基于科學思維培養的高中生物學教學例析

韓益鈞

摘要 闡述教師在理解科學思維內涵價值基礎上，確定科學思維的教學目標，依托教材整合拓展教學內容，培養學生的實證研究能力、邏輯思維能力、批判性思維能力和與創造性思維能力，提升學生核心素養。

關鍵詞 科學思維 核心素養 關鍵能力 教學目標 整合拓展

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

科學思維是高中生物學核心素養的重要組成部分，是發展學生核心素養的基礎與前提。生物學教師應指導學生用生物科學的眼光去觀察了解現實世界，用生物科學的思維去分析探究現實世界。教師在教學中應整合拓展素材，引導學生觀察思考、分析推理與實驗實踐，促進認知結構的同化和順應，提高學生科學思維水平，提升學生關鍵能力，發展學生的生物學學科核心素養。

1 理解科學思維內涵價值

科學思維是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決問題的思維習慣和能力。科學思維、生命觀念、科學探究和社會責任共同構成生物學學科核心素養，科學思維與其他三者之間的關系如圖1所示。提升學生生物學核心素養首先要培養科學思維。教師要引導學生運用科學思維嘗試科學探究，同時在探究過程中不斷提升學生的科學思維水平，使學生在師生與生生互動中建構知識體系，進而形成生命觀念，強化社會責任與擔當。因此，提升科學思維水平是發展學生生物學核心素養的關鍵。

《普通高中生物學課程標準（2017年版》）（以下簡稱課標）明確指出，核心素養是學生通過生物學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格與關鍵能力，實證研究能力、邏輯思維能力、批判性思維能力、創造性思維能力等既是生物學等自然科學發展的基礎，也是學生未來從事生物科學研究、更好適應未來社會發展變化的關鍵能力。科學思維的發展是關鍵能力提升的基礎，課標以舉例的方式列出了科學思維包含的主要內容，厘清了科學思維的內涵，明晰了科學思維的教學目標。表1所示為基于關鍵能力的科學思維舉例與歸類。但是，滿足學生發展所需的關鍵能力并不止于此，表中所示為與科學思維相對應的關鍵能力。

2 確定科學思維教學目標

教學目標是教學的出發點和歸屬，對教學設計與實施起到總攬與指導作用，是核心素養落地的關鍵。基于核心素養的教學目標一般從生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任四個方面設計，其中科學思維教學目標對其他目標的設計與實施起到支撐和促進作用。生物科學發現史能為學生創設真實情境，是訓練科學思維的良好素材。

以人教版必修2“DNA是主要的遺傳物質”為例，本節通過肺炎雙球菌的體內轉化、體外轉化和噬菌體侵染細菌等實驗，引導學生體會研究思路的確定、實驗材料的選擇、實驗方案的設計和技術手段的進步等在科學探究中所起作用，引導學生感悟科學探究是一個不斷深入與發展的過程，教學內容充滿理性與思辨。筆者結合課標要求制定了科學思維的教學目標：通過對遺傳現象與實驗證據的分析，結合猜想與質疑、歸納與概括，探索生物的遺傳物質，構建探究學習模型并嘗試應用，提升實證研究、邏輯思維、批判性思維與創造性思維能力。

3 整合拓展教學內容培養科學思維

現行高中生物學教材中科學思維相關的教學內容相對分散，教師要梳理整合教材內容，對科學思維相關內容二次加工后融入教學設計，突出科學思維的形成過程，促進學生關鍵能力提升。另外，教材中科學思維相關的素材有限，教師可依托教材拓展、挖掘素材，通過創設真實情境，增加設問、適時追問、適當引申等方式，引導學生拓寬思路、理性判斷，提升科學思維水平。下面以“DNA是主要的遺傳物質”為例闡述如何在教學中培養學生科學思維。

3.1 培養實證研究能力

實證研究能力是指基于事實與證據進行觀察、分析與歸納并得出相應結論的能力。教師要培育學生尊重事實與證據、依托實驗和實例開展分析推理的實證思維，形成實證精神，提升實證研究能力。例如，在學習“肺炎雙球菌體外轉化實驗”時，教師提出問題：艾弗里將DNA水解酶與S型細菌的DNA混合后再與R型菌共同培養，若結果只出現R型菌落則進一步說明DNA是遺傳物質。但若仍出現R型和S型菌落，該如何處理呢？學生思考后認為：科學研究應該尊重客觀事實，秉持嚴謹求真的科學態度，如果真的出現了第二種情況，應該進行重復實驗驗證。如果依然如此，則要重新設計實驗繼續探究。

3.2 培養邏輯思維能力

邏輯思維能力是一種理性分析能力，是對觀察、總結、分析、判斷、推理、論證、假設、歸納、演繹、抽象與概括等方法和知識的綜合運用，從而逐步探求出研究結論的能力。邏輯思維有明確的思維方向和充分的思維依據，是建立在證據與邏輯推理基礎上的思維方式，因此，邏輯思維能力是學生學習生物學以及未來從事科學研究不可或缺的關鍵能力。歸納與概括、演繹與推理、模型與建模等均屬于邏輯思維范疇。

（1）歸納與概括是指從某些個別或特殊現象中推導得出具有普遍意義的一般性結論，教師要引導學生透過例證分析進行歸納與表達，進而概括出結論。例如，在學習了“肺炎雙球菌體內、體外轉化實驗”“T₂噬菌體侵染大腸桿菌實驗”后，教師請學生根據相關實驗歸納結論，學生在總結時出現了兩種表述：①“生物體的遺傳物質是DNA”：②“T₂噬菌體的遺傳物質是DNA”。教師及時追問：你覺得哪個結論更為嚴密？為什么？學生思考討論后認為：結論①不嚴密，該實驗只能證明T₂噬菌體的遺傳物質是DNA，并不能確定其他生物的遺傳物質：此外，少數生物體只含有RNA，這些生物的遺傳物質不可能是DNA。因此，結論二表述正確，生物體的遺傳物質究竟是什么，還需要繼續探究后重新歸納。

（2）演繹與推理是指從某個結論或規律出發，推理、解釋某些個別或特殊的生命現象，教師要為學生提供合適的問題或研究情境，指導學生運用所學的知識合理分析推理，提出解決問題的方法。例如，學生在學習了“肺炎雙球菌體內、體外轉化實驗”后己經得出初步結論：肺炎雙球菌的遺傳物質是DNA。因此在學習T₂噬菌體侵染細菌的實驗時，教師重在引導學生基于預期結論演繹推理、預設實驗：T₂噬菌體的遺傳物質究竟是蛋白質，還是DNA呢？、關鍵要證明究竟是蛋白質還是DNA進入大腸桿菌并指導子代噬菌體的合成。→運用何種技術可以觀察并判斷進入噬菌體的物質種類？→放射性同位素標記法。→選擇何種元素標志？→蛋白質和DNA的特征元素。→如何標志蛋白質與DNA？→用大腸桿菌培養T₂噬菌體。在具體的問題情境中，學生沿著一定的邏輯順序演繹推理，探尋實驗設計思路，逐步形成解決問題的能力。

（3）模型是為了理解事物、實踐運用而對事物做出的一種抽象，教師要引導學生在實驗、實踐與總結反思基礎上構建模型并指導運用。例如，本節課經典實驗的探究歷程都可以概括為“發現問題→做出假設→實驗驗證→得出結論”等一般步驟，同時在每個實驗之后又會發現新的問題進而引發新的討論與探究，師生在討論交流中逐步總結完善科學探究的一般過程，構建科學探究的基本模型（圖2）。教師要引導學生在學習過程中有意識地運用該模型進行探究性學習。

3.3 培養批判性思維能力

批判性思維能力是基于邏輯推理對現象和觀點進行的反思性思維，是在查驗問題與證據基礎上對結論進行評價并提出解決方案的能力。因此，批判性思維不是簡單的批評反對，其核心是論證，即引導學生依據客觀事實與證據，在深度思維基礎上質疑、釋疑。例如，教材中“肺炎雙球菌體外轉化實驗”分別研究了DNA、蛋白質、多糖作為遺傳物質的可能性，為什么沒有將RNA納入研究范疇呢？學生對此產生疑問。教師肯定了學生的質疑，同時引導學生思考：教材實驗沒有將RNA納入研究范疇的可能原因是什么？讓學生課后查閱相關資料回答。學生課后搜集相關素材并討論后認為：當時的科學家對RNA的了解還不夠充分，但艾弗里比較嚴謹，在實驗時對加熱殺死的S型肺炎雙球菌各種生物化學成分都進行了酶解實驗，證實蛋白質和RNA是否水解與轉化無關，進而確認肺炎雙球菌的遺傳物質是DNA。學生討論后認為，教材沒有將艾弗里對RNA的相關研究納入值得商榷，同時建議教材將來能對這段生物科學史作出更為充分的還原。

3.4 培養創造性思維能力

創造性思維是一種具有開創意義的思維活動，需要推理、想象、聯想、直覺等思維的深度參與，表現為創造性地提出問題、解決問題。教師應抓住機會激發學生一閃即逝的靈感，鼓勵學生大膽猜想、勇于實踐、善于表達，培育學生的創造性思維能力。例如，在“肺炎雙球菌體外轉化實驗”中，提取的DNA純度最高時仍然有0.02%的蛋白質，無法排除蛋白質是否具有遺傳效應，教師適時提問：你認為應該如何繼續探究？學生思維活躍，提出了各種研究思路：有的認為應該優化技術手段繼續提純：有的認為要充分發揮蛋白酶和DNA水解酶的作用，將雜質徹底水解。但有學生認為，細菌的組成成分相對復雜，無論怎樣提純理論上也難以得到100%純度的DNA和蛋白質，應該轉變一味提純獲取的思路，選擇結構成分更為簡單的微生物重新設計實驗驗證，這與赫爾希和蔡斯實驗的思路是一致的。該教學環節有效激發了部分學生的創造性思維與探索熱情，這種思維的火花和靈感與真實的科學探究過程是相似的，教師要善于鼓勵激發。

參考文獻：

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