初中生物學科思想方法的研究

楊 威

(湖北省武漢市教育科學研究院 430030)

1 生物學科思想

生物學科思想是人們在認識生物的活動中運用科學方法的思想意識，是對生物的本質(zhì)、特征和價值的基本認識?？刂普?、信息論和系統(tǒng)論是以系統(tǒng)與環(huán)境之間、系統(tǒng)內(nèi)部的通信及傳遞為基礎(chǔ)的一種控制系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的特點是根據(jù)周圍環(huán)境的某些變化來決定和調(diào)整自己的運動；把系統(tǒng)看作是借助于信息的獲取、傳送、加工、處理而實現(xiàn)其有目的性的運動，綜合研究系統(tǒng)的信息過程；要把事物當作一個整體或系統(tǒng)來加以考察[1]。

1.1 系統(tǒng)論的思想 系統(tǒng)論的核心思想是系統(tǒng)的整體觀念。從系統(tǒng)論的觀點來看，生命系統(tǒng)是一個高度有序的系統(tǒng)；開放的系統(tǒng)；具有耗散特征的系統(tǒng)(生命的維持需要不斷的伴隨著物質(zhì)和能量的消耗)；又是遠離平衡態(tài)的系統(tǒng)(生長、發(fā)育、群落演替、生態(tài)結(jié)構(gòu)變遷)[2]。

初中生物學教材第一單元“生物和生物圈”闡明了生物離不開環(huán)境，生物與環(huán)境共同組成生態(tài)系統(tǒng)。在生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能中，不同生物種群甚至生物個體都是生態(tài)系統(tǒng)中的一個元素，它不能獨立于這個系統(tǒng)起作用，在生態(tài)系統(tǒng)中它有特殊的結(jié)構(gòu)地位和營養(yǎng)級別，也有它的生態(tài)位。某一種群的變化，都會在整個系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生擾動，直到系統(tǒng)通過食物鏈、食物網(wǎng)的調(diào)節(jié)產(chǎn)生新的平衡。其中暗含了生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次，即同種生物的個體構(gòu)成種群，不同種群相互依存構(gòu)成群落，群落與無機自然環(huán)境構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)，種類不同的生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了生物圈。

第二單元“生物體的結(jié)構(gòu)層次”闡明了細胞是最基本的生命系統(tǒng)，除病毒外一切生物都是由細胞構(gòu)成的。細胞有細胞膜，把細胞與外界環(huán)境分隔開，使細胞成為一個相對獨立穩(wěn)定的單位，體現(xiàn)了一個系統(tǒng)一般有明確的邊界。線粒體和葉綠體作為細胞的能量轉(zhuǎn)換器體現(xiàn)了生命的維持需要物質(zhì)能量的代謝。細胞分化形成不同的組織，組織進一步形成器官，器官構(gòu)成系統(tǒng)和個體，從微觀到宏觀的順序體現(xiàn)了生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次。

第三單元“生物圈中的綠色植物”、第四單元“生物圈中的人”、第五單元“生物圈中的其他生物”則分別從植物、動物、微生物三個維度講述了個體層次的生命活動，各有側(cè)重點。植物學部分主要講述了植物與生態(tài)環(huán)境之間的相互關(guān)系，包括水循環(huán)、呼吸作用、光合作用。動物和微生物部分主要講述了生物的結(jié)構(gòu)與功能的相關(guān)性。

為了更好地了解人類的生理特征，第四單元著重講述了構(gòu)成人體的生殖系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、排泄系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)，各系統(tǒng)密切聯(lián)系，共同完成人體的生理活動。

1.2 信息論的思想 在初中生物學課程中，最能體現(xiàn)信息論思想的就是細胞核中包含的遺傳物質(zhì)控制生物的性狀、生長發(fā)育、遺傳變異等一切生命活動?！凹毎纳睢币还?jié)中列舉了克隆羊多莉的資料，從細胞水平闡述細胞核的重要功能：控制生物的遺傳和發(fā)育?！吧锏倪z傳和變異”一章揭示了染色體和基因的結(jié)構(gòu)，并通過孟德爾的豌豆雜交實驗和人的性別決定闡明了基因攜帶的遺傳信息在親代和子代之間傳遞的規(guī)律。此外，還有其他體現(xiàn)信息論學科思想的內(nèi)容。例如，神經(jīng)沖動(物理信息)在神經(jīng)纖維上的傳遞；激素(化學信息)控制生理活動；免疫活動中抗體與抗原的結(jié)合；生態(tài)系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)能力也有賴于生物個體的信息和無機自然環(huán)境的信息傳遞。不難發(fā)現(xiàn)，信息論也蘊含著系統(tǒng)論的思想。

例如，基因控制性狀、免疫活動、神經(jīng)激素調(diào)節(jié)就是分子細胞水平的信息傳遞；種間關(guān)系和種內(nèi)關(guān)系就是個體水平的信息傳遞；還有生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的信息傳遞。

1.3 控制論的思想 控制論的基本思想是反饋，控制論是關(guān)于反饋的科學。初中生物學課程中體現(xiàn)控制論思想的主要是人體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)。生物個體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)是不同層次的生命系統(tǒng)，任何系統(tǒng)的存在和發(fā)展都需要保持穩(wěn)態(tài)?？刂普摰乃枷肱c信息論密不可分，例如免疫反應(yīng)、某些激素的調(diào)節(jié)就是對外界環(huán)境變化的反饋。

1.4 馬克思主義哲學思想 初中生物學教材不僅承載著豐富的教學內(nèi)容，而且蘊涵著許多深刻的哲學思想。

例如，生物的起源和進化就是唯物主義思想的體現(xiàn)；遺傳和變異是典型的對立統(tǒng)一觀點。有意識地將哲學思想滲透到教學中，不僅可以提高學生分析問題、解決問題的能力，還能培養(yǎng)文理兼長的人才。

2 生物學科方法

科學研究的方法大致包括三個層次：①學科內(nèi)的特殊方法，如生物學研究中的同位素標記示蹤法、分離細胞器的方法、解剖方法等；②科學研究的一般方法，這些方法是從物理、化學、生物學等自然科學研究中概括出來的適用于各門自然科學研究的共同方法；③哲學方法，如唯物辯證法、矛盾分析法等，這些方法適用于自然科學、社會科學和思維科學。教材中強調(diào)的科學方法主要指科學研究的一般方法，因為這些方法對所有學生的發(fā)展都具有重要價值，包括獲取經(jīng)驗性材料的方法和理性思維的方法兩大方面[3]。

2.1 觀察法 觀察是科學探究的一種基本方法?？茖W觀察可以直接用肉眼，也可以借助放大鏡、顯微鏡等儀器，或利用照相機、錄音機、攝像機等工具，有時還需要測量?？茖W觀察不同于一般的觀察，要有明確的目的；觀察時要全面、細致和實事求是，并及時記錄下來；對于需要較長時間的觀察，要有計劃，有耐心；觀察時要積極思考，多問幾個為什么。在觀察的基礎(chǔ)上，還需要同他人交流看法，進行討論。

2.2 實驗法 科學方法論中的實驗是指根據(jù)一定的研究目的，在人為控制或干預(yù)研究對象的條件下進行的觀察，它與單純的觀察是不同的。

實驗的目的是探索僅靠觀察所看不到的未知。為了探索這樣的未知，必須對研究對象進行人為控制或施加某種影響。在對照實驗中，經(jīng)過這樣的控制處理的一組實驗稱為實驗組。為了確證實驗組的結(jié)果是由人為進行的這種處理引起的，需要用同樣的研究對象另外設(shè)置不作上述處理的一組實驗進行觀察，這樣的未作實驗處理的一組稱為對照組。這里之所以強調(diào)“一組”，主要是考慮到平行重復的問題。簡單地說，進行了實驗處理的是實驗組，自然狀態(tài)(未加處理)的稱為對照組。針對具體的實驗區(qū)分實驗組和對照組時，需要清楚實驗控制的原理，其原理不外乎加法原理和減法原理兩種：與常態(tài)相比，人為增加某種影響因素即加法原理；人為去除某種因素即減法原理。

例如，在“光對鼠婦分布情況的影響”實驗中，有光照的一組是運用加法原理進行控制的實驗，沒有光照的一組是對照組。德國植物學家薩克斯做的證明光合作用產(chǎn)生淀粉的實驗：對天竺葵進行“饑餓”處理后，讓葉片的一半曝光，另一半遮光，過一段時間后用碘蒸氣檢驗。葉片在自然狀態(tài)下總是要見光的，人為地將一半葉片遮蓋起來，讓光照(實質(zhì)是光合作用)這一因素處于缺失狀態(tài)，這實際上就是運用的減法原理，這一組應(yīng)當屬于實驗組，曝光的一半葉片則屬于對照組。對單因子實驗而言，對照實驗中除了要觀察的變量外，其他變量都應(yīng)當始終保持相同且適宜。

2.3 調(diào)查法 調(diào)查是科學探究常用的方法之一。學生在初中階段對隨機取樣、確定樣本大小、設(shè)計記錄數(shù)據(jù)的表格、計算平均值等調(diào)查方法會有所體驗。

2.4 模擬法 在科學研究中，有時不能對研究對象直接進行控制或干預(yù)性的操作，需要設(shè)計和構(gòu)想出研究對象的替代物，通過對替代物的實驗來獲取經(jīng)驗性材料，這種方法稱為模擬法。

例如， “胸廓的變化與呼吸的關(guān)系”實驗、“精子與卵子隨機結(jié)合”實驗、“探索原始地球生命起源”實驗，所采用的都是模擬法。

2.5 邏輯思維 科學重視證據(jù)和邏輯。上述4種方法主要是用于獲取證據(jù)的，下面對邏輯思維的方法作簡要說明。

2.5.1 歸納和演繹 歸納和演繹是一對思維方向相反的推理形式和思維方法。歸納是從特殊事實中概括出一般原理或規(guī)律的的推理形式和思維方法，演繹是從一般到特殊，根據(jù)一類事物都有的一般屬性、關(guān)系、本質(zhì)來推斷這類事物中的個別事物所具有的屬性、關(guān)系和本質(zhì)的推理形式和思維方法。細胞學說的提出，顯然是運用了歸納推理；孟德爾對測交實驗的預(yù)測，則是運用了演繹推理。歸納和演繹各有優(yōu)勢，也各有局限性，兩者是互為補充、相輔相成的。從近代科學到現(xiàn)代科學，以觀察(實驗)-歸納為主的方法逐漸讓位給以假說-演繹為主的方法。這是因為現(xiàn)代科學從總體上來說，已經(jīng)不是處在經(jīng)驗材料的收集階段，而是處于高度的理論概括和演繹的階段。由于數(shù)學、計算機科學等工具學科的發(fā)展，人們能夠憑借這些工具提出假說，然后演繹出理論體系或具體推論，再通過觀察和實驗來檢驗。當然，在應(yīng)用假說-演繹法時，仍需要以經(jīng)驗歸納法作補充，以一定的實驗事實為根據(jù)。

2.5.2 分析和綜合 分析是把研究對象的整體分解為一個個部分分別加以研究的方法。例如，為了研究各種細胞器的化學組成，必須將各種細胞器從細胞中分離出來，分別加以研究。從近代科學到現(xiàn)代科學，一個基本特點就是把事物分成一段段、一層層地去研究。

例如，生物學中從個體到器官、組織、細胞、細胞各部分的結(jié)構(gòu)、細胞各種結(jié)構(gòu)的化學成分、DNA和RNA、基因……這樣的研究使人們對事物的認識越來越深入，但也容易導致“只見樹木不見森林”。綜合是指把研究對象的各個部分或各個方面聯(lián)系起來考察，從整體上去認識和把握研究對象的思維方法。分析是綜合的基礎(chǔ)，綜合是分析的發(fā)展，兩者是相互依存、相互滲透甚至是相互轉(zhuǎn)化的。

例如，對“細胞的結(jié)構(gòu)和功能”的教學，可先采取分析的方法，引導學生認識細胞膜、細胞核和各種細胞器的結(jié)構(gòu)和功能，這就是分析；接下來引導學生認識細胞內(nèi)各種細胞器的協(xié)調(diào)配合、細胞的生物膜系統(tǒng)，從整體上認識細胞，這就是綜合。

2.5.3 類比 類比是指根據(jù)兩個研究對象的相同或相似方面來推斷它們在其他方面一致性的一種思維方法和推理形式。與歸納和演繹不同的是，類比是從特殊到特殊、從一般到一般的推理。

例如，教材中介紹的對不同種類生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)進行比較，可以推斷它們之間的親緣關(guān)系。在科學研究中，類比推理是提出假說的重要途徑，往往可以導致新發(fā)現(xiàn)、新理論。但應(yīng)當注意的是，類比推理的結(jié)論具有或然性，可能是正確的，也可能是錯誤的，其證實或證偽還需要通過觀察或?qū)嶒灐?/p>

2.6 形象思維 形象思維是借助頭腦中的形象材料來思考問題的一種思維方法，包括表象的再現(xiàn)、想象和聯(lián)想。學生在學習生物學的過程中，會接觸到許多直觀的形象，這些形象會在學生頭腦中形成表象。形象思維的過程就是這些表象的再現(xiàn)、聯(lián)絡(luò)和融合的過程。兩個或兩個以上表象的聯(lián)絡(luò)就是聯(lián)想，許多表象的融合形成新表象的過程就是想象。生物學概念的建構(gòu)離不開形象思維。

例如，關(guān)于真核細胞的結(jié)構(gòu)模型，僅記住各種結(jié)構(gòu)名詞是不夠的，還需要學生在頭腦中有一個立體的細胞形象?？茖W探究能力的發(fā)展也離不開形象思維。善于聯(lián)想和想象是創(chuàng)造性思維的重要特征。例如，在“免疫調(diào)節(jié)”中的非特異性免疫和特異性免疫部分，讓學生聯(lián)想城墻和城市中巡邏的警察；關(guān)于激素調(diào)節(jié)和神經(jīng)調(diào)節(jié)的關(guān)系，讓學生聯(lián)想人類社會的兩種通訊方式——廣播和打電話；在群落的結(jié)構(gòu)部分，讓學生想象森林群落通過自然選擇形成分層結(jié)構(gòu)的大致過程。聯(lián)想和想象活動給學生提供了十分廣闊的思維空間，對于提高學生思維的廣闊性、深刻性和靈活性是大有裨益的。

2.7 直覺和靈感 直覺思維是指未經(jīng)過推理分析而直接對問題的答案作出猜測、設(shè)想或頓悟的思維。直覺思維的本質(zhì)特征是非邏輯性，它能打破常規(guī)思維定勢和邏輯規(guī)則的束縛，因而是創(chuàng)造性思維的重要形式，發(fā)揮著邏輯思維不可取代的作用。但是，直覺并非無中生有，它的產(chǎn)生是與掌握相關(guān)的知識和經(jīng)驗以及豐富的實際活動密切相關(guān)的。靈感是指人們對于反復探究而未能解決的問題，因某種偶然因素的刺激突然領(lǐng)悟到答案的一種心理活動狀態(tài)。其主要特征是突發(fā)性、不可重復性、綜合性和模糊性。靈感不是憑空產(chǎn)生的，而是研究者長期孜孜以求的結(jié)果。直覺和靈感是創(chuàng)新能力的要素。

但是，憑借直覺和靈感提出的假說、觀點和設(shè)想等，往往是不完備、不精確的，還必須運用證據(jù)和邏輯作大量的工作才能使之漸趨完善。應(yīng)當說明的是，一個人的直覺和靈感是無法訓練出來的。因此，教材中沒有安排有關(guān)的思維訓練的內(nèi)容，而是通過介紹科學家的故事，讓學生在這方面有所感悟。