng)該缺失了什么？）

（5）推斷。注入的mRNA片段由unc-22基因的兩個不同區(qū)域轉(zhuǎn)錄，長度僅有幾百個堿基，而 unc-22 mRNA的長度有成千上萬個堿基，這一信息表明RNA干擾是如何進行的？

（6）構(gòu)建科學(xué)技能。許多身體無法正常運作的疾病和情況都與基因缺陷密切相關(guān)。為什么醫(yī)學(xué)研究人員會對RNA干擾感興趣呢？

二、“Biology”的實驗手冊中“數(shù)據(jù)分析”欄目設(shè)置特點分析

1. 與國內(nèi)人教版教材相關(guān)欄目比較

“Biology”2010年版教材中的“數(shù)據(jù)分析”欄目不需要學(xué)生對實驗進行實際的操作，而是通過評估分析其他研究者的實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)，使學(xué)生獲得除實施方案以外的各種探究技能，加深理解教材中對應(yīng)的理論知識。在內(nèi)容呈現(xiàn)上都采用標準化的框架，幫助學(xué)生以系統(tǒng)的、有組織的方式解決問題。國內(nèi)人教版學(xué)生用書中也設(shè)置了“資料分析”欄目，一般先呈現(xiàn)相關(guān)的研究資料，再呈現(xiàn)“討論”部分的多個問題，讓學(xué)生有目的地進行多角度、深層次的分析與討論，獨立或者合作完成對知識的探究而獲得新知。相比之下，美國教材更強調(diào)技能的獲得和科學(xué)探究能力培養(yǎng)的整體性，重視科學(xué)思維和科學(xué)方法的培養(yǎng)，是一種基于問題解決模型的探究性學(xué)習(xí)模式。

2. 基于問題解決的模式提供了“探索之旅”

學(xué)生根據(jù)背景資料和已學(xué)的知識，在思維上重演了“分析數(shù)據(jù)→作出假設(shè)→設(shè)計實驗→推斷”的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)的過程，在問題解決中逐漸建立起對RNA干擾的深入理解，自主構(gòu)建知識，體驗到了應(yīng)用所學(xué)知識與技能解決實際科學(xué)問題所經(jīng)歷的嚴密而富于邏輯、真實的思維過程。

3. 避免了探究能力培養(yǎng)的程序化和簡單化

“數(shù)據(jù)分析”欄目雖然也精細分解了探究能力，并根據(jù)研究內(nèi)容用“技能聚焦”強調(diào)其中幾個探究技能的訓(xùn)練，但并沒有孤立各個技能的訓(xùn)練，而是把相關(guān)的各種技能的培養(yǎng)放在一個具有相互聯(lián)系的整體中。設(shè)置的每一個問題均對應(yīng)具體的科學(xué)技能的培養(yǎng)，這些技能之間環(huán)環(huán)相扣，具有嚴密的邏輯關(guān)系，避免了探究能力培養(yǎng)的程序化和簡單化。

4. 啟示

（1）利用生物學(xué)經(jīng)典、前沿的或科學(xué)史的探索過程，將研究資料和數(shù)據(jù)設(shè)計成綜合性、基于問題解決模式的“數(shù)據(jù)分析”的形式，為學(xué)生提供學(xué)習(xí)探究的真實范例。（2）創(chuàng)設(shè)持續(xù)的、嚴密而邏輯性強的問題情境。（3）采用嚴謹而系統(tǒng)的標準化形式呈現(xiàn)欄目內(nèi)容。對實驗欄目采用標準化的框架呈現(xiàn)形式，每個問題的前面標明技能的名稱，值得我們借鑒。（4）注意技能訓(xùn)練的多樣化和有機結(jié)合，不必僅局限于分析數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、推斷和得出結(jié)論等技能，還可以利用科學(xué)研究已有的資料和數(shù)據(jù)，設(shè)置提出問題、概念應(yīng)用、作出假設(shè)、分類、對比、實驗設(shè)計、預(yù)測等多樣化的活動環(huán)節(jié)，使“數(shù)據(jù)分析”成為綜合的科學(xué)思維訓(xùn)練平臺。