試論科學(xué)思維及其在生物學(xué)學(xué)科中的獨(dú)特性

吳成軍

(人民教育出版社/課程教材研究所 北京 100081)

科學(xué)思維作為生物學(xué)核心素養(yǎng)的主要內(nèi)容，是形成生命觀念的重要途徑，也是科學(xué)探究的重要組成部分。生物學(xué)中的一些重要概念，如定律、原理、規(guī)律等都是人類科學(xué)思維的產(chǎn)物，形成這些概念一般需要進(jìn)行分析、比較、歸納、演繹、綜合、抽象和概括等科學(xué)思維的過程和方法。科學(xué)思維既重視概念形成的結(jié)果，也關(guān)注概念的形成過程。因此，發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的能力和品質(zhì)是生物學(xué)教學(xué)的重要目標(biāo)之一。

1 科學(xué)思維的定義及其特征

科學(xué)思維有不同的定義。胡衛(wèi)平等[1]提出：科學(xué)思維就是具有意識的人腦對自然界中事物(包括對象、過程、現(xiàn)象、事實(shí)等)的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及自然界中事物間的聯(lián)系和相互關(guān)系的間接的、概括的和能動的反映。這個(gè)定義偏重于將思維和概念合為一體，沒有準(zhǔn)確地界定科學(xué)思維的本質(zhì)特征；《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》的表述是：科學(xué)思維是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度、運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物，解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力[2]。該定義認(rèn)為科學(xué)思維是一種態(tài)度、習(xí)慣和能力，缺乏對科學(xué)思維的過程和品質(zhì)的闡釋；《普通高中物理學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》的表述是：科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式；是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用；是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格[3]。這個(gè)定義認(rèn)為科學(xué)思維是一種認(rèn)識方式、過程、運(yùn)用、能力與品格的統(tǒng)一，從心理學(xué)層面上比較好地闡釋了科學(xué)思維的顯性特征。需要指出的是，盡管物理課程標(biāo)準(zhǔn)是以物理學(xué)視角來界定科學(xué)思維，但所提出的科學(xué)思維的這些特征在化學(xué)、生物學(xué)等自然科學(xué)中同樣存在。

基于科學(xué)思維的心理學(xué)特點(diǎn)，結(jié)合上述科學(xué)思維的闡述，筆者認(rèn)為：科學(xué)思維是指人對自然界中客觀事物的一種認(rèn)識行為、認(rèn)知方式和認(rèn)知品質(zhì)的反映。中學(xué)科學(xué)教育層面的科學(xué)思維，還包含有激發(fā)學(xué)生“崇尚真知，追求科學(xué)知識”的認(rèn)知動機(jī)?？茖W(xué)思維具有以下一些顯性特征：①崇尚真知，認(rèn)同科學(xué)知識、原理和方法在解決問題中的作用(認(rèn)知動機(jī))；②尊重事實(shí)和證據(jù)，以事實(shí)和證據(jù)作為科學(xué)思維的起點(diǎn)(認(rèn)知行為)；③正確的邏輯分析，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物及事物之間的聯(lián)系(認(rèn)知方式)；④質(zhì)疑和批判，創(chuàng)造性地提出觀點(diǎn)、方法，以解決具體的問題(認(rèn)知品質(zhì))。這些特征可以用結(jié)構(gòu)圖(圖1)表示它們之間的關(guān)系。

圖1 科學(xué)思維特征的結(jié)構(gòu)

認(rèn)知動機(jī)是科學(xué)思維的起點(diǎn)，只有在“崇尚真知，追求科學(xué)知識、原理和方法”的基礎(chǔ)上，我們才會相信科學(xué)，進(jìn)行科學(xué)分析，產(chǎn)生“尊重事實(shí)和證據(jù)”的認(rèn)知行為；“尊重事實(shí)和證據(jù)”是科學(xué)思維的前提；認(rèn)知行為如何具體落實(shí)為認(rèn)識方式呢？進(jìn)行“正確的邏輯分析和推理”是認(rèn)識事物及事物之間聯(lián)系的核心；在認(rèn)知的過程中，需要堅(jiān)持質(zhì)疑和批判的認(rèn)知精神和品質(zhì)。由此可見，認(rèn)知動機(jī)、認(rèn)知行為、認(rèn)知方式、認(rèn)知品質(zhì)是逐級提升的，體現(xiàn)出科學(xué)思維鮮明的邏輯層次。而認(rèn)知品質(zhì)又會在科學(xué)思維的全部過程之中得以體現(xiàn)。

2 科學(xué)思維方法的分析

科學(xué)思維的表現(xiàn)形式是科學(xué)思維方法，即認(rèn)識事物的本質(zhì)及事物之間的關(guān)系需要一定的方法才能得出正確的結(jié)論?？茖W(xué)思維方法有多種分類，其中按思維的抽象程度可以分為：動作思維(直覺)、形象思維(觀察、想象)和邏輯思維(抽象)。邏輯思維是概念形成的重要方式，而科學(xué)課程的主要內(nèi)容之一是形成各種概念、原理和規(guī)律，因此，邏輯思維是科學(xué)思維的主要表現(xiàn)形式，是科學(xué)課程中需要著重培養(yǎng)的思維。邏輯思維主要表現(xiàn)為：比較與分類、歸納與演繹、分析與綜合、抽象與概括等[4]。批判性思維包括三個(gè)緊密聯(lián)系、相互影響的階段：分析思維方式階段、評估思維方式階段、提高思維方式階段[5]。批判性思維包含了邏輯思維的全部特點(diǎn)，是科學(xué)思維的高階水平。

科學(xué)思維方法的種類、基本內(nèi)涵和在生物學(xué)中的應(yīng)用舉例(表1)。

表1 科學(xué)思維方法的內(nèi)涵、相互關(guān)系

上述科學(xué)思維方法都是形成概念的重要方法，而概念也是一種重要的模型，概念的形成過程就是建立模型的過程，即建立模型也要用到上述科學(xué)思維方法。例如，光合作用的概念就是一個(gè)概念模型，它是在一系列探索光合作用的原料、條件、場所、產(chǎn)物和過程的基礎(chǔ)上，進(jìn)行分析與綜合的產(chǎn)物。除概念模型外，數(shù)學(xué)模型和物理模型的建立都要用到表1中的邏輯思維方法。

邏輯思維在概念的形成中有著重要作用。某種概念的形成既有可能是比較與分類、歸納與演繹的結(jié)果，也可能是分析與綜合、抽象與概括的結(jié)果。例如，學(xué)生學(xué)習(xí)有關(guān)魚的特征就是一個(gè)鮮活的事例。教師讓學(xué)生觀察各種各樣的魚，分析這些魚的外部形態(tài)和生理特征，從中歸納和概括出魚所具有的共同特征：生活在水中，身體呈流線型，體表有鱗片，用鰭平衡和游泳，用鰓呼吸。在這個(gè)過程中就使用了分析、歸納、抽象和概括。因此，概念的建構(gòu)要用到多種邏輯思維方法，其中分析和比較是基礎(chǔ)的邏輯思維方法，其他方法都是建立在分析、比較的基礎(chǔ)上的。抽象程度越高的概念，用到的邏輯思維方法就越高級。圖2呈現(xiàn)了常用的幾種邏輯思維方法之間的關(guān)系。

圖2 常用的幾種科學(xué)思維方法之間的關(guān)系

3 科學(xué)思維在生物學(xué)科中的獨(dú)特性

生物學(xué)研究的對象十分復(fù)雜而且多樣，因而決定了科學(xué)思維在生物學(xué)中的復(fù)雜性、靈活性和整體性。從復(fù)雜性來看，人既是研究的主體，也是研究的對象，所有的生物都是生物學(xué)研究的對象；除病毒外，這些生物的結(jié)構(gòu)組成單位都是細(xì)胞，其基本的物質(zhì)組成大致相同，因?yàn)橛泄餐卣?；各種生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)差異極大，這些生物所依賴的環(huán)境各不相同，而且在同一環(huán)境中的生物也差異極大，這就決定了研究這些生物要有復(fù)雜性思維。從靈活性來看，盡管在研究生物及生命現(xiàn)象的各個(gè)層面上有著許多的共性，但所形成的概念沒有絕對的論述。例如，相對于其他體細(xì)胞來說，紅細(xì)胞既沒有細(xì)胞核，也沒有相應(yīng)的細(xì)胞器，不能用共性的特征來硬套所有的研究對象；又如，對于“生物是不斷進(jìn)化的，是從水生到陸生、從簡單到復(fù)雜，從低等到高等進(jìn)化的”的認(rèn)知，就要以靈活的思維來分析，否則就無從解釋現(xiàn)在的地球上為什么還有那么多的低等生物在生存，而且它們還表現(xiàn)出對環(huán)境的適應(yīng)；再如，同樣的水體污染，不同的地理和人文環(huán)境決定了污染的方式各不相同，農(nóng)村的水體污染可能是農(nóng)田施用化肥過多或者生活污水排入所致，城市的水體污染有可能是化工廠排污所致，這就需要針對污染的周邊環(huán)境、所處地理位置的不同而進(jìn)行不同的考慮。從整體性來看，看待生物及其生命現(xiàn)象，既要進(jìn)行局部分析，更要進(jìn)行整體考量。例如，分泌蛋白的形成，不能僅從合成蛋白質(zhì)的最初場所核糖體來考慮，還要考慮內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體的作用，同時(shí)不能忘了線粒體提供的能量；研究一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，不能過分夸大生產(chǎn)者的作用，不能簡單地認(rèn)為消費(fèi)者可有可無，這就是整體思維的作用。

生命觀念既是一種認(rèn)知結(jié)論，也是一種認(rèn)知方式[6]；科學(xué)思維強(qiáng)調(diào)認(rèn)知方式，是形成生命觀念的重要途徑，因此，科學(xué)思維和生命觀念有著共同的特征，即認(rèn)知方式的統(tǒng)一(圖3)。例如，“進(jìn)化和適應(yīng)”是一種生命觀念，是科學(xué)思維的產(chǎn)物，但也可以用進(jìn)化和適應(yīng)的思維來看待和分析一些生物現(xiàn)象。例如，人們經(jīng)常用進(jìn)化的思維來分析一些生物的結(jié)構(gòu)和功能的不同之處，用適應(yīng)的思維來分析一些生物所具有的結(jié)構(gòu)與功能的必然聯(lián)系。

圖3 科學(xué)思維和生命觀念關(guān)系圖

正是因?yàn)樯^念與科學(xué)思維在認(rèn)知方式上的共性關(guān)系，因而極大地豐富了科學(xué)思維在生物學(xué)中的內(nèi)涵。一些具有生命觀念的科學(xué)思維就組成了生物學(xué)科學(xué)思維的獨(dú)特性，如生命系統(tǒng)思維、平衡思維、多因素思維、統(tǒng)一性和多樣性思維等。這些思維要求對事物進(jìn)行多因素、多角度的客觀分析，既要有邏輯推理，又要考慮到實(shí)際情況，進(jìn)行綜合理解。例如，對概念、規(guī)律和原理不能作絕對的理解，對問題的求解不過分追求非此即彼的標(biāo)準(zhǔn)答案。下面以多因素思維為例進(jìn)行分析。在分析生命及其活動規(guī)律時(shí)，既要分析影響生物的各種因素，也要從中找出最主要的因素。例如，影響光合作用的因素有光照(光照時(shí)間、光照強(qiáng)度、光質(zhì))、溫度、濕度等；影響種子萌發(fā)的條件有溫度、水分、氧氣、光照等。在一個(gè)特定的情境下，有時(shí)為了弄清楚各種因素的影響程度，還需要人為地控制變量，形成單一變量以設(shè)置對照實(shí)驗(yàn)進(jìn)行處理。多因素思維還需要學(xué)生理解生物科學(xué)中復(fù)雜的因果關(guān)系。除經(jīng)典的一因一果(如一個(gè)基因產(chǎn)生一種酶，決定一種性狀)之外，還需要學(xué)會理解和分析一因多果、多因一果、多因多果的邏輯關(guān)系。多因素分析有利于學(xué)生認(rèn)識事物的復(fù)雜性，形成透過問題看本質(zhì)、分清主要因素和次要因素的哲學(xué)觀念，有利于學(xué)生更好地認(rèn)識事物，適應(yīng)復(fù)雜的社會生活。