例析生物學(xué)教學(xué)中逆向思維的運(yùn)用策略

陶忠華

(浙江省富陽(yáng)中學(xué) 杭州 311400)

生物學(xué)概念、原理的發(fā)現(xiàn)大多是科學(xué)家從生物學(xué)現(xiàn)象入手，不斷地提出問(wèn)題、分析并解決問(wèn)題，從而逐步建構(gòu)和完善生物學(xué)概念、原理圖式。這通常是一個(gè)“執(zhí)果索因”的逆向思維的過(guò)程。因此，教師需要充分利用生物學(xué)科優(yōu)勢(shì)，挖掘生物學(xué)科資源，努力培養(yǎng)學(xué)生的逆向思維能力，這是提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要途徑。

1 逆向思維在“提出問(wèn)題”過(guò)程中的運(yùn)用

1．1 科學(xué)家運(yùn)用逆向思維“提出問(wèn)題”的樣例 在生物學(xué)概念的形成、原理的探索過(guò)程中，科學(xué)家經(jīng)常會(huì)運(yùn)用逆向思維發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出問(wèn)題。例如，科學(xué)家在探索基因控制蛋白質(zhì)的合成過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在以DNA作為遺傳物質(zhì)的生物中，轉(zhuǎn)錄是以DNA的一條鏈為模板合成了RNA。根據(jù)當(dāng)時(shí)對(duì)遺傳物質(zhì)的探索，將生物分為兩類：以DNA作為遺傳物質(zhì)的生物和以RNA作為遺傳物質(zhì)的生物。于是科學(xué)家進(jìn)行了逆向思考：既然前者能以DNA為模板合成RNA，那么后者能否以RNA為模板來(lái)合成DNA呢？最終，科學(xué)家在RNA病毒——?jiǎng)谑先饬霾《局姓业搅四孓D(zhuǎn)錄酶，證明了在RNA病毒中能以RNA為模板合成DNA。

1．2 生物學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用逆向思維“提出問(wèn)題”的策略 教師在生物學(xué)教學(xué)中，向?qū)W生呈現(xiàn)的不應(yīng)只是科學(xué)家運(yùn)用逆向思維“提出問(wèn)題”的結(jié)果，更重要的是要讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何運(yùn)用逆向思維提出問(wèn)題。這需要教師引導(dǎo)學(xué)生分析科學(xué)家是怎么運(yùn)用逆向思維提出問(wèn)題的。例如，在上例中，可以對(duì)科學(xué)家研究生物體內(nèi)遺傳信息的傳遞方向作一小結(jié)(表1)。從表中“？”處很自然地可以提出有意義的科學(xué)問(wèn)題。教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生歸納運(yùn)用逆向思維“提出問(wèn)題”的一般性過(guò)程：①尋找已有概念的對(duì)立面：如“以DNA作為遺傳物質(zhì)的生物”的對(duì)立面為“以RNA作為遺傳物質(zhì)的生物”；②運(yùn)用列表比較、畫(huà)概念圖等方法去發(fā)現(xiàn)未知的問(wèn)題：如通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)了以DNA作為遺傳物質(zhì)的生物中遺傳信息的表達(dá)過(guò)程，于是發(fā)現(xiàn)了“以RNA作為遺傳物質(zhì)的生物中遺傳信息如何表達(dá)”的問(wèn)題；③提出假設(shè)：如根據(jù)“以DNA作為遺傳物質(zhì)的生物中，遺傳信息從DNA→RNA”提出“以RNA作為遺傳物質(zhì)的生物中，遺傳信息從RNA→DNA”的假設(shè)；④推理論證并尋求實(shí)驗(yàn)證據(jù)；⑤建構(gòu)并完善認(rèn)知圖式。

1．3 生物學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用逆向思維“提出問(wèn)題”的實(shí)例分析 學(xué)生在學(xué)習(xí)“自由組合定律”后，明確了“自由組合定律”的實(shí)質(zhì)：兩對(duì)等位基因分別位于兩對(duì)同源染色體上。根據(jù)這一實(shí)質(zhì)，教師可以讓學(xué)生分析這兩對(duì)等位基因的關(guān)系，并進(jìn)行列表比較(表2)，可以明確已知部分——兩對(duì)等位基因互不干擾，獨(dú)立分配時(shí)的遺傳規(guī)律，未知部分——其對(duì)立面(兩對(duì)等位基因有不同程度的相互干擾時(shí))的遺傳規(guī)律，從而提出有質(zhì)量的科學(xué)問(wèn)題。提出問(wèn)題后，教師讓學(xué)生進(jìn)行假設(shè)：如果兩對(duì)等位基因在同一對(duì)同源染色體上完全連鎖。然后進(jìn)行推理論證，鞏固孟德?tīng)柕目茖W(xué)研究過(guò)程。同時(shí)學(xué)生也能發(fā)現(xiàn)：孟德?tīng)柕摹白杂山M合定律”實(shí)際上是兩對(duì)等位基因在干擾程度為0時(shí)的特例。

表1 兩類生物體遺傳信息傳遞方向

表2 兩對(duì)等位基因的遺傳“問(wèn)題提出”分析表

2 逆向思維在“問(wèn)題解決”過(guò)程中的運(yùn)用

2．1 科學(xué)家運(yùn)用逆向思維進(jìn)行“問(wèn)題解決”的樣例 “DNA是主要的遺傳物質(zhì)”是科學(xué)家運(yùn)用逆向思維進(jìn)行問(wèn)題解決的經(jīng)典樣例。在尋找“轉(zhuǎn)化因子”的過(guò)程中，艾弗里將S型肺炎雙球菌的DNA和蛋白質(zhì)等物質(zhì)分離提純進(jìn)行“離體細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)”。針對(duì)該實(shí)驗(yàn)的缺陷——物質(zhì)分離提純的純度，艾弗里運(yùn)用了逆向思維來(lái)解決這一問(wèn)題：假如DNA不是遺傳物質(zhì)，則如果將DNA分解，將不會(huì)影響R型菌的轉(zhuǎn)化。據(jù)此，他設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，用DNA酶分解S型菌的DNA，結(jié)果R型菌沒(méi)有被轉(zhuǎn)化。從反面證實(shí)了DNA是遺傳物質(zhì)，繞開(kāi)了DNA提純的困難。同時(shí)，教材也列舉了運(yùn)用正向思維來(lái)解決這一問(wèn)題的實(shí)例：赫爾希等人通過(guò)“噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)”證明DNA是遺傳物質(zhì)。他們利用噬菌體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直面艾弗里實(shí)驗(yàn)中的DNA純度問(wèn)題，但檢測(cè)所用的技術(shù)手段顯得更復(fù)雜。教材試圖通過(guò)正向思維和逆向思維對(duì)同一問(wèn)題進(jìn)行解決的比較，使學(xué)生能體會(huì)到：在對(duì)某一問(wèn)題解決陷入困境時(shí)，可以嘗試從其反面來(lái)思考，可能會(huì)更簡(jiǎn)單。

2．2 生物學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用逆向思維進(jìn)行問(wèn)題解決的策略 在教學(xué)實(shí)踐中，需要教給學(xué)生運(yùn)用逆向思維進(jìn)行問(wèn)題解決的思考范式或路徑。教師需要充分利用教材樣例，引導(dǎo)學(xué)生歸納運(yùn)用逆向思維進(jìn)行問(wèn)題解決的可操作性流程，從而提高學(xué)生進(jìn)行問(wèn)題解決的能力。分析艾弗里的逆向思維過(guò)程，大致分成三大步驟：①假設(shè)待解決問(wèn)題的對(duì)立面成立，如艾弗里待解決的問(wèn)題是證明“DNA是遺傳物質(zhì)”，則假設(shè)其對(duì)立面“DNA不是遺傳物質(zhì)”成立；②將假設(shè)作為已知條件，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、推理論證。如艾弗里在假設(shè)后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：用DNA酶將S型菌的DNA分解，并和R型菌混合；③分析推理結(jié)果或?qū)嶒?yàn)結(jié)果，證明假設(shè)或推翻假設(shè)。艾弗里用DNA酶處理的結(jié)果是R型菌不能轉(zhuǎn)化，從而推翻假設(shè)，證明“DNA是遺傳物質(zhì)”。

2．3 生物學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用逆向思維進(jìn)行問(wèn)題解決的實(shí)例分析 歸納了逆向思維在問(wèn)題解決過(guò)程中的具體策略后，教師創(chuàng)設(shè)具體的生物學(xué)情境，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用逆向思維進(jìn)行問(wèn)題解決的訓(xùn)練。例如，教師可以讓學(xué)生進(jìn)行如下生物學(xué)問(wèn)題解決：一批經(jīng)多代種植果實(shí)均為紅色的柿子椒種子被帶上太空，將遨游過(guò)太空的柿子椒種子種植后，第一年收獲的柿子椒均為紅色，用收獲的種子再種，第二年發(fā)現(xiàn)有數(shù)株所結(jié)柿子椒均為黃色。根據(jù)已知條件，你能否確定柿子椒果色的顯隱性？請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明推斷過(guò)程(設(shè)控制果色的基因?yàn)锳，a)。

解析：①提出假設(shè)：假設(shè)紅色對(duì)黃色為顯性；②將假設(shè)作為已知條件，推理論證：根據(jù)假設(shè)，則遨游過(guò)太空的柿子椒(胚)的基因型為AA(紅色)。若發(fā)生基因突變，可能結(jié)果是Aa或aa，其中aa種子種植在第一年不可能收獲紅色椒，所以突變結(jié)果只能是Aa。播種上述Aa種子，第一年收獲的柿子椒，果色表現(xiàn)為紅，但胚的基因型有些為aa，次年種植，aa種子長(zhǎng)成的植株均結(jié)黃色果實(shí)。③對(duì)照生物學(xué)現(xiàn)象，吻合題意。同時(shí)，教師也可以讓學(xué)生進(jìn)行相反的假設(shè)，即紅色對(duì)黃色為隱性，進(jìn)行推理。