基于发展科学思维的教学策略浅析

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　　摘要以“植物的激素调节”为例，阐述通过科学史教学、定量实验、评价实验、分析社会议题和典型案例等策略，运用归纳与演绎、分析与综合、模型与建模、系统分析、批判性思维等方法发展学生的科学思维。
　　关键词 科学思维 教学策略 植物的激素调节
　　中图分类号G633.91 文献标志码B
　　科学思维是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物，解决实际问题的思维习惯和能力。科学思维方法包括但不限于以下内容：归纳与演绎、分析与综合、模型与建模、系统分析、批判性思维等方法。在学习过程中，观念和规律的形成都需要学生具备基于生物学事实和证据、运用科学思维方法进行探讨和阐释的能力。因此，发展科学思维是生物学教学的重要目标之一。下面以“植物的激素调节”一章的教学为例，尝试阐述发展科学思维的几种策略。
　　1科学思维方法在本章中的体现
　　笔者在“植物的激素调节”一章的教学中，沿着科学思维发展路径设计并实施教学，即利用科学史，让学生“定性”认识生长素，开发实验“定量”阐释生长素的生理作用，迁移归纳植物激素的调节作用，并基于此审视植物激素的应用问题。笔者经过教学实践与思考，总结归纳了科学思维方法在“植物的激素调节”一章中的体现（表1），其中分析与综合贯穿所有思维过程。
　　2发展科学思维的教学策略
　　2.1通过对科学史的学习，运用归纳与演绎、分析与综合的方法，形成生物学概念
　　科学史对学生理解科学的本质、科学研究的思路和方法，学习科学家献身科学的精神有重要意义。归纳与演绎、分析与综合都是重视实证的科学发现方法，是生物学概念、观念形成的重要途径。本章教材重视在科学史的重现过程中，训练学生的归纳与演绎、分析与综合技能。
　　历史上，达尔文对胚芽鞘向光弯曲生长的现象进行一系列实验探究，通过对实验现象进行对比分析，运用归纳的方法提出解释胚芽鞘向光生长的假说。为了让学生体验科学家真实的研究过程和科学思维过程，在教学实践中，笔者组织学生重现了“达尔文实验”，获得充分的证据资料：
　　①由学生自己利用小麦胚芽鞘“探究胚芽鞘向光生长的外因”，通过观察、对比分析实验现象得出结论。
　　②教师引导学生充分观察实验，发现“弯曲部位在尖端下部”，及时提出问题：“感光部位在哪里？”
　　③学生通过分析胚芽鞘的结构，提出两种推测：感光部位在尖端下部或者尖端。在分組讨论中，基于两种推测设计出探究方案，有学生提出对两个部位遮光处理，有学生提出进行切除处理。小组讨论并评价方案可行性。
　　④学生通过“探究感光部位”实验，观察胚芽鞘生长方向、综合分析一系列实验结果之间的关联，尝试对胚芽鞘向光生长进行合乎逻辑的解释。
　　其后的科学家在达尔文假说的基础上，运用演绎的方法展开了一系列实验研究证明达尔文假说，并最终运用分析与综合的方法完善了植物向光性生长的机理。在实际教学实践中，笔者从设问上层层引导学生对达尔文假说进行质疑、假设、排除、论证：
　　①设计詹森实验，探究达尔文实验说得出的“影响”是什么。学生提出，切断操作排除“影响”通过结构传递，推测“影响”可能通过物质传递。
　　②分析拜耳实验，探究“影响”怎么导致植物向光生长，得出导致弯曲的直接原因是“影响”分布不均。
　　③设计温特实验，进一步证明“影响”是化学物质，并命名生长素。
　　④了解郭葛等人的实验，确定生长素化学本质为吲哚乙酸。
　　教学中，教师组织学生以达尔文假说为框架，通过对经典实验的分析，将碎片化的实证资料进行归纳梳理，帮助学生体会证明和完善达尔文假说的过程。
　　“其他植物激素的发现”过程同样以科学史资料的形式呈现给学生，让学生理解科学实证的范式，体会归纳与演绎、分析与综合的科学思维方法在科学知识产生中的作用。
　　2.2通过定量研究实验，运用模型和建模的方法，阐释生物学规律
　　模型方法是学生学习科学知识的重要手段，学生掌握了模型方法能更透彻地理解科学知识。教师设计以体验建模过程为目的的定量实验，有利于学生掌握模型构建的方法，并运用数学思维方式对实验结果进行新的思考。
　　在“生长素的生理作用”教学中，教材在“问题探讨”中直接给出了数学模型，引导学生直接利用模型描述生长素的作用规律。这一过程虽能让学生认识生长素作用的两重性，但是不能深刻体会模型对于生物学习的意义及模型的构建过程。为此，笔者组织学生自己构建生长素生理作用的数学模型。在教学实践中，为了便于探究不同浓度的生长素对于不同器官、不同植物生长的作用规律，先组织课外小组学生进行预实验，确定了NAA实验浓度阈值，筛选出单子叶植物小麦和双子叶植物凤仙花的种子作为实验材料。在探究实验中，按照NAA浓度梯度从0-10-2mol/L进行了分组实验。全班学生分成14个组，每组使用一种浓度的NAA分别处理小麦和风仙花种子，定期进行全班观察、分组测量根芽长度并处理数据。通过观察和对比实验现象，提出合理假设：生长素既可以促进生长，又可以抑制生长。教师引导学生从“NAA浓度对根或芽生长的影响”“不同器官对NAA的敏感性差异”“单双子叶植物对NAA的敏感性差异”3个角度对全班大数据进行定量分析，构建数学模型;通过不同实验材料的反复实验及查阅分析科研资料，对模型进行检验修正，绘制模拟曲线并阐释生长素作用的普遍规律，解释课堂导入时根背光生长现象。并基于此模型，引导学生预测在重力作用下，横卧萌发的种子根芽的生长方向。在这个过程中，学生主动形成并阐释生长素作用表现两重性的概念。
　　2.3发掘典型案例，利用系统分析的方法，发展高阶思维
　　系统分析要求从整体出发，辩证地看待系统内互相联系的各个方面及系统与外界的物质、能量、信息交换，通过反馈进行自我调节，从而适应外界的变化，是训练学生的辨证思维、整体性思维和复杂性思维等高阶思维的重要方法。 　　本章教学最终要形成“植物生命活动既由多种激素相互作用共同调节，也受到环境的影响”这一概念。教师通过广泛查阅资料，收集到苹果树各器官在整个发育时期中各激素的含量数据，从而将宏观的苹果树生长发育现象与微观的激素变化相联系，最后以落叶现象为例，促进学生多层次认识植物生命活动调节。根据所学知识，学生能说出生长素、脱落酸、乙烯都与落叶现象有关。事实上，科学家已经研究出在落叶发生过程中，由温度或其他因素诱导特定基因表达，导致多种激素之间相互作用，致使离层产生。课堂上，教师将互相关联的科研证据利用板图联系起来。学生通过分析与综合，认识到植物的生命活动调节是在激素调节（内因）和环境影响（外因）的共同作用下实现的。这一过程重视训练学生在具备了一定的逻辑思维的基础上发展高阶思维。
　　2.4评价实验及社会热点，利用批判性思维方法，审视生物学问题
　　批判性思维是使用恰当的标准对事物的真实价值进行判断和思考，它广泛存在于教学实践中，包括但不仅限于识别论证的逻辑错误、能从所有利益相关主体角度考虑问题。
　　在科學史教学和实验教学中，笔者组织学生评价问题、实验设计和结论，是训练学生批判性思维方法的途径之一。例如，针对“胚芽鞘尖端下部弯曲生长是否是因为尖端下方本身感受到单侧光而导致”这一问题，教师引导学生展开讨论;组织学生设计温特实验时，学生能够逻辑清晰地说明自己的实验方案，洞察同伴的实验设计漏洞，通过对比评价不同的方案，归纳完善实验设计，发展识别论证的逻辑错误的能力;利用教材第49页的技能训练评价实验设计和结论，组织学生讨论实验设计的严密性、结果与结论之间的逻辑推理的严密性。教师在训练学生运用批判性思维方法的过程中，使学生体会科学的严谨性和逻辑性。
　　批判性思维还蕴含在关注社会议题，参与讨论并进行理性解释中。教师提出问题：植物激素及类似物的使用一直存在争议，用还是不用？会不会对人体造成伤害？会不会对植物和环境造成污染？学生不仅要利用所学知识从生物学的角度进行讨论，还要考虑对于他人或社会利益的影响，从而辨证的评价植物激素的应用。
　　综上所述，科学思维是基于事实和严密逻辑，阐释规律和原理的方法，是高质量的思维范式和习惯。仅就“植物的激素调节”一章的教学而言，就已经能够发掘出很多提升科学思维的着力点，其他章节也同样蕴含着大量有关科学思维的内容。在科学学科核心素养要求中，都很重视发展科学思维。因此，在生物学课程中创造性地发展学生的科学思维，不仅能提升学生的思维品质，还可用于改善对其他学科知识内容的认识和观点，并应用在日常生活的众多领域中，提高学习、生活的效率和质量。
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