基于科学思维能力培养的遗传学教学改革初探

　　摘要围绕科学思维能力培养问题，以分子标记法防治农业病虫害专题为例，介绍了图尔敏论证模型、Seminar教学模式在遗传学教学中的实施步骤和实施建议。

　　关键词科学思维；图尔敏论证模型；Seminar教学模式

　　中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：2095-3305（2020）04-0-03

　　DOI：.2020.04.069

　　遗传学是生物科学专业的基础课程，也是培养学生掌握生物学素养，具备从事生物学相关领域工作关键能力的重点学科。通过课程的学习，学生除了要掌握系统的遗传学知识之外，还应逐步建立起科学思维的方式、方法和习惯，学会从批判的角度和创新的视野来审视所学知识，进而掌握知识的本质，建立更牢固的理论—实践联系，以便应对未来社会多变的挑战，获得更大成就。

　　1科学思维的类型和特征

　　科学思维是人类在科学认识活动中，掌握和运用的各种思维方法的有机整合，是人类在认识和改造客观世界中形成的特质。不仅含有能力因素，也包括态度因素（即学生能够在日常生活中积极运用科学思维认识和解决问题的意向）。科学思维是形成正确的世界观、人生观、价值观的基础，也是现代人才核心素养中的关键能力和重要品格。

　　科学思维能力主要包括形象思维能力、辩证思维能力、批判思维能力、系统思维能力、发散思维能力、创新思维思维能力等。在北京师范大学《21世纪核心素养5C模型研究报告》提出的人才核心素养模型框架中，5个一级维度就包括了批判性思维素养（CriticalThinking）和创新素养（Creativity）两个科学思维的类别，可见思维能力在未来社会竞争中的重要性。

　　2遗传学教学困境

　　自孟德尔遗传定律的提出以来，现代遗传学进入了迅速发展阶段，逐步形成了细胞遗传学、群体遗传学、表观遗传学和分子遗传学等诸多分支学科，特别是分子生物学技术的不断革新，使遗传学及其实验技术的内容愈来愈丰富和驳杂。而由于“重实践、强素质”理念的影响，专业人才培养方案却在不断压缩遗传学等一系列基础课程的课时。这种“不断增加”和“不断压缩”造成的矛盾给遗传学的教学带来了很大挑战。

　　随着分子遗传学不断发展，遗传学的理论知识更加抽象和难以理解，传统的以讲为主、被动学习的教学模式很难达到理想的教学效果[1]。传统的实验教学只让学生关注实验的原理和现象，很少讨论实验技术的综合运用及实验方案的设计，这就导致遗传学教学缺乏吸引力，降低了教学效果。这种“高难度”和“低效果”之间的矛盾也是遗传学教学改革亟待解决的问题。

　　此外，遗传学应用性极强，在农业生产实践中产生，伴随着农、林、医等领域的发展而不断壮大，与社会发展和人民生活联系紧密。然而，遗传学教材内容的更新速度滞后于社会发展的需求，现行的教学模式也难以培养出具备创新意识、善于解决社会问题的新型人才。这种“赶不上”和“高要求”之间的差距正是遗传学教学迫切需要改革的症结所在。

　　为了提升遗传学教学质量、摆脱困境，教师急需转变教学理念。应以培养学生的科学思维能力为核心，授之以渔，提升学生自主学习能力；以解决问题为导向，学以致用，提升学生的实践能力；以核心素养为着眼点，以思代记，提升学生的创新思维能力和意识。

　　3图尔敏论证模型和批判性思维能力培养

　　批判性思维是创新思维能力培养的基础，是一种理性的、反省的思维，用于分析各种论争、识别各种谬误和偏见，根据证据做出结论，并且做出明确判断的思维方式[2]。常用的批判性思维训练模型有图尔敏论证模型，包括主张、资料、根据、支援、限定词六个成分。“主张”是提出的观点或命题，需要进一步证实；“资料”是支持观点的证据；“根据”是观点和资料之间的支持关系；“支援”是对根据合理性的说明，即对观点和资料关系的详细说明；“限定词”指观点正确性的限制条件，即观点的适用范围；“反驳”指观点在适用范围外的表现。

　　在课堂教学中可以通过创设问题情境，引导学生提出自己的观点，实施自我论证，组织学生相互质疑和讨论四个环节完成批判性思维的训练过程。如在讲解分子标记法之前，创设情境让学生思考：松毛虫是为害松林的害虫，若防治不及时，会在短时间内吃光大面积松林的针叶，可导致松树死亡，一旦爆发，会引起严重的经济损失和不良生态影响。通过表型筛选和遗传育种能解决问题吗？此时，学生根据已有知识能够做出解答，但思考维度常停留在理解水平，受到教材等“标准答案”的影响。为了打破学生对“权威”的盲目模仿，拓展思维的广度和深度，可以通过问题串的形式引导学生进行自我论证，从审视自我出发培养批判能力。问题串包括：我的观点是什么？怎样进一步解释观点？我的观点是建立在什么基础上的？（知识？经验？实验数据？）我的观点客观吗？有没有主观因素的影响？支持观点的证据有哪些？这些证据科学客观吗？观点和证据之间的关系是什么？因果关系还是相关关系？我的观点有适用范围吗？有限定条件吗？有其他的观点吗？经过成熟的思考后，可以引导学生进入分享观点，阐释证据，接受其他同学的质疑，以及针对观点再讨论的环节。

　　图尔敏论证模型有别于传统的课堂讨论，增加了自我论证，强调了接受质疑的教学因素，以此训练学生系统的反省，提升思考的深度和成熟度；训练学生识别谬误，通过证据得出结论和做出判断，提升思考的科学性和准确性；同时也锻炼了学生的语言表达能力、自信心和包容力。

　　4Seminar教學模式和创新思维能力的培养

　　Seminar，原为学者专家为了解决某一问题而开展的学术交流方式，现在逐渐流行于高等教育的课堂。典型的Seminar教学包括5个基本步骤：（1）抛出问题，主持人介绍问题背景和研讨主题；（2）报告宣讲，发言人围绕研讨主题，在搜集资料的基础上，形成自己的研究报告，阐述观点并举证；（3）质询和回应，与会人提出质询，发言人回应质询，补充证据，进一步阐释观点或者与会人提出质疑，摆出新观点；（4）辩论与交流，全体与会人员对观点和证据进行判断，开展批判和辩论；（5）总结和延伸，主持人总结发言，做结语。在实施教学时，可在宣讲前增加搜集资料、自主学习环节，以便学生有充分的时间明确观点，收集证据。

　　Seminar教学模式的核心是充分挖掘课程参与者（教师和学生两个方面）的学理潜能，最大限度地进行多角度、多层次的认知互动，从而深化对某一主题的认识[3]。它创造了一个多向、深度交流的平台，以头脑风暴的形式激发了学生的创见；营造了一个平等、积极沟通的学习氛围，在质询和回应中充分挖掘学生的潜能；构建了一个协作共进的学习空间，在质疑和辩论中寻求真理。

　　Seminar教学对教师的素养提出了较高的要求，需要具备扎实的专业素养和高超的课堂组织管理能力，在实施中学生的讨论容易出现混乱和无序，影响参与度和学习效果。可搭配使用图尔敏论证模型辅助学生有序思考，有针对性的质疑。

　　5分子标记法防治农业病虫害专题教学过程

　　分子标记法主要指能反映生物个体或种群间基因组中某种差异特征的DNA片段，在遗传学中常用于构建基因组图谱、基因定位、物种亲缘关系和系统分类，疾病诊断和遗传病连锁分析、遗传育种等各领域。本部分内容的教学即有利于学生进一步学习遗传三大定理，又因应用技术的多样性，更有利于开展开放性的研讨活动。

　　5.1课前准备

　　课前准备工作包括：充分查阅资料，了解分子标记法的研究历程、最新进展及其在社会经济生活中的应用；筛选信息创建资源库，制作查阅文献流程图；选择真实问题情境，确定学习切入点，制作课件；调查学情，结合学生学习水平分组，每组5—6人；完善教案和考核方案。

　　5.2图尔敏论证活动训练

　　图尔敏论证过程有别于学生已有的思考习惯和讨论方式，需要经过训练才能熟练掌握。因此，需要根据学生实际情况安排几次专项训练活动，如前文提到的利用分子标记法防治松毛虫专题讨论活动。学生刚接触图尔敏论证活动时常常想得多，表达不出来，或者表达缺少条理，教师可以将问题串以文本的形式展示给学生，随想随记，反复修改和整理后再开展交流活动。

　　5.3Seminar专项研讨活动

　　针对分子标记法防治农业病虫害专题的教学活动有以下六个教学环节。

　　5.3.1主持人抛出问题水稻是世界主要粮食作物之一，也是我国主要的粮食作物之一。然而水稻病虫害日益严重，导致了大量的经济损失，已成为农民种植所面临的主要问题。目前主要通过化学手段防止水稻病虫害，化学防治可以很大程度减轻病虫害的危害，但会增加成本且污染环境，长时间使用化学物质也会导致新的变异小种的产生，给病虫害的防治带来更大的挑战[4]。是否能换一种解决思路，通过分子标记法防治水稻病虫害呢？

　　主持人可引导学生继续思考，解决问题首先需要知道：水稻主要病害有哪些？常用的分子标记技术有哪些？各有什么优缺点？不同病害使用的分子标记相同吗？怎么选择适用的分子标记？需要特别提醒的是，主持人介绍时需要保持中立的态度。

　　5.3.2查阅文献、自主学习本环节耗时约两周。教师引导学生以小组合作的形式自主研读文献。文献分为两类，一类是教师提供的必读文献，协助学生掌握基本信息和核心技术；二是在查阅文献流程图指引下的按需索引文献，为下一步的宣讲搜集素材。

　　教师在学习通上同步设置讨论板块，随时查看、回复学生遇到的问题和困惑，及时整理共性问题和解决方案，以备总结时使用；问询学生的工作进度，检查学生提出的观点和筹备的证据，督导学生完成图尔敏自我论证活动，保障学生科学有序地开展工作；督促学生准备宣讲活动，包括选择发言人，制作汇报展板印制资料等工作。

　　在这一环节中，学生充分展示了合作学习和任务驱动后自主学习的优势，文献阅读量远远超过预期，时间跨度超过15年，文献来源既有核心期刊也有学位论文，全班文献阅读量人均10篇，自主索引文献占比约60%。经过收集资料，大家应该能描述出水稻几种主要的病虫害为褐飞虱、白叶枯病和稻瘟病等。

　　5.3.3报告宣讲每组发言人汇报10min，重点讲解针对的是哪种水稻病害，选择哪种分子标记法，选择的原因有哪些？相关证据有哪些？以白叶枯病为例，部分同学就指出该病为全球性的水稻疾病，水稻感染后至少减产20%—30%，甚至顆粒无收。学生使用了几种信息手段辅助宣讲，有传统的展板和幻灯片形式，也有短视频、微课等形式，学生展示证据的形式以图表为主，如常见水稻病害分布图、水稻抗白叶枯病基因分布图、SSR分子标记法标记Xa23基因实验流程图、STS标记实验流程图、PCR产物凝胶电泳图等。此时学生已不再局限于“结论”，而将宣讲的重心放在提供证据以及对证据可靠性的解说上。

　　5.3.4质询和回应与会人员针对发言人的汇报质询和交流10min（具体时间应根据现场情况适当调整），重点关注观点表述是否清晰，证据是否可靠充分，标记方法是否有效？标记基因之间是否有功能差别？目前水稻抗白叶枯病基因约30多种，定位在至少超过8条染色体上，那么应该选择哪种标记方式？标记哪种基因？等等。

　　在这一环节中，学生学会了追问，如这个文献的来源是？文献可靠吗？有人重复试验吗？证据能支持观点吗？请进一步解释。不过受学生学习水平的制约，学生尚不能对证据本身产生怀疑。

　　5.3.5辩论与交流在各组发言人宣讲结束后，同学们发现分子标记技术在操作过程中有较多共性，针对同样的病害，可以使用不同的分子标记技术，同样的分子标记技术，适用于多个病害，那么哪种病害选择哪种分析标记技术更方便、快捷、高效呢？不同的小组有不同的意见。此时，教师提醒学生在坚持本组观点的同时，也应有开放性和包容力，认真思考其他小组的观点，集思广益。应认识到小组工作的局限性，用客观的态度面对不同的意见，兼容并包，获得更成熟的观点。最后经过激烈的辩论，全班同学认识到分子标记法为水稻抗病虫育种提供了一个简便的途径。这种方法研究目标是抗虫害所需的目的基因，相对于传统育种中所依赖的“植物表型”更加准确，缩短了育种时间，减少了工作量。

　　5.3.6主持人总结首先，系统梳理分子标记技术的特点，完成理论知识的教学目标；其次，介绍分子标记技术在社会发展中的应用以及局限性，完成技术层面的教学目标；接着总结整个学习过程中同学们碰到的困难和问题，总结经验，完成能力层面的教学目标；此外，系统总结学生思维的变化过程，完成科学思维培养的教学目标；最后，总结态度和综合素质的变现，进一步深化育人目标。

　　在整个学过程中，教师通过多种方式营造了自由、积极的课堂氛围，让学生真正参与到教学活动中，在深入研讨中摸索着前进。学生的学习兴趣和主动性、协作意识和语言表达能力都获得了训练。在课堂教学过程中，学生的发言次数、发言质量、分析问题和解决问题的能力、提出的有效方法均高于传统课堂，而且这种效应持续影响着学生后续的学习。

　　6结语

　　整个教学过程的顺利实施首先取决于教师的专业素养，教师要对课堂有一定的预见性，要能掌控学生的活动方向，及时引导；其次取决于学生的学习水平和学习习惯，自我监控能力高、基础知识扎实的学生获益更多。此外，整个教学过程耗时较多，除正常教学课时成倍增加外，教师课前、课后的准备工作，学生自学时长均远远高于传统课堂，但高等教育在育人时应着眼于学生的长远发展，充分认识到能力和综合素质的增长才能让学生受益终身，以学生科学思维培养为着眼点的教学改革是大势所趋。