應用科學史發展學生的科學探究能力

鄭曉璇

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》明確提出課程的基本理念要以核心素養為宗旨。科學探究是核心素養的一方面，是指能夠發現現實世界的生物學問題，針對待定的生物學現象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結果的交流與討論的能力。學生應在探究過程中，逐步增強對自然現象的好奇心和求知欲，掌握科學探究的基本思路和方法，提高實踐能力;在探究中，樂于并善于團隊合作，勇于創新。授人以魚不如授人以漁，筆者認為生物科學史是培養學生探究能力的好素材，生物科學史記錄著生命科學的探究歷程，其體現著科學探究必備的科學素養，是科學家科學探究能力的體現。如果教師能夠活用每一段科學史，讓學生體驗科學家的探究歷程，掌握科學探究的基本思路和方法，學習科學家敢于質疑，勤奮實踐，嚴謹求實的精神，真正地培養了學生的科學探究的意識和能力，從而提高學生的生物學素養，那么教學才算成功。下面以“基因在染色體上”一節為例，闡述生物科學史在發展學生探究能力方面的應用。

“基因在染色體上”是人教版高中生物學教材《比修2*遺傳與進化》第二章第二節的內容，教材主要安排了薩頓的假說、基因位于染色體上的實驗證據和孟德爾遺傳規律的現代解釋三部分。沿著科學史的發現過程來看，本節課是孟德爾遺傳規律、減數分裂的延續，這一科學史的探究歷程是很好的教學史料，有助于學生將孟德爾的遺傳規律和減數分裂有機地結合在一起，更好地理解其本質意義，還可促進學生對常染色體和伴性遺傳規律的理解和綜合運用，有助于學生認識科學知識的形成、發展和完善到應用的過程。筆者在本節課中以完整的科學史發現過程為主線，采用問題進行合作探究，激發學生的學習興趣，讓學生親身體驗“類比推理法”和“假說一演繹法”這兩種重要的科學方法的應用，發揮學生學習的主動性，培養學生科學探究的意識和能力。

1 導入：培養學生觀察、比較、分析、推理、討論交流的能力

教師引導學生回顧孟德爾豌豆雜交實驗中基因的行為變化以及減數分裂過程中染色體的行為變化，并要求學生以圖的形式總結兩對遺傳因子在形成配子時的行為變化規律和減數分裂兩對同源染色體的細胞在形成配子時的行為變化規律。教師引導學生思考：基因和染色體有什么關系？基因到底在哪里？

學生回顧、思考、討論、畫圖，通過觀察發現基因和染色體之間存在平行關系，并且大膽推測：①基因就是染色體;②基因位于染色體上。

教師引導學生繼續推理哪種可能大些，學生通過自身己掌握的生物學知識可推出基因在染色體上：

①從數量關系看，如人的染色體只有46條，但基因卻成百上千個;

②從大小看，在光學顯微鏡下染色體可見，基因不可見。

通過上面的分析，學生無意識地運用了類比推理的科學方法。教師肯定并表揚學生具備科學探究的精神，簡要介紹類比推理法，并提示有科學家用了類比推理法推理出基因在染色體上。學生的好奇心被激發，迫切想知道科學家的推理過程是否與自己的一致。

2 學習薩頓的假說：培養學生合作學習的能力

教師呈現薩頓的發現，引導學生閱讀教材27頁薩頓提出基因在染色體上的原因，并且要求學生合作完成表1。

學生合作完成表1，對比發現，薩頓推理的過程和自己推理的過程很類似，都用了類比推理。學生嘗試到了探究成功的成就感。緊接著，教師重點介紹類比推理，學生由此知道了通過類比推理得出的結論并不具有邏輯的必然性，其正確與否還需要觀察和實驗的檢驗。此時，學生的探究欲望被激發，進而轉入尋找基因位于染色體上的實驗證據。

3 尋找基因位于染色體上的實驗證據：體驗假說一演繹法的應用，培養學生主動探究的意識和能力

3.1 發現問題

教師以課件展示教材圖2-8摩爾根的果蠅雜交實驗以及紅、白果蠅圖片，引導學生據圖描述其實驗過程以及實驗結果，目的是使學生學會觀察遺傳圖解并用規范語言表述，訓練學生的觀察和語言組織能力。

通過觀察，學生發現了果蠅的眼色這對相對性狀受一對等位基因的控制，符合孟德爾分離定律，同時也發現問題：白眼性狀只出現在雄性個體中。教師提問：為什么白眼性狀的表現總是與性別相聯系？

教師引導學生思考：如果按照薩頓的理論，基因在染色體上，那么控制白眼的基因是在常染色體上，還是在性染色體上呢？

學生回答：在性染色體上。

教師展示教材圖2-9雌雄果蠅體細胞的染色體圖解補充介紹果蠅體細胞的染色體組成，同時展示性染色體的結構（圖1），并提出問題：大家認為控制白眼的基因位于性染色體上，那么白眼基因可能在性染色體的哪個位置呢？

3.2 提出假說

學生通過討論提出三種假說：

①控制白眼的基因是在Y染色體上，而X染色體上沒有。

②控制白眼的基因在X、Y染色體上。

③控制白眼的基因在X染色體上，而Y染色體上不含有它的等位基因。

教師進一步提問：這些假說都與摩爾根的雜交實驗結果相符嗎？

3.3 對實驗現象進行解釋

學生被激發進一步探究欲望，進行了激烈的討論。教師引導學生用遺傳圖解分析，并且讓學生代表演示其過程及分析結果（圖2～4）。

通過演示結果可以排除假說①，但是也發現了假說②和③都可以解釋摩爾根的實驗結果。到底哪種才是正確的？此時，學生的探究熱情不斷發酵。

教師提示學生回顧孟德爾發現遺傳規律的過程用的科學方法，提出：假說除了能解釋當前實驗之外，還需得能預測未做的實驗，即需要對假說進行驗證，那么應該要用什么方法呢？學生順勢想到了測交。

3.4 演繹推理

教師引導學生進一步討論，設計測交實驗方案并進行演示（圖5）。

從演示結果看出，假說②和假說③子代的表現型及其比例完全相同，這樣的結果再次出乎學生的意料。驗證遇到困難，要怎樣才能檢測哪種假說是正確的呢？學生充滿疑惑，探究的欲望空前高漲，教師需引導學生重新設計出新的測交方案：“我們知道測交是將F1與隱性純合子雜交，那么同學們觀察你們設計的測交方案，是否只能是紅眼雌果蠅和白眼雄果蠅雜交？”學生通過觀察發現可以用紅眼雄果蠅和白眼雌果蠅雜交，學生討論并畫出遺傳圖解（圖6）。學生意識到這正是孟德爾設計的正反交實驗，使其深入理解孟德爾設計正反交實驗的用意，體驗科學探究的嚴謹，以及科學探究方法的應用，提高學生的探究意識。

3.5 驗證假說，得出結論

教師展示摩爾根的測交實驗結果：①紅眼雌果蠅和白眼雄果蠅測交結果：紅眼雌果蠅126只，紅眼雄果蠅132只，白眼雌果蠅120只，白眼雄果蠅115只。②紅眼雄果蠅和白眼雌果蠅測交結果：紅眼雌果蠅和白眼雄果蠅為1：1。從而說明假說③才是正確的，即控制白眼的基因在X染色體上，而Y染色體上不含有它的等位基因，也就說明了基因位于染色體上。

教師展示教材圖2-11果蠅某一條染色體上的幾個基因，介紹摩爾根繪出的果蠅各種基因在染色體上的相對位置，同時展示現代分子生物學技術將基因定位在基因染色體上的圖確定基因在染色體上，引導學生觀察并得出結論：一條染色體上有許多基因;基因在染色體上呈線性排列。

4 理解孟德爾遺傳規律的現代解釋：培養學生分析、對比、交流、合作的能力

教師展示減數分裂細胞模式圖，引導學生總結孟德爾遺傳規律的實質。通過對分離定律和自由組合定律的現代解釋對比，教師提出問題：一對染色體上的兩對等位基因符合孟德爾的自由組合定律嗎？它們會不會發生自由組合？學生討論后，畫出其對應的細胞減數分裂圖。

學生通過討論并畫圖，很快就能領悟到孟德爾遺傳規律的現代解釋的本質，最后師生共同分析、總結。

5 教學反思

本節課教學之前，教師需要做大量的課前準備工作：

①將科學史轉化為讓學生主動探究發現的過程，使學生在體驗科學發現過程中學會運用類比推理和假說一演繹法這兩種科學方法深入分析實驗過程。

②設計一系列的問題串，將教學內容層次化、漸進化，有效地激發學生的探究欲望，使學生的思維處于興奮狀態。同時問題的設置需符合學生的思維，才能為學生做好鋪墊。

③充分預設課堂可能出現的情況，做好意外生成的準備。

教學過程始終以學生為主體，教師適時以問題引導，主要讓學生通過合作學習體驗科學探究的過程，學會運用科學探究方法解決實際問題，培養學生科學探究的意識和能力，培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力，以及培養學生嚴謹求實的科學態度和科學精神，進而提高學生的生物學素養。

參考文獻：

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[3]陳俠.按照知識的邏輯組織教學，促進學生邏輯思維的發展——以“基因在染色體上”教學內容為例[J].中學生物學，2017（8）：5-7.