基于科學思維能力培養的遺傳學教學改革初探

孫嫻 陳金武 齊璐璐

摘要 圍繞科學思維能力培養問題，以分子標記法防治農業病蟲害專題為例，介紹了圖爾敏論證模型、Seminar教學模式在遺傳學教學中的實施步驟和實施建議。

關鍵詞 科學思維;圖爾敏論證模型;Seminar 教學模式

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3305（2020）04-0-03

DOI：10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.04.069

遺傳學是生物科學專業的基礎課程，也是培養學生掌握生物學素養，具備從事生物學相關領域工作關鍵能力的重點學科。通過課程的學習，學生除了要掌握系統的遺傳學知識之外，還應逐步建立起科學思維的方式、方法和習慣，學會從批判的角度和創新的視野來審視所學知識，進而掌握知識的本質，建立更牢固的理論—實踐聯系，以便應對未來社會多變的挑戰，獲得更大成就。

1 科學思維的類型和特征

科學思維是人類在科學認識活動中，掌握和運用的各種思維方法的有機整合，是人類在認識和改造客觀世界中形成的特質。不僅含有能力因素，也包括態度因素（即學生能夠在日常生活中積極運用科學思維認識和解決問題的意向）?？茖W思維是形成正確的世界觀、人生觀、價值觀的基礎，也是現代人才核心素養中的關鍵能力和重要品格。

科學思維能力主要包括形象思維能力、辯證思維能力、批判思維能力、系統思維能力、發散思維能力、創新思維思維能力等。在北京師范大學《21世紀核心素養5C模型研究報告》提出的人才核心素養模型框架中，5個一級維度就包括了批判性思維素養（Critical Thinking）和創新素養（Creativity）兩個科學思維的類別，可見思維能力在未來社會競爭中的重要性。

2 遺傳學教學困境

自孟德爾遺傳定律的提出以來，現代遺傳學進入了迅速發展階段，逐步形成了細胞遺傳學、群體遺傳學、表觀遺傳學和分子遺傳學等諸多分支學科，特別是分子生物學技術的不斷革新，使遺傳學及其實驗技術的內容愈來愈豐富和駁雜。而由于“重實踐、強素質”理念的影響，專業人才培養方案卻在不斷壓縮遺傳學等一系列基礎課程的課時。這種“不斷增加”和“不斷壓縮”造成的矛盾給遺傳學的教學帶來了很大挑戰。

隨著分子遺傳學不斷發展，遺傳學的理論知識更加抽象和難以理解，傳統的以講為主、被動學習的教學模式很難達到理想的教學效果[1]。傳統的實驗教學只讓學生關注實驗的原理和現象，很少討論實驗技術的綜合運用及實驗方案的設計，這就導致遺傳學教學缺乏吸引力，降低了教學效果。這種“高難度”和“低效果”之間的矛盾也是遺傳學教學改革亟待解決的問題。

此外，遺傳學應用性極強，在農業生產實踐中產生，伴隨著農、林、醫等領域的發展而不斷壯大，與社會發展和人民生活聯系緊密。然而，遺傳學教材內容的更新速度滯后于社會發展的需求，現行的教學模式也難以培養出具備創新意識、善于解決社會問題的新型人才。這種“趕不上”和“高要求”之間的差距正是遺傳學教學迫切需要改革的癥結所在。

為了提升遺傳學教學質量、擺脫困境，教師急需轉變教學理念。應以培養學生的科學思維能力為核心，授之以漁，提升學生自主學習能力;以解決問題為導向，學以致用，提升學生的實踐能力;以核心素養為著眼點，以思代記，提升學生的創新思維能力和意識。

3 圖爾敏論證模型和批判性思維能力培養

批判性思維是創新思維能力培養的基礎，是一種理性的、反省的思維，用于分析各種論爭、識別各種謬誤和偏見，根據證據做出結論，并且做出明確判斷的思維方式[2]。常用的批判性思維訓練模型有圖爾敏論證模型，包括主張、資料、根據、支援、限定詞六個成分?！爸鲝垺笔翘岢龅挠^點或命題，需要進一步證實;“資料”是支持觀點的證據;“根據”是觀點和資料之間的支持關系;“支援”是對根據合理性的說明，即對觀點和資料關系的詳細說明;“限定詞”指觀點正確性的限制條件，即觀點的適用范圍;“反駁”指觀點在適用范圍外的表現。

在課堂教學中可以通過創設問題情境，引導學生提出自己的觀點，實施自我論證，組織學生相互質疑和討論四個環節完成批判性思維的訓練過程。如在講解分子標記法之前，創設情境讓學生思考：松毛蟲是為害松林的害蟲，若防治不及時，會在短時間內吃光大面積松林的針葉，可導致松樹死亡，一旦爆發，會引起嚴重的經濟損失和不良生態影響。通過表型篩選和遺傳育種能解決問題嗎？此時，學生根據已有知識能夠做出解答，但思考維度常停留在理解水平，受到教材等“標準答案”的影響。為了打破學生對“權威”的盲目模仿，拓展思維的廣度和深度，可以通過問題串的形式引導學生進行自我論證，從審視自我出發培養批判能力。問題串包括：我的觀點是什么？怎樣進一步解釋觀點？我的觀點是建立在什么基礎上的？（知識？經驗？實驗數據？）我的觀點客觀嗎？有沒有主觀因素的影響？支持觀點的證據有哪些？這些證據科學客觀嗎？觀點和證據之間的關系是什么？因果關系還是相關關系？我的觀點有適用范圍嗎？有限定條件嗎？有其他的觀點嗎？經過成熟的思考后，可以引導學生進入分享觀點，闡釋證據，接受其他同學的質疑，以及針對觀點再討論的環節。

圖爾敏論證模型有別于傳統的課堂討論，增加了自我論證，強調了接受質疑的教學因素，以此訓練學生系統的反省，提升思考的深度和成熟度;訓練學生識別謬誤，通過證據得出結論和做出判斷，提升思考的科學性和準確性;同時也鍛煉了學生的語言表達能力、自信心和包容力。

4 Seminar教學模式和創新思維能力的培養

Seminar，原為學者專家為了解決某一問題而開展的學術交流方式，現在逐漸流行于高等教育的課堂。典型的Seminar教學包括5個基本步驟：（1）拋出問題，主持人介紹問題背景和研討主題;（2）報告宣講，發言人圍繞研討主題，在搜集資料的基礎上，形成自己的研究報告，闡述觀點并舉證;（3）質詢和回應，與會人提出質詢，發言人回應質詢，補充證據，進一步闡釋觀點或者與會人提出質疑，擺出新觀點;（4）辯論與交流，全體與會人員對觀點和證據進行判斷，開展批判和辯論;（5）總結和延伸，主持人總結發言，做結語。在實施教學時，可在宣講前增加搜集資料、自主學習環節，以便學生有充分的時間明確觀點，收集證據。

Seminar教學模式的核心是充分挖掘課程參與者（教師和學生兩個方面）的學理潛能，最大限度地進行多角度、多層次的認知互動，從而深化對某一主題的認識[3]。它創造了一個多向、深度交流的平臺，以頭腦風暴的形式激發了學生的創見;營造了一個平等、積極溝通的學習氛圍，在質詢和回應中充分挖掘學生的潛能;構建了一個協作共進的學習空間，在質疑和辯論中尋求真理。

Seminar教學對教師的素養提出了較高的要求，需要具備扎實的專業素養和高超的課堂組織管理能力，在實施中學生的討論容易出現混亂和無序，影響參與度和學習效果。可搭配使用圖爾敏論證模型輔助學生有序思考，有針對性的質疑。

5 分子標記法防治農業病蟲害專題教學過程

分子標記法主要指能反映生物個體或種群間基因組中某種差異特征的DNA片段，在遺傳學中常用于構建基因組圖譜、基因定位、物種親緣關系和系統分類，疾病診斷和遺傳病連鎖分析、遺傳育種等各領域。本部分內容的教學即有利于學生進一步學習遺傳三大定理，又因應用技術的多樣性，更有利于開展開放性的研討活動。

5.1 課前準備

課前準備工作包括：充分查閱資料，了解分子標記法的研究歷程、最新進展及其在社會經濟生活中的應用;篩選信息創建資源庫，制作查閱文獻流程圖;選擇真實問題情境，確定學習切入點，制作課件;調查學情，結合學生學習水平分組，每組5—6人;完善教案和考核方案。

5.2 圖爾敏論證活動訓練

圖爾敏論證過程有別于學生已有的思考習慣和討論方式，需要經過訓練才能熟練掌握。因此，需要根據學生實際情況安排幾次專項訓練活動，如前文提到的利用分子標記法防治松毛蟲專題討論活動。學生剛接觸圖爾敏論證活動時常常想得多，表達不出來，或者表達缺少條理，教師可以將問題串以文本的形式展示給學生，隨想隨記，反復修改和整理后再開展交流活動。

5.3 Seminar專項研討活動

針對分子標記法防治農業病蟲害專題的教學活動有以下六個教學環節。

5.3.1 主持人拋出問題 水稻是世界主要糧食作物之一，也是我國主要的糧食作物之一。然而水稻病蟲害日益嚴重，導致了大量的經濟損失，已成為農民種植所面臨的主要問題。目前主要通過化學手段防止水稻病蟲害，化學防治可以很大程度減輕病蟲害的危害，但會增加成本且污染環境，長時間使用化學物質也會導致新的變異小種的產生，給病蟲害的防治帶來更大的挑戰[4]。是否能換一種解決思路，通過分子標記法防治水稻病蟲害呢？

主持人可引導學生繼續思考，解決問題首先需要知道：水稻主要病害有哪些？常用的分子標記技術有哪些？各有什么優缺點？不同病害使用的分子標記相同嗎？怎么選擇適用的分子標記？需要特別提醒的是，主持人介紹時需要保持中立的態度。

5.3.2 查閱文獻、自主學習 本環節耗時約兩周。教師引導學生以小組合作的形式自主研讀文獻。文獻分為兩類，一類是教師提供的必讀文獻，協助學生掌握基本信息和核心技術;二是在查閱文獻流程圖指引下的按需索引文獻，為下一步的宣講搜集素材。

教師在學習通上同步設置討論板塊，隨時查看、回復學生遇到的問題和困惑，及時整理共性問題和解決方案，以備總結時使用;問詢學生的工作進度，檢查學生提出的觀點和籌備的證據，督導學生完成圖爾敏自我論證活動，保障學生科學有序地開展工作;督促學生準備宣講活動，包括選擇發言人，制作匯報展板印制資料等工作。

在這一環節中，學生充分展示了合作學習和任務驅動后自主學習的優勢，文獻閱讀量遠遠超過預期，時間跨度超過15年，文獻來源既有核心期刊也有學位論文，全班文獻閱讀量人均10篇，自主索引文獻占比約60%。經過收集資料，大家應該能描述出水稻幾種主要的病蟲害為褐飛虱、白葉枯病和稻瘟病等。

5.3.3 報告宣講 每組發言人匯報10 min，重點講解針對的是哪種水稻病害，選擇哪種分子標記法，選擇的原因有哪些？相關證據有哪些？以白葉枯病為例，部分同學就指出該病為全球性的水稻疾病，水稻感染后至少減產20%—30%，甚至顆粒無收。學生使用了幾種信息手段輔助宣講，有傳統的展板和幻燈片形式，也有短視頻、微課等形式，學生展示證據的形式以圖表為主，如常見水稻病害分布圖、水稻抗白葉枯病基因分布圖、SSR分子標記法標記Xa23基因實驗流程圖、STS標記實驗流程圖、PCR產物凝膠電泳圖等。此時學生已不再局限于“結論”，而將宣講的重心放在提供證據以及對證據可靠性的解說上。

5.3.4 質詢和回應 與會人員針對發言人的匯報質詢和交流10 min（具體時間應根據現場情況適當調整），重點關注觀點表述是否清晰，證據是否可靠充分，標記方法是否有效？標記基因之間是否有功能差別？目前水稻抗白葉枯病基因約30多種，定位在至少超過8條染色體上，那么應該選擇哪種標記方式？標記哪種基因？等等。

在這一環節中，學生學會了追問，如這個文獻的來源是？文獻可靠嗎？有人重復試驗嗎？證據能支持觀點嗎？請進一步解釋。不過受學生學習水平的制約，學生尚不能對證據本身產生懷疑。

5.3.5 辯論與交流 在各組發言人宣講結束后，同學們發現分子標記技術在操作過程中有較多共性，針對同樣的病害，可以使用不同的分子標記技術，同樣的分子標記技術，適用于多個病害，那么哪種病害選擇哪種分析標記技術更方便、快捷、高效呢？不同的小組有不同的意見。此時，教師提醒學生在堅持本組觀點的同時，也應有開放性和包容力，認真思考其他小組的觀點，集思廣益。應認識到小組工作的局限性，用客觀的態度面對不同的意見，兼容并包，獲得更成熟的觀點。最后經過激烈的辯論，全班同學認識到分子標記法為水稻抗病蟲育種提供了一個簡便的途徑。這種方法研究目標是抗蟲害所需的目的基因，相對于傳統育種中所依賴的“植物表型”更加準確，縮短了育種時間，減少了工作量。

5.3.6 主持人總結 首先，系統梳理分子標記技術的特點，完成理論知識的教學目標;其次，介紹分子標記技術在社會發展中的應用以及局限性，完成技術層面的教學目標;接著總結整個學習過程中同學們碰到的困難和問題，總結經驗，完成能力層面的教學目標;此外，系統總結學生思維的變化過程，完成科學思維培養的教學目標;最后，總結態度和綜合素質的變現，進一步深化育人目標。

在整個學過程中，教師通過多種方式營造了自由、積極的課堂氛圍，讓學生真正參與到教學活動中，在深入研討中摸索著前進。學生的學習興趣和主動性、協作意識和語言表達能力都獲得了訓練。在課堂教學過程中，學生的發言次數、發言質量、分析問題和解決問題的能力、提出的有效方法均高于傳統課堂，而且這種效應持續影響著學生后續的學習。

6 結語

整個教學過程的順利實施首先取決于教師的專業素養，教師要對課堂有一定的預見性，要能掌控學生的活動方向，及時引導;其次取決于學生的學習水平和學習習慣，自我監控能力高、基礎知識扎實的學生獲益更多。此外，整個教學過程耗時較多，除正常教學課時成倍增加外，教師課前、課后的準備工作，學生自學時長均遠遠高于傳統課堂，但高等教育在育人時應著眼于學生的長遠發展，充分認識到能力和綜合素質的增長才能讓學生受益終身，以學生科學思維培養為著眼點的教學改革是大勢所趨。

參考文獻

[1] 尹銳.《遺傳學》課程教學模式改革初探[J].農業開發與裝備，2020（5）：93，97.

[2] 吳亞婕，陳麗，趙宏.批判性思維培養教學模式的探究[J].電化教育研究，2014，35（11）：71-77.

[3] 沈文捷，朱強.Seminar教學法：研究生教學的新模式[J].學位與研究生教育，2002（Z2）：43-47.

[4] 李玉營，李聲春，李曉芳.分子標記輔助選擇聚合水稻抗蟲抗病基因育種研究進展[J].廣東農業科學，2016，43（6）： 119 -126.

責任編輯：黃艷飛