小議高中生物教學(xué)中有關(guān)科學(xué)思維的誤區(qū)

朱滿員

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中明確提出了學(xué)科的教學(xué)應(yīng)以“發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)”為宗旨。而生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任。在這四大素養(yǎng)中又以科學(xué)思維最為基礎(chǔ)?？茖W(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(shí)事物、解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力。要真正理解科學(xué)思維的內(nèi)涵，就需要先理解“什么是科學(xué)”?？墒菑膩頉]有一個(gè)普遍適用的可作劃分科學(xué)與非科學(xué)的金標(biāo)準(zhǔn)，加之國(guó)人嚴(yán)密推理“先天不足”，而比附式推理盛行，所以，對(duì)科學(xué)思維就會(huì)產(chǎn)生諸多誤解，如混淆因果性與相關(guān)性、不理解概率等。

1相關(guān)性不等于因果性

1.1相關(guān)性與因果性

變量間的關(guān)系有許多種，比如因果關(guān)系、相關(guān)關(guān)系、回歸關(guān)系等。其中因果關(guān)系與相關(guān)關(guān)系是最為基本的兩種關(guān)系，也是最易被人混淆的。

如，2018年11月浙江省選考生物學(xué)試題中的第30題第（2）小題：

在“探究環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響”的活動(dòng)中，選用某植物幼苗，用含有100mmol/LNaCl的完全營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)，測(cè)定其光合作用速率和氣孔導(dǎo)度，結(jié)果如圖所示。本實(shí)驗(yàn)可推出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是__。

參考答案為：NaCl處理導(dǎo)致光合作用速率和氣孔導(dǎo)度下降，且隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)，抑制越明顯

可許多學(xué)生卻答成：植物的氣孔導(dǎo)度影響光合速率，光合速率隨氣孔導(dǎo)度下降而下降。即氣孔導(dǎo)度下降是因，光合速率下降是果。這就是典型的“相關(guān)性”與“因果關(guān)系”不分。

因果關(guān)系是指一個(gè)變量A的存在一定會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)變量B的產(chǎn)生。而相關(guān)性則是統(tǒng)計(jì)學(xué)上的一個(gè)概念，是指一個(gè)變量A變化的同時(shí)，另一個(gè)變量B也會(huì)伴隨發(fā)生變化。兩個(gè)變量之間存在相關(guān)關(guān)系，不一定說明兩者之間存在著因果關(guān)系，但具因果關(guān)系的兩個(gè)變量一般具有高度的相關(guān)性。如此題中，實(shí)驗(yàn)探究的是“100mmol/LNaCl處理時(shí)間對(duì)光合速率與氣孔導(dǎo)度的影響”，“NaCl處理時(shí)間”是“因”（即自變量，橫軸），“光合速率”與“氣孔導(dǎo)度”同是“果”（即因變量，縱軸），兩個(gè)“果”之間只有相關(guān)性，不一定具有因果關(guān)系。所以，本實(shí)驗(yàn)的結(jié)論應(yīng)該往“因?qū)挠绊憽狈较蜃鞔?，即NaCl處理對(duì)光合作用速率和氣孔導(dǎo)度的影響才對(duì)。

又如，必修2教材中羅列了一些DNA是遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)：①一般情況下，同一種生物在不同發(fā)育時(shí)期或不同組織的細(xì)胞中，DNA的含量基本相等，而精子中的DNA含量恰好是體細(xì)胞中的一半。②有許多物理和化學(xué)的因素能誘發(fā)DNA的結(jié)構(gòu)變異，而所有能夠誘發(fā)DNA結(jié)構(gòu)變異的因素均能引起生物的遺傳突變。這兩點(diǎn)只能說明DNA與遺傳物質(zhì)有高度相關(guān)性，因而只能作為間接證據(jù)，而無法成為直接證據(jù)。

1.2因果關(guān)系的證明

如何證明兩個(gè)具高度相關(guān)性的變量是因果關(guān)系呢？唯有實(shí)證。若上題中要進(jìn)一步探究“光合速率”與“氣孔導(dǎo)度”的因果關(guān)系，則需要以“氣孔導(dǎo)度”為自變量，以“光合速率”為因變量來重新實(shí)驗(yàn)后才可以下結(jié)論?？茖W(xué)的“實(shí)證”即是通過有控制的實(shí)驗(yàn)法來證實(shí)，而且為了實(shí)驗(yàn)的可靠性，科學(xué)家還為此確立了一系列的實(shí)驗(yàn)原則——對(duì)照原則、單一變量原則、可重復(fù)原則、可操作性原則等。即在相同且適宜的條件下，只改變變量A，再觀測(cè)變量B的變化。若變量A的改變一定會(huì)引起B(yǎng)的變化，并且還能用數(shù)學(xué)的方法精確地量化兩者的關(guān)系，如此才能證明A是B的原因。

而生物學(xué)科是研究生命現(xiàn)象和生命活動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，由于生命系統(tǒng)的復(fù)雜性導(dǎo)致研究的主體有“主觀驗(yàn)證”和“實(shí)證偏見”的認(rèn)知缺陷，研究的客體也會(huì)受到“個(gè)體差異”以及“安慰劑效應(yīng)”的影響。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)證精神對(duì)這些影響十分警惕，在研究過程還創(chuàng)立了一套“對(duì)照、雙盲、隨機(jī)、重復(fù)、公開”的方法和原則，以免自欺欺人。而且在操作層面上，對(duì)實(shí)驗(yàn)變量還需要“量化”，即實(shí)驗(yàn)變量必須根據(jù)可觀察、可測(cè)量、可操作的特征來界定變量的含義。量化還是實(shí)證研究的基本特征和思維方法之一，量化方法的突破往往是許多學(xué)科從前科學(xué)階段到科學(xué)階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。如孟德爾正是將雜交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法“量化”了，才讓對(duì)遺傳現(xiàn)象的研究走上了“科學(xué)之路”。又如，西德尼·法伯在眾多的癌癥中選擇研究“白血病”，就是因?yàn)樗幸豁?xiàng)獨(dú)特的誘人之處——可以客觀地進(jìn)行測(cè)量。在CT掃描和核磁共振等手段問世之前，對(duì)于體內(nèi)固體腫瘤的大小變化，幾乎不可能進(jìn)行數(shù)值測(cè)量。但白血病可以，只需提取血液或骨髓樣本，在顯微鏡下觀察即可。

2017年11月浙江省生物選考試題的實(shí)驗(yàn)題最后一問：

“若為了檢測(cè)某種藥物對(duì)海拉細(xì)胞的增殖有促進(jìn)作用，可在培養(yǎng)液中加入同位素標(biāo)記的物質(zhì)是__，原因是___?！?/p>

該題考查的也是這種量化思維，科學(xué)始于計(jì)數(shù)。

參考答案：胸腺嘧啶脫氧核苷胸腺嘧啶脫氧核苷DNA合成的原料，其進(jìn)入細(xì)胞的量可反映細(xì)胞的增殖情況

可見，科學(xué)是如此執(zhí)著于“因果關(guān)系”，或許就是為了對(duì)這不確定的客觀世界多一點(diǎn)掌控感。尤其是面對(duì)當(dāng)下信息社會(huì)的重要產(chǎn)物——大數(shù)據(jù)時(shí)，教師更應(yīng)該具有區(qū)分“相關(guān)性與因果性”的能力，才能從數(shù)據(jù)的汪洋中挖掘出事物的本質(zhì)。

2類比推理無法代替實(shí)證

科學(xué)思維是建立在證據(jù)和邏輯推理的基礎(chǔ)上的，包括比較與分類、分析與綜合、歸納與演繹、抽象與概括、數(shù)學(xué)與建模、質(zhì)疑與批判等。其中，類比是一種最常見的理解方式與推理方法。如，薩頓在研究基因與染色體關(guān)系時(shí)，就用了類比的方法。達(dá)爾文也曾將植物的自花受粉與人類的近親結(jié)婚相類比，把整個(gè)宇宙看成一架機(jī)械的機(jī)器。也正是這種機(jī)械類比使得力學(xué)成為了物理學(xué)的“硬核”。中國(guó)人的類比思想更源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，在我們的思維習(xí)慣中“取類比象”盛行，常用類比取代實(shí)證。如“紅糖、紅豆、紅棗是紅色的”，就推理出它們能夠“補(bǔ)血”;用“月有陰晴圓缺”來證明“人有悲歡離合”;用“寶劍鋒從磨礪出”證明“梅花香自苦寒來”。但科學(xué)思維需要讓學(xué)生明白類比只適合“曉喻”不能用于“證實(shí)”，類比得到的僅為推理并非真理，要將“推理”上升到“真理”一樣需要實(shí)證。所以，在必修2第二章第二節(jié)“遺傳的染色體學(xué)說”之后，緊接著的是摩爾根的“果蠅伴性遺傳實(shí)驗(yàn)”。在學(xué)習(xí)“細(xì)胞核”一節(jié)時(shí)，盡管學(xué)生都己認(rèn)同“細(xì)胞核是生物性狀的控制中心”，但教材還是“不嫌無聊”地介紹“傘藻的嫁接實(shí)驗(yàn)”。教材的這些編排足以體現(xiàn)“實(shí)證精神”——一種假說或理論要能為大眾所認(rèn)可，它要么具有很強(qiáng)的解釋力，要么有可靠的實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持，但這種假說或理論要上升到科學(xué)真理的層面，則需要兩者兼而有之。用理性來“證明”與單純地“相信”之間存在著原則性的區(qū)別，實(shí)證思想的引入意味著理性地位的極大提升。所以，教師應(yīng)該善于挖掘教材中的素材，讓學(xué)生理解類比推理無法替代理性的實(shí)證，與常識(shí)相比科學(xué)思維更強(qiáng)調(diào)精確性和實(shí)證性。

3會(huì)計(jì)算概率不等于理解概率內(nèi)涵

隨著量子力學(xué)的創(chuàng)立和分子遺傳學(xué)的發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)到無論是物理現(xiàn)象、生命現(xiàn)象，還是社會(huì)現(xiàn)象都有著隨機(jī)性，概率便是對(duì)隨機(jī)事件發(fā)生的可能性的度量。概率思想滲入各個(gè)學(xué)科己成為近代科學(xué)發(fā)展的明顯特征之一。

概率論最基礎(chǔ)的思想是，有些事情會(huì)無緣無故地發(fā)生（即隨機(jī)性），但有些隨機(jī)性是有規(guī)律的（即頻率的穩(wěn)定性），概率論便是研究這種內(nèi)在規(guī)律的。如，孟德爾針對(duì)豌豆的7對(duì)相對(duì)性狀進(jìn)行了雜交實(shí)驗(yàn)，并從F2的性狀分離比中看出了每一對(duì)顯隱性狀出現(xiàn)的頻率都分別穩(wěn)定在3/4和1/4。正是這種基于大量試驗(yàn)而呈現(xiàn)出的頻率穩(wěn)定性，孟德爾才能揭曉支配遺傳現(xiàn)象的基因的傳遞規(guī)律。也正是基于這種頻率的穩(wěn)定性，才能對(duì)后代某種性狀的再現(xiàn)概率進(jìn)行預(yù)測(cè)。

概率論的另一個(gè)重要思想是，并不是所有事件的發(fā)生是等可能的。筆者曾經(jīng)要求學(xué)生回答：某個(gè)患白化?。╝a）的女性與一正常男子結(jié)婚，預(yù)測(cè)他們后代患白化病的概率。在初學(xué)遺傳定律時(shí)，很多學(xué)生算出的答案是1/4。為何會(huì)這樣？經(jīng)過多方詢問才得知，學(xué)生在數(shù)學(xué)課上學(xué)過的概率都是古典概型。所謂古典概型是一類被簡(jiǎn)化、理想化與抽象化的隨機(jī)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型，如摸球和抽簽。古典概型有兩個(gè)基本特征：①試驗(yàn)的全部可能結(jié)果只有有限個(gè)而且這些事件是兩兩互不相容的;②事件的發(fā)生或出現(xiàn)是等可能的。所以，學(xué)生一看到兩種情況，便默認(rèn)為題1中那個(gè)正常男子的2種基因型（AA或Aa）各是1/2的概率，其后代患病概率便是1/4。但在現(xiàn)實(shí)中AA和Aa兩種情況不是等可能發(fā)生的，不屬于古典概型，學(xué)生不理解古典概型的適用范圍，錯(cuò)誤地用“必然”去理解“偶然”也就在所難免。

若再將該題改編為：某個(gè)患白化病（aa）的女性與一個(gè)父母正常且妹妹也患白化病的正常男子結(jié)婚，預(yù)測(cè)他們后代患白化病的概率。此時(shí)，該正常男子的基因型還是AA或Aa，但兩者的概率就由“不確定”分別“塌縮”為1/3和2/3，一下子就變成了條件概率。用條件概率的全概率公式可得，他們后代的患病概率=1/3x0+2/3x1/2=1/3。

又如，在自然條件下將雜合紫花豌豆（Ce）種植收獲F，，并選取F。中的紫花豌豆繼續(xù)種植，求F：中白花豌豆所占的比例。學(xué)生常將選取后的兩種紫花豌豆CC和Cc的概率仍分別認(rèn)定為1/4和1/2。親本（Cc）自交得到的F1確有三種基因型（CC、Cc、ee），所占的比例各是1/4、1/2、1/4，但增加了一個(gè)條件——去掉白花豌豆，原先的古典概型又轉(zhuǎn)變成了條件概率。根據(jù)貝葉斯原理，CC的先驗(yàn)概率1/4就變成了后驗(yàn)概率1/3;Cc的后驗(yàn)概率也成了2/3。

由于高中生物學(xué)科中遺傳概率的計(jì)算絕大多數(shù)是屬于條件概率的范疇，但學(xué)生在高中數(shù)學(xué)恰恰不學(xué)條件概率，這給學(xué)生正確理解概率造成了不小的困擾。就算學(xué)生通過“刷題”，掌握了遺傳概率計(jì)算的方法與技巧，但并不意味著他是一個(gè)“懂概率的人”。是否理解概率標(biāo)志著一個(gè)人是否具有科學(xué)思維，也直接決定了一個(gè)人的“開化”程度。所以，教師在學(xué)生初學(xué)遺傳規(guī)律時(shí)就該補(bǔ)上這一課，以幫助學(xué)生理解概率論的基本思想與內(nèi)涵。

理解的意義在于“遷移”，在現(xiàn)實(shí)生活中便能用概率去反思個(gè)案，而非用個(gè)案去反駁邏輯。具有概率思想的人當(dāng)聽到“抽煙能提高癌癥的發(fā)病率”時(shí)就不會(huì)“抬杠”——“老王抽了幾十年的煙還活得好好的，而老張不抽煙不喝酒卻得肺癌死了”?？茖W(xué)的思維習(xí)慣能夠幫助學(xué)生明智地處理問題，實(shí)證意識(shí)、量化思維、邏輯推理和概率思想尤其重要。沒有這些思維能力，人們就容易成為騙子們的“優(yōu)質(zhì)客戶”，成為用簡(jiǎn)單方式處理復(fù)雜問題做法的傳播者，為此，這些思維習(xí)慣與能力都是學(xué)生必備的核心素養(yǎng)。