聚焦科学思维发展的生物学课堂教学

时晨?陈廷华

[摘要] 科学思维核心素养作为高中生物学学科核心素养的重要组成部分，对于学生科学实践能力、适应与改造未来社会能力的提升均具有不可或缺的作用。研究通过课例研究的方式，明晰并凝练出了以具身性参与浸润科学思维的萌芽，以全面性互动推进科学思维的纵深，以统整性主题聚合科学思维的发展等生物学课堂教学策略。以上策略相辅相成，旨在经由逐层进阶的方式聚焦学生的科学思维培养。

[关键词] 高中生物学;科学思维;具身实践;统整性主题

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《新课标》）提出了以生命观念、科学思维等在内的学科核心素养为课程目标，具体教学过程应高度关注学生学习过程中的实践经历，达成学生主动性投入学习的基本样态。[1]科学思维核心素养关乎着学生的科学求知态度、证据推理能力与循证创新思考，可见在高中生物学的课堂教学中理应聚焦学生科学思维的发展进行实践教学。诚然，科学思维核心素养的培育不可能一蹴而就，其往往需要通过沉浸式参与活动、互动式推理论证，进而在认知论水平或大概念水平的教学主题中不断提升，方能达成科学思维的改善与优化。正因如此，研究者旨在以课例研究的方式探究聚焦科学思维发展的生物学课堂教学基本策略。

一、以具身性参与浸润科学思维的萌芽

学生是科学思维学习的主体，教师则在课堂中扮演着学习活动的组织者与引导者的角色。有效教学需要教师设计有意义的学习活动，让学生在课堂中全身心主動投入学习，并在活动的体验探究与认知同化中不断建构知识。[2]然而，在实际教学中我们要注意到学生参与学习活动的不平衡性，即单纯的行为参与可以促进学生技能的发展，但并不能促进学生高层次思维能力的发展;认知参与是学生深度参与教学活动的前提条件与典型特征;只有以积极的情感体验和深层次的认知参与为核心的全面参与，才能促进学生获取各类高层次思维。简而言之，以体脑与情智等要素共同作用的学生具身性参与，方可启发他们包含科学思维在内的高阶思维提升。为此，教师在生物学课堂教学中要坚持采用启发式教学、互动式教学和探究式教学等方式，在留给学生学习空间的同时，引导他们主动思考、质疑探究，进而悄然浸润其科学思维的萌芽。

以人教版必修2《遗传与进化》中“基因在染色体上”教学为例，教学目标包含了通过对萨顿的假说和摩尔根的果蝇杂交实验分析，认同并尝试解释基因在染色体上的结论，进一步体会假说——演绎法等科学研究方法;运用基因与染色体关系的知识，阐明孟德尔遗传规律的实质。此外，还需要通过科学进程的学习研究，培养学生尊重事实、大胆质疑、小心求证的科学精神。本节教材内容并未安排具体的探究性实验活动，更多的是科学史的实验分析。这一过程会致使学生的行为参与不足，学习活动的参与缺乏了实践体验与具身探究的过程。因此，研究者作了如下改进：对基因位于染色体上的假说和实验证据、孟德尔遗传规律的现代解释等重难点知识，采用列表进行类比分析、实验设计等活动增强认知参与，借助画图及学具模型操作等体验性、探究性活动，增加了行为参与和情感参与，以此来给学生创设思考、表达与实践的空间，发展理性思维和科学情感。具体教学流程如图1所示。

二、以全面性互动拓展科学思维的纵深

具身性的参与为科学思维的萌芽提供了沃土，然而单纯的参与并非定能促进思维的改善。思维的改善应该是让学生在学习活动中，不断依据现象做出假设、提出问题，基于事实证据进行推理、论证，从而增进其自身对科学概念以及本质的理解。学生的学习活动是知识建构与探究的思维活动，是在合作、对话与交流的互动中生成对前概念的转变，是具有真实性与情境性的社会性学习活动。[3]诚然，拓展科学思维纵深的学习活动中互动过程是多方位的，包含了师生互动、同伴（生生）互动、人机互动等，尤以同伴互动为核心的学习和实践共同体进行知识分享、冲突解决，进而共同向纵深发展科学思维。在全面性的互动中，异质性主体的思维相互碰撞、冲突与解构，必然会有新的问题显露，新的认知矛盾产生，新的解决问题的方法出现，从而促进了知识体系与思维方式的生成建构。全面性的互动提供了冲突与争鸣的可能，徜徉其中有价值的教学资源会不断被发现与应用，才使得课堂教学的科学思维培养充满着生机活力。

以“减数分裂和受精作用”教学为例，该内容较为零散艰深，思维要求高，以教师讲授为特点的教学往往会让学生的学习停留在机械记忆的浅层水平。教学中应以学生的演示、观察和模拟操作活动为主，选择图片、动画、录像等辅助手段为学生提供必要的情境学习材料，规划好适于学生讨论的问题，在全面性的互动中解决问题。如笔者在教学中设置了以下问题：（1）减数分裂过程中染色体的数目及细胞核中DNA含量变化如何？（2）如何判别二倍体生物细胞有丝分裂、减数分裂各时期的图像？（3）如何根据细胞质分裂情况判断细胞名称？（4）请分析减数分裂过程中染色体行为变化与孟德尔遗传规律的关系。学生在讨论过程中随时都可能提出疑问或表达错误观点。教师在教学中就应当充分捕捉学生的质疑、提问与试错信息，引导学生相互讨论和交流，增加生生互动的频率。如笔者让学生自己尝试建构模拟减数分裂过程的图像时，会出现一些错误的模拟图像。这些错误恰恰是不可多得的教学资源，教师应利用好这些试错的表现，让学生现场相互纠错，对不同的观点进行深入讨论，让他们通过“寻找证据—进行推理—得出主张”的方式生成循证意识、训练论证技能[4]，从而拓展科学思维的纵深。

三、以统整性主题聚合科学思维的发展

科学思维能够支持学生获取新知、利用知识、建构并评价假设和观点，科学思维能力一旦获得就不会失去，学生对科学进行探索、假设、实验、得出结论的过程都需要使用科学思维。[5]库恩认为“科学思维是智力发展的最终目标。教育的核心在于发展学生的思维，尤其是科学思维”。[6]而在师生具身性参与的全面互动课堂中，把课堂还给学生不是让学生放任自流，而是要围绕学习目标开展有意义的学习活动，所谓“形散”而“神聚”，就是要聚焦探究问题或生物学本质认识，聚合学生科学思维发展，让其生成连续性、整合性的工程化思维。在实际的课程教学中可以通过强化STEM教育和PBL教学（项目研究学习：project based learning;基于问题解决学习：problem based learning），从根本上改变学生的学习方式，让其生成连续性、整合性的工程化思维。无论是STEM教育，还是PBL教学，都是在以统整性主题进行教学，让学生的学习过程经历某一主题的问题发现、分析和解决过程。

如“DNA是主要的遗传物质”的教学中，笔者根据噬菌体侵染细菌的实验，采用问题链的教学方式聚合教学主题。设置问题1：用32P或35S标记的T2噬菌体分别侵染未被标记的大肠杆菌，经过短时间保温后，用搅拌器搅拌、离心，得到了相应结果，让学生看图比较，回答离心的目的是什么。问题2：用32P或35S分别标记的二组感染实验，放射性主要分布在哪里？这一结果说明了什么？学生在推导中通常可以得出DNA是遗传物质，蛋白质不是遗传物质。此时，有学生提出异议，即实验结果不能说明DNA是遗传物质，只能说明32P标记的DNA主要在沉淀物中，也就是进入细菌中，35S标记的蛋白质主要在上清液中，也就是未进入细菌中。教师肯定学生的异议，顺水推舟引出问题3：怎样的同位素标记法才能说明某种物质是该生物的遗傳物质呢？引导学生进行实验设计，对新的问题进行思考，分析讨论解决问题的方法。问题4：细菌裂解释放的子代噬菌体中，可以检测到32P标记的DNA，但检测不到35S标记的蛋白质，可得出什么结论？学生得出结论：亲代噬菌体将32P标记的DNA传给了子代噬菌体，DNA是噬菌体的遗传物质。至此对生命现象的认识已基本明朗，但教师并未将学生的思维在此“刹车”，而是进一步提出问题5：该实验能否说明蛋白质不是遗传物质？既然DNA是噬菌体的遗传物质，为什么用32P标记的一组感染实验结果上清液中也有少量放射性？这样通过学习活动再次生成新的问题，学生经历推理与论证，促进了科学思维进一步提升与聚焦。

指向科学思维核心素养培育的生物学课堂教学，不应当局限于师生互动，也不应该将学习活动局限于教材内容中，而是以具体的事实性知识、概念性知识为依据，创设解决问题的学习情境，根据学生的即时反应提出难易适度、层层深入的问题，让学生在复杂的情境中开展科学探究，利用所学知识，运用归纳与概括、演绎与推理、批判与论证等方法，在分析与解决某一主题问题中，发展科学思维核心素养。

[本文系华东师范大学“国培计划”中小学名师领航首期基地班立项课题“构建科学探究实践平台，促进高中生物教学变革”（项目编号：2018GP01-M12）、江苏省教育科学“十三五”规划立项课题“基于Exposome探究范式开发有触感的生物课程”（项目编号：D/2018/02/179）研究成果]

[参考文献]

[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]黄惠涛，丁奕然.基于格斯丁翻转教学模式的生物学实验深度学习[J].天津师范大学学报（基础教育版），2021，22（04）：46-50.

[3]荣莹.基于前概念转变的生物科学史教学研究[J].中小学班主任，2020（02）：69-70.

[4]许桂芬，卞祖华.通过论证技能训练发展学生批判性思维[J].生物学教学，2021，46（08）：26-28.

[5]教育部基础教育课程教材专家工作委员会.普通高中生物学课程标准（2017年版解读）[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.