高中生物課堂教學發展學生科學思維的教學策略

《普通高中生物學課程標準》（2017年版2020年修訂）提出的學科核心素養是學科育人價值的集中體現，科學思維是生物學學科核心素養的重要組成部分。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。發展學生科學思維的能力和品質是生物學教學的重要目標之一。在教學實踐中，教師應以核心素養為宗旨，探討生物課堂中發展學生科學思維能力的有效教學策略。

一、利用經典實驗搭架，培養學生批判性思維

在整個高中的生物科學習過程中，教材展示了諸多的科學史，這些科學史，也是諸多經典實驗的再現，學生在學習的過程中，除了感受科學家為科學奉獻的探究精神、人格魅力外，蘊藏在實驗設計中的各種思維品質也是學生可以體驗的。在教學過程中，利用好經典實驗的素材，既有助于學生對科學過程和本質的理解，也有利于提升科學思維能力，特別是批判性思維。

（一）問題導向強化批判性思維

當今社會科技、信息高度發達，如何適應瞬息萬變的環境，學生的獨立性、創造性是不可缺少的，而批判性思維正是學生獨立思考的前提。生物學是一門以實驗為基礎的學科，實驗設計體現科學家敏銳的洞察力和嚴謹的邏輯思維能力，科學家獨到的思考能力和巧妙的實驗設計，體現著批判性思維。教師可以利用經典實驗的素材分析，設置相關問題，引導學生在分析綜合的基礎上，強化獨立思考、批判性思維。

人教版必修二《DNA是主要的遺傳物質》，本節內容介紹了科學家的四個實驗設計，都很經典，值得學生不斷思考和回味。在格里菲思的肺炎鏈球菌的轉化實驗中由于DNA是分子結構水平，抽象不好理解，教師可以借助問題串，剖析科學家的設計思路，在深度思考中培養學生科學思維。1.S型肺炎鏈球菌和R型肺炎鏈球菌的區別是什么？——實驗材料的選擇很重要。2.為什么加熱殺死的S型細菌還能使R型活細菌轉化為S型活細菌？—DNA和蛋白質的理化性質不同。3.用流程圖寫出4組對照實驗過程—一找出實驗的自變量和因變量，在比較中理解科學家的實驗設計思路和目的。4.第4組實驗中，所有R型菌都會被轉化為S型菌嗎——轉化是有條件的，科學實驗不是想當然，而是在實驗中不斷摸索、總結經驗，在失敗中前進。

通過對科學家設計思路的拆解，以問題形式呈現，還原思考過程。學生在解讀實驗過程中，需要加入自己的獨立思考和認知。這也是發展批判性思維需要經歷的途徑。

（二）數據解讀訓練批判性思維

在實驗的論證過程中，數據解讀是很重要的一個環節。數據是直觀的、形象的，如何從直觀的信息中提取出有效的信息，并加工形成一定的理論知識，也是科學思維的過程。教師可以通過事實的呈現，引導學生進行有效的思考和討論，有助于學生基于事實與證據，在分析、綜合的基礎上，發展學生的批判性思維。

人教版必修一《細胞核的結構和功能》圍繞“細胞核的功能”，教材呈現多則資料分析，事實上是多個經典實驗，教師以經典實驗為載體，搭建支架，通過分析與綜合、歸納與概括等，學生初步得出細胞核的重要性。“是不是只要有細胞核，細胞的存活就沒有問題？”批判性思維的訓練可以借此登場。教師給出資料分析：科學家曾做過實驗，100個細胞，把每個細胞都分成兩部分，一部分含有細胞核，另一部分沒有細胞核。所有的細胞都放在一定的相同條件下培養。實驗數據如表1所示：

表1實驗相關數據

如何對這么多細胞有核部分的死做出合乎邏輯的解釋？學生借助這些數據，對實驗進行一定的分析、推理，如果還停留在細胞核的重要性，是得不到答案的。要求學生要有一定的敏銳、求真思維特性，有反思及自我調整特性，才能得出答案：“一是實驗過程中人為因素對細胞造成了傷害，導致部分細胞死亡，二是細胞的正常凋亡。”這樣的訓練正是批判性思維所需要的。

二、借助思維可視化，提升思維建模能力

高中生物學的學習需要學生完成從直觀形象思維向抽象邏輯思維的轉化，以適應抽象程度越來越大的知識體系構建，在不同的教學內容中實現共同的教學目標，發展學生的科學思維。在這一過程中，教師可借助科學思維可視化的過程引導學生深度理解和遷移應用概念。

（一）圖文轉化助推思維建模能力

知識的學習和理解主要體現在解決實踐情境的真實問題，它絕不是簡單的死記硬背。教師可引導學生利用圖文轉化、歸納與概括、思維建模等科學思維方法，完成知識的應用和遷移。近年來的生物高考，強調以生物學知識為載體，考查學生對有效信息的獲取能力。試題的情境是新穎而且復雜的，傳統的“刷題”很難形成思維訓練，無法契合當前要求的情境化高考試題中正確解釋生物學現象。這就要求學生在平時能進行有效的圖文轉化，養成思維建模的好習慣，讓思維可視化。

例如：某抗體類藥物能結合肺癌細胞表面HER2受體，阻斷受體功能，引起癌細胞發生一系列變化而凋亡（見圖1）。下列對癌細胞變化的分析不合理的是

A.凋亡基因表達上調，提示HER2受體被激活B.細胞由扁平形變為球形，提示細胞骨架受到影響C.細胞膜的磷脂酰絲氨酸由內側翻轉到外側，提示細胞膜流動性改變D.基因組DNA被降解成約200堿基對的小片段，提示DNA酶被激活

圖1某抗體藥作用機制模型

在解題的過程中，引導學生完成圖文轉化和信息簡化過程，用圓圈代表癌細胞，HER2受體在膜上，當抗體藥和受體結合，引起細胞凋亡，用相應圖形表示出來，非常直觀，讓思維可視化，由此也完成了信息的轉化、推理過程，學生能快速判斷出A選項表達的意思和轉化出來的信息是不符的，從而判斷A是錯誤選項。

（二）信息整合訓練思維建模能力

《中國高考評價體系》把高考考查內容凝練為“四層”，其中“學科素養”是其中的一層，學科素養的二級指標“科學思維”就要求學生能運用多種思維方法組織、調動相關知識與能力，在面對各種與學科相關的實際問題時，在科學思維指引下，能進行相應信息轉化、構建解釋等，達到解決真實情境中的問題。科學探究也是生物學的主要內容，在科學探究過程中，教師要引導學生采用科學工具和科學方法對生活實踐情境進行信息整合、演繹推理、構建思維模型，解決、論證相關實踐問題。

例如：科研人員以擬南芥為材料，通過實驗發現：萌發擬南芥下胚軸的伸長量和乙烯、HY5蛋白（光形態建成蛋白）密切相關，且在黑暗中的伸長量顯著高于正常光照條件下；與野生型相比，無論光照或者黑暗條件下，乙烯過量生成突變體和HY5基因缺失突變體均表現出下胚軸明顯伸長的表型。回答下列問題：

（1）光照條件下野生型擬南芥幼苗下胚軸明顯縮短，從光調控植物生長發育的反應機制角度來看，可能的原因是

（2）乙烯和 HY5蛋白均參與擬南芥幼苗下胚軸生長的調控，它們對下胚軸伸長分別起作用。 （其他小題略）

根據題目提供的信息，可以構建如圖2的解題模型：

過量生成正常 乙烯 下胚軸明顯伸長伸長下胚軸HY5蛋白 下胚軸明顯伸長（黑暗gt;正常光照） 缺失突變

根據模型，下胚軸伸長與乙烯和HY5蛋白有關，乙烯過量，HY5蛋白缺失，下胚軸明顯伸長，很直觀推出（2）題答案乙烯是促進作用，HY5蛋白是抑制作用。又因為黑暗中伸長量大于正常光照，HY5蛋白是光形態建成蛋白，所以，推出（1）題答案的邏輯線是光照一一光敏色素激活—結構發生變化—誘導表達HY5蛋白抑制伸長一下胚軸比較短。然后再組織梳理答案。

三、利用概念模型，培養學生的系統、整體思維

生物學的學習，概念的建立很重要。而概念也是一種重要的模型，概念的形成過程就是建立模型的過程[1]。在一節課中，學生學到的知識點是細碎、零散的，最終，教師要引導學生建構一定的重要概念，形成相關的生命觀念，這一過程也是在運用一系列的科學思維方法中形成的，特別是系統、整體思維。

（一）概念建構訓練系統思維

圖2乙烯和HY5蛋白調控擬南芥幼苗下胚軸生長模型

在概念的建構過程中，系統思維的訓練具有關鍵的作用。系統思維指的是學生在技術學習過程中所養成的一種思維方式和行為習慣，它一般具有五個特點，即整體性、結構性、立體性、動態性和綜合性[2]。概念的建構應該遵循從局部到整體的原則。教學過程中，教師可引導學生應用系統思維，學會從系統的整體性出發，分析整體與局部，局部與局部之間的相互關系，設計概念圖。

例如：在人教版選必二《人與環境》這章中，知識內容對學生來說并不是難點，重要的是相關核心素養的達成。人與環境的關系是十分復雜的，通過這一章的學習，學生要能夠感悟生物學因果關系的復雜性。

通過教師設計的概念圖，一步步引導學生認識人與環境之間復雜的關系。在解決問題的過程中，把零散的知識串成有機的一條線、整體化，建構概念“人類活動對生態系統的動態平衡有著深遠的影響，依據生態學原理保護環境是人類生存和可持續發展的必要條件”。在建構概念過程中訓練學生的系統思維。

（二）板書設計形成整體思維

課堂教學中，板書經常有畫龍點晴的作用，精心設計的板書，有事半功倍的作用，能站在高屋建瓴的角度，從整體、全局出發，幫助學生構建完整的概念。好的板書是在一系列事實性材料的基礎上，提煉、歸納出來的，學生在充分運用分析與綜合、抽象與概括等科學思維方法之后，兼顧局部和整體的關系，形成整體思維。所以，通過教師精心設計的板書，引導建構概念，是多種科學思維方法的綜合應用，特別是對培養學生的整體思維是很好的機會。

例如：人教版必修一《細胞核的結構和功能》一節的板書。

圖3人與環境關系概念圖

面對教師呈現或者學生觀察到的事實性材料，如何得出結論，得出什么樣的結論，需要教師給予思維上的引導[3]。本節課的板書，以細胞核的結構為起點，從染色質一DNA一基因，引出遺傳信息庫，再從結構與功能相適應的生命觀念探究細胞核的功能，最后，聯系細胞膜和細胞質，幫助學生建構概念“細胞是生命體結構的基本單位”和“細胞是代謝和遺傳的基本單位”，體現了思維的整體性。

四、通過建構物理模型，提升學生思維品質

模型建構不僅要做，而且要在做中實現概念的形成和理解，更要在做中體驗、思維和創造[4]。可以利用書本探究實踐“嘗試制作真核細胞的三維結構模型”“利用廢舊物品制作生物膜模型”“制作DNA雙螺旋結構模型”“制作質粒載體模型”等活動，引導學生課后體驗建構物理模型，它是多種科學思維方法的綜合應用過程。

（一）模型建構中體驗科學思維方法

高中許多生物知識點是抽象的，特別是分子結構，看不見，摸不著，對學生來說是難點。教師可以借助物理模型的建構，化抽象為形象，利于學生理解、掌握相應的知識。學生通過模型建構活動，在制作、修正、展示、交流等環節中，是模型與建模、歸納與概括、分析與綜合等多種思維方法的具體運用，也是提升學生科學思維品質的途徑之一。

人教版選必三《重組DNA技術的基本工具》，書本介紹了將外源基因送入細胞的載體一一質粒。質粒是一種獨立的、具有自我復制能力的環狀雙鏈DNA分子。因為DNA是分子結構，對學生來說很抽象，加上許多高考題在這方面的拓展很多，這個知識點是學生學習的難點，化解這個難點就可以通過建構物理模型來解決，學生能更直觀感受質粒的結構特點。活動要求：課前布置任務，學生以礦泉水瓶子、不同顏色的卡紙為材料，在卡紙上打印不同的堿基系列，代表不同的DNA結構。還需要剪刀、膠水等工具，建構大腸桿菌載體模型。建模目的：利用物理模型，學生能更直觀感受質粒的結構特點，歸納總結作為載體需具備的條件、單酶切、雙酶切、正向連接、反向連接等諸多基因工程操作具備的基本常識。活動過程：1.根據活動要求，小組成員分工合作，用礦泉水瓶子代表一個大腸桿菌細胞，用白色環狀紙的堿基序列代表質粒DNA，用紅色紙條堿基序列代表目的基因，剪刀代表限制酶，膠水代表DNA連接酶，小組要完成目的基因和質粒的連接，并送入大腸桿菌細胞。2.在展示交流中達成共識，目的基因和質粒連接的條件，單酶切和雙酶切的不同點，正向連接和反向連接的條件和區別等。在建模的過程中，學生需要應用多種科學思維方法，如分析與綜合、歸納與概括等，科學思維能力得到訓練，思維品質得到提升。

（二）評價促進創新思維

在這個知識更新速度極快的時代，創新思維能力的培養已經成為教育的重要目標[5]。在傳授知識的同時，能力的培養也是不可忽視的。評價機制是對學生的肯定，也能大大激發學習熱情和欲望。教師可以創造條件和機會，使學生思維外顯化，并充分發揮評價的功效，促進學生創新思維的發展。

例如：學生在制作物理模型時，他們的思維往往是發散的，他們展現出了絕妙的創意和超強的動手能力，這一過程是激發學生創新思維很好的途徑。教師要抓住這樣的機會，呵護學生的創新思維。相應的模型活動要求學生課后合作，以小組為單位，上交模型作業。評價原則主要從科學性、創新性、美觀性及團隊合作等方面進行評價，評出一、二、三等獎若干，并用展板在年段進行展示、交流、表揚。學生通過作品，可以把科學思維能力外顯化，在展示、交流中，對自我的肯定，對團隊的肯定，是學生滿足感的良好體驗。有了滿足感，才有進一步學習、發展的欲望以及探究的動力，并促進創新思維的發展。

圖5學生制作的部分真核細胞三維結構模型

結束語

科學思維是在認識事物、解決問題的過程中形成的能力和品格，是學生終身發展所需要的，也是學科育人價值的體現。高中生物學中抽象、龐大的知識體系，需要學生以事實證據和邏輯分析為主要指向，充分利用各種科學思維方法解決問題。教師必須在不同的教學內容中實現共同的教學目標發展學生科學思維。它絕非一節之功或一日之功，需要的是教師在教學中有意識地培養和日積月累。

參考文獻

[1]吳成軍.試論科學思維及其在生物學學科中的獨特性[].生物學教學，2018，43（11）：7-9.

[2]張傳芳.基于項目學習模式的高中生系統思維培養[D].桂林：廣西師范大學，2023.

[3]趙占良.生物學概念教學論[M].南寧：廣西教育出版社，2021.

[4]譚永平.高中生物學新課程中的模型、模型方法及模型建構].生物學教學，2009，34（1）：10-12.

[5]孫雷鳴.基于創新思維培養的高中數學教學探討[J].數理化解題研究，2022（33）：14-16.