秦發(fā)學(xué)
摘 要:在新課改背景下,科學(xué)思維是高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的核心素養(yǎng)之一。生物學(xué)是一門(mén)自然學(xué)科,與語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、化學(xué)、物理等學(xué)科在知識(shí)、思維等方面有相關(guān)性。教學(xué)中根據(jù)高中生物教材內(nèi)容,尋找出學(xué)生學(xué)習(xí)中的困惑,適當(dāng)聯(lián)系有關(guān)學(xué)科的知識(shí)和思維形成跨學(xué)科科學(xué)思維,促進(jìn)不同學(xué)科間融會(huì)貫通,減輕學(xué)生的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān),有效促進(jìn)教學(xué)效果的提高。
關(guān)鍵詞:高中生物學(xué)科;跨學(xué)科科學(xué)思維;培養(yǎng)
中圖分類號(hào):G633.91? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ?文章編號(hào):1673-8918(2023)16-0128-04
培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維是落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)的重要舉措,是服務(wù)創(chuàng)新型國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的基本要求??茖W(xué)思維是《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》中生物學(xué)科的核心素養(yǎng)之一,課程標(biāo)準(zhǔn)中將科學(xué)思維定義為:“指尊重事實(shí),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?!彼自捳f(shuō)“他山之石,可以攻玉”,在教學(xué)過(guò)程中,教師要善于借助教學(xué)內(nèi)容中涉及的語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、化學(xué)、物理等學(xué)科知識(shí)和科學(xué)思維,啟發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科的科學(xué)思維,逐步使學(xué)生形成認(rèn)識(shí)事物的正確價(jià)值觀,形成良好的思維品格,提高解決問(wèn)題的能力。
一、 基于核心素養(yǎng)的閱讀、理解、歸納和概括能力的培養(yǎng)
生物學(xué)科是一門(mén)自然學(xué)科,在研究過(guò)程中要觀察生物現(xiàn)象、結(jié)構(gòu)、生理變化等事實(shí)和證據(jù),用科學(xué)、簡(jiǎn)潔、規(guī)范的語(yǔ)言歸納和概括生物的生命現(xiàn)象,闡述生物學(xué)問(wèn)題,得到生物學(xué)的結(jié)論、概念和原理等。并且還要具有讀懂、理解科學(xué)家研究的文獻(xiàn)資料、生物學(xué)概念和原理的能力,會(huì)解決有關(guān)問(wèn)題。這些是與學(xué)生深厚的語(yǔ)文學(xué)科能力所要求的閱讀、理解、歸納和概括功底是分不開(kāi)的。
(一)學(xué)生生物學(xué)科的閱讀、理解、歸納和概括能力不足的原因
高中學(xué)生經(jīng)歷了初中生物學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)后,儲(chǔ)備了一定的知識(shí),具備了一定的思維能力。但客觀上受到初中認(rèn)知水平的限制,初中教材的知識(shí)體系比較簡(jiǎn)單,主要是一些生物學(xué)結(jié)構(gòu)、生活現(xiàn)象的描述,思維層面上升的內(nèi)容比較少。初中生物在中考中占的分值也低,且為選考,考試中識(shí)記性的內(nèi)容比較多,科學(xué)思維方面的試題比較淺顯且較少。教學(xué)中有些初中學(xué)校又壓縮正常教學(xué)課時(shí),只有部分學(xué)生選考,在中考前選考學(xué)生突擊背誦。有些學(xué)校認(rèn)為生物分值不高,背背記記即可。有些學(xué)校生物師資配備不足,用其他學(xué)科教師教生物課。主觀上學(xué)生的身心發(fā)育有限,思維能力的形成有限,在學(xué)習(xí)中只是應(yīng)付考試。這就造成了教師在教學(xué)和學(xué)生在學(xué)習(xí)中忽視了生物學(xué)科科學(xué)思維的培養(yǎng)和訓(xùn)練,導(dǎo)致學(xué)生在閱讀、理解、歸納和概括能力方面的不足、斷層和脫節(jié)。
(二)在高中生物教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生閱讀、理解、概括和歸納能力的策略
1. 充分利用教材中的實(shí)證情景培養(yǎng)學(xué)生的閱讀、理解、歸納和概括能力
高中生物教材編排的特點(diǎn)之一是,在有些章節(jié)內(nèi)容中先給一段或一句原理或結(jié)論性的話,再舉出實(shí)證情景,如生活現(xiàn)象、生物學(xué)實(shí)驗(yàn)、生物學(xué)實(shí)例、生理過(guò)程、科學(xué)家的研究歷程等進(jìn)行證明。如:新教材必修一第1章第1節(jié)《細(xì)胞學(xué)說(shuō)及其建立過(guò)程》內(nèi)容中教材給出“細(xì)胞學(xué)說(shuō)的內(nèi)容”,然后給出思考討論“分析細(xì)胞學(xué)說(shuō)建立過(guò)程”的發(fā)展史。這部分教學(xué)中教師要引導(dǎo)學(xué)生讀什么、怎么讀,然后找出原理和實(shí)證的關(guān)系,明白如何利用實(shí)證來(lái)理解原理或結(jié)論。教材編排的另一個(gè)特點(diǎn)是,有些章節(jié)內(nèi)容先給出一些實(shí)證情景,再歸納概括得出原理和結(jié)論。如新教材必修一第1章第1節(jié)《細(xì)胞是基本的生命系統(tǒng)》內(nèi)容中,教材先舉出實(shí)證:?jiǎn)渭?xì)胞生物,多細(xì)胞生物的反射活動(dòng)、動(dòng)植物細(xì)胞的代謝、生長(zhǎng)發(fā)育、遺傳變異等。接著給出結(jié)論:細(xì)胞是生命活動(dòng)的基本單位,生命活動(dòng)離不開(kāi)細(xì)胞。有多個(gè)實(shí)證情境出現(xiàn)時(shí),教師教學(xué)要對(duì)情境材料進(jìn)行整合,善于引導(dǎo)學(xué)生將情境分門(mén)別類,找到多個(gè)情境的相同點(diǎn)、不同點(diǎn),分析比較情景中揭示的本質(zhì)規(guī)律,歸納概括得出結(jié)論。并將得出的結(jié)論與教材中給出的結(jié)論進(jìn)行對(duì)照比較,找出不足,通過(guò)這樣反復(fù)訓(xùn)練,提高學(xué)生用科學(xué)簡(jiǎn)潔的生物學(xué)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行歸納概括的能力。以上特點(diǎn)在教材中比比皆是,教師在教學(xué)中只要善于發(fā)現(xiàn)、勤于思考,就能以此培養(yǎng)學(xué)生的能力,提高教師對(duì)教材的理解、處理、使用能力,從而懂得用教材教而不是教教材。
2. 提高學(xué)生閱讀理解歸納生物學(xué)概念的能力
生物學(xué)概念包括大概念、重要概念、次要概念。次要概念是生物學(xué)教學(xué)的基本單元,是對(duì)生物現(xiàn)象、生理過(guò)程、生命規(guī)律和生物學(xué)原理的高度概括。因此,在次要概念的教學(xué)中教師引導(dǎo)學(xué)生利用語(yǔ)文教學(xué)中句子成分的劃分方法找出主語(yǔ)、謂語(yǔ)、賓語(yǔ)、定語(yǔ)。找出概念的內(nèi)涵和外延,內(nèi)涵是對(duì)概念本質(zhì)的規(guī)定,是由主語(yǔ)、謂語(yǔ)、賓語(yǔ)構(gòu)成的;外延是對(duì)概念應(yīng)用范圍或量的規(guī)定,由定語(yǔ)部分構(gòu)成。學(xué)生只有正確理解概念的含義,概念是如何形成的,才能準(zhǔn)確地應(yīng)用概念解釋、解決生物學(xué)情境中的問(wèn)題。如:有氧呼吸是指細(xì)胞在氧的參與下,通過(guò)多種酶的催化作用,把葡萄糖等有機(jī)物徹底氧化分解,產(chǎn)生二氧化碳和水,釋放能量,生成大量ATP的過(guò)程。在這個(gè)次要概念中:主語(yǔ)為有氧呼吸,謂語(yǔ)為“是”,賓語(yǔ)為“過(guò)程”,其他為定語(yǔ)。在定語(yǔ)中指出有氧呼吸的條件為氧、酶,反應(yīng)物為葡萄糖,產(chǎn)物為二氧化碳和水、大量ATP,反應(yīng)的程度為徹底氧化分解。教學(xué)中也可以通過(guò)這種閱讀分析方法引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)無(wú)氧呼吸的概念,找出兩個(gè)概念中的相同點(diǎn)、不同點(diǎn),加深學(xué)生對(duì)概念的理解,提高歸納概念的能力,使學(xué)生能在理解概念的基礎(chǔ)上更好地學(xué)習(xí)有氧呼吸和無(wú)氧呼吸生理過(guò)程的幾個(gè)階段。另外,教學(xué)中發(fā)現(xiàn)有的學(xué)生在生活中很少參加勞動(dòng),生活閱歷淺、生活常識(shí)少,對(duì)有些名詞不理解,如:鮮重、干重、增殖、真核、有絲分裂、無(wú)絲分裂等,對(duì)這一類名詞也可引導(dǎo)學(xué)生采用望文生義的方法進(jìn)行理解,如:鮮重就是新鮮時(shí)的重量,增殖就是增加繁殖,真核就是有真正的細(xì)胞核,也就是有核膜包被形成的等。
3. 重視讀圖訓(xùn)練,提高學(xué)生圖示閱讀歸納能力
高中生物教材中有許多結(jié)構(gòu)示意圖、概念圖、模型圖、生理過(guò)程圖、柱形圖、直角坐標(biāo)系下的曲線圖、圖表等,這些圖將生物學(xué)中復(fù)雜的信息直觀、簡(jiǎn)潔地呈現(xiàn)出來(lái),能夠幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)、理解問(wèn)題,在教學(xué)中教師要重視學(xué)生的讀圖、用圖能力訓(xùn)練。對(duì)結(jié)構(gòu)示意圖、概念圖、模型圖、餅狀圖要引導(dǎo)學(xué)生看圖說(shuō)話,盡可能地用生物學(xué)術(shù)語(yǔ)、知識(shí)與圖示相結(jié)合讀懂圖意,歸納整理、用語(yǔ)言科學(xué)表述圖示反映的信息。對(duì)生理過(guò)程圖按照?qǐng)D示中反映生理變化順序的箭頭結(jié)合有關(guān)知識(shí)讀懂圖意,解決有關(guān)問(wèn)題。對(duì)柱形圖、直角坐標(biāo)系下的曲線圖、圖表等要注意研究的自變量、因變量與圖中縱橫坐標(biāo)之間的關(guān)系,結(jié)合所學(xué)知識(shí)讀出縱橫坐標(biāo)的含義,曲線中起點(diǎn)、交點(diǎn)、拐點(diǎn)、終點(diǎn)的含義、曲線的變化趨勢(shì)等,然后歸納總結(jié)圖中反映的生物學(xué)原理、結(jié)論等,進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的表述。教學(xué)中通過(guò)不斷地引導(dǎo)、分析、訓(xùn)練、積累,提高學(xué)生的閱讀、理解、歸納能力。
二、 基于學(xué)科素養(yǎng)的模型與建模、演繹與推理能力的培養(yǎng)
在生物學(xué)中為了反映生物體的微觀結(jié)構(gòu)、概念間的包含關(guān)系、揭示生命規(guī)律,教材中介紹了物理模型、概念模型、數(shù)學(xué)模型、演繹推理法,通過(guò)這些科學(xué)思維的培養(yǎng)使學(xué)生逐步形成認(rèn)識(shí)事物、闡釋生命規(guī)律的能力。而這些能力的培養(yǎng)是與動(dòng)手能力、構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的邏輯思維、歸納能力分不開(kāi)的。
(一)高中學(xué)生模型與建模、演繹與推理能力形成不足的現(xiàn)狀
高中生物教材中有許多模型,其中構(gòu)建的物理模型有真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型、滲透實(shí)驗(yàn)裝置模型、細(xì)胞膜的成分結(jié)構(gòu)模型、性狀分離比的模擬實(shí)驗(yàn)、建立減數(shù)分裂中染色體變化的模型、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型;概念模型在課后習(xí)題中以概念圖的形式呈現(xiàn);數(shù)學(xué)模型有蛋白質(zhì)合成中肽鍵數(shù)目的計(jì)算、細(xì)胞分離數(shù)目的計(jì)算、配子和基因型種類的計(jì)算、基因頻率和基因型頻率的計(jì)算、理想條件下種群數(shù)量的計(jì)算、J型曲線、S型曲線等;演繹推理體現(xiàn)在孟德?tīng)栄芯炕虻姆蛛x規(guī)律和自由組合規(guī)律、摩爾根研究果蠅的伴性遺傳、DNA的復(fù)制等實(shí)驗(yàn)中。通過(guò)教材中的模型教學(xué),發(fā)現(xiàn)學(xué)生理解掌握的情況仍然有諸多不足,如:物理模型構(gòu)建得不形象、不直觀、比例失調(diào)、結(jié)構(gòu)布局不合理、材料選擇單一,不能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能的和諧美。概念模型形式單一、大小概念間包含、邏輯關(guān)系理不清;數(shù)學(xué)模型中的曲線含義不理解,不能理解在生物學(xué)科情景下的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)過(guò)程,數(shù)學(xué)公式中字母代表的生物學(xué)含義以及公式適用的范圍;對(duì)演繹推理中的實(shí)驗(yàn)過(guò)程沒(méi)有生活體驗(yàn)、沒(méi)有種植業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)歷,對(duì)農(nóng)作物的生命歷程沒(méi)有直觀的認(rèn)識(shí),搞不清農(nóng)作物的生活習(xí)性。對(duì)演繹推理的具體過(guò)程理解不透徹,缺乏由此及彼、舉一反三的應(yīng)用能力。
(二)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生模型與建模、演繹與推理能力的策略
1. 教學(xué)中在制作物理模型時(shí),教師先引導(dǎo)學(xué)生觀察教材中有關(guān)模型或細(xì)胞結(jié)構(gòu)的示意圖,看各結(jié)構(gòu)在細(xì)胞或模型中的位置、大小、比例;應(yīng)在安全的基礎(chǔ)上提供多類主要材料,如:橡皮泥、泡沫包裝材料、面團(tuán)、質(zhì)地較軟的塑料材料、其他輔助材料根據(jù)需要準(zhǔn)備;學(xué)生通過(guò)用手制作、用眼觀察、用腦思考,經(jīng)過(guò)親力親為制作出科學(xué)合理的美觀模型,從而加強(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握、理解和應(yīng)用。
2. 對(duì)概念模型的構(gòu)建,教學(xué)中教師引導(dǎo)學(xué)生把握概念的本質(zhì)、理解概念的內(nèi)涵和外延,掌握概念的包含關(guān)系。通過(guò)概念圖、思維導(dǎo)圖、數(shù)學(xué)中的子集、交集、并集等集合關(guān)系構(gòu)建概念模型。理解大概念、重要概念、次要概念的關(guān)系。理解名詞上相近的概念,如:原生質(zhì)體和原生質(zhì)層、載體和運(yùn)載體、過(guò)敏原和抗原等。在含義上相反的概念,如:自由水和結(jié)合水、顯性基因和隱性基因等。
3. 數(shù)學(xué)模型的建立有助于學(xué)生對(duì)生物學(xué)中某些核心概念的理解,提高學(xué)生的生物學(xué)科核心素養(yǎng)。在人教版高中生物學(xué)教材選擇性必修2第一章第2節(jié)以“酵母菌的種群數(shù)量變化”為例,提出構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的四個(gè)步驟,“觀察研究對(duì)象,提出問(wèn)題→提出合理的假設(shè)→根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)形式對(duì)事物的性質(zhì)進(jìn)行表達(dá)→通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)或觀察等,對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)或修正”。教學(xué)中教師在構(gòu)建數(shù)學(xué)模型時(shí)通過(guò)具體實(shí)例善于引導(dǎo),師生通過(guò)前幾步的逐步分析,共同推理,采用不完全歸納法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型,并弄明白模型中字母的含義,就可運(yùn)用模型解決問(wèn)題。如:冪2n(n為正整數(shù))在高中生物學(xué)中有廣泛的應(yīng)用:①一個(gè)親代細(xì)胞分裂n次產(chǎn)生子細(xì)胞的數(shù)目可用2n計(jì)算,n的含義為細(xì)胞分裂的次數(shù);②一個(gè)基因型為AaBbDDEe……的個(gè)體產(chǎn)生配子的種類、自交產(chǎn)生后代表現(xiàn)型的種類都可用2n計(jì)算,n的含義為等位基因的對(duì)數(shù);③一個(gè)親代DNA分子復(fù)制n次產(chǎn)生子代DNA的數(shù)目可用2n計(jì)算,n的含義為DNA復(fù)制的次數(shù);④n個(gè)堿基對(duì)脫水縮合形成的DNA分子種類可用4n=22n計(jì)算,n的含義為堿基對(duì)的數(shù)目。類似于冪的形式在遺傳、DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄翻譯中還有很多,不勝枚舉。
三、 基于核心素養(yǎng)的物質(zhì)與能量觀的培養(yǎng)
細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位,是由元素及其化合物按照一定的比例有機(jī)組合在一起形成的生命系統(tǒng),細(xì)胞要不斷地和生活環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換,體現(xiàn)了細(xì)胞的物質(zhì)和能量觀、質(zhì)量和能量守恒定律,需要用物理和化學(xué)學(xué)科的相關(guān)知識(shí)和思維助力學(xué)生學(xué)習(xí)生物知識(shí)。
(一)高中生物教材中有關(guān)組成細(xì)胞的化合物和化學(xué)反應(yīng)可以說(shuō)貫穿必修和選修教材中,在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生的有關(guān)知識(shí)不足。如:細(xì)胞中的微量元素Mn、B、Mo不知道元素名稱;8種必需氨基酸的識(shí)記;化學(xué)中的有機(jī)化學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)較少或滯后導(dǎo)致五碳糖、六碳糖、淀粉、甘油、脂肪酸、許多氨基酸的化學(xué)式和結(jié)構(gòu)式不了解;學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)、多糖、核酸、ATP、磷脂的合成和結(jié)構(gòu)理解不透;乳酸(C3H6O3)、乙酸(或醋酸CH3COOH)、乙醇(C2H5OH)、乙醛(CH3CHO)、丙酮酸(C3H4O3)區(qū)分不清。淀粉、蛋白質(zhì)、核酸、脂肪的消化水解產(chǎn)物遺忘;不能區(qū)分有機(jī)物的水解產(chǎn)物和徹底水解產(chǎn)物;還原糖和斐林試劑、蛋白質(zhì)和雙縮脲試劑的反應(yīng)本質(zhì)不清楚。光合作用、有氧呼吸、無(wú)氧呼吸(酒精發(fā)酵和乳酸發(fā)酵)、醋酸發(fā)酵、ATP與ADP的轉(zhuǎn)化等表達(dá)式不能按要求書(shū)寫(xiě)。實(shí)驗(yàn)中有些化學(xué)儀器、化學(xué)試劑、實(shí)驗(yàn)裝置(蒸餾、萃取、分液)的使用原理和方法掌握欠缺。同位素標(biāo)記法(穩(wěn)定同位素:幾乎不具有放射性,如18O、15N等;放射性同位素:具有放射性,如:14C、32P、3H、35S等)、差速離心法、熒光標(biāo)記法、衍射圖譜等技術(shù)的原理不清楚等。
(二)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生相關(guān)物理和化學(xué)知識(shí)的策略
1. 對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)中出現(xiàn)的有關(guān)元素和化合物的名稱、結(jié)構(gòu)和化學(xué)式的問(wèn)題,教師在教學(xué)中只要在備課時(shí)找出結(jié)構(gòu)展示給學(xué)生,在短時(shí)間引導(dǎo)學(xué)生善于觀察、比較、歸納就比較容易掌握了。如:比較五碳糖中的核糖(C5H10O5)和脫氧核糖(C5H10O4)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)式發(fā)現(xiàn)核糖比脫氧核糖多了一個(gè)氧原子。又如:通過(guò)觀察分析學(xué)生很容易掌握這些化合物。
2. 對(duì)化學(xué)反應(yīng)的原理和表達(dá)式,在教學(xué)時(shí)教師善于和學(xué)生歸類總結(jié),注意書(shū)寫(xiě)規(guī)則即可。如:蛋白質(zhì)的合成、DNA、RNA、ATP的合成都屬于脫水縮合反應(yīng),在細(xì)胞內(nèi)需要酶的催化,只不過(guò)參與脫水縮合的官能團(tuán)不同,但都會(huì)由小分子合成大分子。蛋白質(zhì)和雙縮脲的反應(yīng)實(shí)質(zhì)是在堿性環(huán)境下肽鍵和氫氧化銅反應(yīng)形成紫色絡(luò)合物,不論蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)是否破壞,蛋白質(zhì)是否變性,肽鍵都沒(méi)破壞,這個(gè)反應(yīng)都會(huì)進(jìn)行。細(xì)胞代謝的化學(xué)反應(yīng)是一系列的化學(xué)變化,高中教材中的表達(dá)式只反映出反應(yīng)物、終產(chǎn)物、反應(yīng)場(chǎng)所、反應(yīng)條件,在反應(yīng)中的一系列中間反應(yīng)和中間產(chǎn)物沒(méi)表現(xiàn)出來(lái),因此寫(xiě)表達(dá)式時(shí)反應(yīng)物和產(chǎn)物之間用箭頭,而不用等號(hào)。如:光合作用的表達(dá)式為:CO2+H2O光葉綠體(CH2O)+O2。
總之,生物學(xué)科是一門(mén)自然學(xué)科,研究時(shí)要借助其他學(xué)科的思維、方法、技術(shù)手段等進(jìn)行研究。因此,學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程中要具有一定的跨學(xué)科創(chuàng)新思維,提高創(chuàng)新能力。
參考文獻(xiàn):
[1]中華人民共和國(guó)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]朱正威,趙占良.普通高中教科書(shū):生物學(xué):選擇性必修2生物與環(huán)境[M].北京:人民教育出版社,2020.
[3]朱正威,趙占良.普通高中教科書(shū):生物學(xué):必修1分子與細(xì)胞[M].北京:人民教育出版社,2019.