加拿大高中生物學(xué)教材中的“思想實驗”及其教育意義

馬文奎 胡利明 樂 麗

(廣東省深圳市福景外國語學(xué)校 深圳 518034)

在科學(xué)研究過程中，有一種無形實驗——“思想實驗”(thought experiment)，有的學(xué)者稱之為思維實驗。奧地利科學(xué)家恩斯特·馬赫在《論思想實驗》中首次將思想實驗作為一種科學(xué)方法論提出[1]。思想實驗是借助于已有的經(jīng)驗、知識和理論，進行邏輯思維，得出未知的探索性結(jié)論的高智能思維活動。

思想實驗作為一種科學(xué)方法論，無論在社會科學(xué)還是自然科學(xué)的發(fā)展中都具有重要的作用。高中學(xué)生的抽象思維能力已經(jīng)發(fā)展到了一定水平，在高中學(xué)生中開展思想實驗是符合學(xué)生的心理發(fā)展規(guī)律的。尤其是一些不能進行實際操作的探究實驗，或者實證實驗的理論知識學(xué)習(xí)，可以設(shè)計相應(yīng)的思想實驗活動。

1 加拿大高中教材中思想實驗應(yīng)用舉例

加拿大麥格勞希爾瑞爾森公司(McGraw-Hill Ryerson)出版的10年級高中生物學(xué)教材Inquiry Into Biology[2]中，單獨開設(shè)了思想實驗欄目。在這一本教材中，單列出來的思想實驗欄目就有52個?，F(xiàn)列舉該教材中具有代表性的思想實驗并作簡要分析。

1.1 應(yīng)用舉例1：“超級細菌”進化 金黃色釀膿鏈球菌(Staphylococcusaureus)能引起兒童耳部感染和病人傷口致命性感染。與其他微生物一樣，金黃色釀膿鏈球菌繁殖較快，它們以每20 min分裂一次的頻率進行無性繁殖。在10 h后，一個細菌可產(chǎn)生10億個以上的后代。

由于這種令人震驚的繁殖速度，種群中的有利變異會以很快的頻率增加。細菌個體的快速克隆，能抵抗環(huán)境條件的變化(如存在抗生素的環(huán)境)，從而增加科學(xué)家開發(fā)有療效的抗生素的難度。

1.1.1 步驟 具體如下：

(1) 閱讀表1中的數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，金黃色釀膿鏈球菌對某一特定的抗生素產(chǎn)生抗性是在什么時間？

(2) 用不同顏色的紙牌模擬一個金黃色葡萄球菌種群是怎樣演變得對抗生素有抗性。(提示： 用某種顏色的紙牌代表對抗生素有抗性的細菌)

1.1.2 分析 具體如下：

(1) 解釋以下情況怎樣引起病人體內(nèi)的金黃色葡萄球菌的抗生素抗性。一個病人使用紅霉素治療傷口感染。然而一周后，傷口看上去已經(jīng)好了，病人停止服用抗生素。

表1 金黃色葡萄球菌抗生素抗性的歷史發(fā)展

(2) 和合作學(xué)生一起，選擇下列一個問題研究。準備書面的、口頭的或者多媒體形式的發(fā)言，分享你的成果： ①濫用抗生素是如何引起細菌抗生素抗性的？②為什么一些農(nóng)業(yè)活動有助于某些細菌種類的抗生素抗性，并且是如何引起人類致病菌的抗性的？

1.1.3 思考 該思想實驗的技能目標有兩個： 第一是分析數(shù)據(jù)和應(yīng)用概念模型說明金黃色釀膿鏈球菌種群中的抗藥性是怎樣產(chǎn)生的；第二是收集和記錄關(guān)于細菌中的抗藥性產(chǎn)生的信息。

這是一個深入社會的涉及STS教育的思想實驗。當學(xué)習(xí)了有關(guān)生物進化理論的知識后，運用所學(xué)知識對一些社會問題進行分析。這里提供了兩個社會中存在的真實場景： 一個是醫(yī)藥領(lǐng)域抗生素的使用；另一個是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域農(nóng)藥的使用。通過合作學(xué)習(xí)的方式，準備書面或者口頭的材料，用生物進化理論來解釋細菌或者害蟲抗藥性產(chǎn)生的原因。

1.2 應(yīng)用舉例2： 分析遺傳系譜圖 具體內(nèi)容如下：

1.2.1 步驟 你已經(jīng)學(xué)習(xí)了單基因遺傳特征的系譜圖。遺傳系譜圖也可用于研究復(fù)等位基因的遺傳特征。下面的遺傳系譜圖(圖1)中，不同血型由字母A、 B、 AB和O表示。檢查遺傳系譜圖，然后回答下列問題。

圖1 遺傳系譜圖

1.2.2 分析 具體如下：

(1) 個體Ⅰ4和個體Ⅰ6都沒有驗過血，他們的血型是什么？寫出盡可能多的個體的基因型。哪些基因型不能確定？解釋理由。

(2) 個體Ⅲ3和血型為AB的男子結(jié)婚，并且他們有四個孩子，這些孩子中會有O型血嗎？解釋理由。

(3) 個體Ⅱ1和Ⅱ2有了第二個孩子，當你看了這個孩子的驗血結(jié)果后，你知道父母的基因型都為ⅠAi，這個孩子是什么血型？

(4) 使用這里的遺傳系譜的例子，描述人類遺傳分析應(yīng)用方面的缺陷。這些缺陷以什么方式影響遺傳學(xué)研究？

(5) 血液驗型常用作父系遺傳疑難問題的輔助解決途徑，驗血能確定一個男人是某個孩子的父親嗎？解釋理由。

1.2.3 思考 這個思想實驗技能目標是繪制和解釋人類遺傳系譜圖，根據(jù)所學(xué)的遺傳規(guī)律方面的知識，充分調(diào)動學(xué)生的邏輯思維能力，解決一些社會問題。

在具體的知識方面，控制ABO血型系統(tǒng)的復(fù)等位基因遺傳，同樣是符合孟德爾遺傳定律的。國內(nèi)的人教版高中生物學(xué)教材里沒有涉及這方面的知識，但是在課后的習(xí)題、生物競賽中有這方面的專題訓(xùn)練。其實，這個思想實驗相當于國內(nèi)一些教輔材料中的一個習(xí)題訓(xùn)練，運用遺傳學(xué)的基本規(guī)律進行遺傳系譜的分析。但是，在問題分析中比國內(nèi)的習(xí)題訓(xùn)練多了“需要陳述的問題”。而且這些問題是與社會實踐和科技發(fā)展有關(guān)的問題，對于培養(yǎng)學(xué)生的社會責任方面的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)有促進作用。

1.3 應(yīng)用舉例3： 毛發(fā)的同源性 哺乳動物是唯一擁有毛發(fā)的動物。各種哺乳動物之間，毛發(fā)有長度、密度、質(zhì)地和顏色的差異。然而，毛發(fā)的基本結(jié)構(gòu)是相同的。每根毛發(fā)都有中央髓質(zhì)，被致密的皮質(zhì)包圍；皮質(zhì)中含有大量的色素顆粒，使毛發(fā)表現(xiàn)出特有的顏色(圖2)。皮質(zhì)被角質(zhì)層覆蓋。角質(zhì)層具有種屬的特異性。因此，哺乳動物毛發(fā)有一個共同的起源，也具有不同的功能。在這次活動中，將調(diào)查哺乳動物毛發(fā)功能的多樣性。

圖2 毛發(fā)的橫切面

1.3.1 步驟 具體如下：

(1) 3～4位學(xué)生形成小組合作。

(2) 每位學(xué)生從下列表單中選擇不同類型的哺乳動物毛發(fā)： ①豪豬短而結(jié)實的毛發(fā)；②海獺致密的下層毛發(fā)；③貓的觸須(腮須)；④獅子的鬃毛；⑤長毛象的長而厚的毛發(fā)；⑥犀牛的角(由致密的壓縮的毛發(fā)形成)；⑦穿山甲的“甲”(由毛發(fā)演變而來)；⑧麝牛柔軟蓬松的麝牛毛(皮毛)。

(3) 觀察所選擇的毛發(fā)結(jié)構(gòu)，研究動物的生活方式和習(xí)性可以解釋毛發(fā)的特定功能。

1.3.2 分析 具體如下：

(1) 根據(jù)所收集的信息和對自然選擇的理解，解釋下面問題： ①毛發(fā)的結(jié)構(gòu)是怎樣與動物周圍的非生物條件相聯(lián)系的？②寫出一個假設(shè)，描述共同的哺乳動物祖先的毛發(fā)的基本結(jié)構(gòu)怎樣產(chǎn)生多樣性。

(2) 以書面的或者口頭的報告形式、電腦展示或其他易于分享的形式，在小組中向其他學(xué)生介紹你的發(fā)現(xiàn)。

(3) 寫一篇短文，描述小組成員所研究的毛發(fā)的一個相似點和一個不同點。

1.3.3 思考 這個思想實驗技能目標是對毛發(fā)結(jié)構(gòu)變異的適應(yīng)性意義進行假設(shè)；分析利用電子研究技術(shù)所顯示的毛發(fā)的結(jié)構(gòu)，形成與毛發(fā)有關(guān)的同源器官的概念，確定模型和概念之間的聯(lián)系。在這個活動中，通過分析和類比等批判性思維方式，使“同源器官”這個概念得到建構(gòu)，對“生物的多樣性和適應(yīng)性是生物進化的結(jié)果”這個生物學(xué)大概念有更深入的理解。

2 思想實驗的教育意義

在思想實驗的實際操作過程中，高中學(xué)生的演繹推理能力、空間的想象能力和思維發(fā)散性等抽象思維能力會得到進一步的訓(xùn)練和提高。思想實驗的教育意義在于以下幾個方面：

2.1 打破時空限制，節(jié)約資源 思想實驗不需要昂貴的實驗室設(shè)施和一些實驗儀器，還能打破時空限制，隨時隨地進行。有時只要一張紙和一支筆就可以進行，甚至外在的設(shè)施都不要，只要用腦進行思維即可。在課堂上，教師可設(shè)置虛擬的符合實際的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生思考，推知可能的實驗結(jié)論。尤其是在教學(xué)設(shè)施簡陋的農(nóng)村學(xué)校，思想實驗有廣闊的用武之地。

2.2 提高學(xué)生的抽象思維能力 高中階段形成的價值取向和思維習(xí)慣直接影響了今后創(chuàng)造能力的發(fā)展可能，思想實驗?zāi)芴岣邔W(xué)生的科學(xué)思維水平[3]。抽象思維是科學(xué)思維的重要組成部分。某個思想實驗涉及到思維能力可能是一種或幾種： 有的培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力，有的培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理能力，有的培養(yǎng)學(xué)生批判性思維能力，有的培養(yǎng)學(xué)生歸納總結(jié)能力。在教學(xué)過程中，有目的地設(shè)置一系列思想實驗，有利于學(xué)生各種抽象思維能力的發(fā)展。

2.3 構(gòu)建完整的知識理論體系 建構(gòu)主義教學(xué)觀認為新的知識必須納入到原有的知識體系中，形成知識網(wǎng)絡(luò)，重構(gòu)知識新框架體系，這樣學(xué)到的新知識才能真正理解和應(yīng)用，這樣的學(xué)習(xí)才是有效的、有意義的學(xué)習(xí)。而進行思想實驗時，運用已有的經(jīng)驗、知識和理論進行一系列的思維活動，在解決問題的過程中，自然而然獲得了新知識，并且新知識和已有的經(jīng)驗或者知識形成了內(nèi)在的本質(zhì)的聯(lián)系，是原有的知識結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的新增長點。

2.4 培養(yǎng)創(chuàng)新性思維和創(chuàng)新精神 思想實驗在構(gòu)建一個虛擬的實驗情境時，需要充分發(fā)揮個人的想象能力、創(chuàng)新思維。在進行探究性實驗的設(shè)計時，必然要涉及到邏輯思維： 第一階段觀察現(xiàn)象提出問題、第二階段作出假設(shè)和第三階段設(shè)計實驗都可歸結(jié)于思想實驗的范疇。而最后的實驗結(jié)果的分析、得出結(jié)論，以及表達和交流也離不開邏輯思維。不同的學(xué)生可能設(shè)計實驗所運用的實驗原理不同，所用的材料不同，設(shè)計的實驗步驟不同等。這些多樣化的實驗設(shè)計就是創(chuàng)新思維的體現(xiàn)。在評價中，所需批判性思維和質(zhì)疑精神也是創(chuàng)新能力的表現(xiàn)。