運用逆向思維培養(yǎng)科學思維素養(yǎng)的教學探析

余中賓 申定健

摘要概述逆向思維的三層含義，探討逆向思維在教學實踐中打破學生思維定勢等習慣性思維束縛、理解記憶、構建知識網(wǎng)絡以及解題中的應用，為學生生物學科學思維素養(yǎng)的培養(yǎng)提供參考。

關鍵詞 逆向思維 高中生物 科學思維

中圖分類號G633.91 文獻標志碼B

高中生物學具有其獨特的知識體系，且知識點多。學生如果缺乏生物學科學思維的訓練，在生物學習過程中就容易造成思維混亂。高中生物課程以發(fā)展學生的生物學學科核心素養(yǎng)為宗旨，關注學生核心素養(yǎng)的養(yǎng)成，而科學思維就是學生素養(yǎng)重要組成內(nèi)容。研究表明，逆向性思維是學生獲得創(chuàng)造性思維的重要組成部分和關鍵途徑，是有別于其他思維方向的一種非典型性思維。其要求學生在充分理解生物學知識的概念、原理和過程的同時，逐步培養(yǎng)并提高崇尚真知，尊重事實和證據(jù)，并自覺運用科學的思維方法解決實際問題的習慣和能力。

1逆向思維的表現(xiàn)類型及教材內(nèi)容體現(xiàn)

逆向思維可分為三種類型：①破除思維定勢，對事物的認知突破固有事實和證據(jù)的束縛，找到其新的內(nèi)涵和意義;②反向思考，從預期結果到前提條件，而不是按部就班地進行思索;③對立思維，從結論的對立面深思該結論得出的前提條件。例如，人教版高中生物教材中的逆向思維內(nèi)容總結為表1。

2應用逆向思維培養(yǎng)學生科學思維素養(yǎng)的實例

2.1打破思維定勢，深化歸納和概括

歸納和概括是科學思維中常用的思維方式，是通過對個別事實的觀察和調查擴展到一般，把其中的共同的、本質的特征抽取出來并結合在一起的思維過程。如果缺乏對結果的推導過程的深化學習，就容易形成思維定勢。雖然思維定勢能夠實現(xiàn)學生對知識的迅速再現(xiàn)，但它所造成的定勢卻阻礙了理解和創(chuàng)新思維的產(chǎn)生。新課程改革的最終目標并非對復雜繁多的科學史和生命現(xiàn)象的最大化存儲，而是對生物學核心大概念的深刻領悟。逆向思維可以指引學生從歸納和概括的一般知識到再重新認識個別事實，有效激活知識的內(nèi)涵和外延。

例如，真核生物有氧呼吸主要場所是線粒體，但問到好氧性細菌有氧呼吸的場所時，學生往往會答出線粒體。如果教師提醒學生從細菌細胞結構思考，學生會很快明白細菌往往只有核糖體，沒有線粒體，進而歸納出：有氧呼吸的進行是由細胞內(nèi)是否存在有氧呼吸相關的酶直接決定，而不由線粒體決定;同理，能否進行光合作用不由葉綠體決定，而是由光合色素（藍藻無葉綠體）決定。再如，不少學生按慣性思維認為：真核細胞進行有絲分裂，原核細胞進行無絲分裂。無絲分裂包括細胞核和細胞質的分裂，原核細胞無成型細胞核，而細菌的主要增殖方式為二分裂。細菌為什么不能進行有絲分裂？按照結構和功能相適應的觀念，有絲分裂中染色體的行為及數(shù)量變化對細胞核遺傳物質的平均分配起到重要作用，而原核細胞無染色體，不會出現(xiàn)有絲分裂和減數(shù)分裂。

2.2利用對立思維，強化演繹和推理

多種生命現(xiàn)象呈現(xiàn)的生物學原理是在特定的研究對象的基礎上總結而來。演繹推理是指以一定的生物學原理和規(guī)律為依據(jù)，從已知部分推理出未知部分的科學思維方法。教師可采用逆向思維來引導學生反思結論成立的因果關系，進而強化學生對原理的深刻理解。

例如，辨析無子西瓜和無子番茄的形成原理。對于自然生長發(fā)育中的植物果實，是其幼嫩的種子產(chǎn)生的生長素促進子房發(fā)育成果實，故無生長素的子房一般不能發(fā)育成果實。對于有子果實，果實的生長發(fā)育所需生長素是由其種子提供;在未授粉的前提下，如果在子房壁外涂抹外源性生長素或生長素類似物發(fā)育得到無子果實。無子西瓜和無子番茄都是無子果實，前者是三倍體西瓜減數(shù)分裂時，因聯(lián)會紊亂而不能產(chǎn)生正常的配子，后者因未授粉而形成無子，二者果實主要區(qū)別在于發(fā)育的生長素來源不同。在教學實踐中，教師可采用對立思維分析，引導學生總結得出：無子西瓜的生長素來自于二倍體花粉，二倍體花粉本身含有少量生長素，同時花粉中還含有催化色氨酸產(chǎn)生生長素的酶，刺激子房合成大量生長素;無子葡萄就是未經(jīng)傳粉（套袋處理），人為在雌蕊柱頭上涂上一定濃度的生長素或生長素類似物促進子房發(fā)育。

再如，對于觀察細胞或細胞結構實驗，多數(shù)學生會認為制作顯微臨時裝片前一定進行細胞染色，然而染色目的是將相應細胞結構的分辨出來。學生采用對立思維方式總結出：觀察無色的細胞或細胞結構往往需要染色，如果細胞或細胞結構自帶顏色，就無需染色，比如觀察番茄的有色體、紫色洋蔥的液泡和葉肉細胞的葉綠體等。此外，觀察質壁分離實驗所需的洋蔥鱗片葉是外表皮（紫色），也不需要染色。教師還可以采用對立思維向學生提問：如何用洋蔥內(nèi)表皮進行質壁分離的實驗觀察？學生自然會想到在細胞外液中加相應染料進行觀察。需要說明的是，有些組織由于含水量不同會出現(xiàn)不同的折光度，在觀察時無需染色，如芹菜莖的機械組織。

2.3利用反向思維，快速建構新的概念模型和知識體系

模型構建是將抽象的事實和過程借助一定的用具材料或者方法載體加以描述、概括總結的一種活動。廣義上，概念的建構過程就是建立模型的過程，概念的形成就是模型的形成過程。基因連鎖是基因在染色體上線性排列的直接體現(xiàn)。教學中構建基因連鎖概念，可利用基因的自由組合定律的概念進行反向思維，如圖1所示。兩對等位基因自由組合的前提是基因獨立遺傳，即兩對等位基因位于兩對同源染色體上。如果兩對基因控制的兩對性狀互不干擾，則雙雜合子的測交子代會出現(xiàn)四種表現(xiàn)型，且比例為1：1：1：1。反之，其子代表現(xiàn)型比例不是1：1：l：1，則說明這兩對基因不在兩對同源染色體上，那只可能在一對同源染色體上，即為基因連鎖。然后，教師再進一步引導學生歸納總結：雙雜合子測交，若子代表現(xiàn)型為1：1，則為完全連鎖;若子代表現(xiàn)型仍是四種，但比例不是1：1：1：1，則為不完全連鎖（因為同源染色體非姐妹染色單體交叉互換）。

生物知識點多且零散，可由點及面逐漸構建知識網(wǎng)絡。培養(yǎng)學生“逆向思維”，教師可從果到因，顛倒因果，再將果當因反思其果，引導學生時刻用批判性思維對待各種信息和問題，增強辨別與區(qū)分能力，使得知識網(wǎng)絡的構建有章可循。例如，高三復習教學中，有學生提出：既然細胞不能無限長大，那為什么人體卵細胞的直徑0.1 mm以上，甚至肉眼可見？針對該問題，教師可順勢讓學生們回顧細胞不能無限增大的原因（細胞相對表面積限制了細胞膜的物質轉運效率）。卵細胞（實際上MII中的次級卵母細胞）本身含有大量卵黃營養(yǎng)物質，沒有外界物質交換，從而突破了細胞相對表面積的限制。受精卵體積大、易操作，常常是動物基因工程、胚胎工程的受體細胞。教師進一步化果為因，受精作用得到的受精卵是游離的，快速卵裂，細胞增多，總體積不變，甚至略有減小。由于在輸卵管內(nèi)沒有與母體建立組織聯(lián)系，受精卵卵裂到了囊胚，胚胎開始體積增大，而出現(xiàn)中空的囊胚腔（胚胎發(fā)育早期）。又因其游離狀，胚胎工程沖卵操作，此為胚胎移植的生理學基礎。卵裂期進行有絲分裂，細胞增多，來自于同一受精卵的個體細胞遺傳物質是相同的，這是出于細胞全能性原理、細胞分化本質的思考。

2.4利用逆向思維提供思維角度。訓練批判性思維和創(chuàng)造性思維能力

批判性思維是具有目的性和反思性的判斷過程，是有根據(jù)的分析、推理和評估等思維形式;創(chuàng)造性思維需要獨特的方法解決生物學問題，可以突破常規(guī)思維，需要換個角度思考問題，尋求結果。逆向思維引導學生從問題的對立面思考問題，由果推因、實驗驗證，為批判性思維和創(chuàng)造性思維提供很好的思維訓練方式。

例如，某種單基因遺傳病系譜圖的遺傳方式判斷。圖2雙親表現(xiàn)正常，子代女性的表現(xiàn)即可判斷是否是伴x染色體隱性遺傳。從子代逆推，子代女性的一條x染色體來自男性，男性的Y染色體是傳給兒子的。一般而言，伴x染色體隱性遺傳病的女性患者的父親一定是患者;父親正常，女兒必不患，故系譜圖A才滿足伴性遺傳。

同樣，一些生物試題的設計往往為了考查學生逆推能力，如2017年全國卷I第6題：果蠅的紅眼基因（R）對白眼基因（r）為顯性，位于x染色體上;長翅基因（B）對殘翅基因（b）為顯性，位于常染色體上?，F(xiàn)有一只紅眼長翅果蠅與一只白眼長翅果蠅交配，F(xiàn)1雄蠅中有1/8為白眼殘翅，下列敘述錯誤的是（）

A.親本雌蠅的基因型是BbX^RX^r

B.F1中出現(xiàn)長翅雄蠅的概率為3/16

C.雌、雄親本產(chǎn)生含）（r配子的比例相同

D.白眼殘翅雌蠅可形成基因型為bXr的極體

參考答案：B。

解析：本題給出F1雄蠅中有1/8為白眼殘翅，逆推親本的遺傳情況。利用乘法原理：1/8=1/4x1/2，得出親本的基因型是BbX^RX^r和BbX^RY，A選項正確;再正推，F(xiàn)1中出現(xiàn)長翅雄蠅的概率是3/4（長翅）×1/2（雄性）=3/8，B選項錯誤;雌、雄親本產(chǎn)生的）（r配子的比例都是1/2，C選項正確;白眼殘翅雌蠅的基因型是bbXW，可產(chǎn)生bX^r的極體。

綜上所述，逆向思維打破了學生習慣性的思維方式，是正向推理思維的翻轉。在特定的教學情境中，如果從生物學結論反推其過程和原因，逆向思考，或許會更好地解決生物學的概念、原理和過程中出現(xiàn)的問題。在科學思維核心素養(yǎng)落地實施培養(yǎng)的教學實踐中，寄希此文拋磚引玉，期待生物學科學思維素養(yǎng)培養(yǎng)方式的百花齊放。