关于生物教学中理性思维的培养

广东 刘建峰 余景耀

关于生物教学中理性思维的培养

广东 刘建峰 余景耀

理性思维是建立在证据和逻辑推理基础上的思维，它是有明确的思维方向，有充分的思维依据，能对事物或问题进行观察、比较、分析、综合、抽象与概括的一种思维。理性思维的类型有：比较与分类、分析与综合、归纳与演绎、抽象与概括、模型与建模、批判性思维等。

1.比较与分类

比较是人们根据一定的认识和实践目的，把某一事物与其他事物的属性和特征加以比较，以确定事物之间的共同点和差异点的思维方法；分类是根据对象的共同点和差异性，把对象分为不同种类的逻辑思维方法。比较是分类的基础，只有比较对象的共同点和差异性，才能进行科学的分类。分类分为“分”和“类”，“分”的依据是对象的不同点，“类”的依据是对象的相同点，分类体现了客观事物的共性与个性的差异。在教学中，针对重要知识内容中的两个或多个元素进行比较和分类，有利于学生更好地认识其本质特点。以免疫细胞的比较与分类为例：

分类依据1：比较不同免疫细胞对抗原的识别能力

分类结果：

①无识别能力：浆细胞（效应B细胞）；

②有识别能力但无特异性：吞噬细胞；

③有特异性识别能力：T细胞，B细胞，记忆T细胞，效应T细胞，记忆B细胞。

分类依据2：比较免疫细胞的产生是否需要抗原的刺激

分类结果：

①需要抗原的刺激：记忆细胞，效应细胞；

②不需要抗原的刺激：吞噬细胞，T细胞，B细胞。

2.分析与综合

分析是把研究对象的整体分解为部分或局部，对部分或局部分别进行研究的思维方法；综合与分析相反，是从整体上去认识和把握研究对象的思维方法。分析是综合的基础，综合是分析的发展，分析之后要进行综合，综合之后要进行分析，二者相互依存、相互渗透甚至相互转化。自然科学中的任何活动都离不开分析，无论是观察与实验、比较与分类，还是归纳与演绎都离不开分析，分析是最基本的科学方法。在分析的基础上进一步综合，是思维的延续和发展。概念的形成就是分析与综合的结果。以绿色植物光合作用的分析与综合为例：

分析角度1：物质变化

光反应阶段：水的光解（生成还原氢和氧气），ATP的合成；

暗反应阶段：CO2的固定，三碳化合物的还原。

分析角度2：能量变化

光反应阶段：光能转化为活跃的化学能；

暗反应阶段：活跃的化学能转化为稳定的化学能。

综合1：光能转化为ATP和NADPH中活跃的化学能；活跃的化学能转化为碳水化合物中稳定的化学能。

分析角度3：反应条件

光反应阶段：光照，光合色素，光反应有关的酶系统；

暗反应阶段：暗反应有关的酶系统。

分析角度4：反应场所

光反应阶段：类囊体薄膜；

暗反应阶段：叶绿体基质。

综合2：吸收光能，在叶绿体中完成光合作用。

综合：（综合1+综合2）光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧的过程。

3.归纳与演绎

归纳就是在个别中发现一般的推理形式和思维方式；演绎就是在一般中发现个别的推理形式和思维方式。归纳与演绎的实质表明，它们是两个对立的方面，是两个方向相反的认识方法，它们既是对立的又是统一的。人们对事物的认识往往从个别开始，然后扩展到一般，再从一般进一步认识个别。一些概念的形成就是归纳的结果，对这些概念进行检验和运用体现了演绎的思维方法。

3.1 归纳（以钙离子的知识归纳为例）

例题1：图1中左图是神经－肌肉接头，其结构和功能与突触类似。当兴奋传导至突触小体时，突触间隙中的Ca2+通过突触前膜上的Ca2+通道内流，导致突触小泡与突触前膜融合，释放神经递质（如图）。请回答下列问题：

图1

（1）传出神经末梢及其支配的肌肉在反射弧中称为___________。

（2）神经递质的释放依赖于细胞膜具有________特点，神经递质尽管是小分子物质，但仍通过图示方式释放到突触间隙，其意义在于________。

（3）乙酰胆碱属于一种兴奋性神经递质，当乙酰胆碱与肌细胞膜上相应受体结合后引起肌细胞收缩。α－银环蛇毒能与乙酰胆碱受体结合，α－银环蛇毒中毒时，肌肉表现是_______。

（4）结合图中信息解释人体血钙低时，肌肉抽搐的原因_______。

（5）“肉毒毒素美容”已经成为时下普遍接受的面部除皱方式。肉毒毒素是肉毒杆菌分泌的一种神经毒素，能特异地与突触前膜上Ca2+通道结合。结合图解分析，“肉毒毒素美容”的原理：_______ _______。

参考答案：（1）效应器

（2）一定流动性 短时间内使神经递质大量释放，从而有效实现神经兴奋地快速传递

（3）松弛（或不能收缩或舒张）

（4）血钙降低导致突触间隙（细胞外液）中钙浓度低，Ca2+内流减少，影响神经递质的释放

（5）肉毒毒素阻止Ca2+内流，影响突触前膜释放乙酰胆碱，导致面部肌肉松弛

借助于通道蛋白的离子跨膜流动的相关知识，在神经调节的教学内容中侧重于解释K+外流、Na+内流对静息电位维持和恢复、动作电位产生和消退的影响，而该题中的Ca2+内流问题并未涉及。但是，教材中与Ca2+有关的知识点较多，结合该题进行及时归纳很有必要。

归纳①必修1.钙离子的吸收与维生素D有关，维生素D属于固醇类物质。

命题参考：钙离子的吸收与固醇类物质有关。

考点：组成细胞的元素和化合物。

归纳②必修1.研磨提取光合色素时添加碳酸钙可以保护叶绿素。

命题参考：研磨提取光合色素时添加氯化钙溶液可以保护叶绿素。

考点：绿叶中光合色素的提取和分离。

归纳③必修1.有丝分裂的后期，必修2.减数分裂第二次分裂的后期，着丝点的分裂与钙离子有关。

命题参考：有丝分裂或减数分裂的第二次分裂后期，染色体着丝点的分裂与丝状物的牵拉有关。

考点：有丝分裂的过程特点。

归纳④必修1.血液中钙离子浓度偏低时，会引起肌肉抽搐；必修3.钙离子通过突触前膜的内流可以促进神经递质的释放。

归纳⑤选修3.钙离子处理可以增大细菌的通透性，制备出感受态细胞，便于目的基因的导入。

命题参考：使用氯化钙溶液处理受体细菌可提高其转化率。

考点：基因工程。

归纳后设计练习：

练习：下列关于钙离子的相关描述，错误的是 （ ）

A. 钙离子的吸收与固醇类物质有关

B. 钙离子通过突触前膜的内流可以促进神经递质的释放

C. 血液中钙离子浓度偏低时，会引起肌无力

D. 提取光合色素研磨时添加碳酸钙可以保护叶绿素

参考答案：C

3.2 演绎（以生命观念中结构功能观的演绎为例）

生物学核心素养的生命观念中，从分子结构、细胞器结构、细胞结构，到种群结构、群落结构、生态系统的结构，结构决定功能的观念在教学中的渗透无处不在。由一般性结论有何结构特点，就决定了有何特定的功能，可以演绎出蛋白质的功能为什么具有多样性、胆固醇为什么能够以自由扩散的方式跨越细胞膜运输等一系列的问题来。

下表举例说明结构与功能观的知识分布和在高考试题中（2016年全国卷I）的出现情况。

_生_命观念______________________________________知识举例__________________必修1—有机大分子的结构与功能；必修1—细胞的结构与功能；必修2—遗传物质的结构与功能；必修3—突触与兴奋的传递、反射弧与反射活动；必修3—种群的年龄结构、群落的空间结构与功能_____等；必修3—生态系统的结构与功能_____________题号 题干_____选项 ____________________________________________考点 能力与核心素养的考查结构与功能观题干 必修1细胞物质组成，_____结构和功能_____________A__细胞器的结构___________B__细胞核内核酸的分布_____C__线粒体的功能__________D 叶绿体的功能________1本题主要涉及4种细胞器以及细胞核的考查，难度较低，属容易题。考查对象均为核心知识内容，侧重考查核心素养中生命观念的结构与功能观和理性思维的归纳与概括______题干 必修1物质跨膜运输的_____方式________________本题侧重于主动运输的考查，忽略自由扩散的考查，要求能够明确主动运输和协助扩散的异同点。难度中等。核心素养侧重于生命观念的结构与功能观和理性思维中的归纳与概括___A__协助扩散的特点______B 主动运输是逆浓度梯度_____运输________________C 主动运输需要细胞代谢_____产生的能量__________D 主动运输需要载体蛋白_____的参与_____________________________________2

4.抽象与概括

抽象是指抽取客观事物的一般的、本质属性的思维方法；概括是指把抽象出来的个别事物的本质属性连接起来，推及到其他同类事物上去，从而归结全类事物的共性的思维方法。抽象与概括是形成概念的重要思维方法。大多数生物学概念的形成都是抽象与概括的结果。抽象与概括是生物分类中常用的思维方法。

以细胞分化概念的形成为例：

可观察到的生物学事实：构成人体的细胞多种多样，如红细胞、神经细胞、骨骼肌细胞等。

抽象①它们的形态存在明显的差别；抽象②它们的结构存在明显的差别；抽象③它们的功能存在明显的差别；抽象④它们的形态、结构和功能都是相对稳定的。

抽象后的概括：细胞分化是指在个体发育中，由一个或一种细胞增殖产生的后代，在形态、结构和生理功能上发生稳定性差异的过程。

5.模型与建模

5.1 模型的概念和种类

人教版必修1对模型的定义是：“模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所做的一种简化的描述，这种描述可以是定性的，也可以是定量的；有的借助于具体的实物或其他形象化的手段，有的则通过抽象的形式来表达”。其中物理模型是指以实物或图画形式直观地表达认识对象特征的模型，如人工制作或绘制的DNA分子双螺旋结构模型、真核细胞三维结构模型等；概念模型是指以文字表述来抽象概括出事物本质特征的模型，如对真核细胞结构共同特征的文字描述、光合作用过程中物质和能量的变化的解释、达尔文的自然选择学说的解释模型等；数学模型是指用来描述一个系统或它的性质的数学形式，如“J”型种群增长的数学模型Nt=N0λt。应该指出，物理模型既包括静态的结构模型，如真核细胞的三维结构模型、细胞膜的流动镶嵌模型等；又包括动态的过程模型，如教材中学生动手构建的减数分裂中染色体变化的模型、血糖调节的模型等。

5.2 模型的建构和重建

在课本上可以看到许多模型建构的具体实例，如尝试制作真核细胞的三维结构模型，利用废旧物品制作生物膜模型，建立动态的血糖调节的模型，培养液中酵母菌种群数量的变化模型等等。通过具体的模型建构体验，可以加深对模型特点的认识，理解模型在反映事物或过程方面的简化和直观性。

在原有模型的基础上，为了进一步加深或拓展对重点问题的认识，可以适当进行典型模型的进一步分析和重建，以提高学生对相关模型的认知能力。以种群数量变化曲线为例，课本上的数学模型是反映种群数量随时间的变化特点（图2）。在重建模型时可以考虑将种群数量改为种群数量增长率，就可以分析得出图3所示的数学模型。

图2

图3

在实际解题过程中遇到数学曲线模型分析和重建的情况也非常多。

例题2.图4中，如果横坐标改变，则曲线的变化趋势最大的是 （ ）

图4

A. ①将横坐标的“光照强度”改为“CO2浓度”

B. ②将横坐标的“温度”改为“O2浓度”

C. ③将横坐标的“有丝分裂”改为“减数分裂第二次分裂”

D. ④将横坐标的“血糖浓度”改为“内环境温度”

本题的命题意图就是要通过数学模型的重新构建来考查学生对相关内容的掌握情况。如果能够按要求准确画出下面的数学模型（图5），是不难做出正确选择的。

图5

参考答案：B

5.3 模型间的转换

采用不同的模型来简化特定生物学问题，帮助学生深刻认识问题的变化规律和实质，是非常有效的一种表达手段。利用模型间的转换来考查学生对相关生物学问题的认识水平，也越来越频繁地出现在试题中。

例题3：科学家提供放射性S标记的氨基酸培养哺乳动物的乳腺细胞，测量细胞合成并分泌乳腺蛋白过程中各种膜结构的面积变化，结果如图6。下列选项表示a、b、c所代表的膜结构名称以及放射性标记出现的先后顺序，正确的是： （ ）

图6

A. a核糖体→b内质网→c高尔基体

B. a内质网→b高尔基体→c细胞膜

C. a高尔基体→c内质网→b细胞膜

D. a内质网→c高尔基体→b细胞膜

参考答案：D

不难看出，模型的特点就是以简化和直观的形式来显示复杂的事物或过程。数学模型和物理模型都是通过图解的形式将事物的特点或变化规律勾画出来，也都能够定性和定量地准确描述。但是，数学模型在定量描述上更加直观；而物理模型则在定性描述上更加形象。概念模型由于是文字性高度的概括和归纳，可以很好地帮助我们全面理解相关问题的实质。进行必要的模型构建、分析和重建，以及尝试进行同一模型不同表达形式或不同模型间的转换，无疑是提高学科素养的有效手段。

6.批判性思维

批判性思维是指具有目的性和反思性的判断。它既包括阐释、分析、推理、评估、解释和自我调整等认知技能，也包括好奇、敏锐、求真等思维习性。批判性思维是探究的重要工具，求证、理性、开放、灵活、正确评价、审慎作出判断、愿意重新考虑并作出调整，是批判性思维的特点，也是核心素养的重要特点。人教版教材中关于批判性思维的知识点非常多，如必修1：细胞的体积都趋向于小吗？必修1：被动运输不需要消耗能量吗？必修2：基因突变一定导致新性状出现吗？必修2：生殖隔离的形成一定要先地理隔离吗？必修3：植物向光性只和生长素分布不均有关吗？必修3：实验设计的评价等等。下面以“特定物质的跨膜运输方式是唯一的吗？”这一问题探究为例说明教学中如何进行批判性思维的渗透：

先结合人教版教材必修1第74页科学前沿“授予诺贝尔化学奖的通道蛋白研究”这一资料，使学生认识到水分子的跨膜运输除了自由扩散还有协助扩散的方式，补充适当的资料使学生认识到细胞要实现快速大量的吸水过程主要靠水通道蛋白的协助扩散方式；钾离子通道和钠离子通道参与的跨膜运输也是协助扩散；强调无机盐离子跨膜运输也可能不是主动运输；结合课本红细胞吸收葡萄糖的方式为协助扩散，小肠绒毛细胞吸收葡萄糖的方式为主动运输，再结合下面例题4，让学生认识到小肠绒毛上皮细胞也可以通过协助扩散的方式吸收葡萄糖。

例题4.（2015年汕头二模）小肠绒毛上皮细胞膜上存在着两种运输葡萄糖的载体SGLT1（主动运输的载体）和GLUT2（协助扩散的载体）。研究人员根据不同葡萄糖浓度下的运输速率绘制如图7所示曲线，下列说法中不正确的是（ ）

图7

A. 葡萄糖浓度极低时只通过主动运输吸收

B. 该实验可以探究不同浓度葡萄糖条件下的主要吸收方式

C. 小肠绒毛细胞对葡萄糖的两种运输方式可同时进行

D. 在较高浓度下，细胞主要依赖主动运输来增大吸收速率

参考答案：D

21世纪课堂评价中，批判性思维是学生的重要技能之一。高考命题现在也越来越注重批判性思维的渗透。下面是对2016年全国卷I第29题的考点和渗透核心素养的简析，其中（1）（2）是在ATP的基础上结合题干信息延伸出的批判性思维内容。

例题5.（2016年全国卷I，第29题）有关DNA分子的研究中，常用32P来标记DNA分子。用α、β和γ表示ATP或dATP（d表示脱氧）上三个磷酸基团所处的位置（A-Pα～Pβ～Pγ或dA-Pα～Pβ～Pγ）。回答下列问题：

（1）某种酶可以催化ATP的一个磷酸基团转移到DNA末端上，同时产生ADP。若要用该酶把32P标记到DNA末端上，那么带有32P的磷酸基团应在ATP的________（填“α”“β”或“γ”）位上。

（2）若用带有32P标记的dATP作为DNA生物合成的原料，将32P标记到新合成的DNA分子上，则带有32P的磷酸基团应在dATP的_______（填“α”“β”或“γ”）位上。

（3）将一个带有某种噬菌体DNA分子的两条链用32P进行标记，并使其感染大肠杆菌，在不含有32P的培养基中培养一段时间。若得到的所有噬菌体双链DNA分子都装配成噬菌体（n个）并释放，则其中含有32P的噬菌体所占比例为2/n，原因是________________。

题号 题干必修1—A T P的结构，放射性同位素______标记法____________（1） A T P的水解________（2） d A T P的水解与D N A______复制（必修2）_____2 9（3） D N A的半保留复制（必修2）本题考点覆盖必修1——A T P、必修2——T 2噬菌体侵染细菌的实验、D N A半保留复制等内容。难度中等。在能力要求方面，（1）（2）侧重于理性思维中批判性思维的考查；（3）侧重于核心素养中的科学探究及理性思维中的___________________演绎推理_______________

参考答案：（1）γ

（2）α

（3）一个含有32P标记的双链DNA分子经半保留复制后，标记的两条单链只能分配到两个噬菌体的双链DNA分子，因此在得到的n个噬菌体中只有两个带有标记

教育部颁布的《关于全面深化课程改革，落实立德树人根本任务的意见》明确指出：不仅课程标准需要基于核心素养来设计和实施，学生的学业评价标准和高考考试标准同样需要围绕着核心素养来进行设计。基于核心素养进行高考命题，是未来高考命题和各类考试命题的指导方向和原则。作为核心素养重要组成部分的理想思维，必须在教学活动中予以充分的重视和落实，才能培养出符合21世纪时代要求的合格人才。

广东省汕头市澄海苏北中学；广东省江门市中小学教研室）