科學解釋的生物學教育價值

劉夢琦 安云彥 李秋石

(河北師范大學生命科學學院 石家莊 050024)

科學解釋是“將科學理論與科學觀察結(jié)果或現(xiàn)象相聯(lián)系的描述[1]”，是一種特殊的科學論證。而科學論證又是一種典型的科學實踐。因此，科學解釋是關(guān)注于科學實踐、依賴于科學發(fā)展而存在的一種論證方法?？茖W解釋能力就是將現(xiàn)有的科學知識和來自觀察、實驗或模型的新證據(jù)組合成具有內(nèi)在一致性的、符合邏輯的說明的能力[2]，包括推測事件發(fā)生原因、預測可能發(fā)生情況、闡明特點現(xiàn)象本質(zhì)等3個要素。

在高中生物學新課程的課堂教學過程中，科學解釋生物學現(xiàn)象和規(guī)律是學生獲取生物學知識的重要途徑。新課程標準提出： 高中生物學課程與教學始終以提高生物學學科核心素養(yǎng)為宗旨，要求學生能主動地參與學習、獲取生物學知識、養(yǎng)成科學思維的習慣、形成積極的科學態(tài)度、發(fā)展終身學習和創(chuàng)新實踐能力。體現(xiàn)了高中生物學課程科學性與社會性的統(tǒng)一，這中間的每一個環(huán)節(jié)都蘊含著科學解釋。此外，在高中生物學教學中，科學解釋也是一種重要的、具有生物學學科特征的教育性實踐。這種學科特征體現(xiàn)在學生在生物學教師的指導下，以生物學問題為中心，有目的地運用所獲得的生物學規(guī)律，探尋生物學現(xiàn)象的原因、根據(jù)和本質(zhì)，達到對生物學現(xiàn)象的理解和說明，進而將理論回歸于實踐，在特定的生物學情境中基于多樣化的學習過程分析和解決復雜的生物學問題?？茖W解釋的生物學教育價值歸于以下4點：

1 科學解釋推動生物學探究性學習的進程

在演繹—規(guī)律解釋模型中，被解釋項是經(jīng)驗規(guī)律或自然事件，解釋項是包含普遍規(guī)律的前提。該模型可運用于生物學探究教學。在生物學教學中運用演繹—規(guī)律解釋模型，就是讓學生在真實的情境中，整合現(xiàn)有的科學事實和原理、運用科學的思維和模擬重現(xiàn)生物學規(guī)律的探究歷程。下面以“物質(zhì)的跨膜運輸”內(nèi)容為例：

被解釋項： 經(jīng)驗規(guī)律或自然事件——成熟植物細胞在溶液中發(fā)生質(zhì)壁分離和復原。

解釋項： 普遍規(guī)律原理——成熟植物細胞中的原生質(zhì)層具有選擇透過性；外界溶液與細胞液之間存在濃度差；原生質(zhì)層比細胞壁具有更大的伸縮性。

科學實踐： 通過鏡檢判斷成熟植物細胞的死活、測定細胞液濃度范圍、比較不同成熟植物細胞的細胞液濃度和鑒別不同種類的溶液等。

在這個過程中，學生真正進行思考、主動發(fā)現(xiàn)、解決問題和探究生物學規(guī)律的本質(zhì)，歷經(jīng)了觀察情境、現(xiàn)象探究、問題猜測、假說驗證和得出結(jié)論等五個環(huán)節(jié)。因此，科學解釋不僅促使學生的思維向著更加科學的方向發(fā)展，也推動探究性學習的進程，促進學生科學思維的達成。

2 科學解釋促進生物學概念性知識的理解

在歸納—統(tǒng)計解釋模型中，被解釋項是事實或經(jīng)驗的統(tǒng)計規(guī)律，解釋項是理論的統(tǒng)計規(guī)律。該模型可用于生物學概念教學。在生物學教學中運用歸納—統(tǒng)計解釋模型，就是學生在實例情境中，結(jié)合已有知識和情境中的多個特定實例，統(tǒng)整已有的事實、現(xiàn)象、結(jié)果和數(shù)據(jù)，運用科學思維對于典型線索進行科學分析，形成基于實例的規(guī)律并進行歸納，最終得到一般概念。下面以“遺傳信息控制生物體的性狀”內(nèi)容為例：

被解釋項： 實例①，鐮刀型細胞貧血癥、囊性纖維病等，經(jīng)驗的統(tǒng)計規(guī)律——功能異?！鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu)異?！幋a該蛋白的基因異常；實例②，白化病、圓粒和皺粒豌豆，苯丙酮尿癥、紅眼和白眼果蠅等。經(jīng)驗的統(tǒng)計規(guī)律——代謝(功能)異常←酶(蛋白質(zhì))的合成異?！幋a該酶(蛋白質(zhì))的基因異常。

解釋項： 理論的統(tǒng)計規(guī)律——基因通過控制蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)直接控制生物體性狀，也能通過控制酶的合成來控制代謝過程，進而間接控制生物體的性狀；但總的來說，基因是通過控制蛋白質(zhì)的合成(結(jié)構(gòu)或數(shù)量)來控制生物體的性狀。

在此過程中，學生完整地經(jīng)歷了典型分析、抽象概括和得到一般論斷的科學歸納推理。因此，科學解釋在促進學生掌握生物學概念性知識的同時，也有利于科學思維的達成。

3 目的—功能解釋促進學生科學認識論的建立

在目的—功能解釋模型中，被解釋項是一般規(guī)律，解釋項是實現(xiàn)這個一般規(guī)律的主體所具有的功能。該模型可用于生物學結(jié)構(gòu)與功能觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀等的教學。在生物學教學中運用目的—功能解釋模型，就是學生就情境中的真實問題進行溯因推理，從生物學現(xiàn)象或事實出發(fā)，運用一般性規(guī)律知識進行猜測推導，尋找能夠解釋此生物學現(xiàn)象或事實的根本原因。下面以“人體血糖調(diào)節(jié)”內(nèi)容為例：

被解釋項： 一般規(guī)律——人體內(nèi)血糖水平不會無限上升或無限下降。

連鎖問題： ①為什么血糖濃度會降低和升高？因為有胰島素和胰高血糖素分別控制血糖的降低和升高。②為什么血糖濃度到了一定程度就不再降低或升高了？因為胰島素或胰高血糖素不再分泌。③為什么胰島素或胰高血糖素會停止分泌？因為胰島B細胞或胰島A細胞受到了抑制。

解釋項： 功能——胰島素和胰高血糖素相互拮抗，通過反饋調(diào)節(jié)機制維持機體穩(wěn)態(tài)。

在此過程中，學生就一個起始問題產(chǎn)生連鎖問題、進行連鎖推理，逐漸形成“如果要達到解釋項，那么就要發(fā)生被解釋項，所以可能的原因是解釋項”的連貫的科學邏輯思維，進而推廣應用到其他類似的問題中。因此，科學解釋促進學生建立起科學的認識論模型并進行科學實踐。

4 發(fā)生論解釋促進學生科學認識論的建立

在發(fā)生論解釋模型中，被解釋項是系統(tǒng)的當前狀態(tài)，解釋項是系統(tǒng)的過去狀態(tài)。該模型可用于生物學進化與適應觀的教學。在生物學教學中運用發(fā)生論解釋模型，就是學生在真實情境中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)當前狀態(tài)中存在的問題，借助已知生物學規(guī)律和事實線索，以當今時間為起點，向過去的時間和更加廣闊的范圍追溯并搜索歷史證據(jù)，探知造成系統(tǒng)當前狀態(tài)的歷史根源，依據(jù)歷史提出當前狀態(tài)中問題的解決方案。下面以“生物多樣性”內(nèi)容為例：

被解釋項： 當前狀態(tài)——生物多樣性銳減。

歷史溯源： ①生物多樣性銳減的直接原因： 新物種形成的速度大大落后于現(xiàn)有物種滅絕的速度；②現(xiàn)有物種滅絕的原因： 植被破壞、海洋污染和全球氣候變暖，都是導致現(xiàn)有物種滅絕的原因；③造成滅絕性事件的主體： 絕大多數(shù)的滅絕原因都可以追溯到人類活動；④如何阻止生物多樣性銳減： 將人類活動的影響降到最低才能阻止生物多樣性的銳減；⑤保護生物多樣性的措施。

解釋項： 過去狀態(tài)——生物多樣性增加，生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展。

在這個過程中，學生經(jīng)歷了連貫追本溯源，通過分析證據(jù)鏈，認識到一個系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展不僅需要經(jīng)歷漫長的時間跨度，還需要多因素的協(xié)同作用；而一個系統(tǒng)的崩潰卻是如此的輕易和迅速。因此，學生在科學解釋的過程中感悟生命觀念、體會社會責任，促進公民素養(yǎng)的提升。

5 總結(jié)

以上4種科學解釋模型僅分別從一個側(cè)面體現(xiàn)科學解釋能力在高中生物學教學中的價值，但生物學教學中用到的科學解釋模型并不單純只有一種，很多時候是由多個科學解釋模型交叉而成。下面以“分離定律與自由組合定律”內(nèi)容為例：

被解釋項： 經(jīng)驗規(guī)律或自然事件——生物的性狀是由遺傳因子決定的；體細胞中的遺傳因子成對存在。經(jīng)驗的統(tǒng)計規(guī)律——親本具有兩對相對性狀；子一代均表現(xiàn)為顯性性狀，子二代出現(xiàn)性狀分離。

解釋項： 理論的統(tǒng)計規(guī)律——每一對相對性狀的遺傳都遵循分離定律。

普遍規(guī)律原理——位于同源染色體上的等位基因在減數(shù)第一次分裂后期發(fā)生等位基因分離，分別進入不同的配子，隨雌雄配子的隨機結(jié)合遺傳給后代；同時，位于非同源染色體上的非等位基因自由組合。

總之，以往的生物學教學中，教師通常注意的是學生對知識產(chǎn)生過程的認識，而忽略了學生對于該過程中的活動的本質(zhì)認識。教師應充分地重視科學解釋的生物學教育價值，重視學生科學解釋能力的培養(yǎng)，把握科學解釋的推測原因、預測可能和闡明本質(zhì)這三個要素，保證解釋方向的科學性、邏輯推理的嚴明性和素養(yǎng)達成的完整性[3]。關(guān)注學生將具體經(jīng)驗與科學概念的本質(zhì)屬性相聯(lián)系的認識與能力的提升，促進學生生物學核心素養(yǎng)的達成。

(基金項目： 2017～2018年河北省高等教育教學改革研究與實踐項目，No.2017GJJG507；河北省教育科學研究“十三五”規(guī)劃2016年度重點資助課題，No.1602055；*通信作者)