类比法助力高中生物学学科核心素养的达成

摘要

类比法是一种通过比较不同事物之间的相似性来推断未知事物属性的方法。这种方法具有诸多优点，如其比喻直观形象，所需教具简单易得，且阐释的原理往往贴近生活实际与学习场景。在高中生物学教学中，巧妙使用类比教学法能帮助学生理解生物学基本概念、构建生物学知识体系、树立科学思维意识和提升实验探究能力；在“四新”课改背景下，将其与信息技术有机结合，能大大提高课堂效率，培养学生解决实际问题的能力，进而落实生物学学科核心素养。

Graphical abstract

关键词

类比法 / 高中生物学 / 学科核心素养

传统教学法在教学中不可或缺，巧妙应用类比法，借此在高中生物学教学中落实生物学学科核心素养，能起到很好的作用。类比法是一种通过比较不同事物之间的相似性推断未知事物属性或行为的方法。通过类比，人们可以从已知或熟悉的事物中获得启示，对未知的事物进行合理的猜测和假设，从而促进知识的迁移和创新思维的产生。近几年，笔者对类比法在高中生物学教学中的应用进行了深入的研究和实践，取得了较好的效果^［1］。

1 借助类比法形象解释高中生物学基本概念

生物学基本概念是学生必备知识的重要组成部分，是学生构建完整概念体系的基石。在新授课的过程中，有些生物学名词或概念学生是第一次接触，感觉不好理解。比如染色质与染色体，它们是同一物质在不同时期的两种形态。在授课时，不少学生马上提出疑问：什么时候称染色质，什么时候称染色体，为什么会有两种形态？因为牵涉到后续细胞增殖、基因表达等内容，一时无法完全解释。对此，教师可以利用学生熟悉的弹簧为类比体进行解释：染色体相当于弹簧，粗而短，肉眼可见；当弹簧进行拉伸时，弹簧会变得长而细，若弹簧极限拉伸时，几乎呈一铁线，则此时铁线相当于染色质，肉眼不易看见；若把铁丝按照一定方向螺旋缠绕，缩短变粗为弹簧时，则相当于染色质变为染色体。所以，染色质与染色体本质就相当于一根铁线和一根弹簧，属于同一物质。

在教学中，利用生活中学生熟悉的物体或事件，进行类比推理，解释生物学中一些抽象的概念，能使学生豁然开朗，简单易懂。例如，为了让学生理解细胞是一个立体结构而不是平面结构，笔者常随手抓起讲台桌上的粉笔盒，与立体的细胞进行类比。即：粉笔盒的外壳相当于细胞壁，内壳相当于细胞膜，里面的粉笔头相当于细胞器和细胞核等。为了讲清楚细胞有丝分裂中期时的赤道板而不是“赤道线”这一概念，可以把两个粉笔盒叠在一起当作一个分裂中期的细胞，两个盒子重叠的面相当于赤道板；然后，在此“赤道板”上画上若干个散乱的着丝点，这样就能直观、形象地展示抽象的概念。为验证学生是否理解这些概念，可以让学生画出从植物细胞的一极观察着丝粒的分布图，这样既能对类比方法的使用是否有效进行评价，又可以提升、巩固学生对所学知识的理解。

在课堂上，很多随手抓来的东西都可能成为教具并进行类比。染色体组是染色体变异中的核心概念，也是学生较难理解的内容之一^［2］。笔者让学生伸出双手，左手的5根手指分别代表大小、形态各不相同的5条染色体，右手的五根手指也代表着5条染色体，左右手相对应，即一双手的10根手指表示5对同源染色体，左右手的5根手指代表的5条染色体各为1个染色体组。为了检测学生是否真正理解，笔者抓起桌上的3叠不同试卷，每叠为相同的50张，总共150张，并向学生提问：若每张试卷代表一条染色体，请问老师手上的150张试卷含有多少个染色体组？这样的类比，大大激发了学生的学习积极性，参与度高，互动性强，教具无须刻意准备，问题也颇具挑战性。

将这些学生熟悉的或随手可得的事物作为类比体，具有形象、直观的特点，便于学生理解生物学中较抽象、难懂的名词或概念，易于突破知识中的关键点，从而为构建完整的生物学概念体系奠定了基础，进而助其形成生命观念。

2 应用类比法促进高中生物学必备知识的掌握

准确理解和掌握《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》中所列的必备知识，既是培养学生关键能力的基础，也是落实生物学学科核心素养的前提^［2］。必备知识是学生在面对与生物学相关的生活实践或学习探索问题情境时，有效认识问题、分析问题、解决问题所必须具备的知识^［3］。应用类比法，能使学生较快、清晰地理解并掌握较复杂的知识点。

人教版高中《生物学必修1》是学习生物学的起始部分，其中第2章“细胞”中的有机物的内容，对学生来说既是重点也是难点，特别是蛋白质和核酸的结构和功能，很多学生学起来一头雾水。其实，这部分内容在高中阶段不算难，主要是学生还未开始学习有机化学的内容，对相关知识了解甚少。对于这部分内容，先要简单介绍有机物相关的知识，重点突破氨基酸的结构，理解蛋白质多样性的原因。在此基础上，利用类比法学习核酸的结构和功能就自然简单了。首先，利用表格的形式复习蛋白质相关知识（表1）；然后，逐项对比DNA和RNA的各项内容，结合画图的形式，对比蛋白质和核酸结构的相似性，如肽链的最左端为游离的-NH₂，最右端为游离的-COOH，而核酸的最左端（5′）为游离的磷酸基团，最右端（3′）还有游离的-OH，均具有一定的方向性。对DNA和RNA进行详细比较，其中的重点是比较两者的不同点，如基本单位的组成、空间结构的不同等。

结合已有的蛋白质结构和功能的知识基础，类比讲述核酸的结构，思路清晰，学生理解得较快，知识间不容易混淆，同时强化了各知识点之间的联系，有利于建立起完善的知识网络，大大提高了学习效率。这样的例子在高中生物学教学中很常见，如中心法则是人教版高中《生物学必修2·遗传与进化》中的重点内容，关键是讲清、讲透DNA的复制，而遗传信息的转录参照DNA的复制，让学生从概念、时间、场所、条件、过程、特点、结果、不同点等方面进行对比，说出他们的相同点和不同点。应用类比法进行转录和翻译的教学，可使教学效率大为提高，学生学得轻松。以此类比，学生必然养成深度学习的习惯，从而提升解决问题的能力。

3 运用类比法教学发展学生的科学思维

科学思维，是指从生物学视角出发，基于事实和证据，并运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模等科学方法来阐释生命现象及规律的一种认知方式和意识行为。科学思维是生物学学科核心素养的重要内容之一^［2］。在教学中，应用类比法能很好地揭示各种生物学事实和证据之间的联系，从中发现和提出问题，以帮助学生更好地推测和总结出生命规律。

在生物科学发展的历史长河中，应用类比法揭示生命规律的事例很多。例如：孟德尔于1866年发表的论文《植物杂交试验》中，描述了遗传两大定律并提出了“遗传因子”这一开创性概念，但孟德尔对遗传因子的物理本质、化学组成以及在细胞中的具体位置一无所知；1891年，德国动物学家亨金准确描述了减数分裂的全过程，发现了同源染色体的联会与分离，在减数分裂和受精作用下，染色体在亲代与子代之间能保持稳定性和连续性。通过对比，孟德尔所说的成对遗传因子是否就是同源染色体呢，或者遗传因子存在于染色体上，随染色体从亲代传递给子代呢？结合问题再分析科学家所发现的一些事实，经过归纳与概括，作出合理假说，最后再设计实验予以验证。又如，人体体温为什么能维持在37 ℃呢？对这一问题，可从生活中熟悉的家用电器入手，如从空调、冰箱、热水器等的调温原理说起。家用电热水器常设置水温为50 ℃左右，当水温达到50 ℃时，电热水器停止加热；当散热使水温低于一定温度时，电热水器又会重新加热。在一定时间内，电热水器的产热量和散热量相当，水温遂能维持相对稳定。人体体温的调节与此原理相似，只不过人体内产热和散热一直在进行——当局部体温低于正常体温时，机体通过调节使产热量增加、散热量减少，体温恢复到正常；当局部体温高于正常体温时，正好相反。如此一来，在一定时间内，人体内的产热量等于散热量，体温维持相对稳定。

在教学中，通过类比发现：一方面学生产生疑问，提出问题，再基于事实寻找证据进行求证；另一方面，学生会根据熟悉事物的原理，去理解生物学的原理。在类比过程中，有助于培养学生发现问题的能力，促其归纳和概括生命特点和规律，并进行深度思维。

4 巧用类比法激发学生进行科学探究

实验探究能力，是指通过设计、实施、分析和解释实验来探究生物学现象、验证生物学理论、发现新知识或解决问题的一系列综合能力。生物学是一门自然科学，其理论是在实验和探究过程中建立起来的，因此实验教学贯穿于高中生物学教学的全过程，其中不乏应用类比法进行实验探究的例证。

4.1 借助类比法推理生物学原理

为探究动物和植物细胞的吸水和失水原理，利用玻璃纸（一种半透膜）演示渗透作用实验并进行类比推理。半透膜是一种死的膜，肉眼可见，在演示渗透作用实验时，漏斗管内液面的升高幅度清晰可见，从而总结出水分子发生渗透作用的两个条件。那么，水分子进出细胞也像这样是渗透作用吗？根据问题进行推测——如果是一样，就可以将动物细胞置于低渗溶液中，从而发生膨胀甚至破裂；而置于高渗溶液中，细胞会发生皱缩。基于此，科学家随即开展实验，将哺乳动物的红细胞置于不同浓度的氯化钠溶液中，验证此推测。同理，植物细胞的吸水与失水原理也类似，只是相当于半透膜的结构为原生质层，因其具有细胞壁，植物细胞吸水不会胀破。

为说明细胞不能无限长大的原因，除复习细胞核与细胞质的关系，总结出核质比是限制因素之一外，细胞大小对物质运输效率的影响也是重要因素。教材编写者针对这一问题，应用了类比推理法予以说明。即：利用琼脂（可加入酚酞）制成边长分别为1 cm、2 cm、3 cm的正方体琼脂块，代表不同大小的细胞，NaOH溶液相当于细胞吸收的营养物质；将3块琼脂块置于NaOH溶液中，经一段时间后，测算出NaOH扩散的体积与整个琼脂块的体积之比，代表物质运输的效率。通过类比，可使微观的问题可视化、直观化，并进行数字量化分析。以细菌为例加以佐证——其个体微小，相对表面积大，物质运输效率高，代谢快，繁殖也快。这样的例子在高中生物学中还有不少，如在“性状分离比的模拟实验”中，以小桶代表生殖器官，桶中的小球视为生殖细胞，不同颜色的小球代表不同基因型的配子，依此进行模拟性状分离比的实验。

以宏观、肉眼可观察的物体或装置作为类比体，模拟探究微观的分子水平的生物学原理，能够培养学生的创造性思维，开拓其科学探究方法，提高其实验探究能力。

4.2 利用类比法探究同一类型实验

在高中生物学教学中，探究实验的数量多、种类繁杂，其中很多实验或原理相同，或研究方法相似，或使用材料相同等。对此，利用类比法进行实验探究，可以大大提高学习效率，起到举一反三的作用。

1926年，温特的实验证明胚芽鞘尖端能产生某种化学物质（命名为生长素），并向下运输，促进尖端下面一段的生长。为了更直观地验证茎的向光性原理，组织学生借鉴温特的实验方法，将两块琼脂块（A₁、a₁）置于胚芽鞘尖端下方，给予单侧光照（图1-a）；一段时间后，将A₁和a₁分别放到去尖端的胚芽鞘左侧（图1-b），通过对两组胚芽鞘的弯曲角度进行测量，即可进行验证。实验结果：A₁组的弯曲角度小于a₁组，说明a₁琼脂块中的生长素含量大于A₁，促进茎生长作用更强。那么，横放的幼苗茎为什么会背地生长呢？为回答这一问题，可以用以下方法探究：切下胚芽鞘尖端并将其水平放置，在其形态学下端放置A₂、a₂琼脂块（图1-c）；一段时间后，将A₂和a₂分别依照图1-b所示的方法加以处理，并测定两组胚芽鞘生长的弯曲度。

对于类比法，只要掌握其中的基本原理或方法，就可以灵活运用，达到培养学生解决生产、生活和学习中类似实际问题的能力。

5 结语

类比法是一种传统的教学手段，已广泛应用于高中生物学教学中。但在多媒体技术得到广泛运用后，一些传统教学方法被放弃了。类比法教学以其直观的对比、教具的简单形象、与生活的联系紧密等优点，能起到不错的效果，但仍有一定的局限性。对此，教师应认识到多媒体技术与学科教学的不断融合，已成为一股清流，更易于被学生所认可（如视频、动画等手段更直观）。然而，教师还应认识到，对其不能过度使用，且不能只流于形式，即在课堂“热闹”的前提下，还要考虑教学的实效性。

如何使传统的教学法与多媒体技术有机结合，发挥各自特长，使课堂效率最大化，更好地落实学科核心素养，仍然是高中生物学教师需要探索的一大课题，有待于在未来的教学中不断努力，以取得更大的突破，最终达成课标所要求的教学目标。

参考文献

[1] 王中寅，蒋中华.类比教学法在高中生物学教学中的应用［J］.生物学教学，2018，43（04）：74-75.

[2] 刘恩山，曹保义.普通高中生物学课程标准（2017年版）解读［M］.北京：高等教育出版社，2018 .

[3] 福建省教育考试院.2024年福建省普通高考学科评价报告［M］.福州：福建人民出版社，2024.

基金资助

教育部福建师范大学基础教育课程研究中心2022年开放课题“基于阅读力、思考力和表达力的高中生物学微专题设计与研究”(KCA2022129)