指向科學(xué)思維的初中生物學(xué)教學(xué)研究

俞婷

摘要 以“生物進(jìn)化的歷程”為例，通過創(chuàng)設(shè)情境、尋找證據(jù)、邏輯分析和質(zhì)疑批判等系列活動(dòng)，幫助學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維理解生物進(jìn)化歷程，實(shí)現(xiàn)從激發(fā)認(rèn)知?jiǎng)訖C(jī)到開啟認(rèn)知行為、從發(fā)展認(rèn)知方式到提升認(rèn)知品質(zhì)的思維跨越。

關(guān)鍵詞 科學(xué)思維 生物進(jìn)化 初中生物學(xué)

中圖分類號(hào) G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

作為重要的學(xué)科核心素養(yǎng)，科學(xué)思維在新課標(biāo)中被反復(fù)強(qiáng)調(diào)。它是指尊重事實(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)思維來認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力。發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的能力和品質(zhì)，教師可以以證據(jù)和邏輯為抓手，設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)的活動(dòng)，讓學(xué)生在獲取證據(jù)的過程中形成證據(jù)意識(shí)，在質(zhì)疑和批判的科學(xué)思維中發(fā)展邏輯分析能力，養(yǎng)成運(yùn)用科學(xué)思維的方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問題的習(xí)慣。

八年級(jí)學(xué)生處在由具體運(yùn)算階段向形式運(yùn)算階段過渡的時(shí)期，思維水平快速提升，能借具體形象的支持進(jìn)行邏輯推理，經(jīng)過一定的思維訓(xùn)練，可向抽象的辯證邏輯推理轉(zhuǎn)變?！吧镞M(jìn)化的歷程”是蘇科版八年級(jí)下冊第二十三章“生物的進(jìn)化”第二節(jié)。此前學(xué)生已學(xué)過現(xiàn)存主要生物類群的特征及其生存環(huán)境。但生物類群間的親緣關(guān)系和生物進(jìn)化的總趨勢等內(nèi)容較為抽象，教師需給學(xué)生提供觀察和探究活動(dòng)的機(jī)會(huì)，促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用多種邏輯思維手段加深對生物進(jìn)化本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

1選編教學(xué)內(nèi)容，明確認(rèn)知主線

本節(jié)以“進(jìn)化樹的繪制”貫徹始終，以達(dá)爾文研究生物進(jìn)化的故事作為主要線索，既包含科學(xué)家關(guān)于生物進(jìn)化的觀點(diǎn)，也展現(xiàn)了科學(xué)家探索生命奧秘的科學(xué)思維與科學(xué)方法。教師從達(dá)爾文繪制進(jìn)化樹的故事引入課題，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣思考問題，激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知?jiǎng)訖C(jī);通過觀察化石、比較同源器官等多種途徑，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注收集進(jìn)化證據(jù)，開啟認(rèn)知行為;引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用比較與分類、歸納與演繹、模型與建模等方法對已有的證據(jù)鏈進(jìn)行邏輯推理，活化認(rèn)知方式;指導(dǎo)學(xué)生繪制和分析進(jìn)化樹模型，從多角度分析和理解問題，提升認(rèn)知品質(zhì)。相關(guān)設(shè)計(jì)線索如圖1所示。

2創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)認(rèn)知?jiǎng)訖C(jī)

教師播放“達(dá)爾文—自然之子”視頻片段，提出問題：從世界上最早的生命誕生到現(xiàn)今地球上多姿多彩的生物世界，究竟經(jīng)歷了怎樣的歷程呢？科學(xué)家是如何進(jìn)行研究的呢？教師展示：達(dá)爾文結(jié)束環(huán)球考察后提出了“共同祖先”這一概念，運(yùn)用生物進(jìn)化樹（圖2）來描繪生命演化的宏觀圖景。并向?qū)W生發(fā)布本節(jié)課的學(xué)習(xí)任務(wù)：嘗試?yán)L制生物進(jìn)化樹。

教師密切聯(lián)系科學(xué)史，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣思考問題，探尋科學(xué)本真，激發(fā)其產(chǎn)生“崇尚真知、追求科學(xué)本原”的認(rèn)知?jiǎng)訖C(jī)。

3聚焦進(jìn)化證據(jù)，模擬收集信息

觀察是思考的基礎(chǔ)，教師利用科學(xué)觀察到的現(xiàn)象，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，能夠激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考：1達(dá)爾文研究生物進(jìn)化的依據(jù)之一是化石。什么是化石？化石是如何形成的？2為什么化石被稱為研究進(jìn)化最直接的證據(jù)？

教師播放中國黃河古象化石的相關(guān)視頻，學(xué)生觀看視頻，歸納化石的概念及成因。指導(dǎo)學(xué)生觀察多種動(dòng)植物化石實(shí)物及圖片，分組討論：1描述每種化石呈現(xiàn)的生物形態(tài)、結(jié)構(gòu)等特點(diǎn);2推測每種化石對應(yīng)生物的生活環(huán)境。學(xué)生交流達(dá)成共識(shí)：化石為研究生物進(jìn)化提供了可靠而豐富的信息。

教師追問：除了化石，還有哪些證據(jù)可以證明生物是不斷進(jìn)化的？呈現(xiàn)資料：除化石證據(jù)外，達(dá)爾文還注意到現(xiàn)在地球上還存在著與化石結(jié)構(gòu)相似的物種，科學(xué)家分析來自比較解剖學(xué)、胚胎學(xué)等多個(gè)學(xué)科的證據(jù)。學(xué)生分析資料，發(fā)現(xiàn)研究生物進(jìn)化的間接證據(jù)的存在。

教師引導(dǎo)學(xué)生觀察，了解直接證據(jù);通過資料閱讀等，認(rèn)識(shí)間接證據(jù)，了解收集事實(shí)、證據(jù)的重要性，學(xué)會(huì)“尊重事實(shí)和證據(jù)”，開啟探究生物進(jìn)化證據(jù)的認(rèn)知行為。

4感知邏輯分析，活化認(rèn)知方式

4.1比較與分析，推演進(jìn)化歷程

4.1.1維度一：縱向比較

縱向比較是從時(shí)間維度來分析生物在不同時(shí)期的特點(diǎn)。教師創(chuàng)設(shè)情境，提出問題：地層保留相對完整的美國科羅拉多大峽谷因含有各個(gè)地質(zhì)年代的代表性生物化石（圖3），被稱為“活的地質(zhì)史教科書”?？v向比較不同地層中的化石，存在什么規(guī)律？

學(xué)生據(jù)圖比較不同地層中生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)及生活環(huán)境，認(rèn)識(shí)生物化石在不同時(shí)期地層中的分布規(guī)律并推測生物進(jìn)化的歷程。

4.1.2維度二：橫向比較

橫向比較是對同一時(shí)期或年代相關(guān)事物進(jìn)行比較。

教師展示現(xiàn)存脊椎動(dòng)物前肢結(jié)構(gòu)示意圖（圖4），提出問題：幾種現(xiàn)存生物同源器官的結(jié)構(gòu)和部位相似，形態(tài)和功能又存在差異，說明了什么？引導(dǎo)學(xué)生比較人的上肢、貓的前肢、鯨的前鰭及蝙蝠的前肢骨骼的異同，使學(xué)生進(jìn)一步理解達(dá)爾文關(guān)于當(dāng)今生物具有共同祖先的論斷。

研究生物進(jìn)化的證據(jù)多種多樣，教師引導(dǎo)學(xué)生從不同維度對進(jìn)化的證據(jù)進(jìn)行比較與分析，激發(fā)學(xué)生的邏輯意識(shí)和推理能力，使紛繁復(fù)雜的信息條理化，鞏固學(xué)生對正確認(rèn)知的理解和掌握。

4.2歸納與演繹，厘清親緣關(guān)系

教師播放始祖鳥化石復(fù)原3D影像，引導(dǎo)學(xué)生思考：1859年《物種起源》問世時(shí)，達(dá)爾文還苦于缺乏過渡形態(tài)的物種作為證據(jù)。兩年后，第一塊始祖鳥化石的發(fā)現(xiàn)為達(dá)爾文的生物進(jìn)化理論提供了有力證據(jù)?？茖W(xué)家是如何評價(jià)它的呢？如果始祖鳥是最早的鳥類，它起源于什么類群？并引導(dǎo)學(xué)生比較始祖鳥與爬行類、鳥類相似的特征（表1）。學(xué)生推測鳥類可能起源于古代爬行動(dòng)物。

教師提出，后來又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些過渡類型動(dòng)物化石，并展示部分證據(jù)。

（1）證據(jù)一：孔子鳥化石。2008年，中國河北發(fā)現(xiàn)了距今約1.31億年的鄭氏始孔子鳥，是迄今發(fā)現(xiàn)的最早具有角質(zhì)喙而沒有牙齒的原始鳥類，填補(bǔ)了鳥類進(jìn)化中的空白。鄭氏始孔子鳥比始祖鳥出現(xiàn)時(shí)間晚，飛行能力強(qiáng)，后肢更善于攀援（表2）。

（2）證據(jù)二：蜥螈化石。美國德克薩斯州發(fā)現(xiàn)了距今2.2億年的蜥螈化石，頭骨和牙齒保持了兩棲類的特點(diǎn)，而其頭后骨骼則具有爬行類的特征。

（3）證據(jù)三：提塔利克魚化石。2006年，《自然》雜志報(bào)道加拿大發(fā)現(xiàn)了3.75億年前的提塔利克魚化石，它具有同時(shí)期原始魚類的大多數(shù)特征，也具備了能夠在陸地上運(yùn)動(dòng)的四肢。

教師要使學(xué)生知道：過渡類型的生物化石證實(shí)了生物類群間的親緣關(guān)系，為研究生物的進(jìn)化歷程提供了新證據(jù)。學(xué)生交流、討論后，歸納得出：始祖鳥、孔子鳥、蜥螈和提塔利克魚等過渡類型生物的存在及生存年代，表明鳥類可能是從古代爬行類進(jìn)化而來，爬行類可能是從古代兩棲類進(jìn)化而來，兩棲類可能是從古代魚類進(jìn)化而來。教師以動(dòng)物化石為據(jù)幫助學(xué)生歸納厘清脊椎動(dòng)物間的親緣關(guān)系，為后續(xù)繪制進(jìn)化系統(tǒng)樹做好鋪墊。

4.3模型與建模，構(gòu)建進(jìn)化之樹

模型能夠反映事物的本質(zhì)特征和共同屬性，生物間親緣關(guān)系的資料是構(gòu)建生物進(jìn)化樹模型的基礎(chǔ)。

在本節(jié)課上，教師主要依據(jù)以下兩種指標(biāo)進(jìn)行指導(dǎo)：

（1）指標(biāo)一：時(shí)間為序，依次標(biāo)注。

教師提供生物進(jìn)化樹的構(gòu)建邏輯：縱向代表時(shí)間，最古老的生物在下層，最年輕的在頂上;遠(yuǎn)古時(shí)代由于年代久遠(yuǎn)，化石證據(jù)較少。20世紀(jì)80年代澳大利亞西北部發(fā)現(xiàn)細(xì)菌化石（原核生物），距今約35億年。華北燕山地區(qū)地層中發(fā)現(xiàn)豐富的真核生物化石，距今約17億年。泥盆紀(jì)開始，地球上又發(fā)生海西褶皺運(yùn)動(dòng)，許多地區(qū)隆起，露出海面成為陸地。距今約3.7億年前的泥盆紀(jì)晚期出現(xiàn)了原始的兩棲類，標(biāo)志著脊椎動(dòng)物從水中登上陸地。學(xué)生根據(jù)化石記錄的時(shí)間，將原核生物和真核生物標(biāo)注在進(jìn)化樹基部的對應(yīng)位置上（圖5）。

（2）指標(biāo)二：親緣為據(jù)，建立聯(lián)系。

教師使學(xué)生明確：進(jìn)化樹不僅包含生物信息，更要體現(xiàn)不同生物類群間的聯(lián)系。目前，關(guān)于脊椎動(dòng)物的進(jìn)化獲得的證據(jù)相對豐富。分析脊椎動(dòng)物間的親緣關(guān)系時(shí)，通常用樹狀分支結(jié)構(gòu)表達(dá)。并指導(dǎo)學(xué)生從化石豐富的鳥類開始分析。學(xué)生依據(jù)鳥類、爬行類及中間過渡類型的出現(xiàn)及延續(xù)年代，推測鳥類、爬行類的進(jìn)化歷程，在進(jìn)化樹相應(yīng)位置貼上古代爬行類與古代鳥類，理解古代祖先與現(xiàn)代類群之間的關(guān)聯(lián)，并將進(jìn)化樹局部納入整體一起考慮（圖6）。

在比較與分類、歸納與演繹的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生將生物類群進(jìn)行概括性排列、安置和連接，按照從簡單到復(fù)雜、從水生到陸生的順序構(gòu)建生物進(jìn)化樹模型，提高學(xué)生的模型建構(gòu)能力，加深對生物進(jìn)化歷程本質(zhì)的理解。

5教學(xué)反思

本節(jié)教學(xué)安排為2課時(shí)，與通常教學(xué)中將學(xué)習(xí)進(jìn)化證據(jù)與繪制進(jìn)化樹分別在不同課時(shí)中教學(xué)相比，本設(shè)計(jì)將繪制生物進(jìn)化樹與證據(jù)學(xué)習(xí)分析并行，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)，帶領(lǐng)學(xué)生充分收集證據(jù)、用好證據(jù)，讓學(xué)生通過比較與分類、歸納與演繹、模型與建模等認(rèn)知方式，邊分析邊繪制，將對證據(jù)的邏輯分析與繪制進(jìn)化樹融為一體。這樣改變了以往學(xué)生不敢畫、不會(huì)畫進(jìn)化樹的狀況，既鍛煉了學(xué)生證據(jù)分析的科學(xué)思維，又提高了學(xué)生動(dòng)手制作模型的能力。在后續(xù)評價(jià)階段，學(xué)生對于回答“爬行類、鳥類和哺乳類之間的進(jìn)化關(guān)系是否為簡單串聯(lián)”“現(xiàn)代鳥類和現(xiàn)代爬行類的共同祖先是什么生物”等問題，普遍認(rèn)知清晰，準(zhǔn)確率高，實(shí)現(xiàn)了較好的目標(biāo)達(dá)成度。

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