基于發(fā)展科學(xué)思維的教學(xué)策略淺析

殷躍

摘要以“植物的激素調(diào)節(jié)”為例，闡述通過(guò)科學(xué)史教學(xué)、定量實(shí)驗(yàn)、評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)、分析社會(huì)議題和典型案例等策略，運(yùn)用歸納與演繹、分析與綜合、模型與建模、系統(tǒng)分析、批判性思維等方法發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

關(guān)鍵詞 科學(xué)思維 教學(xué)策略 植物的激素調(diào)節(jié)

中圖分類(lèi)號(hào)G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

科學(xué)思維是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物，解決實(shí)際問(wèn)題的思維習(xí)慣和能力?？茖W(xué)思維方法包括但不限于以下內(nèi)容：歸納與演繹、分析與綜合、模型與建模、系統(tǒng)分析、批判性思維等方法。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，觀(guān)念和規(guī)律的形成都需要學(xué)生具備基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)、運(yùn)用科學(xué)思維方法進(jìn)行探討和闡釋的能力。因此，發(fā)展科學(xué)思維是生物學(xué)教學(xué)的重要目標(biāo)之一。下面以“植物的激素調(diào)節(jié)”一章的教學(xué)為例，嘗試闡述發(fā)展科學(xué)思維的幾種策略。

1科學(xué)思維方法在本章中的體現(xiàn)

筆者在“植物的激素調(diào)節(jié)”一章的教學(xué)中，沿著科學(xué)思維發(fā)展路徑設(shè)計(jì)并實(shí)施教學(xué)，即利用科學(xué)史，讓學(xué)生“定性”認(rèn)識(shí)生長(zhǎng)素，開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)“定量”闡釋生長(zhǎng)素的生理作用，遷移歸納植物激素的調(diào)節(jié)作用，并基于此審視植物激素的應(yīng)用問(wèn)題。筆者經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐與思考，總結(jié)歸納了科學(xué)思維方法在“植物的激素調(diào)節(jié)”一章中的體現(xiàn)（表1），其中分析與綜合貫穿所有思維過(guò)程。

2發(fā)展科學(xué)思維的教學(xué)策略

2.1通過(guò)對(duì)科學(xué)史的學(xué)習(xí)，運(yùn)用歸納與演繹、分析與綜合的方法，形成生物學(xué)概念

科學(xué)史對(duì)學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)、科學(xué)研究的思路和方法，學(xué)習(xí)科學(xué)家獻(xiàn)身科學(xué)的精神有重要意義。歸納與演繹、分析與綜合都是重視實(shí)證的科學(xué)發(fā)現(xiàn)方法，是生物學(xué)概念、觀(guān)念形成的重要途徑。本章教材重視在科學(xué)史的重現(xiàn)過(guò)程中，訓(xùn)練學(xué)生的歸納與演繹、分析與綜合技能。

歷史上，達(dá)爾文對(duì)胚芽鞘向光彎曲生長(zhǎng)的現(xiàn)象進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)探究，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比分析，運(yùn)用歸納的方法提出解釋胚芽鞘向光生長(zhǎng)的假說(shuō)。為了讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)家真實(shí)的研究過(guò)程和科學(xué)思維過(guò)程，在教學(xué)實(shí)踐中，筆者組織學(xué)生重現(xiàn)了“達(dá)爾文實(shí)驗(yàn)”，獲得充分的證據(jù)資料：

①由學(xué)生自己利用小麥胚芽鞘“探究胚芽鞘向光生長(zhǎng)的外因”，通過(guò)觀(guān)察、對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出結(jié)論。

②教師引導(dǎo)學(xué)生充分觀(guān)察實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)“彎曲部位在尖端下部”，及時(shí)提出問(wèn)題：“感光部位在哪里？”

③學(xué)生通過(guò)分析胚芽鞘的結(jié)構(gòu)，提出兩種推測(cè)：感光部位在尖端下部或者尖端。在分組討論中，基于兩種推測(cè)設(shè)計(jì)出探究方案，有學(xué)生提出對(duì)兩個(gè)部位遮光處理，有學(xué)生提出進(jìn)行切除處理。小組討論并評(píng)價(jià)方案可行性。

④學(xué)生通過(guò)“探究感光部位”實(shí)驗(yàn)，觀(guān)察胚芽鞘生長(zhǎng)方向、綜合分析一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)，嘗試對(duì)胚芽鞘向光生長(zhǎng)進(jìn)行合乎邏輯的解釋。

其后的科學(xué)家在達(dá)爾文假說(shuō)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用演繹的方法展開(kāi)了一系列實(shí)驗(yàn)研究證明達(dá)爾文假說(shuō)，并最終運(yùn)用分析與綜合的方法完善了植物向光性生長(zhǎng)的機(jī)理。在實(shí)際教學(xué)實(shí)踐中，筆者從設(shè)問(wèn)上層層引導(dǎo)學(xué)生對(duì)達(dá)爾文假說(shuō)進(jìn)行質(zhì)疑、假設(shè)、排除、論證：

①設(shè)計(jì)詹森實(shí)驗(yàn)，探究達(dá)爾文實(shí)驗(yàn)說(shuō)得出的“影響”是什么。學(xué)生提出，切斷操作排除“影響”通過(guò)結(jié)構(gòu)傳遞，推測(cè)“影響”可能通過(guò)物質(zhì)傳遞。

②分析拜耳實(shí)驗(yàn)，探究“影響”怎么導(dǎo)致植物向光生長(zhǎng)，得出導(dǎo)致彎曲的直接原因是“影響”分布不均。

③設(shè)計(jì)溫特實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證明“影響”是化學(xué)物質(zhì)，并命名生長(zhǎng)素。

④了解郭葛等人的實(shí)驗(yàn)，確定生長(zhǎng)素化學(xué)本質(zhì)為吲哚乙酸。

教學(xué)中，教師組織學(xué)生以達(dá)爾文假說(shuō)為框架，通過(guò)對(duì)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的分析，將碎片化的實(shí)證資料進(jìn)行歸納梳理，幫助學(xué)生體會(huì)證明和完善達(dá)爾文假說(shuō)的過(guò)程。

“其他植物激素的發(fā)現(xiàn)”過(guò)程同樣以科學(xué)史資料的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生理解科學(xué)實(shí)證的范式，體會(huì)歸納與演繹、分析與綜合的科學(xué)思維方法在科學(xué)知識(shí)產(chǎn)生中的作用。

2.2通過(guò)定量研究實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用模型和建模的方法，闡釋生物學(xué)規(guī)律

模型方法是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的重要手段，學(xué)生掌握了模型方法能更透徹地理解科學(xué)知識(shí)。教師設(shè)計(jì)以體驗(yàn)建模過(guò)程為目的的定量實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生掌握模型構(gòu)建的方法，并運(yùn)用數(shù)學(xué)思維方式對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行新的思考。

在“生長(zhǎng)素的生理作用”教學(xué)中，教材在“問(wèn)題探討”中直接給出了數(shù)學(xué)模型，引導(dǎo)學(xué)生直接利用模型描述生長(zhǎng)素的作用規(guī)律。這一過(guò)程雖能讓學(xué)生認(rèn)識(shí)生長(zhǎng)素作用的兩重性，但是不能深刻體會(huì)模型對(duì)于生物學(xué)習(xí)的意義及模型的構(gòu)建過(guò)程。為此，筆者組織學(xué)生自己構(gòu)建生長(zhǎng)素生理作用的數(shù)學(xué)模型。在教學(xué)實(shí)踐中，為了便于探究不同濃度的生長(zhǎng)素對(duì)于不同器官、不同植物生長(zhǎng)的作用規(guī)律，先組織課外小組學(xué)生進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，確定了NAA實(shí)驗(yàn)濃度閾值，篩選出單子葉植物小麥和雙子葉植物鳳仙花的種子作為實(shí)驗(yàn)材料。在探究實(shí)驗(yàn)中，按照NAA濃度梯度從0-10^-2mol/L進(jìn)行了分組實(shí)驗(yàn)。全班學(xué)生分成14個(gè)組，每組使用一種濃度的NAA分別處理小麥和風(fēng)仙花種子，定期進(jìn)行全班觀(guān)察、分組測(cè)量根芽長(zhǎng)度并處理數(shù)據(jù)。通過(guò)觀(guān)察和對(duì)比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提出合理假設(shè)：生長(zhǎng)素既可以促進(jìn)生長(zhǎng)，又可以抑制生長(zhǎng)。教師引導(dǎo)學(xué)生從“NAA濃度對(duì)根或芽生長(zhǎng)的影響”“不同器官對(duì)NAA的敏感性差異”“單雙子葉植物對(duì)NAA的敏感性差異”3個(gè)角度對(duì)全班大數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型;通過(guò)不同實(shí)驗(yàn)材料的反復(fù)實(shí)驗(yàn)及查閱分析科研資料，對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)修正，繪制模擬曲線(xiàn)并闡釋生長(zhǎng)素作用的普遍規(guī)律，解釋課堂導(dǎo)入時(shí)根背光生長(zhǎng)現(xiàn)象。并基于此模型，引導(dǎo)學(xué)生預(yù)測(cè)在重力作用下，橫臥萌發(fā)的種子根芽的生長(zhǎng)方向。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生主動(dòng)形成并闡釋生長(zhǎng)素作用表現(xiàn)兩重性的概念。

2.3發(fā)掘典型案例，利用系統(tǒng)分析的方法，發(fā)展高階思維

系統(tǒng)分析要求從整體出發(fā)，辯證地看待系統(tǒng)內(nèi)互相聯(lián)系的各個(gè)方面及系統(tǒng)與外界的物質(zhì)、能量、信息交換，通過(guò)反饋進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)外界的變化，是訓(xùn)練學(xué)生的辨證思維、整體性思維和復(fù)雜性思維等高階思維的重要方法。

本章教學(xué)最終要形成“植物生命活動(dòng)既由多種激素相互作用共同調(diào)節(jié)，也受到環(huán)境的影響”這一概念。教師通過(guò)廣泛查閱資料，收集到蘋(píng)果樹(shù)各器官在整個(gè)發(fā)育時(shí)期中各激素的含量數(shù)據(jù)，從而將宏觀(guān)的蘋(píng)果樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育現(xiàn)象與微觀(guān)的激素變化相聯(lián)系，最后以落葉現(xiàn)象為例，促進(jìn)學(xué)生多層次認(rèn)識(shí)植物生命活動(dòng)調(diào)節(jié)。根據(jù)所學(xué)知識(shí)，學(xué)生能說(shuō)出生長(zhǎng)素、脫落酸、乙烯都與落葉現(xiàn)象有關(guān)。事實(shí)上，科學(xué)家已經(jīng)研究出在落葉發(fā)生過(guò)程中，由溫度或其他因素誘導(dǎo)特定基因表達(dá)，導(dǎo)致多種激素之間相互作用，致使離層產(chǎn)生。課堂上，教師將互相關(guān)聯(lián)的科研證據(jù)利用板圖聯(lián)系起來(lái)。學(xué)生通過(guò)分析與綜合，認(rèn)識(shí)到植物的生命活動(dòng)調(diào)節(jié)是在激素調(diào)節(jié)（內(nèi)因）和環(huán)境影響（外因）的共同作用下實(shí)現(xiàn)的。這一過(guò)程重視訓(xùn)練學(xué)生在具備了一定的邏輯思維的基礎(chǔ)上發(fā)展高階思維。

2.4評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)及社會(huì)熱點(diǎn)，利用批判性思維方法，審視生物學(xué)問(wèn)題

批判性思維是使用恰當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)對(duì)事物的真實(shí)價(jià)值進(jìn)行判斷和思考，它廣泛存在于教學(xué)實(shí)踐中，包括但不僅限于識(shí)別論證的邏輯錯(cuò)誤、能從所有利益相關(guān)主體角度考慮問(wèn)題。

在科學(xué)史教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，筆者組織學(xué)生評(píng)價(jià)問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)論，是訓(xùn)練學(xué)生批判性思維方法的途徑之一。例如，針對(duì)“胚芽鞘尖端下部彎曲生長(zhǎng)是否是因?yàn)榧舛讼路奖旧砀惺艿絾蝹?cè)光而導(dǎo)致”這一問(wèn)題，教師引導(dǎo)學(xué)生展開(kāi)討論;組織學(xué)生設(shè)計(jì)溫特實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生能夠邏輯清晰地說(shuō)明自己的實(shí)驗(yàn)方案，洞察同伴的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)漏洞，通過(guò)對(duì)比評(píng)價(jià)不同的方案，歸納完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，發(fā)展識(shí)別論證的邏輯錯(cuò)誤的能力;利用教材第49頁(yè)的技能訓(xùn)練評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)論，組織學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的嚴(yán)密性、結(jié)果與結(jié)論之間的邏輯推理的嚴(yán)密性。教師在訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用批判性思維方法的過(guò)程中，使學(xué)生體會(huì)科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性和邏輯性。

批判性思維還蘊(yùn)含在關(guān)注社會(huì)議題，參與討論并進(jìn)行理性解釋中。教師提出問(wèn)題：植物激素及類(lèi)似物的使用一直存在爭(zhēng)議，用還是不用？會(huì)不會(huì)對(duì)人體造成傷害？會(huì)不會(huì)對(duì)植物和環(huán)境造成污染？學(xué)生不僅要利用所學(xué)知識(shí)從生物學(xué)的角度進(jìn)行討論，還要考慮對(duì)于他人或社會(huì)利益的影響，從而辨證的評(píng)價(jià)植物激素的應(yīng)用。

綜上所述，科學(xué)思維是基于事實(shí)和嚴(yán)密邏輯，闡釋規(guī)律和原理的方法，是高質(zhì)量的思維范式和習(xí)慣。僅就“植物的激素調(diào)節(jié)”一章的教學(xué)而言，就已經(jīng)能夠發(fā)掘出很多提升科學(xué)思維的著力點(diǎn)，其他章節(jié)也同樣蘊(yùn)含著大量有關(guān)科學(xué)思維的內(nèi)容。在科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)要求中，都很重視發(fā)展科學(xué)思維。因此，在生物學(xué)課程中創(chuàng)造性地發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，不僅能提升學(xué)生的思維品質(zhì)，還可用于改善對(duì)其他學(xué)科知識(shí)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)和觀(guān)點(diǎn)，并應(yīng)用在日常生活的眾多領(lǐng)域中，提高學(xué)習(xí)、生活的效率和質(zhì)量。