廣東 劉建峰 余景耀

關于生物教學中理性思維的培養(yǎng)

廣東 劉建峰 余景耀

理性思維是建立在證據(jù)和邏輯推理基礎上的思維，它是有明確的思維方向，有充分的思維依據(jù)，能對事物或問題進行觀察、比較、分析、綜合、抽象與概括的一種思維。理性思維的類型有：比較與分類、分析與綜合、歸納與演繹、抽象與概括、模型與建模、批判性思維等。

1.比較與分類

比較是人們根據(jù)一定的認識和實踐目的，把某一事物與其他事物的屬性和特征加以比較，以確定事物之間的共同點和差異點的思維方法；分類是根據(jù)對象的共同點和差異性，把對象分為不同種類的邏輯思維方法。比較是分類的基礎，只有比較對象的共同點和差異性，才能進行科學的分類。分類分為“分”和“類”，“分”的依據(jù)是對象的不同點，“類”的依據(jù)是對象的相同點，分類體現(xiàn)了客觀事物的共性與個性的差異。在教學中，針對重要知識內(nèi)容中的兩個或多個元素進行比較和分類，有利于學生更好地認識其本質(zhì)特點。以免疫細胞的比較與分類為例：

分類依據(jù)1：比較不同免疫細胞對抗原的識別能力

分類結(jié)果：

①無識別能力：漿細胞（效應B細胞）；

②有識別能力但無特異性：吞噬細胞；

③有特異性識別能力：T細胞，B細胞，記憶T細胞，效應T細胞，記憶B細胞。

分類依據(jù)2：比較免疫細胞的產(chǎn)生是否需要抗原的刺激

分類結(jié)果：

①需要抗原的刺激：記憶細胞，效應細胞；

②不需要抗原的刺激：吞噬細胞，T細胞，B細胞。

2.分析與綜合

分析是把研究對象的整體分解為部分或局部，對部分或局部分別進行研究的思維方法；綜合與分析相反，是從整體上去認識和把握研究對象的思維方法。分析是綜合的基礎，綜合是分析的發(fā)展，分析之后要進行綜合，綜合之后要進行分析，二者相互依存、相互滲透甚至相互轉(zhuǎn)化。自然科學中的任何活動都離不開分析，無論是觀察與實驗、比較與分類，還是歸納與演繹都離不開分析，分析是最基本的科學方法。在分析的基礎上進一步綜合，是思維的延續(xù)和發(fā)展。概念的形成就是分析與綜合的結(jié)果。以綠色植物光合作用的分析與綜合為例：

分析角度1：物質(zhì)變化

光反應階段：水的光解（生成還原氫和氧氣），ATP的合成；

暗反應階段：CO2的固定，三碳化合物的還原。

分析角度2：能量變化

光反應階段：光能轉(zhuǎn)化為活躍的化學能；

暗反應階段：活躍的化學能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化學能。

綜合1：光能轉(zhuǎn)化為ATP和NADPH中活躍的化學能；活躍的化學能轉(zhuǎn)化為碳水化合物中穩(wěn)定的化學能。

分析角度3：反應條件

光反應階段：光照，光合色素，光反應有關的酶系統(tǒng)；

暗反應階段：暗反應有關的酶系統(tǒng)。

分析角度4：反應場所

光反應階段：類囊體薄膜；

暗反應階段：葉綠體基質(zhì)。

綜合2：吸收光能，在葉綠體中完成光合作用。

綜合：（綜合1+綜合2）光合作用是指綠色植物通過葉綠體，利用光能，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成儲存著能量的有機物，并且釋放出氧的過程。

3.歸納與演繹

歸納就是在個別中發(fā)現(xiàn)一般的推理形式和思維方式；演繹就是在一般中發(fā)現(xiàn)個別的推理形式和思維方式。歸納與演繹的實質(zhì)表明，它們是兩個對立的方面，是兩個方向相反的認識方法，它們既是對立的又是統(tǒng)一的。人們對事物的認識往往從個別開始，然后擴展到一般，再從一般進一步認識個別。一些概念的形成就是歸納的結(jié)果，對這些概念進行檢驗和運用體現(xiàn)了演繹的思維方法。

3.1 歸納（以鈣離子的知識歸納為例）

例題1：圖1中左圖是神經(jīng)－肌肉接頭，其結(jié)構和功能與突觸類似。當興奮傳導至突觸小體時，突觸間隙中的Ca2+通過突觸前膜上的Ca2+通道內(nèi)流，導致突觸小泡與突觸前膜融合，釋放神經(jīng)遞質(zhì)（如圖）。請回答下列問題：

圖1

（1）傳出神經(jīng)末梢及其支配的肌肉在反射弧中稱為___________。

（2）神經(jīng)遞質(zhì)的釋放依賴于細胞膜具有________特點，神經(jīng)遞質(zhì)盡管是小分子物質(zhì)，但仍通過圖示方式釋放到突觸間隙，其意義在于________。

（3）乙酰膽堿屬于一種興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，當乙酰膽堿與肌細胞膜上相應受體結(jié)合后引起肌細胞收縮。α－銀環(huán)蛇毒能與乙酰膽堿受體結(jié)合，α－銀環(huán)蛇毒中毒時，肌肉表現(xiàn)是_______。

（4）結(jié)合圖中信息解釋人體血鈣低時，肌肉抽搐的原因_______。

（5）“肉毒毒素美容”已經(jīng)成為時下普遍接受的面部除皺方式。肉毒毒素是肉毒桿菌分泌的一種神經(jīng)毒素，能特異地與突觸前膜上Ca2+通道結(jié)合。結(jié)合圖解分析，“肉毒毒素美容”的原理：_______ _______。

參考答案：（1）效應器

（2）一定流動性 短時間內(nèi)使神經(jīng)遞質(zhì)大量釋放，從而有效實現(xiàn)神經(jīng)興奮地快速傳遞

（3）松弛（或不能收縮或舒張）

（4）血鈣降低導致突觸間隙（細胞外液）中鈣濃度低，Ca2+內(nèi)流減少，影響神經(jīng)遞質(zhì)的釋放

（5）肉毒毒素阻止Ca2+內(nèi)流，影響突觸前膜釋放乙酰膽堿，導致面部肌肉松弛

借助于通道蛋白的離子跨膜流動的相關知識，在神經(jīng)調(diào)節(jié)的教學內(nèi)容中側(cè)重于解釋K+外流、Na+內(nèi)流對靜息電位維持和恢復、動作電位產(chǎn)生和消退的影響，而該題中的Ca2+內(nèi)流問題并未涉及。但是，教材中與Ca2+有關的知識點較多，結(jié)合該題進行及時歸納很有必要。

歸納①必修1.鈣離子的吸收與維生素D有關，維生素D屬于固醇類物質(zhì)。

命題參考：鈣離子的吸收與固醇類物質(zhì)有關。

考點：組成細胞的元素和化合物。

歸納②必修1.研磨提取光合色素時添加碳酸鈣可以保護葉綠素。

命題參考：研磨提取光合色素時添加氯化鈣溶液可以保護葉綠素。

考點：綠葉中光合色素的提取和分離。

歸納③必修1.有絲分裂的后期，必修2.減數(shù)分裂第二次分裂的后期，著絲點的分裂與鈣離子有關。

命題參考：有絲分裂或減數(shù)分裂的第二次分裂后期，染色體著絲點的分裂與絲狀物的牽拉有關。

考點：有絲分裂的過程特點。

歸納④必修1.血液中鈣離子濃度偏低時，會引起肌肉抽搐；必修3.鈣離子通過突觸前膜的內(nèi)流可以促進神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。

歸納⑤選修3.鈣離子處理可以增大細菌的通透性，制備出感受態(tài)細胞，便于目的基因的導入。

命題參考：使用氯化鈣溶液處理受體細菌可提高其轉(zhuǎn)化率。

考點：基因工程。

歸納后設計練習：

練習：下列關于鈣離子的相關描述，錯誤的是 （ ）

A. 鈣離子的吸收與固醇類物質(zhì)有關

B. 鈣離子通過突觸前膜的內(nèi)流可以促進神經(jīng)遞質(zhì)的釋放

C. 血液中鈣離子濃度偏低時，會引起肌無力

D. 提取光合色素研磨時添加碳酸鈣可以保護葉綠素

參考答案：C

3.2 演繹（以生命觀念中結(jié)構功能觀的演繹為例）

生物學核心素養(yǎng)的生命觀念中，從分子結(jié)構、細胞器結(jié)構、細胞結(jié)構，到種群結(jié)構、群落結(jié)構、生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構，結(jié)構決定功能的觀念在教學中的滲透無處不在。由一般性結(jié)論有何結(jié)構特點，就決定了有何特定的功能，可以演繹出蛋白質(zhì)的功能為什么具有多樣性、膽固醇為什么能夠以自由擴散的方式跨越細胞膜運輸?shù)纫幌盗械膯栴}來。

下表舉例說明結(jié)構與功能觀的知識分布和在高考試題中（2016年全國卷I）的出現(xiàn)情況。

_生_命觀念______________________________________知識舉例__________________必修1—有機大分子的結(jié)構與功能；必修1—細胞的結(jié)構與功能；必修2—遺傳物質(zhì)的結(jié)構與功能；必修3—突觸與興奮的傳遞、反射弧與反射活動；必修3—種群的年齡結(jié)構、群落的空間結(jié)構與功能_____等；必修3—生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構與功能_____________題號 題干_____選項 ____________________________________________考點 能力與核心素養(yǎng)的考查結(jié)構與功能觀題干 必修1細胞物質(zhì)組成，_____結(jié)構和功能_____________A__細胞器的結(jié)構___________B__細胞核內(nèi)核酸的分布_____C__線粒體的功能__________D 葉綠體的功能________1本題主要涉及4種細胞器以及細胞核的考查，難度較低，屬容易題?？疾閷ο缶鶠楹诵闹R內(nèi)容，側(cè)重考查核心素養(yǎng)中生命觀念的結(jié)構與功能觀和理性思維的歸納與概括______題干 必修1物質(zhì)跨膜運輸?shù)腳____方式________________本題側(cè)重于主動運輸?shù)目疾?，忽略自由擴散的考查，要求能夠明確主動運輸和協(xié)助擴散的異同點。難度中等。核心素養(yǎng)側(cè)重于生命觀念的結(jié)構與功能觀和理性思維中的歸納與概括___A__協(xié)助擴散的特點______B 主動運輸是逆濃度梯度_____運輸________________C 主動運輸需要細胞代謝_____產(chǎn)生的能量__________D 主動運輸需要載體蛋白_____的參與_____________________________________2

4.抽象與概括

抽象是指抽取客觀事物的一般的、本質(zhì)屬性的思維方法；概括是指把抽象出來的個別事物的本質(zhì)屬性連接起來，推及到其他同類事物上去，從而歸結(jié)全類事物的共性的思維方法。抽象與概括是形成概念的重要思維方法。大多數(shù)生物學概念的形成都是抽象與概括的結(jié)果。抽象與概括是生物分類中常用的思維方法。

以細胞分化概念的形成為例：

可觀察到的生物學事實：構成人體的細胞多種多樣，如紅細胞、神經(jīng)細胞、骨骼肌細胞等。

抽象①它們的形態(tài)存在明顯的差別；抽象②它們的結(jié)構存在明顯的差別；抽象③它們的功能存在明顯的差別；抽象④它們的形態(tài)、結(jié)構和功能都是相對穩(wěn)定的。

抽象后的概括：細胞分化是指在個體發(fā)育中，由一個或一種細胞增殖產(chǎn)生的后代，在形態(tài)、結(jié)構和生理功能上發(fā)生穩(wěn)定性差異的過程。

5.模型與建模

5.1 模型的概念和種類

人教版必修1對模型的定義是：“模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對認識對象所做的一種簡化的描述，這種描述可以是定性的，也可以是定量的；有的借助于具體的實物或其他形象化的手段，有的則通過抽象的形式來表達”。其中物理模型是指以實物或圖畫形式直觀地表達認識對象特征的模型，如人工制作或繪制的DNA分子雙螺旋結(jié)構模型、真核細胞三維結(jié)構模型等；概念模型是指以文字表述來抽象概括出事物本質(zhì)特征的模型，如對真核細胞結(jié)構共同特征的文字描述、光合作用過程中物質(zhì)和能量的變化的解釋、達爾文的自然選擇學說的解釋模型等；數(shù)學模型是指用來描述一個系統(tǒng)或它的性質(zhì)的數(shù)學形式，如“J”型種群增長的數(shù)學模型Nt=N0λt。應該指出，物理模型既包括靜態(tài)的結(jié)構模型，如真核細胞的三維結(jié)構模型、細胞膜的流動鑲嵌模型等；又包括動態(tài)的過程模型，如教材中學生動手構建的減數(shù)分裂中染色體變化的模型、血糖調(diào)節(jié)的模型等。

5.2 模型的建構和重建

在課本上可以看到許多模型建構的具體實例，如嘗試制作真核細胞的三維結(jié)構模型，利用廢舊物品制作生物膜模型，建立動態(tài)的血糖調(diào)節(jié)的模型，培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化模型等等。通過具體的模型建構體驗，可以加深對模型特點的認識，理解模型在反映事物或過程方面的簡化和直觀性。

在原有模型的基礎上，為了進一步加深或拓展對重點問題的認識，可以適當進行典型模型的進一步分析和重建，以提高學生對相關模型的認知能力。以種群數(shù)量變化曲線為例，課本上的數(shù)學模型是反映種群數(shù)量隨時間的變化特點（圖2）。在重建模型時可以考慮將種群數(shù)量改為種群數(shù)量增長率，就可以分析得出圖3所示的數(shù)學模型。

圖2

圖3

在實際解題過程中遇到數(shù)學曲線模型分析和重建的情況也非常多。

例題2.圖4中，如果橫坐標改變，則曲線的變化趨勢最大的是 （ ）

圖4

A. ①將橫坐標的“光照強度”改為“CO2濃度”

B. ②將橫坐標的“溫度”改為“O2濃度”

C. ③將橫坐標的“有絲分裂”改為“減數(shù)分裂第二次分裂”

D. ④將橫坐標的“血糖濃度”改為“內(nèi)環(huán)境溫度”

本題的命題意圖就是要通過數(shù)學模型的重新構建來考查學生對相關內(nèi)容的掌握情況。如果能夠按要求準確畫出下面的數(shù)學模型（圖5），是不難做出正確選擇的。

圖5

參考答案：B

5.3 模型間的轉(zhuǎn)換

采用不同的模型來簡化特定生物學問題，幫助學生深刻認識問題的變化規(guī)律和實質(zhì)，是非常有效的一種表達手段。利用模型間的轉(zhuǎn)換來考查學生對相關生物學問題的認識水平，也越來越頻繁地出現(xiàn)在試題中。

例題3：科學家提供放射性S標記的氨基酸培養(yǎng)哺乳動物的乳腺細胞，測量細胞合成并分泌乳腺蛋白過程中各種膜結(jié)構的面積變化，結(jié)果如圖6。下列選項表示a、b、c所代表的膜結(jié)構名稱以及放射性標記出現(xiàn)的先后順序，正確的是： （ ）

圖6

A. a核糖體→b內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→c高爾基體

B. a內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→b高爾基體→c細胞膜

C. a高爾基體→c內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→b細胞膜

D. a內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→c高爾基體→b細胞膜

參考答案：D

不難看出，模型的特點就是以簡化和直觀的形式來顯示復雜的事物或過程。數(shù)學模型和物理模型都是通過圖解的形式將事物的特點或變化規(guī)律勾畫出來，也都能夠定性和定量地準確描述。但是，數(shù)學模型在定量描述上更加直觀；而物理模型則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歸納，可以很好地幫助我們?nèi)胬斫庀嚓P問題的實質(zhì)。進行必要的模型構建、分析和重建，以及嘗試進行同一模型不同表達形式或不同模型間的轉(zhuǎn)換，無疑是提高學科素養(yǎng)的有效手段。

6.批判性思維

批判性思維是指具有目的性和反思性的判斷。它既包括闡釋、分析、推理、評估、解釋和自我調(diào)整等認知技能，也包括好奇、敏銳、求真等思維習性。批判性思維是探究的重要工具，求證、理性、開放、靈活、正確評價、審慎作出判斷、愿意重新考慮并作出調(diào)整，是批判性思維的特點，也是核心素養(yǎng)的重要特點。人教版教材中關于批判性思維的知識點非常多，如必修1：細胞的體積都趨向于小嗎？必修1：被動運輸不需要消耗能量嗎？必修2：基因突變一定導致新性狀出現(xiàn)嗎？必修2：生殖隔離的形成一定要先地理隔離嗎？必修3：植物向光性只和生長素分布不均有關嗎？必修3：實驗設計的評價等等。下面以“特定物質(zhì)的跨膜運輸方式是唯一的嗎？”這一問題探究為例說明教學中如何進行批判性思維的滲透：

先結(jié)合人教版教材必修1第74頁科學前沿“授予諾貝爾化學獎的通道蛋白研究”這一資料，使學生認識到水分子的跨膜運輸除了自由擴散還有協(xié)助擴散的方式，補充適當?shù)馁Y料使學生認識到細胞要實現(xiàn)快速大量的吸水過程主要靠水通道蛋白的協(xié)助擴散方式；鉀離子通道和鈉離子通道參與的跨膜運輸也是協(xié)助擴散；強調(diào)無機鹽離子跨膜運輸也可能不是主動運輸；結(jié)合課本紅細胞吸收葡萄糖的方式為協(xié)助擴散，小腸絨毛細胞吸收葡萄糖的方式為主動運輸，再結(jié)合下面例題4，讓學生認識到小腸絨毛上皮細胞也可以通過協(xié)助擴散的方式吸收葡萄糖。

例題4.（2015年汕頭二模）小腸絨毛上皮細胞膜上存在著兩種運輸葡萄糖的載體SGLT1（主動運輸?shù)妮d體）和GLUT2（協(xié)助擴散的載體）。研究人員根據(jù)不同葡萄糖濃度下的運輸速率繪制如圖7所示曲線，下列說法中不正確的是（ ）

圖7

A. 葡萄糖濃度極低時只通過主動運輸吸收

B. 該實驗可以探究不同濃度葡萄糖條件下的主要吸收方式

C. 小腸絨毛細胞對葡萄糖的兩種運輸方式可同時進行

D. 在較高濃度下，細胞主要依賴主動運輸來增大吸收速率

參考答案：D

21世紀課堂評價中，批判性思維是學生的重要技能之一。高考命題現(xiàn)在也越來越注重批判性思維的滲透。下面是對2016年全國卷I第29題的考點和滲透核心素養(yǎng)的簡析，其中（1）（2）是在ATP的基礎上結(jié)合題干信息延伸出的批判性思維內(nèi)容。

例題5.（2016年全國卷I，第29題）有關DNA分子的研究中，常用32P來標記DNA分子。用α、β和γ表示ATP或dATP（d表示脫氧）上三個磷酸基團所處的位置（A-Pα～Pβ～Pγ或dA-Pα～Pβ～Pγ）?；卮鹣铝袉栴}：

（1）某種酶可以催化ATP的一個磷酸基團轉(zhuǎn)移到DNA末端上，同時產(chǎn)生ADP。若要用該酶把32P標記到DNA末端上，那么帶有32P的磷酸基團應在ATP的________（填“α”“β”或“γ”）位上。

（2）若用帶有32P標記的dATP作為DNA生物合成的原料，將32P標記到新合成的DNA分子上，則帶有32P的磷酸基團應在dATP的_______（填“α”“β”或“γ”）位上。

（3）將一個帶有某種噬菌體DNA分子的兩條鏈用32P進行標記，并使其感染大腸桿菌，在不含有32P的培養(yǎng)基中培養(yǎng)一段時間。若得到的所有噬菌體雙鏈DNA分子都裝配成噬菌體（n個）并釋放，則其中含有32P的噬菌體所占比例為2/n，原因是________________。

題號 題干必修1—A T P的結(jié)構，放射性同位素______標記法____________（1） A T P的水解________（2） d A T P的水解與D N A______復制（必修2）_____2 9（3） D N A的半保留復制（必修2）本題考點覆蓋必修1——A T P、必修2——T 2噬菌體侵染細菌的實驗、D N A半保留復制等內(nèi)容。難度中等。在能力要求方面，（1）（2）側(cè)重于理性思維中批判性思維的考查；（3）側(cè)重于核心素養(yǎng)中的科學探究及理性思維中的___________________演繹推理_______________

參考答案：（1）γ

（2）α

（3）一個含有32P標記的雙鏈DNA分子經(jīng)半保留復制后，標記的兩條單鏈只能分配到兩個噬菌體的雙鏈DNA分子，因此在得到的n個噬菌體中只有兩個帶有標記

教育部頒布的《關于全面深化課程改革，落實立德樹人根本任務的意見》明確指出：不僅課程標準需要基于核心素養(yǎng)來設計和實施，學生的學業(yè)評價標準和高考考試標準同樣需要圍繞著核心素養(yǎng)來進行設計?；诤诵乃仞B(yǎng)進行高考命題，是未來高考命題和各類考試命題的指導方向和原則。作為核心素養(yǎng)重要組成部分的理想思維，必須在教學活動中予以充分的重視和落實，才能培養(yǎng)出符合21世紀時代要求的合格人才。

廣東省汕頭市澄海蘇北中學；廣東省江門市中小學教研室）