“假说—演绎法”在高中生物教学中的应用——以“探究DNA复制的方式”为例

黄燕玲

广东省汕头市潮阳区金堡中学

摘 要 本文以“探究DNA复制的方式”为例，引导学生借助“假说—演绎法”的科学研究方法，逐步还原DNA复制方式的探究历程。让学生体验科学发现的过程，探寻科学本质，提升演绎与推理的科学思维能力。

关键词  DNA复制  假说—演绎法  科学思维

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称新课标）提出高中生物教学中既要让学生获得基础的生物学知识，又要让学生领悟生物学家在研究过程中所持有的观点以及解决问题的思路和方法。新课标中也明确提出了要培养学生的演绎与推理能力的要求［1］。在生物学等科学领域探索中，“假说—演绎法”常被广泛应用。

1  假说—演绎法的内涵

“假说一演绎法”是指在观察、实验和分析的基础上提出问题后，通过推理和想象提出解释问题的假说,并根据假说进行演绎推理，预测实验结果，再通过实验来检验。如果实验结果与预期推理的结论相符,就证明假说是正确的；反之，则说明假说是错误的。本文以人教版《生物•必修2•遗传与进化》第3章第3节“DNA的复制”中DNA复制方式的探究过程为例，开展演绎推理，逐步建构“DNA分子通过半保留方式进行”这一重要概念，并为发展学生归纳与演绎等科学思维搭建脚手架。

2  基于假说—演绎法的教学过程

2.1  创设情境，确定问题

学生观看“3·21” 东航ＭＵ5735航空器飞行事故搜救视频，并阅读相关资料：公安部物证鉴定中心搭建了遇难者身份识别DNA专项比对工作平台，采集132名机上人员生前DNA样本和亲属DNA样本。在进行比对时，需大量的DNA，专家组会利用PCR技术扩增DNA，PCR技术实质就是DNA复制。教师创设问题：DNA是怎样精确复制和传递遗传信息的呢？

设计意图：以热点情境引入课堂，激发学生的探究热情。同时让学生意识到自己所学的知识存在的实质性价值，引起学生主动利用所学知识解释生活和社会问题，助力社会责任的落实。

2.2  构建模型，引发猜想并提出假说

教师引导学生根据DNA分子两条链的连接特性，进行大胆的猜想和建构DNA复制的可能方式。各小组成员利用教师准备的扭扭带（红色色扭扭棒表示亲代DNA链，蓝色表示新合成的子代DNA链），进行构建模型并阐述DNA分子可能的复制方式。

教师借助多媒体平台展示学生建构的模型，接着提出沃森、克里克不仅仅止步于对DNA结构的探索，他们还对DNA的复制提出了设想：DNA是以半保留的方式进行复制（图1）。但当时也有人提出不同的观点，例如全保留复制（图2）。这时部分学生会看到自己设计的结果与科学家的推测不谋而合。

设计意图：本环节没有直接给出历史上科学家对DNA复制过程的猜想，而是给予学生自主提出假说的空间和时间，学生通过建构简单模型并呈现自己的推测和想法，这有利于其思维过程的显性化和语言化，同时培养了学生的想象能力和逻辑推理能力。同时也让学生明白“假说”是需要以已有的科学理论为指导的，而不是毫无根据的猜想，它具有一定合理性和科学性的。

2.3  问题驱动，设计实验并进行演绎推理

根据“假说—演绎法”的基本步骤，学生明白需要设计和实施实验对“假说”进行验证。由于高一级学生独立设计实验的能力还是远远不够的，此环节教师可以通过设计一系列的问题串驱动学生思考实验设计的基本思路：①从细胞分裂的过程及结果可知，1个DNA分子进行复制后会形成两个DNA分子，其中有两条链是新合成，根据上述两种猜想，要区分复制后的结果，首先要解决的问题是什么？②根据前面所学的知识，可用什么技术方法对母链和子链做上标记呢？③如果要对母链和子链做上标记，你会选择什么元素？为什么？④DNA复制是一项生命活动，所以离不开细胞，实验中你会选择什么实验材料进行研究呢？⑤你准备用什么方法检测实验的结果？

学生在研读教材和查阅资料后，明确实验中需要解决的关键问题是设法区分出亲代与子代DNA链。教师引导回顾“噬菌体侵染大肠杆菌”实验中相关的技术，学生懂得可利用“同位素标记技术”区别不同的DNA链，以及借助密度梯度离心技术观察子代DNA的分布情况。在回顾DNA的元素组成后，有的学生会选择31P和32P对DNA分子做上标记，有的则选择了15N和14N。而对实验材料的选择上，学生对大肠杆菌比较熟悉，已经了解了该种生物细胞结构简单，拟核只有一个DNA分子，这对DNA复制情况的分析比较容易。

实验的基本思路确定后，各小组根据自己提出的两种标记方案，进一步分析讨论，演绎推测实验结果。教师可引导学生结合以下问题进行推测：①DNA如果进行半保留复制，第一代细胞（细菌从含32P的培养基转入含31P的培养基培养或细菌从含15N的培养基转入含14N的培养基培养）的DNA分子的双链组成有什么特点？离心后试管中DNA的位置？第二代细胞的DNA分子的双链组成又有什么特点？离心后试管中DNA的位置？（图3）

②DNA如果进行全保留复制，又会出现什么结果呢？（图4）

设计意图：该环节设计一系列贴近学生思维能力“最近发展区”的问题串，重点突出了知识和技能的迁移应用。由“噬菌体侵染大肠杆菌的实验”中两大重要技术的迁移应用，为本实验解决了关键性的问题。学生在设计实验的过程中，其科学探究能力不断提升，在亲历思维推理的过程中也领悟到科学家的思维推理过程，其演绎思维能力也得到了发展。

2.4  借助科学实证，得出结论

由于实验设备以及现阶段学生的认知水平和操作能力等方面的因素限制，教师借助教材中“梅塞尔森和斯塔尔的实验”，分析实验基本流程并展示出实验结果，学生根据自己推演的结果与科学家的实验结果作比较，最终证明了DNA是以半保留的方式进行复制的。

设计意图：学生在观察到实验结果与推演的结果是一致时，便可以得出DNA复制的正确方式——半保留复制，体会到需要根据实验结果得出普遍性规律的科学思维方式，同时进一步促使学生深刻理解科学的本质和科学研究的基本思路和方法。

本节课通过经典科学史，引导学生借助假说-演绎法的基本流程探究生命的本质，感悟科学的研究方法。学生能深刻体会到在探究科学本质时要善于思考、提问，并在大胆提出假设的基础上进行实验方案的设计及实施，其演绎推理思维能力可得到一定的提升。生物学课程的根本任务是提高学生终身发展所需的生物学学科核心素养，本节课只是借“探索DNA复制的方式”抛砖引玉，逐步引导学生向“假说-演绎法”的科学思维模式靠近，并鼓励学生主动运用“假说-演绎法”的思维方式认识科学的发展过程，形成生命观念，提升科学思维，积极参与社会议题，促进生物学学科核心素养的落地［2］。

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参考文献

［1］中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准2017年版［M］.北京:人民教育出版社,2018.

［2］周荣光,俞如旺.利用假说——演绎法进行“酶本质的探索”教学设计［J］.中学生物教学,2020（5）：56-57.