逻辑思维能力在生物实验教学中的应用探析

        思维能力培养是当今教学的核心，教师在实验课上从理解实验原理、分析实验试剂作用、解释实验现象等方面来引导学生，有助于学生逻辑思维能力的培养。逻辑思维是人的理性认识阶段，是运用概念、判断、推理等思维类型反映事物本质与规律的认识过程。在生物教学中培养学生思维能力的研究越来越受重视，有很多学者对此做了很多有益探讨，但很多研究侧重于理论问题的探讨，而对该领域的研究缺乏整体性、多维度的分析。鉴于此，本文首先利用文献计量学方法，对我国生物教学中逻辑思维能力培养的研究进行整体性和多维度的可视化分析，结合文献的文本内容综述了研究理论、方法、存在的问题和解决策略，并以假说—演绎法为例进行了 
　　探析。 
　　一、逻辑思维能力在生物实验教学中的现状分析 
　　为了客观地把握逻辑思维能力在生物教学研究的发展态势，我们通过中国知网（CNKI），以TI=（逻辑思维+思维能力）*生物*（实验+教学）为检索条件进行检索，检索了中国知网2000年以来的所有期刊论文，检索日期为2017年3月20日。共获得1250条检索结果。运用Citespace软件的可视化和Endnote工具的统计分析功能对这些论文的时间分布、机构和作者群体状况、研究热点做了如下分析： 
　　1.思维能力在生物教学中的应用论文发表趋势分析 
　　2000年以来，思维能力在生物教学中的应用论文发表趋势如图1所示。数据显示，思维能力在生物教学中的应用探讨总量不多，但相关成果的产出时间节点比较明显，2000～2006年每年论文成果维持在40篇左右，从2007年开始，思维能力在生物教学中的应用论文有了较大增长，2013年论文量达到133篇，但2014～2016年数据量又有所减少。但以逻辑思维能力为主题的论文数量一直很少，2011年以后也只有10篇以上的学术成果报道。 
　　2.思维能力在生物教学中应用论文发表机构和学者分析 
　　研究机构的分布是考察一个研究领域热度的重要指标。从检索论文所属机构来看，国内共有1388个机构涉猎了该领域，但大多数为发表1篇论文的机构，有1313家，发表2篇论文的机构36家，发表3篇以上论文的机构有2家，发表4篇论文的仅1家（见图2），节点越大表明发表该机构论文数越多。从图2可知，这些机构多为大学的相关学院或专科学校，中学发表此类论文的机构不多。 
　　3.思维能力在生物教学中的研究热点分析 
　　经统计，我国贫困地区图书馆研究的1250篇论文共有3654个关键词（平均每篇论文有2.92个关键词），具体而言，词频在70次以上的关键词见表2。运用Citespace软件进行可视化分析，结果如图3所示。可以发现，主要集中在以下几方面：（1）生物教师在生物知识传授和生物实验教学中对学生思维能力的培养；（2）高中生物和初中生物教学中学生学习兴趣的培养，实验教学中思维能力的培养等；（3）生物教学中创新能力、创造性思维的培养；（4）生物学教学或生物知识学习中发散思维能力的培养、思维过程的关注及教学效果的评估；（5）思维能力在生物化学实验教学和教学改革中的应用。 
　　二、逻辑思维能力在生物实验教学中应用的研究理论与方法 
　　前面通过量化分析方法对逻辑思维能力在生物实验教学中的应用进行了初步探讨，为了进一步把握相关研究，还应结合文献的重点研究内容进行分析。从内容来看，研究报道偏重理论，主要问题突出，提出的发展对策稍显笼统。下面将结合已有期刊文献，具体阐述其特点。 
　　早在20世纪90年代，就有学者运用逻辑思维的方法指导生物教学活动，认为运用逻辑思维指导生物教学是解决“教师会教，学生会学”的一个有效方法。近年来在生物教学的逻辑思维能力培养中提出的理论方法主要有角色扮演法，对比式和启发式，参与式教学法等。例如，付尊英等提出在生物教学中可以根据不同的教学内容，利用一般逻辑方法、辩证方法和系统方法培养学生的逻辑思维能力。也有人提出精心设计的教学情景，可以促进学生综合分析能力、归纳总结能力及推理判断能力等抽象的逻辑思维能力的形成和发展，提高学生的科学素质。以中学生物教学为研究对象，围绕中学生物教学中对学生创新思维的训练路径展开探讨，以期为生物教学实效性的提升提供有益参考。这些理论方法对于新课程下提高教学的有效性和促进学生进行有效的学习具有重要指导意义。 
　　在已有的文献报道中，逻辑思维能力培养方式在具体教学案例中的应用报道相对较少，仅见在光合作用教学设计、酶的特性的实验设计和生物析因实验设计等。逻辑思维能力的培养可以贯穿于整个生物实验教学中，针对不同的实验内容，采取不同的方法培养学生的逻辑思维能力。本文列举一例来阐述生物实验中逻辑思维能力的典型代表方法，即假说—演绎法在生物实验教学中的应用。 
　　三、基于假说—演绎法的逻辑思维能力在生物实验教学中的应用案例解析 
　　假说—演绎法又称为假说演绎推理，是指在观察和分析基础上提出问题以后，通过推理和想象提出解释问题的假说，根据假说进行演绎推理，再通过实验检验演绎推理的结论。如果实验结果与预期结论相符，就证明假说是正确的，反之，则说明假说是错 
　　误的。 
　　典型教学案例： 
　　1.证明基因在染色体上的教学过程 
　　（1）背景引入 
　　美国遗传学家萨顿通过研究蝗虫的精子和卵细胞的形成过程，提出了著名的萨顿假说，推理基因在染色体上，但是由于没有实验依據，该假说并不具备逻辑的必然性。美国生物学家摩尔根利用果蝇为实验材料，通过研究果蝇的眼色遗传，证明了基因在染色体上。

       （2）教学过程 
　　①观察实验现象，提出问题。 
　　P 红眼（雌） × 白眼（雄） 
　　↓ 
　　F1 红眼（雌、雄） 
　　↓F1雌雄交配 
　　F2 红眼（雌、雄） 白眼（雄） 
　　3/4 1/4 
　　由实验可判断红眼为显性性状（B），白眼为隐性性状（b）。F2中红眼和白眼果蝇之间的数量比是3∶1，符合分离定律，但为什么F2中白眼果蝇只有雄性？ 
　　②做出假设。 
　　首先我们可以引导学生，先假设基因在常染色上。 
　　P BB（红、雌） × bb（白、雄） 
　　↓ 
　　F1 Bb（红、雌、雄） 
　　↓ 
　　F2 1BB 2Bb 1bb（无论雌雄，都是红眼∶白眼=3∶1） 
　　很明显就能看出，这种假设是错误的，基因在常染色体上不成立。 
　　摩尔根假设，控制白眼的基因在X染色体上，而Y染色体不含它的等位基因，则可合理解释上述果蝇实验。 
　　P XBXB（红、雌） × XbY（白、雄） 
　　↓ 
　　F1 XBXb（红、雌） XBY（红、雄） 
　　↓ 
　　F2 XBXB（红、雌）XBXb（红、雌）XBY（红、雄）XbY（白、雄） 
　　③演绎推理及实验验证，设计测交实验，依据假设可以让学生预测测交实验的结果。 
　　F1 XBXb（红、雌） XbY（白、雄） 
　　↓ 
　　子代： XBXB（红、雌） XbXb（白、雌） XBY（红、雄） XbY（白、雄） 
　　测交实验的结果和预测的一致，验证了摩尔根的假设是正确的。 
　　④归纳得出结论，控制果蝇红白眼的基因就在X染色体上。 
　　（3）反思 
　　科学实验每一个结论的推理过程，都必须有严密的逻辑思维能力。 
　　2.典型习题案例教学 
　　（1）例题：牛的种群中，有角和无角是一对相对性状，由常染色体上的一对等位基因控制。在一个随即交配的自然种群中，可任选材料，来确定有角与无角这对相对性状的显隐性，简要说明推断过程。 
　　（2）解答过程 
　　解答这类习题完全可以用假说演绎法，一般对应的逻辑思维模式是先假设，再逆推。 
　　我们可以让班内学生分两组，第一组假设有角（A）为显性，无角（a）为隐性，则从牛群中选择多对有角牛与有角牛杂交，因为存在的杂交类型有三种，AA×AA、AA×Aa、Aa×Aa。后代一定会出现无角牛；若选择多对无角牛杂交，杂交类型只有aa×aa，后代只能是无角。 
　　第二组假设无角（A）为显性，有角（a）为隐性，也可以得到类似的推理结果。 
　　（3）归纳答案 
　　答案一：让种群中的多对有角牛相互交配，如果后代出现无角，则有角是显性，无角是隐性；如果后代全是有角，则有角是隐性，无角是显性。 
　　答案二：让种群中的多对无角牛相互交配，如果后代出现有角，则无角是显性，有角是隐性；如果后代全是无角，则无角是隐性，有角是显性。 
　　在已有逻辑思维能力在生物教学中的应用文献报道中，主要议题集中在理论研究方面。将具体实验教学跟逻辑思维培养相结合的教学案例较少，在今后的生物实验教学中可以按照不同实验，运用不同方法进行逻辑思维能力的培养，以提高学生对于生物学知识的整体理解与认识。 
　　参考文献： 
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　　注：本文系珠海市教育科研“十二五”规划第五批（2015年度）课题“构建逻辑思维在生物教学中的应用”（课题编号：2015KTG27）的研究成果之一。 
　　编辑 孙玲娟