运用逆向思维培养科学思维素养的教学探析

余中宾 申定健

摘要概述逆向思维的三层含义，探讨逆向思维在教学实践中打破学生思维定势等习惯性思维束缚、理解记忆、构建知识网络以及解题中的应用，为学生生物学科学思维素养的培养提供参考。

关键词 逆向思维 高中生物 科学思维

中图分类号G633.91 文献标志码B

高中生物学具有其独特的知识体系，且知識点多。学生如果缺乏生物学科学思维的训练，在生物学习过程中就容易造成思维混乱。高中生物课程以发展学生的生物学学科核心素养为宗旨，关注学生核心素养的养成，而科学思维就是学生素养重要组成内容。研究表明，逆向性思维是学生获得创造性思维的重要组成部分和关键途径，是有别于其他思维方向的一种非典型性思维。其要求学生在充分理解生物学知识的概念、原理和过程的同时，逐步培养并提高崇尚真知，尊重事实和证据，并自觉运用科学的思维方法解决实际问题的习惯和能力。

1逆向思维的表现类型及教材内容体现

逆向思维可分为三种类型：①破除思维定势，对事物的认知突破固有事实和证据的束缚，找到其新的内涵和意义;②反向思考，从预期结果到前提条件，而不是按部就班地进行思索;③对立思维，从结论的对立面深思该结论得出的前提条件。例如，人教版高中生物教材中的逆向思维内容总结为表1。

2应用逆向思维培养学生科学思维素养的实例

2.1打破思维定势，深化归纳和概括

归纳和概括是科学思维中常用的思维方式，是通过对个别事实的观察和调查扩展到一般，把其中的共同的、本质的特征抽取出来并结合在一起的思维过程。如果缺乏对结果的推导过程的深化学习，就容易形成思维定势。虽然思维定势能够实现学生对知识的迅速再现，但它所造成的定势却阻碍了理解和创新思维的产生。新课程改革的最终目标并非对复杂繁多的科学史和生命现象的最大化存储，而是对生物学核心大概念的深刻领悟。逆向思维可以指引学生从归纳和概括的一般知识到再重新认识个别事实，有效激活知识的内涵和外延。

例如，真核生物有氧呼吸主要场所是线粒体，但问到好氧性细菌有氧呼吸的场所时，学生往往会答出线粒体。如果教师提醒学生从细菌细胞结构思考，学生会很快明白细菌往往只有核糖体，没有线粒体，进而归纳出：有氧呼吸的进行是由细胞内是否存在有氧呼吸相关的酶直接决定，而不由线粒体决定;同理，能否进行光合作用不由叶绿体决定，而是由光合色素（蓝藻无叶绿体）决定。再如，不少学生按惯性思维认为：真核细胞进行有丝分裂，原核细胞进行无丝分裂。无丝分裂包括细胞核和细胞质的分裂，原核细胞无成型细胞核，而细菌的主要增殖方式为二分裂。细菌为什么不能进行有丝分裂？按照结构和功能相适应的观念，有丝分裂中染色体的行为及数量变化对细胞核遗传物质的平均分配起到重要作用，而原核细胞无染色体，不会出现有丝分裂和减数分裂。

2.2利用对立思维，强化演绎和推理

多种生命现象呈现的生物学原理是在特定的研究对象的基础上总结而来。演绎推理是指以一定的生物学原理和规律为依据，从已知部分推理出未知部分的科学思维方法。教师可采用逆向思维来引导学生反思结论成立的因果关系，进而强化学生对原理的深刻理解。

例如，辨析无子西瓜和无子番茄的形成原理。对于自然生长发育中的植物果实，是其幼嫩的种子产生的生长素促进子房发育成果实，故无生长素的子房一般不能发育成果实。对于有子果实，果实的生长发育所需生长素是由其种子提供;在未授粉的前提下，如果在子房壁外涂抹外源性生长素或生长素类似物发育得到无子果实。无子西瓜和无子番茄都是无子果实，前者是三倍体西瓜减数分裂时，因联会紊乱而不能产生正常的配子，后者因未授粉而形成无子，二者果实主要区别在于发育的生长素来源不同。在教学实践中，教师可采用对立思维分析，引导学生总结得出：无子西瓜的生长素来自于二倍体花粉，二倍体花粉本身含有少量生长素，同时花粉中还含有催化色氨酸产生生长素的酶，刺激子房合成大量生长素;无子葡萄就是未经传粉（套袋处理），人为在雌蕊柱头上涂上一定浓度的生长素或生长素类似物促进子房发育。

再如，对于观察细胞或细胞结构实验，多数学生会认为制作显微临时装片前一定进行细胞染色，然而染色目的是将相应细胞结构的分辨出来。学生采用对立思维方式总结出：观察无色的细胞或细胞结构往往需要染色，如果细胞或细胞结构自带颜色，就无需染色，比如观察番茄的有色体、紫色洋葱的液泡和叶肉细胞的叶绿体等。此外，观察质壁分离实验所需的洋葱鳞片叶是外表皮（紫色），也不需要染色。教师还可以采用对立思维向学生提问：如何用洋葱内表皮进行质壁分离的实验观察？学生自然会想到在细胞外液中加相应染料进行观察。需要说明的是，有些组织由于含水量不同会出现不同的折光度，在观察时无需染色，如芹菜茎的机械组织。

2.3利用反向思维，快速建构新的概念模型和知识体系

模型构建是将抽象的事实和过程借助一定的用具材料或者方法载体加以描述、概括总结的一种活动。广义上，概念的建构过程就是建立模型的过程，概念的形成就是模型的形成过程。基因连锁是基因在染色体上线性排列的直接体现。教学中构建基因连锁概念，可利用基因的自由组合定律的概念进行反向思维，如图1所示。两对等位基因自由组合的前提是基因独立遗传，即两对等位基因位于两对同源染色体上。如果两对基因控制的两对性状互不干扰，则双杂合子的测交子代会出现四种表现型，且比例为1：1：1：1。反之，其子代表现型比例不是1：1：l：1，则说明这两对基因不在两对同源染色体上，那只可能在一对同源染色体上，即为基因连锁。然后，教师再进一步引导学生归纳总结：双杂合子测交，若子代表现型为1：1，则为完全连锁;若子代表现型仍是四种，但比例不是1：1：1：1，则为不完全连锁（因为同源染色体非姐妹染色单体交叉互换）。

生物知识点多且零散，可由点及面逐渐构建知识网络。培养学生“逆向思维”，教师可从果到因，颠倒因果，再将果当因反思其果，引导学生时刻用批判性思维对待各种信息和问题，增强辨别与区分能力，使得知识网络的构建有章可循。例如，高三复习教学中，有学生提出：既然细胞不能无限长大，那为什么人体卵细胞的直径0.1 mm以上，甚至肉眼可见？针对该问题，教师可顺势让学生们回顾细胞不能无限增大的原因（细胞相对表面积限制了细胞膜的物质转运效率）。卵细胞（实际上MII中的次级卵母细胞）本身含有大量卵黄营养物质，没有外界物质交换，从而突破了细胞相对表面积的限制。受精卵体积大、易操作，常常是动物基因工程、胚胎工程的受体细胞。教师进一步化果为因，受精作用得到的受精卵是游离的，快速卵裂，细胞增多，总体积不变，甚至略有减小。由于在输卵管内没有与母体建立组织联系，受精卵卵裂到了囊胚，胚胎开始体积增大，而出现中空的囊胚腔（胚胎发育早期）。又因其游离状，胚胎工程冲卵操作，此为胚胎移植的生理学基础。卵裂期进行有丝分裂，细胞增多，来自于同一受精卵的个体细胞遗传物质是相同的，这是出于细胞全能性原理、细胞分化本质的思考。

2.4利用逆向思维提供思维角度。训练批判性思维和创造性思维能力

批判性思维是具有目的性和反思性的判断过程，是有根据的分析、推理和评估等思维形式;创造性思维需要独特的方法解决生物学问题，可以突破常规思维，需要换个角度思考问题，寻求结果。逆向思维引导学生从问题的对立面思考问题，由果推因、实验验证，为批判性思维和创造性思维提供很好的思维训练方式。

例如，某种单基因遗传病系谱图的遗传方式判断。图2双亲表现正常，子代女性的表现即可判断是否是伴x染色体隐性遗传。从子代逆推，子代女性的一条x染色体来自男性，男性的Y染色体是传给儿子的。一般而言，伴x染色体隐性遗传病的女性患者的父亲一定是患者;父亲正常，女儿必不患，故系谱图A才满足伴性遗传。

同样，一些生物试题的设计往往为了考查学生逆推能力，如2017年全国卷I第6题：果蝇的红眼基因（R）对白眼基因（r）为显性，位于x染色体上;长翅基因（B）对残翅基因（b）为显性，位于常染色体上。现有一只红眼长翅果蝇与一只白眼长翅果蝇交配，F1雄蝇中有1/8为白眼残翅，下列叙述错误的是（）

A.亲本雌蝇的基因型是BbX^RX^r

B.F1中出现长翅雄蝇的概率为3/16

C.雌、雄亲本产生含）（r配子的比例相同

D.白眼残翅雌蝇可形成基因型为bXr的极体

参考答案：B。

解析：本题给出F1雄蝇中有1/8为白眼残翅，逆推亲本的遗传情况。利用乘法原理：1/8=1/4x1/2，得出亲本的基因型是BbX^RX^r和BbX^RY，A選项正确;再正推，F1中出现长翅雄蝇的概率是3/4（长翅）×1/2（雄性）=3/8，B选项错误;雌、雄亲本产生的）（r配子的比例都是1/2，C选项正确;白眼残翅雌蝇的基因型是bbXW，可产生bX^r的极体。

综上所述，逆向思维打破了学生习惯性的思维方式，是正向推理思维的翻转。在特定的教学情境中，如果从生物学结论反推其过程和原因，逆向思考，或许会更好地解决生物学的概念、原理和过程中出现的问题。在科学思维核心素养落地实施培养的教学实践中，寄希此文抛砖引玉，期待生物学科学思维素养培养方式的百花齐放。