聚焦科學(xué)思維發(fā)展的生物學(xué)課堂教學(xué)

時晨?陳廷華

[摘要] 科學(xué)思維核心素養(yǎng)作為高中生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，對于學(xué)生科學(xué)實踐能力、適應(yīng)與改造未來社會能力的提升均具有不可或缺的作用。研究通過課例研究的方式，明晰并凝練出了以具身性參與浸潤科學(xué)思維的萌芽，以全面性互動推進科學(xué)思維的縱深，以統(tǒng)整性主題聚合科學(xué)思維的發(fā)展等生物學(xué)課堂教學(xué)策略。以上策略相輔相成，旨在經(jīng)由逐層進階的方式聚焦學(xué)生的科學(xué)思維培養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞] 高中生物學(xué);科學(xué)思維;具身實踐;統(tǒng)整性主題

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《新課標(biāo)》）提出了以生命觀念、科學(xué)思維等在內(nèi)的學(xué)科核心素養(yǎng)為課程目標(biāo)，具體教學(xué)過程應(yīng)高度關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的實踐經(jīng)歷，達成學(xué)生主動性投入學(xué)習(xí)的基本樣態(tài)。[1]科學(xué)思維核心素養(yǎng)關(guān)乎著學(xué)生的科學(xué)求知態(tài)度、證據(jù)推理能力與循證創(chuàng)新思考，可見在高中生物學(xué)的課堂教學(xué)中理應(yīng)聚焦學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展進行實踐教學(xué)。誠然，科學(xué)思維核心素養(yǎng)的培育不可能一蹴而就，其往往需要通過沉浸式參與活動、互動式推理論證，進而在認(rèn)知論水平或大概念水平的教學(xué)主題中不斷提升，方能達成科學(xué)思維的改善與優(yōu)化。正因如此，研究者旨在以課例研究的方式探究聚焦科學(xué)思維發(fā)展的生物學(xué)課堂教學(xué)基本策略。

一、以具身性參與浸潤科學(xué)思維的萌芽

學(xué)生是科學(xué)思維學(xué)習(xí)的主體，教師則在課堂中扮演著學(xué)習(xí)活動的組織者與引導(dǎo)者的角色。有效教學(xué)需要教師設(shè)計有意義的學(xué)習(xí)活動，讓學(xué)生在課堂中全身心主動投入學(xué)習(xí)，并在活動的體驗探究與認(rèn)知同化中不斷建構(gòu)知識。[2]然而，在實際教學(xué)中我們要注意到學(xué)生參與學(xué)習(xí)活動的不平衡性，即單純的行為參與可以促進學(xué)生技能的發(fā)展，但并不能促進學(xué)生高層次思維能力的發(fā)展;認(rèn)知參與是學(xué)生深度參與教學(xué)活動的前提條件與典型特征;只有以積極的情感體驗和深層次的認(rèn)知參與為核心的全面參與，才能促進學(xué)生獲取各類高層次思維。簡而言之，以體腦與情智等要素共同作用的學(xué)生具身性參與，方可啟發(fā)他們包含科學(xué)思維在內(nèi)的高階思維提升。為此，教師在生物學(xué)課堂教學(xué)中要堅持采用啟發(fā)式教學(xué)、互動式教學(xué)和探究式教學(xué)等方式，在留給學(xué)生學(xué)習(xí)空間的同時，引導(dǎo)他們主動思考、質(zhì)疑探究，進而悄然浸潤其科學(xué)思維的萌芽。

以人教版必修2《遺傳與進化》中“基因在染色體上”教學(xué)為例，教學(xué)目標(biāo)包含了通過對薩頓的假說和摩爾根的果蠅雜交實驗分析，認(rèn)同并嘗試解釋基因在染色體上的結(jié)論，進一步體會假說——演繹法等科學(xué)研究方法;運用基因與染色體關(guān)系的知識，闡明孟德爾遺傳規(guī)律的實質(zhì)。此外，還需要通過科學(xué)進程的學(xué)習(xí)研究，培養(yǎng)學(xué)生尊重事實、大膽質(zhì)疑、小心求證的科學(xué)精神。本節(jié)教材內(nèi)容并未安排具體的探究性實驗活動，更多的是科學(xué)史的實驗分析。這一過程會致使學(xué)生的行為參與不足，學(xué)習(xí)活動的參與缺乏了實踐體驗與具身探究的過程。因此，研究者作了如下改進：對基因位于染色體上的假說和實驗證據(jù)、孟德爾遺傳規(guī)律的現(xiàn)代解釋等重難點知識，采用列表進行類比分析、實驗設(shè)計等活動增強認(rèn)知參與，借助畫圖及學(xué)具模型操作等體驗性、探究性活動，增加了行為參與和情感參與，以此來給學(xué)生創(chuàng)設(shè)思考、表達與實踐的空間，發(fā)展理性思維和科學(xué)情感。具體教學(xué)流程如圖1所示。

二、以全面性互動拓展科學(xué)思維的縱深

具身性的參與為科學(xué)思維的萌芽提供了沃土，然而單純的參與并非定能促進思維的改善。思維的改善應(yīng)該是讓學(xué)生在學(xué)習(xí)活動中，不斷依據(jù)現(xiàn)象做出假設(shè)、提出問題，基于事實證據(jù)進行推理、論證，從而增進其自身對科學(xué)概念以及本質(zhì)的理解。學(xué)生的學(xué)習(xí)活動是知識建構(gòu)與探究的思維活動，是在合作、對話與交流的互動中生成對前概念的轉(zhuǎn)變，是具有真實性與情境性的社會性學(xué)習(xí)活動。[3]誠然，拓展科學(xué)思維縱深的學(xué)習(xí)活動中互動過程是多方位的，包含了師生互動、同伴（生生）互動、人機互動等，尤以同伴互動為核心的學(xué)習(xí)和實踐共同體進行知識分享、沖突解決，進而共同向縱深發(fā)展科學(xué)思維。在全面性的互動中，異質(zhì)性主體的思維相互碰撞、沖突與解構(gòu)，必然會有新的問題顯露，新的認(rèn)知矛盾產(chǎn)生，新的解決問題的方法出現(xiàn)，從而促進了知識體系與思維方式的生成建構(gòu)。全面性的互動提供了沖突與爭鳴的可能，徜徉其中有價值的教學(xué)資源會不斷被發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用，才使得課堂教學(xué)的科學(xué)思維培養(yǎng)充滿著生機活力。

以“減數(shù)分裂和受精作用”教學(xué)為例，該內(nèi)容較為零散艱深，思維要求高，以教師講授為特點的教學(xué)往往會讓學(xué)生的學(xué)習(xí)停留在機械記憶的淺層水平。教學(xué)中應(yīng)以學(xué)生的演示、觀察和模擬操作活動為主，選擇圖片、動畫、錄像等輔助手段為學(xué)生提供必要的情境學(xué)習(xí)材料，規(guī)劃好適于學(xué)生討論的問題，在全面性的互動中解決問題。如筆者在教學(xué)中設(shè)置了以下問題：（1）減數(shù)分裂過程中染色體的數(shù)目及細(xì)胞核中DNA含量變化如何？（2）如何判別二倍體生物細(xì)胞有絲分裂、減數(shù)分裂各時期的圖像？（3）如何根據(jù)細(xì)胞質(zhì)分裂情況判斷細(xì)胞名稱？（4）請分析減數(shù)分裂過程中染色體行為變化與孟德爾遺傳規(guī)律的關(guān)系。學(xué)生在討論過程中隨時都可能提出疑問或表達錯誤觀點。教師在教學(xué)中就應(yīng)當(dāng)充分捕捉學(xué)生的質(zhì)疑、提問與試錯信息，引導(dǎo)學(xué)生相互討論和交流，增加生生互動的頻率。如筆者讓學(xué)生自己嘗試建構(gòu)模擬減數(shù)分裂過程的圖像時，會出現(xiàn)一些錯誤的模擬圖像。這些錯誤恰恰是不可多得的教學(xué)資源，教師應(yīng)利用好這些試錯的表現(xiàn)，讓學(xué)生現(xiàn)場相互糾錯，對不同的觀點進行深入討論，讓他們通過“尋找證據(jù)—進行推理—得出主張”的方式生成循證意識、訓(xùn)練論證技能[4]，從而拓展科學(xué)思維的縱深。

三、以統(tǒng)整性主題聚合科學(xué)思維的發(fā)展

科學(xué)思維能夠支持學(xué)生獲取新知、利用知識、建構(gòu)并評價假設(shè)和觀點，科學(xué)思維能力一旦獲得就不會失去，學(xué)生對科學(xué)進行探索、假設(shè)、實驗、得出結(jié)論的過程都需要使用科學(xué)思維。[5]庫恩認(rèn)為“科學(xué)思維是智力發(fā)展的最終目標(biāo)。教育的核心在于發(fā)展學(xué)生的思維，尤其是科學(xué)思維”。[6]而在師生具身性參與的全面互動課堂中，把課堂還給學(xué)生不是讓學(xué)生放任自流，而是要圍繞學(xué)習(xí)目標(biāo)開展有意義的學(xué)習(xí)活動，所謂“形散”而“神聚”，就是要聚焦探究問題或生物學(xué)本質(zhì)認(rèn)識，聚合學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展，讓其生成連續(xù)性、整合性的工程化思維。在實際的課程教學(xué)中可以通過強化STEM教育和PBL教學(xué)（項目研究學(xué)習(xí)：project based learning;基于問題解決學(xué)習(xí)：problem based learning），從根本上改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，讓其生成連續(xù)性、整合性的工程化思維。無論是STEM教育，還是PBL教學(xué)，都是在以統(tǒng)整性主題進行教學(xué)，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)過程經(jīng)歷某一主題的問題發(fā)現(xiàn)、分析和解決過程。

如“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”的教學(xué)中，筆者根據(jù)噬菌體侵染細(xì)菌的實驗，采用問題鏈的教學(xué)方式聚合教學(xué)主題。設(shè)置問題1：用32P或35S標(biāo)記的T2噬菌體分別侵染未被標(biāo)記的大腸桿菌，經(jīng)過短時間保溫后，用攪拌器攪拌、離心，得到了相應(yīng)結(jié)果，讓學(xué)生看圖比較，回答離心的目的是什么。問題2：用32P或35S分別標(biāo)記的二組感染實驗，放射性主要分布在哪里？這一結(jié)果說明了什么？學(xué)生在推導(dǎo)中通?？梢缘贸鯠NA是遺傳物質(zhì)，蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)。此時，有學(xué)生提出異議，即實驗結(jié)果不能說明DNA是遺傳物質(zhì)，只能說明32P標(biāo)記的DNA主要在沉淀物中，也就是進入細(xì)菌中，35S標(biāo)記的蛋白質(zhì)主要在上清液中，也就是未進入細(xì)菌中。教師肯定學(xué)生的異議，順?biāo)浦垡鰡栴}3：怎樣的同位素標(biāo)記法才能說明某種物質(zhì)是該生物的遺傳物質(zhì)呢？引導(dǎo)學(xué)生進行實驗設(shè)計，對新的問題進行思考，分析討論解決問題的方法。問題4：細(xì)菌裂解釋放的子代噬菌體中，可以檢測到32P標(biāo)記的DNA，但檢測不到35S標(biāo)記的蛋白質(zhì)，可得出什么結(jié)論？學(xué)生得出結(jié)論：親代噬菌體將32P標(biāo)記的DNA傳給了子代噬菌體，DNA是噬菌體的遺傳物質(zhì)。至此對生命現(xiàn)象的認(rèn)識已基本明朗，但教師并未將學(xué)生的思維在此“剎車”，而是進一步提出問題5：該實驗?zāi)芊裾f明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)？既然DNA是噬菌體的遺傳物質(zhì)，為什么用32P標(biāo)記的一組感染實驗結(jié)果上清液中也有少量放射性？這樣通過學(xué)習(xí)活動再次生成新的問題，學(xué)生經(jīng)歷推理與論證，促進了科學(xué)思維進一步提升與聚焦。

指向科學(xué)思維核心素養(yǎng)培育的生物學(xué)課堂教學(xué)，不應(yīng)當(dāng)局限于師生互動，也不應(yīng)該將學(xué)習(xí)活動局限于教材內(nèi)容中，而是以具體的事實性知識、概念性知識為依據(jù)，創(chuàng)設(shè)解決問題的學(xué)習(xí)情境，根據(jù)學(xué)生的即時反應(yīng)提出難易適度、層層深入的問題，讓學(xué)生在復(fù)雜的情境中開展科學(xué)探究，利用所學(xué)知識，運用歸納與概括、演繹與推理、批判與論證等方法，在分析與解決某一主題問題中，發(fā)展科學(xué)思維核心素養(yǎng)。

[本文系華東師范大學(xué)“國培計劃”中小學(xué)名師領(lǐng)航首期基地班立項課題“構(gòu)建科學(xué)探究實踐平臺，促進高中生物教學(xué)變革”（項目編號：2018GP01-M12）、江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃立項課題“基于Exposome探究范式開發(fā)有觸感的生物課程”（項目編號：D/2018/02/179）研究成果]

[參考文獻]

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]黃惠濤，丁奕然.基于格斯丁翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式的生物學(xué)實驗深度學(xué)習(xí)[J].天津師范大學(xué)學(xué)報（基礎(chǔ)教育版），2021，22（04）：46-50.

[3]榮瑩.基于前概念轉(zhuǎn)變的生物科學(xué)史教學(xué)研究[J].中小學(xué)班主任，2020（02）：69-70.

[4]許桂芬，卞祖華.通過論證技能訓(xùn)練發(fā)展學(xué)生批判性思維[J].生物學(xué)教學(xué)，2021，46（08）：26-28.

[5]教育部基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版解讀）[M].北京：高等教育出版社，2018.

[6]Kuhn D.Science as argument：implications for teaching and learning scientific thinking [J]. Science education，1993，77（3）：319-337.