應(yīng)用科學(xué)史發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力

鄭曉璇

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確提出課程的基本理念要以核心素養(yǎng)為宗旨?？茖W(xué)探究是核心素養(yǎng)的一方面，是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界的生物學(xué)問題，針對待定的生物學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及對結(jié)果的交流與討論的能力。學(xué)生應(yīng)在探究過程中，逐步增強(qiáng)對自然現(xiàn)象的好奇心和求知欲，掌握科學(xué)探究的基本思路和方法，提高實(shí)踐能力;在探究中，樂于并善于團(tuán)隊(duì)合作，勇于創(chuàng)新。授人以魚不如授人以漁，筆者認(rèn)為生物科學(xué)史是培養(yǎng)學(xué)生探究能力的好素材，生物科學(xué)史記錄著生命科學(xué)的探究歷程，其體現(xiàn)著科學(xué)探究必備的科學(xué)素養(yǎng)，是科學(xué)家科學(xué)探究能力的體現(xiàn)。如果教師能夠活用每一段科學(xué)史，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)家的探究歷程，掌握科學(xué)探究的基本思路和方法，學(xué)習(xí)科學(xué)家敢于質(zhì)疑，勤奮實(shí)踐，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的精神，真正地培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究的意識(shí)和能力，從而提高學(xué)生的生物學(xué)素養(yǎng)，那么教學(xué)才算成功。下面以“基因在染色體上”一節(jié)為例，闡述生物科學(xué)史在發(fā)展學(xué)生探究能力方面的應(yīng)用。

“基因在染色體上”是人教版高中生物學(xué)教材《比修2*遺傳與進(jìn)化》第二章第二節(jié)的內(nèi)容，教材主要安排了薩頓的假說、基因位于染色體上的實(shí)驗(yàn)證據(jù)和孟德爾遺傳規(guī)律的現(xiàn)代解釋三部分。沿著科學(xué)史的發(fā)現(xiàn)過程來看，本節(jié)課是孟德爾遺傳規(guī)律、減數(shù)分裂的延續(xù)，這一科學(xué)史的探究歷程是很好的教學(xué)史料，有助于學(xué)生將孟德爾的遺傳規(guī)律和減數(shù)分裂有機(jī)地結(jié)合在一起，更好地理解其本質(zhì)意義，還可促進(jìn)學(xué)生對常染色體和伴性遺傳規(guī)律的理解和綜合運(yùn)用，有助于學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)知識(shí)的形成、發(fā)展和完善到應(yīng)用的過程。筆者在本節(jié)課中以完整的科學(xué)史發(fā)現(xiàn)過程為主線，采用問題進(jìn)行合作探究，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生親身體驗(yàn)“類比推理法”和“假說一演繹法”這兩種重要的科學(xué)方法的應(yīng)用，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的意識(shí)和能力。

1 導(dǎo)入：培養(yǎng)學(xué)生觀察、比較、分析、推理、討論交流的能力

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧孟德爾豌豆雜交實(shí)驗(yàn)中基因的行為變化以及減數(shù)分裂過程中染色體的行為變化，并要求學(xué)生以圖的形式總結(jié)兩對遺傳因子在形成配子時(shí)的行為變化規(guī)律和減數(shù)分裂兩對同源染色體的細(xì)胞在形成配子時(shí)的行為變化規(guī)律。教師引導(dǎo)學(xué)生思考：基因和染色體有什么關(guān)系？基因到底在哪里？

學(xué)生回顧、思考、討論、畫圖，通過觀察發(fā)現(xiàn)基因和染色體之間存在平行關(guān)系，并且大膽推測：①基因就是染色體;②基因位于染色體上。

教師引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)推理哪種可能大些，學(xué)生通過自身己掌握的生物學(xué)知識(shí)可推出基因在染色體上：

①從數(shù)量關(guān)系看，如人的染色體只有46條，但基因卻成百上千個(gè);

②從大小看，在光學(xué)顯微鏡下染色體可見，基因不可見。

通過上面的分析，學(xué)生無意識(shí)地運(yùn)用了類比推理的科學(xué)方法。教師肯定并表揚(yáng)學(xué)生具備科學(xué)探究的精神，簡要介紹類比推理法，并提示有科學(xué)家用了類比推理法推理出基因在染色體上。學(xué)生的好奇心被激發(fā)，迫切想知道科學(xué)家的推理過程是否與自己的一致。

2 學(xué)習(xí)薩頓的假說：培養(yǎng)學(xué)生合作學(xué)習(xí)的能力

教師呈現(xiàn)薩頓的發(fā)現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材27頁薩頓提出基因在染色體上的原因，并且要求學(xué)生合作完成表1。

學(xué)生合作完成表1，對比發(fā)現(xiàn)，薩頓推理的過程和自己推理的過程很類似，都用了類比推理。學(xué)生嘗試到了探究成功的成就感。緊接著，教師重點(diǎn)介紹類比推理，學(xué)生由此知道了通過類比推理得出的結(jié)論并不具有邏輯的必然性，其正確與否還需要觀察和實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。此時(shí)，學(xué)生的探究欲望被激發(fā)，進(jìn)而轉(zhuǎn)入尋找基因位于染色體上的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

3 尋找基因位于染色體上的實(shí)驗(yàn)證據(jù)：體驗(yàn)假說一演繹法的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探究的意識(shí)和能力

3.1 發(fā)現(xiàn)問題

教師以課件展示教材圖2-8摩爾根的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)以及紅、白果蠅圖片，引導(dǎo)學(xué)生據(jù)圖描述其實(shí)驗(yàn)過程以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，目的是使學(xué)生學(xué)會(huì)觀察遺傳圖解并用規(guī)范語言表述，訓(xùn)練學(xué)生的觀察和語言組織能力。

通過觀察，學(xué)生發(fā)現(xiàn)了果蠅的眼色這對相對性狀受一對等位基因的控制，符合孟德爾分離定律，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)問題：白眼性狀只出現(xiàn)在雄性個(gè)體中。教師提問：為什么白眼性狀的表現(xiàn)總是與性別相聯(lián)系？

教師引導(dǎo)學(xué)生思考：如果按照薩頓的理論，基因在染色體上，那么控制白眼的基因是在常染色體上，還是在性染色體上呢？

學(xué)生回答：在性染色體上。

教師展示教材圖2-9雌雄果蠅體細(xì)胞的染色體圖解補(bǔ)充介紹果蠅體細(xì)胞的染色體組成，同時(shí)展示性染色體的結(jié)構(gòu)（圖1），并提出問題：大家認(rèn)為控制白眼的基因位于性染色體上，那么白眼基因可能在性染色體的哪個(gè)位置呢？

3.2 提出假說

學(xué)生通過討論提出三種假說：

①控制白眼的基因是在Y染色體上，而X染色體上沒有。

②控制白眼的基因在X、Y染色體上。

③控制白眼的基因在X染色體上，而Y染色體上不含有它的等位基因。

教師進(jìn)一步提問：這些假說都與摩爾根的雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符嗎？

3.3 對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋

學(xué)生被激發(fā)進(jìn)一步探究欲望，進(jìn)行了激烈的討論。教師引導(dǎo)學(xué)生用遺傳圖解分析，并且讓學(xué)生代表演示其過程及分析結(jié)果（圖2～4）。

通過演示結(jié)果可以排除假說①，但是也發(fā)現(xiàn)了假說②和③都可以解釋摩爾根的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。到底哪種才是正確的？此時(shí)，學(xué)生的探究熱情不斷發(fā)酵。

教師提示學(xué)生回顧孟德爾發(fā)現(xiàn)遺傳規(guī)律的過程用的科學(xué)方法，提出：假說除了能解釋當(dāng)前實(shí)驗(yàn)之外，還需得能預(yù)測未做的實(shí)驗(yàn)，即需要對假說進(jìn)行驗(yàn)證，那么應(yīng)該要用什么方法呢？學(xué)生順勢想到了測交。

3.4 演繹推理

教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步討論，設(shè)計(jì)測交實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行演示（圖5）。

從演示結(jié)果看出，假說②和假說③子代的表現(xiàn)型及其比例完全相同，這樣的結(jié)果再次出乎學(xué)生的意料。驗(yàn)證遇到困難，要怎樣才能檢測哪種假說是正確的呢？學(xué)生充滿疑惑，探究的欲望空前高漲，教師需引導(dǎo)學(xué)生重新設(shè)計(jì)出新的測交方案：“我們知道測交是將F1與隱性純合子雜交，那么同學(xué)們觀察你們設(shè)計(jì)的測交方案，是否只能是紅眼雌果蠅和白眼雄果蠅雜交？”學(xué)生通過觀察發(fā)現(xiàn)可以用紅眼雄果蠅和白眼雌果蠅雜交，學(xué)生討論并畫出遺傳圖解（圖6）。學(xué)生意識(shí)到這正是孟德爾設(shè)計(jì)的正反交實(shí)驗(yàn)，使其深入理解孟德爾設(shè)計(jì)正反交實(shí)驗(yàn)的用意，體驗(yàn)科學(xué)探究的嚴(yán)謹(jǐn)，以及科學(xué)探究方法的應(yīng)用，提高學(xué)生的探究意識(shí)。

3.5 驗(yàn)證假說，得出結(jié)論

教師展示摩爾根的測交實(shí)驗(yàn)結(jié)果：①紅眼雌果蠅和白眼雄果蠅測交結(jié)果：紅眼雌果蠅126只，紅眼雄果蠅132只，白眼雌果蠅120只，白眼雄果蠅115只。②紅眼雄果蠅和白眼雌果蠅測交結(jié)果：紅眼雌果蠅和白眼雄果蠅為1：1。從而說明假說③才是正確的，即控制白眼的基因在X染色體上，而Y染色體上不含有它的等位基因，也就說明了基因位于染色體上。

教師展示教材圖2-11果蠅某一條染色體上的幾個(gè)基因，介紹摩爾根繪出的果蠅各種基因在染色體上的相對位置，同時(shí)展示現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)將基因定位在基因染色體上的圖確定基因在染色體上，引導(dǎo)學(xué)生觀察并得出結(jié)論：一條染色體上有許多基因;基因在染色體上呈線性排列。

4 理解孟德爾遺傳規(guī)律的現(xiàn)代解釋：培養(yǎng)學(xué)生分析、對比、交流、合作的能力

教師展示減數(shù)分裂細(xì)胞模式圖，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)孟德爾遺傳規(guī)律的實(shí)質(zhì)。通過對分離定律和自由組合定律的現(xiàn)代解釋對比，教師提出問題：一對染色體上的兩對等位基因符合孟德爾的自由組合定律嗎？它們會(huì)不會(huì)發(fā)生自由組合？學(xué)生討論后，畫出其對應(yīng)的細(xì)胞減數(shù)分裂圖。

學(xué)生通過討論并畫圖，很快就能領(lǐng)悟到孟德爾遺傳規(guī)律的現(xiàn)代解釋的本質(zhì)，最后師生共同分析、總結(jié)。

5 教學(xué)反思

本節(jié)課教學(xué)之前，教師需要做大量的課前準(zhǔn)備工作：

①將科學(xué)史轉(zhuǎn)化為讓學(xué)生主動(dòng)探究發(fā)現(xiàn)的過程，使學(xué)生在體驗(yàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程中學(xué)會(huì)運(yùn)用類比推理和假說一演繹法這兩種科學(xué)方法深入分析實(shí)驗(yàn)過程。

②設(shè)計(jì)一系列的問題串，將教學(xué)內(nèi)容層次化、漸進(jìn)化，有效地激發(fā)學(xué)生的探究欲望，使學(xué)生的思維處于興奮狀態(tài)。同時(shí)問題的設(shè)置需符合學(xué)生的思維，才能為學(xué)生做好鋪墊。

③充分預(yù)設(shè)課堂可能出現(xiàn)的情況，做好意外生成的準(zhǔn)備。

教學(xué)過程始終以學(xué)生為主體，教師適時(shí)以問題引導(dǎo)，主要讓學(xué)生通過合作學(xué)習(xí)體驗(yàn)科學(xué)探究的過程，學(xué)會(huì)運(yùn)用科學(xué)探究方法解決實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的意識(shí)和能力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，以及培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，進(jìn)而提高學(xué)生的生物學(xué)素養(yǎng)。

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