例談高中生物學(xué)復(fù)習(xí)課中“假說(shuō)－演繹”法的建模與應(yīng)用

摘要：“假說(shuō)演繹”法的應(yīng)用是歷年浙江高考的高頻考點(diǎn)，科學(xué)思維是核心素養(yǎng)的考查要求。本文基于生物學(xué)情境設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，以“假說(shuō)－演繹”法建模與應(yīng)用為主線，引導(dǎo)學(xué)生在“提出問題－建立假設(shè)－演繹推理－實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證－得出結(jié)論”的過(guò)程中，提高分析和解決問題的能力，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：“假說(shuō)演繹”法；科學(xué)思維；高中生物學(xué)

文章編號(hào)：1003-7586（2024）05-0048-04 中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1問題的提出

科學(xué)思維是一種通過(guò)系統(tǒng)、邏輯和實(shí)證方式來(lái)研究和理解世界的思考方法，是生物學(xué)科四大核心素養(yǎng)之一?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年舨2020年修訂）》指出科學(xué)思維能力包括觀察能力、演繹推理能力、假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)芰?、統(tǒng)計(jì)分析能力?！凹僬f(shuō)－演繹”法是生物學(xué)科學(xué)研究中利用生物學(xué)規(guī)律解決實(shí)際問題的重要工具，它肯定了理性與演繹在科學(xué)發(fā)現(xiàn)中的作用，確保了生命科學(xué)也具有自我修正的“假說(shuō)－演繹”機(jī)制。

本文統(tǒng)計(jì)了“假說(shuō)演繹”法在近五年浙江省生物高考中的考查頻度（見表1），幫助學(xué)生更好地明確考點(diǎn)和側(cè)重方向，提高備考效率?！凹僬f(shuō)演繹”法在科學(xué)史考查、基因位置的判斷和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等題型中高頻出現(xiàn)，但有關(guān)遺傳密碼破譯、體液調(diào)節(jié)的發(fā)現(xiàn)——促胰液素的發(fā)現(xiàn)等科學(xué)史內(nèi)容的考查暫未涉及。

本文以不同生物學(xué)情境設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，從以下幾個(gè)方面探究在高中生物學(xué)復(fù)習(xí)課教學(xué)中“假說(shuō)演繹”法建模與應(yīng)用的教學(xué)策略（見圖1）。

2創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，感知“假說(shuō)－演繹”法模型

教師在“關(guān)于酶發(fā)現(xiàn)歷程的探索”教學(xué)時(shí)，結(jié)合實(shí)踐活動(dòng)，搜集相關(guān)資料，創(chuàng)設(shè)535fe167633cd1c2a0b9d57c53e3d0b6情境，讓學(xué)生初步感知“假說(shuō)演繹”法的模型。

教師提前20天左右組織學(xué)生利用校本課程活動(dòng)時(shí)間開展自制葡萄酒實(shí)驗(yàn)，觀察發(fā)酵現(xiàn)象并提出問題：為什么葡萄汁加酵母菌經(jīng)過(guò)一段時(shí)間能發(fā)酵產(chǎn)生酒精？

學(xué)生猜想可能與酵母菌有關(guān)，并設(shè)計(jì)初步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案（見表2）。

教師提供實(shí)驗(yàn)材料，組織學(xué)生分組進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行交流分析，得出酒精發(fā)酵與酵母菌有關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。實(shí)踐活動(dòng)后，學(xué)生已經(jīng)初步體驗(yàn)了“假說(shuō)演繹”法的各個(gè)環(huán)節(jié)（見圖2）。

教師接著引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考：葡萄酒發(fā)酵過(guò)程中，酵母菌是如何起作用的？是活的酵母菌本身參與進(jìn)來(lái)了，還是細(xì)胞里面的一些物質(zhì)起作用了？

資料一 畢希納（E.Buchner）發(fā)現(xiàn)用無(wú)細(xì)胞的酵母汁可以進(jìn)行酒精發(fā)酵，且酒精發(fā)酵的酶在起催化作用時(shí)，需要離子和小分子輔助。

教師引導(dǎo)學(xué)生使用下列材料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并根據(jù)問題完成驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)材料：酵母汁、酵母菌、葡萄糖溶液、X溶液（含酵母汁中的各類離子、小分子）、D溶液（含酵母汁中的各類大分子）、無(wú)菌水。

教師根據(jù)上述資料設(shè)計(jì)以下問題。

問題一：怎樣利用上述材料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證科學(xué)家的結(jié)論？

問題二：不同組別分別做什么實(shí)驗(yàn)處理？

問題三：預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果中哪些組別出現(xiàn)陽(yáng)性能夠驗(yàn)證結(jié)論？

教師引導(dǎo)學(xué)生以“結(jié)論”為“假說(shuō)”，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和預(yù)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為“演繹推理”，用逆推法完成“假說(shuō)一演繹”法探究建模過(guò)程（見圖3）。

設(shè)計(jì)意圖：根據(jù)建構(gòu)主義理論的學(xué)習(xí)方法，在一定的情境中利用“假說(shuō)－演繹”法構(gòu)建生物學(xué)知識(shí)的相關(guān)模型是一種有效的學(xué)習(xí)模式。通過(guò)創(chuàng)設(shè)學(xué)生熟悉的生物學(xué)情境來(lái)激發(fā)學(xué)習(xí)積極性，教師引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)構(gòu)建抽象的知識(shí)概念并組織開展生物學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，讓學(xué)生能夠由淺人深地理解和應(yīng)用生物學(xué)知識(shí)，增強(qiáng)動(dòng)手實(shí)踐能力，快速調(diào)動(dòng)學(xué)生的思維和熱情。

3依托活動(dòng)論證，構(gòu)建“假說(shuō)－演繹”法模型

3.1基于科學(xué)史探究光反應(yīng)中ATP的生成

教師提問：跳臺(tái)上的運(yùn)動(dòng)員可將具有的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，光反應(yīng)的產(chǎn)物ATP中的能量直接來(lái)自哪里？

資料二 進(jìn)行光反應(yīng)時(shí)，葉綠體類囊體腔內(nèi)pH值≈4，葉綠體基質(zhì)pH值≈8。

教師展示資料二并引導(dǎo)學(xué)生提出假說(shuō)：ATP中的能量可能直接來(lái)自光能；ATP中的能量或許直接來(lái)自類囊體內(nèi)外H+的濃度差形成的電化學(xué)勢(shì)能。

結(jié)合先前所構(gòu)建的“假說(shuō)－演繹”法模型，教師引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用“加法原則”和“減法原則”，精準(zhǔn)找出兩個(gè)假說(shuō)之間的差異，快速抓住應(yīng)該加減的自變量，設(shè)計(jì)出驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的思路，進(jìn)行演繹推理。隨后，教師展示賈格道夫（Jagendorf）等科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)（見圖4），學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析得出結(jié)論，驗(yàn)證猜想。

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用當(dāng)前已有的生物學(xué)知識(shí)，大膽思考，深入探索，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，動(dòng)手重新構(gòu)建ATP合成的模型，領(lǐng)悟光反應(yīng)中ATP合成的生物學(xué)原理，完成科學(xué)思維提升，發(fā)展批判性思維、模型構(gòu)建等素養(yǎng)能力。

3.2基于遺傳設(shè)計(jì)題構(gòu)建解題模型

例題 果蠅的有趣與無(wú)翅由一對(duì)等位基因（D、d）控制，翅形的長(zhǎng)翅與殘翅由另一對(duì)等位基因（Q、q）控制，兩對(duì)基因均不住于Y染色體上。一只無(wú)翅雌果蠅與一只殘翅雄果蠅交配，F(xiàn)1全為長(zhǎng)翅，讓F1雌雄果蠅隨機(jī)交配到得F2，統(tǒng)計(jì)F2表現(xiàn)型及比例如下所示。

（1）控制有翅與無(wú)翅的基因在_____染色體上，以_________為顯性性狀。

（2）控制長(zhǎng)翅與殘翅的基因在_______染色體上，以_______為顯性性狀。

教師引導(dǎo)學(xué)生小組討論并依據(jù)“假說(shuō)演繹”法合作歸納解題模板。

設(shè)計(jì)意圖：在高考復(fù)習(xí)中需要注重對(duì)知識(shí)的整合建模和在新情境中的靈活應(yīng)用，將遺傳基因定位等題型的解題方法歸納建模，便于學(xué)生形成整體化、結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化的思維邏輯關(guān)系，有利于相關(guān)方法技巧的儲(chǔ)存和調(diào)取，從而快速突破高考高頻考點(diǎn)和難點(diǎn)。

3.3遷移學(xué)習(xí)模型，應(yīng)用“假說(shuō)－演繹”法解決問題

教師引導(dǎo)學(xué)生使用模型解決如下例題。

例題 從一個(gè)自然果蠅種群中選取一些從未交配過(guò)的果蠅，翅形為長(zhǎng)翅和殘翅且數(shù)量相等，每種翅形果蠅雌雄各半。己知相對(duì)性狀長(zhǎng)翅和殘翅由一對(duì)等位基因控制，均能正常存活。現(xiàn)采用兩個(gè)組合：長(zhǎng)翅雌蠅×殘翅雄蠅、殘翅雌蠅×長(zhǎng)翅雄蠅，只做一代雜交試驗(yàn)，每個(gè)雜交組合均選用多對(duì)果蠅。嘗試推測(cè)兩個(gè)雜交組合中子代可能出現(xiàn)的性狀，對(duì)以下兩個(gè)問題做出相應(yīng)的推斷：哪一種翅形是顯性性狀？控制翅形的基因位于常染色體上還是X染色體上？

教師請(qǐng)學(xué)生針對(duì)解答過(guò)程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析：把“未交配過(guò)的”果蠅當(dāng)作純合子對(duì)待；視“多對(duì)果蠅”為一對(duì)果蠅；在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，缺少最后預(yù)測(cè)結(jié)論。

在此處，教師向?qū)W生介紹處女蠅在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)中的重要意義，處女蠅不等同于純合子，且在多對(duì)果蠅雜交過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)混交的情況，即母本是一個(gè)既有純合子又有雜合子的顯性群體。

在分析結(jié)束后評(píng)價(jià)提升，建構(gòu)新的遺傳“假說(shuō)－演繹”法解題模型（見表3）。

對(duì)于這類題型，教師可以歸納出答題模型：利用題目給出的“演繹結(jié)果”反推“假說(shuō)”（見圖5）即分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)論。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)變式練習(xí)拓展應(yīng)用等方法評(píng)價(jià)學(xué)生能否舉一反三地遷移應(yīng)用模型，可以反映出學(xué)生科IpB2WlIv1W5+941hrx+GnnknquG48aYo9jFLWJ/8zJg=學(xué)思維等核心素養(yǎng)的發(fā)展情況。同時(shí)，學(xué)生在運(yùn)用的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生新的矛盾、問題和體驗(yàn)，從錯(cuò)處出發(fā)，啟發(fā)深度思考，且生生互動(dòng)活躍，此舉效果顯著。由此對(duì)先前所掌握的理論體系產(chǎn)生更加深刻的理解和創(chuàng)新，為后續(xù)學(xué)習(xí)提供源源不斷的動(dòng)力。

4教學(xué)反思

在課堂中落實(shí)“五構(gòu)”教學(xué)，通過(guò)“初構(gòu)－解構(gòu)－重構(gòu)－創(chuàng)構(gòu)－架構(gòu)”這五個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，“假說(shuō)－演繹”法模型建構(gòu)的明線與學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的暗線相交融，同時(shí)在情境創(chuàng)設(shè)中落實(shí)社會(huì)責(zé)任的培養(yǎng)。在這種教學(xué)模式下，學(xué)生可以通過(guò)模型建構(gòu)、科學(xué)推理、理性思考、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、質(zhì)疑創(chuàng)新等方式，將知識(shí)體系遷移至新情境下解決問題，發(fā)展歸納演繹、抽象概括、分析綜合、批判性和創(chuàng)新性等科學(xué)思維。

將“假說(shuō)－演繹”法應(yīng)用于動(dòng)植物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的教學(xué)中，在課堂上增加互動(dòng)，給學(xué)生提問和表達(dá)的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生按照“假說(shuō)－演繹”法的步驟，以科學(xué)家視角進(jìn)行探索，學(xué)生經(jīng)過(guò)自己的思考后，與小組同學(xué)溝通解決問題，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

針對(duì)學(xué)生的迷思概念進(jìn)行“演繹”，教師可以在教學(xué)過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生強(qiáng)化“提出假說(shuō)”和“演繹推理”步驟，運(yùn)用多種方式教學(xué)，給學(xué)生更多的時(shí)間進(jìn)行思考和探討。

筆者在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，有的小組組員科學(xué)思辨能力較強(qiáng)，任務(wù)完成度高，但個(gè)別小組存在任務(wù)阻滯現(xiàn)象，活動(dòng)推進(jìn)困難。這就要求教師在課前對(duì)學(xué)生的原有知識(shí)和水平有所了解，合理分組，確定適合每個(gè)小組的組織者、記錄員、小結(jié)員、計(jì)時(shí)員等，確保小組內(nèi)每一位同學(xué)都能充分參與，進(jìn)而確?；顒?dòng)任務(wù)高效、順利完成。

利用科學(xué)史再現(xiàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)情境，學(xué)生通過(guò)層層遞進(jìn)式的分析代人科學(xué)家的思維，運(yùn)用“假說(shuō)演繹”法嘗試自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。教師要盡可能地開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生將自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)動(dòng)手實(shí)踐落地，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)探究實(shí)驗(yàn)的興趣和熱情，化抽象為具象，便于學(xué)生直觀理解。運(yùn)用“假說(shuō)－演繹”法對(duì)生物學(xué)事實(shí)進(jìn)行探究式教學(xué)，能夠訓(xùn)練科學(xué)思維，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。