基于科學思維發展的高中生物學選修課程的開發與實施

邵乃軍

(浙江省紹興市教育教學研究院 紹興 312000)

在深化高中生物學課改的推進過程中，本市生物學學科教研團隊開發了“高中生物遺傳學經典實驗中的思維與方法”的選修課程，并獲評浙江省普通高中精品選修課程。本課程是在研讀高中生物學課程標準的基礎上，結合生物學學科特點，在高中生物學教材《遺傳與進化》模塊必修內容的基礎上進行拓展和深化。課程內容涉及多個遺傳學經典實驗，按實驗再現、思維剖析和方法點評等環節設計內容。

通過本課程的學習，能感悟遺傳學經典實驗中精妙的思維與方法，借助高階思維活動，加強思維訓練，改進學科學習策略，提高學習能力。同時，還能感受科學家的探索歷程，增進探究欲望，發展學科研究素養。通過合作、討論和分享，提高思辨能力與合作精神，提高學生的探究能力和創新能力，為今后學習和從事科學研究有關的工作打下基礎。

1 內容選擇異質又關聯，創設發展科學思維素養的合適情境

在選修課程的內容的選擇上，既要與必修課程有異質性，又要有關聯性。異質性是指學習內容在廣度與深度上有拓展、在學習功能上有補充、在學習方法上有創新。因為異質性，才具有必修課程不可替代的作用，更好地激發學生學習興趣。關聯性是指學習內容與必修課程內容相聯系，原理上有相通性，能夠借助必修課程內容作為基礎，進一步開展選修課程內容的學習。因為與必修課程相關聯，為學生開展思考與問題解決提供可能，能更好地激活學生的思維活動。各學習主題的必修課程學習基礎、選修課程拓展學習內容以及兩者的關聯性分析如表1所示。

表1 必/選修課程學習內容關聯性分析

可見，本選修課程內容與必修課程相關聯又有不少拓展，能滿足對生物學感興趣學生的學習需求。又因為有必修內容的學習基礎，學生可把更多的精力投放到思維與方法的學習發展之上。如此，這些經典實驗也就成了學生思維培養極好的情境，這樣的選修課程會更具邏輯性和整體性，從而能避免碎片化、低俗化和無效化等不良傾向[1]。

2 學材結構基于認知邏輯，提供思維培養的可靠途徑

本選修課程各章節的編寫是以科學探究歷程和認知發展為序，符合認知發展的邏輯。

2.1 “節”內步步深入，感悟經典實驗的思維與方法 同一主題的有關經典實驗編寫在同一章，各經典實驗一般單獨編寫成一節，每一節內容按“實驗再現—思維剖析—方法點評”三環節設計，并在各環節配以合適的思考題。最后，安排可行的實驗活動與閱讀資料。

2.1.1 實驗再現，在閱讀中發展歸納與表達能力 該部分為經典實驗的操作過程，是學習經典實驗的基礎性材料，更是學生開展思維學習的支架。學生首先要讀懂科學家的實驗過程，在此基礎上將實驗過程框架化，并提出疑惑所在，包括不理解之處、認為不合適之處等。

例如，以“果蠅抗藥性形成機理”一節為例，先讓學生在閱讀實驗內容后將實驗探究過程框架化。在讀懂實驗的基礎上，清楚兩組實驗的差異，繼而針對第二組實驗提出如下問題： 為什么要將果蠅培育成眾多家系？為什么選擇同一對果蠅繁育產生的后代分成兩半?選擇果蠅做實驗材料的原因是什么？“兄弟姐妹”間的遺傳性一定相同嗎？

經過“實驗再現”的閱讀過程，學生的歸納與表達能力得到訓練，也為“思維剖析”的學習活動環節打下了堅實的基礎。

2.1.2 思維剖析，在問題解決中發展分析與推理能力 該部分是分析實驗結果并得出實驗結論的過程，也是對實驗原理的一個剖析過程，更是科學家開展相關實驗的思維透視。

例如，在“mRNA閱讀方式的探索”中有如下實驗思維，科學家先假設了非重疊的閱讀方式和重疊閱讀方式兩種可能的閱讀方式，并推導兩種閱讀方式產生的蛋白質差異。在此基礎上，設想控制增加或減少不同數目的核苷酸，預測對蛋白質中氨基酸改變的影響程度。通過實驗，確定了mRNA非重疊的閱讀方式以及3個核苷酸對應一個氨基酸的規律。

經過實驗過程再現環節的活動后，在有關問題解決的過程中逐步領悟科學家的“科學思維”，這是經典實驗學習最關鍵之處，對發展學生分析與推理能力及實驗創新思維都有積極的推進作用。

2.1.3 方法點評，在比較反思中發展綜合運用能力 在完整學習實驗過程和實驗思維的基礎上，由教師或學生對實驗中最突出的實驗方法進行點評回眸，再次體會思維之妙、方法之巧。

例如，在營養缺陷型細菌基因重組產生野生型菌落的兩個探究實驗中，不同菌株間只有互相接合，DNA片段才能進入異株細菌而實現重組，兩個實驗中都設計了細菌隔離的方法。第一個實驗中通過U型管的過濾器(細菌不能通過，物質分子可以通過)使菌株A和B產生空間隔離[2]；第二個實驗中通過先培養菌株A(B)并過濾除去菌株A(B)，再培養菌株B(A)，從而產生時間上的隔離。通過隔離阻止細菌間的接合，從而抑制基因重組，是該組實驗成功的重要方法。

經過方法點評環節，深化學生對巧妙實驗方法的提煉、積累與綜合，能夠對今后的科學實驗設計產生正向的遷移作用。

2.2 “節”間比較感悟，發現不同經典實驗“層層深入與殊途同歸”的作用 同一主題下的不同實驗間，或是科學探究的不斷深入細化，如基因定位、遺傳密碼的讀寫與破譯；或是不同科學探究之間的相互補充支持，如營養缺陷型細菌的重組機理探究、生物抗藥性機理探究等。

2.2.1 層層深入中感悟思維與方法的發展性 在必修課學習“孟德爾遺傳定律”和“遺傳的染色體學說”一節后，學生知曉了基因位于染色體上，明白了同源染色體上等位基因分離、非同源染色體上非等位基因自由組合之實質。選修課進一步學習“基因連鎖與互換定律”發現過程，繼而再學習確定連鎖基因間相對距離的三點測交實驗。最后，才學習“基因測序確定基因位置與核苷酸序列”。

上述遺傳實驗的學習層層遞進深入，既符合學習從簡單到復雜的順序，也是科學探究的歷史事實。究其根本，各實驗探究發現的規律與知識本身就存在著先后邏輯，前者是后者的基礎，沒有孟德爾遺傳定律的基礎就很難發現與關注連鎖這一“異常”，沒有連鎖與互換定律的發現，通過測交實驗確定同一染色體上的基因位置，就成了“空中樓閣”。

只有在確定基因本質和相對位置后，開展難度最大的基因測序才變得可實現也有意義去做。在相關系列經典實驗的逐級提升學習中，才能更好地體會科學實驗思維與方法不斷持續發展的規律。

2.2.2 求同中把握思維與方法的規律性 在學習果蠅抗藥性形成實驗的基礎上，再來學習萊德伯格夫婦設計的影印培養實驗(圖略)[3]，關鍵是要引導學生比較歸納兩個實驗共通之處。

例如，該實驗與果蠅實驗相比的優點有兩處： ①兩組間的細菌是無性繁殖結果，遺傳性上更加一致；②由于細菌個體小繁殖又快，一個培養皿的培養基上有眾多菌落，可以減少實驗的組數。從原理上分析，影印培養法中用同一“印章”接種的系列培養皿相同位置上的細菌菌落遺傳性是一致的。一部分培養皿培養基是一般培養基；另一部分培養皿培養基是添加抗生素的選擇培養基，后者也起到了“鏡子”的作用，把沒有接觸過抗生素的、但又有抗藥性的細菌篩選出來。

可見，這兩個實驗在原理上基本相近，學生可運用前一節學習所得，來分析后一節實驗的思維與方法。還可體會到實驗改進的軌跡與益處，對于提高學生實驗思維品質有一定的助推作用。

2.2.3 求異中領會思維與方法的多元性 在學習萊德伯格夫婦通過影印培養實驗探究細菌抗藥性的基礎上，再來學習魯里亞和德爾波留克根據統計學原理設計的變量實驗(圖略)。

例如，在該實驗中，通過“先分管再培養”與“先培養再分管”創設了培養階段的差異，再通過抗噬菌體實驗結果的差異比較來確定突變和培養階段是否有關。噬菌體侵染細菌使細菌裂解死亡，抗性強的細菌不被侵染而生存下來并在培養基上形成菌落。如果突變發生在接觸噬菌體之后,先分管再培養與先培養再分管的效果應相同。若突變發生在接觸噬菌體之前的培養階段，先分管再培養與先培養再分管的實驗結果會不同。由于突變的隨機性和不定向性，各小管中細菌相關基因是否發生突變、發生突變的時間都會有差異，前者各小管產生的突變菌數量會有較大差異，后者各小管產生的突變菌數量會比較接近。

這一實驗的思維與方法完全不同于前兩個實驗，但也能達到相同的探究目標，學生在比較實驗間差異的基礎上，能深刻體會實驗思維與方法的多元性，求知欲必定被激發起來。在此基礎上還可提供紐康布設計的涂布實驗作為閱讀材料，供有興趣的學生進一步探究，感悟科學家的“奇思妙想”，體會不同實驗設計思維與方法的多元性以及殊途同歸的實驗結論。

3 教學實施思辨與對話為主，實現思維培養的目標

由于本選修程是以再現經典實驗為基礎，重在實驗思維與方法的學習，增進學生的探究欲望，發展學科研究素養。學習過程中雖有一些實驗活動，其重心不在實驗知識與操作，而是通過高層次的科學思維活動，以提高學生的學習興趣、探究意識、創新能力和科學素養等。

基于上述學習目標的考慮，在教學過程中，以思辨與對話為主，利用實驗再現資料，開展基于論證的探究教學。設計問題并誘導學生提出問題，進行思考且展開討論，最終理解經典實驗的思維之巧方法之妙，以實現學生學科素養的自由生長。