摘 要：在科学发展的进程中，“叛逆”一些，往往会收获意料之外的惊喜。这种“叛逆”实质上是具有质疑的精神、批判性的思维，这两种高阶思维，正是生物学科核心素养中科学思维形成的必备品质和关键点。本文通过教材实例，说明“大胆假设，小心求证”的重要性。希冀培养学生形成科研思维范式：权威可以反驳，但必须“拿证据来”。
　　关键词：科学思维；质疑；批判性思维；高阶思维
　　科学思维是伴随学生终身的重要思维方式，培养学生的科学思维，是生物学科亟待解决的重要课题。研究发现，如果鼓励学生多一点“叛逆”、不屈服传统观点，始终秉持质疑精神、逻辑精神、实证精神，有助学生科学思维的形成和发展。人教版高中生物学教材（2019版）中许多实验，其背后的故事，都揭示了科学真理是在充满艰辛、波折的过程中发展。
　　1 、“叛逆”在教材中的应用实例
　　1.1  基因在染色体上的证据
　　本世纪初，W.Sutton（萨顿）基于蝗虫减数分裂中染色体的形态和大小的研究，将细胞学和遗传学的资料结合起来，说明了染色体在遗传中的作用。1903年，Boveri发表的论文也提出了类似论点，他们根据基因和染色体一一对应的关系，运用了“类比推理”法，建立了把基因和染色体传递联系起来的假说——“基因在染色体上”，称为Sutton-Boveri假说，但是类比推理得出的结论并不具有逻辑的必然性，还需要观察和实验的检验，但他们并没有设计出有效实验证实自己的观点。
　　染色体遗传理论的奠基人——摩尔根，一直对孟德尔提出的遗传定律持怀疑态度。但他没有批评、挖苦所质疑的学说，而是认真钻研，选择合适的实验材料——果蝇，希望通过实验为自己的反驳提供真实有效的证据。摩尔根敏感地捕捉到实验室中大群野生型红眼果蝇中出现白眼雄果蝇的特殊性，进而寻找证据、推理分析、提出假说，设计系列实验，最终摩尔根和他的学生，将决定红眼和白眼的基因定位在X染色体上。这一实验结果，肯定了Sutton-Boveri假说，同时摩尔根由原来质疑孟德尔，变成了孟德尔遗传规律的坚定拥护者，并且他继续设计实验，发现了遗传学第三遗传定律“连锁互换定律”。
　　可以看到，摩尔根成功的关键在于他对“分离定律”和“自由组合定律”的怀疑，即 “质疑精神”。以 “实证精神”作为支撑，摩尔根和他的学生经过数次实验努力，不但发现了遗传学第三遗传定律，而且测定基因位于染色体上相对位置，绘出第一个果蝇各种基因在染色体上的相对位置图，证明基因在染色体上呈线性排列。
　　1.2  生物电的发现
　　神经调节的关键是电信号在神经纤维上的传导和转化，而生物电发现的过程也颇为曲折。
　　1786年一天，意大利生理学家伽尔瓦尼发现，挂在铜钩上的蛙腿被风吹动，碰到旁边的铁栅栏，可观察到蛙腿肌肉明显地收缩。伽尔瓦尼多次试验，都得到相同现象。于是他认为蛙细胞内产生了电流，并且这种电流沿着神经纤维流动，最终引起蛙腿收缩，他宣称：动物组织可产生生物电 。
　　物理学家伏特重复了伽尔瓦尼的实验，实验如下：将青蛙放到铜盘里，用解
　　剖刀去接触，蛙腿抽搐；将青蛙放到木盘里，蛙腿不动。作为物理学家的伏特，认为两种不同金属间可产生电位差。所以，他认为，蛙腿收缩是因为蛙腿接触了铜钩、铁栅栏。于是，他得出结论：并没有生物电存在，蛙腿收缩纯属物理现象。
　　被质疑的伽尔瓦尼决心接受挑战，在多次试验后，伽尔瓦尼意识到，要突破伏特的质疑和批判，只有抓住其质疑的关键点——蛙腿同时接触了两种不同金属。于是，经过试验改进，他用蛙坐骨神经-腓肠肌标本进行“无金属接触实验”（如图1）。实验中，只要刺激蛙的坐骨神经，就可导致腓肠肌收缩。这一过程，没有涉及任何金属，实验完美地证明生物电确实存在。

图1  无金属接触实验

　　可以看到，伽尔瓦尼没有在质疑的声音中退缩，而是越挫越勇，找出被质疑的关键点，实现突破性进展。正是由于伽尔瓦尼的杰出贡献，他的对手伏特对其肃然起敬，伏特发明“伏打电堆”，也被命名为“伽尔瓦尼电堆”。
　　1.3  DNA是遗传物质的证明
　　20世纪中叶，绝大多数科学家认为蛋白质是生物体的遗传物质。医生格里菲斯首先向传统观点发出挑战。他利用小鼠进行肺炎链球菌进行体内转化实验，得出结论：S型细菌中存在“转化因子”，可以使R型菌转化为S型菌。但是，格里菲斯并未设计实验揭示“转化因子”的本质。
　　艾弗里对“蛋白质是遗传物质”这一观点也存有质疑，他没有“臆想”，而是设计实验进行验证。其最关键的设计思路：据“减法原理”（如图2），即通过酶解法分别去除S型菌菌液不同成分，然后用处理过的菌液与R型菌混合培养，检测是否有S型菌出现。如果有S菌出现，则去除的不是“转化因子”；如果没有S型菌出现，则去除的是“转化因子”。

图2  艾弗里“减法原理”实验

　　艾弗里通过改进技术，将蛋白酶处理的菌液组，蛋白质的含量水平降到了万分之二以下，而这一组有S型菌出现，则证明去除的蛋白质不是“转化因子”。艾弗里在当年给其弟弟的信中，写到：“ DNA很可能是遗传物质”。
　　八年后，赫尔希和蔡斯设计了“T2噬菌体侵染大肠杆菌实验”，通过检测子代病毒所带的放射性，最终使人们确信DNA就是遗传物质。这一实验，实质上佐证了艾弗里的结论。
　　由上述三个实例可以看到，“质疑”、“批判性思维”、“实证”，在推动生物学向前发展中起到至关重要的作用。
　　2、在教学中践行，允许学生“叛逆”
　　课堂教学中，教师依然可以借鉴科学经典实验、或者科研工作者的研究思路、方法，锻炼学生的分析、批判等高阶思维。是直接给学生讲解实验？或者带领学生重复试验？还是应该给学生相应资料，让学生独立思考后交流、讨论，最后展示自己的成果并接受同学质疑，并在质疑与辩论中，反思提升？相信如果教师允许、甚至鼓励学生“叛逆”，挑战同学、教师、甚至权威专家，实现“在课堂中发展学生的科学思维”将不是一句空话。
　　人教版教材中“探究呼吸作用原理”、“光合作用原理”、“DNA的复制”、“ DNA的结构”等相应实验，教师都可以给定相关的实验背景资料，设计能够实现知识、素养进阶的问题串，让学生在“质疑”、“逻辑”、“实证”等碰撞的火花中，探寻问题的本质，实现素养的发展。
　　在探究细胞膜结构时，教师或学生查阅并简化如下实验：戈特和格伦德尔实验、丹尼利和戴维森的实验、冰冻蚀刻实验等，形成学习资料；学生寻找到支撑自己观点的材料，充分交流、讨论、质疑，形成结论。学生通过辩思、寻找证据，最终得出结论：细胞膜由双层磷脂分子构成，且蛋白质以镶、嵌等方式在双层磷脂中分布。
　　3、展望
　　质疑、批判性思维等高阶思维的发展，有利于学生建构知识体系，理解科学本质，最终形成科学思维，提升学科核心素养。其中归纳推理、基于“证据”的反驳亦对学生未来发展十分重要。教学中，教师也可借助图片、模型、视频等多种形式，更直观的呈现教学资料，并有意识地设计教学环节，让素养在“叛逆”中生长。
　　参考文献：
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　　注：本文系2021年安徽省教育科学规划立项课题《高中生物学单元教学设计促进学生高阶思维发展的实践研究》的研究成果.         项目编号：JK21095

• 【发布时间】2022/10/1 12:22:21
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