“假說-演繹”法培養學生科學思維的課堂實踐

摘 要：科學思維作為生物學學科核心素養的重要內容之一，是學生形成生命觀念的重要途徑，也是科學探究的重要組成部分。其中，“假說-演繹”法是一種重要的科學思維方法。本文依據筆者對科學思維的理解，選取“基因指導蛋白質的合成”一節內容為例，引導學生基于“假說-演繹”法進行系統性的邏輯分析與科學論證，培養學生的科學思維，旨在為生物學教學提供參考。

關鍵詞：科學思維；“假說-演繹”法；蛋白質合成；課堂實踐

文章編號：1003-7586（2024）11-0079-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

1 研究背景

科學思維是生物學學科核心素養的重要內容，在《普通高中生物學課程標準（2017 年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）中的描述為“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、解決實際問題的思維習慣和能力”。近年來，高考生物學命題同樣也注重對學生關鍵能力、思維品質和思維過程的考查。

2023年高考北京卷生物學第17題以知識為載體，科學思維為命題主線，創設真實科研情境，全面考查學生的科學思維。題目融入多學科知識和思想方法，要求學生運用歸納與概括、設計與預期、科學表述等能力，解答生物學相關問題，契合生物學學科核心素養的價值導向。

細胞膜的選擇透過性與細胞膜的靜息電位密切相關?？茖W家以哺乳動物骨骼肌細胞為材料，研究了靜息電位形成的機制。

（1）骨骼肌細胞膜的主要成分是""" ，膜的基本支架是""" 。

（2）假設初始狀態下，膜兩側正負電荷均相等，且膜內K＋濃度高于膜外。在靜息電位形成過程中，當膜僅對K＋具有通透性時，K＋順濃度梯度向膜外流動，膜外正電荷和膜內負電荷數量逐步增加，對K＋進一步外流起阻礙作用，最終K＋跨膜流動達到平衡，形成穩定的跨膜靜電場，此時膜兩側的電位表現是"""""""""""""""" 。K＋靜電場強度只能通過計算得出。

（3）骨骼肌細胞處于靜息狀態時，實驗測得膜的靜息電位為－90mV，膜內、外K＋濃度依次為：155mmol／L和4mmol／L，此時沒有K＋跨膜凈流動。

①靜息狀態下，K＋靜電場強度為""" mV，與靜息電位實測值接近，推測K＋外流形成的靜電場可能是構成靜息電位的主要因素。

②為證明①中的推測，研究者梯度增加細胞外K＋濃度并測量靜息電位。如果所測靜息電位的值"""""""""""" ，則可驗證此假設。

參考答案：

（1）磷脂和蛋白質；磷脂雙分子層

（2）膜內電位比膜外低（內負外正）

（3）①－95.4；②均與相應狀態下K＋靜電場強度理論值接近

具體而言，第（1）小題要求學生熟悉生物膜的組成成分和結構，考查學生對“結構與功能觀”的掌握情況；第（2）、（3）小題要求學生具有一定的高階思維，需要學生能夠基于題干假設，結合“靜息電位”“K＋靜電場強度”“電荷平衡”等知識進行演繹推理，并運用數學公式分析數據，準確表達結果，考查學生的科學思維。題干設問的角度新穎，有效考查了學生的科學思維和科學探究核心素養。

測試結果顯示第（3）小題的得分率較低，這表明學生難以抓住本題的考查主線，其演繹推理等科學思維能力也有待提升。因此，在平時的教學過程中，教師應充分利用教材和拓展資源多角度培養學生的科學思維。

2 “假說-演繹”法

“假說-演繹”法是指在觀察和分析的基礎上先提出問題，再通過推理和想象提出解釋問題的假說，接著根據假說進行演繹推理，最后通過實驗檢驗結論的科學研究方法。如果實驗結果與預期結論相符，就證明假說是正確的；反之，則說明假說需要修正。該法是現代科學研究中常用的一種科學方法，整個過程科學嚴謹，具體流程如圖1所示。

3 基于“假說-演繹”法培養學生科學思維的課堂實踐

3.1 挖掘教材資源，融入日常教學

教材融入了很多能體現“假說-演繹”法的科學史資料，有助于高效訓練學生的科學思維。例如人教版普通高中教科書《生物學·必修2·遺傳與進化》（以下簡稱“教材”）中包括以下科學史內容：①基因分離和自由組合定律；②摩爾根（T. H. Morgan）證明“基因在染色體上”；③DNA的復制方式；④遺傳學中心法則；⑤遺傳密碼的破譯過程等。教材作為教師培養學生科學思維的載體，在教學中發揮著重要作用。學生通過對教材中的科學史進行學習，能夠在面對問題時，模仿科學家的思維方式進行思考。筆者以教材中“基因指導蛋白質的合成”一節內容為例，引導學生基于“假說-演繹”法進行系統性的邏輯分析與科學論證，在探究活動中培養其科學思維。

3.2 教學過程

3.2.1 基于科學史，提出問題

20世紀50年代，科學家對“遺傳信息如何從DNA傳遞到蛋白質”這一問題展開了深入的研究，提出了多種假說。蛋白質是在細胞質內的核糖體上合成的，受細胞核內的DNA指導。DNA直徑是2 nm，核糖體直徑約23 nm，而細胞核的核孔只有0.9 nm，DNA和核糖體均不能通過核孔進出細胞核，因此 DNA 上的基因指導蛋白質的合成需要“信使”進行輔助。尋找DNA轉化為蛋白質的媒介是科學家面臨的主要問題。

教師提供證據引導學生尋找信使。

資料1：1955年，比利時細胞生物學家布拉奇特（J. Brachet）用洋蔥根尖和變形蟲進行了酵母菌酶解實驗：①加入RNA酶分解細胞中的RNA，蛋白質合成停止；②加入從酵母菌中提取的RNA，蛋白質的合成效率有一定程度的恢復。教師提出問題：該實驗采取的實驗方法是什么？實驗結果說明什么？

資料2：1955年科學家戈爾德斯坦（Goldstein）和普勞特（Plaut）將用放射性同位素標記的尿嘧啶培養液來培養變形蟲，檢測發現具有放射性的RNA首先在細胞核中出現，而后在細胞質中出現。教師提出問題：實驗結果說明什么？

3.2.2 教師引導學生進行推理分析，利用假說解釋問題

學生通過學習科學史，了解到DNA將遺傳信息傳遞給RNA，隨后RNA通過細胞核進入細胞質指導蛋白質的合成，在這個過程中充當信使角色。教師提出問題：真核生物的RNA種類很多，是否每一種RNA都能夠作為信使？教師提供三類RNA的信息和特點：核糖體組成成分的rRNA、能與特定氨基酸結合的tRNA以及在合成后一段時間分解的mRNA?？茖W家在研究小鼠體內不同種類的細胞時發現，tRNA在不同細胞中的種類大體相同，因此排除tRNA作為遺傳信使的可能。

資料3： 1958年，克里克（F. Crick）提出假說一，即rRNA是“信使”。rRNA一般與蛋白質結合形成核糖體?？死锟苏J為，rRNA不可能離開核糖體而存在，每個核糖體以rRNA為模板指導合成同一種蛋白質，即一個核糖體合成一種蛋白質。

資料4： 1961年，布倫納（S. Brenner）等人提出假說二，即另一種不穩定的mRNA是信使。布倫納等人研究發現噬菌體侵入到大腸桿菌后，大腸桿菌立即停止合成自身的蛋白質，轉而合成噬菌體的蛋白質。在此過程中，細菌細胞內合成了噬菌體的RNA。為確定新合成的噬菌體RNA是否為“信使”，科學家還需要進一步的實驗。

教師提出問題：哪種假說能夠成立？如何設計實驗進行驗證？教師引導學生設計實驗，培養其實驗設計能力，從而為演繹推理提供幫助。

實驗設計：用含¹⁵N／¹³C的培養基培養細菌，然后將這些細菌轉移至含 ¹⁴N／¹²C 的培養基中培養，同時接種噬菌體，并向該培養基中加入³²P標記的尿嘧啶核糖核苷酸。培養一段時間后，進行密度梯度離心和放射性檢測。

3.2.3 根據假說進行演繹推理

問題驅動，層層深入：教師設置合理的、層層遞進的問題來引導學生以科學家的思維進行分析推理，培養學生分析問題、探究事實的能力，訓練學生的高階思維。

教師提出問題：若假說一成立，則大腸桿菌細胞內的核糖體種類是否相同？為什么？密度梯度離心和放射性檢測的結果是什么？

學生推理分析：若假說一成立，則大腸桿菌細胞內的核糖體種類不同。細菌合成噬菌體的RNA和蛋白質，其作為傳遞信息的載體，參與生成新的核糖體，與原有的核糖體不同。其預期實驗結果應如圖2所示。

教師提出問題：若假說二成立，則大腸桿菌細胞內的核糖體種類是否相同？新合成的mRNA與原有的核糖體有什么關系？密度梯度離心和放射性檢測的結果又是什么？

學生推理分析：若假說二成立，則噬菌體侵染細菌后會產生一種被³²P 標記的mRNA。這種mRNA不會參與生成核糖體，其與細胞內原先的“重核糖體”結合參與蛋白質的合成。其預期實驗結果應如圖3所示。

3.2.4 通過實驗檢驗演繹推理

學生對被噬菌體入侵之后發生裂解的細菌進行密度梯度離心和放射性檢測。教師根據結果提出問題：該實驗結果說明什么？支持哪個假說？

實驗結果與預期實驗結果二一致，說明噬菌體入侵后并沒有合成新的核糖體，而是利用新合成的具有放射性標記的mRNA與細菌原有的“重核糖體”結合，指導其蛋白質合成。這一發現直接證實rRNA不是信使，即假說二是正確的。

3.2.5 回顧“假說-演繹”法，得出結論

據此，科學家將這種能把遺傳信息從DNA傳遞至蛋白質的物質命名為“信使RNA”（mRNA）。在教學結束后，教師需要及時引導學生總結“假說-演繹”法的思維歷程：根據事實提出問題—分析現象并提出假說進行解釋—演繹推理產生認知沖突—實驗驗證得出結論。教師通過還原科學研究歷史，不僅能夠培養學生的科學思維，還能激發學生的學習興趣。

4 教學啟示

培養學生的科學思維是生物學教學的核心任務之一。^［1］教師應在日常教學中融入科學思維訓練，潛移默化地培養并提升學生的思維品質，確保生物學學科核心素養的培養得到有效實施?？茖W史不僅能呈現概念的生成過程，而且還隱含著科學家的思維方法。^［2］在教學實踐中，教師既可以組織學生學習教材中蘊含“假說-演繹”法的內容，讓學生領悟科學思維的本質過程；也可以靈活運用教材中的實驗素材，創設“假說-演繹”模式，設置合理的、層層遞進的問題來引導學生進行分析歸納、推理論證等思維活動。在此過程中，學生主動獲取知識并提升科學思維，進而養成良好的思維習慣。

參考文獻

［1］張培君.培養科學思維的高中生物學教學探索［J］.生物學教學，2022，47（5）：34-36.

［2］孔瑋，畢詩秀.“基因的表達——翻譯”一課中培養學生科學思維的實踐［J］.中學生物教學，2021（19）：20-24.