探討高中生物新教材培養(yǎng)科學(xué)思維的素材

福建

《普通高中課程方案（2017 年版）》指出普通高中課程培養(yǎng)目標(biāo)之一是具有科學(xué)文化素養(yǎng)和終身學(xué)習(xí)能力。高中各學(xué)科的《課程標(biāo)準(zhǔn)》一致把“思維素養(yǎng)”作為本學(xué)科的學(xué)科核心素養(yǎng)之一。如高中生物和高中物理的“科學(xué)思維”、高中數(shù)學(xué)的“邏輯推理”、高中化學(xué)的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”、地理學(xué)科的“綜合思維”、信息技術(shù)學(xué)科的“計算思維”、通用技術(shù)學(xué)科的“工程思維”、語文學(xué)科的“思維發(fā)展與提升”、英語學(xué)科的“思維品質(zhì)”、思想政治學(xué)科的“科學(xué)精神”、歷史學(xué)科的“史料實證”?？梢姡季S素養(yǎng)對人的終身發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）指出，“科學(xué)思維”是指尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實的求知態(tài)度，運用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物、解決實際問題的思維習(xí)慣和能力。學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)過程中逐步發(fā)展科學(xué)思維，如能夠基于生物學(xué)事實和證據(jù)運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會議題。從《課程標(biāo)準(zhǔn)》的表述看，在生物課堂上發(fā)展“科學(xué)思維”的素材有“生物學(xué)事實、證據(jù)、生物學(xué)社會議題”等。重點要培養(yǎng)的“科學(xué)思維”是“歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維”。《課程標(biāo)準(zhǔn)》既明確了教學(xué)目標(biāo)（培養(yǎng)科學(xué)思維，重點指科學(xué)思維方法），又明確了教學(xué)素材。所以，廣大教師有必要思考教材中的素材如何服務(wù)于“培養(yǎng)科學(xué)思維”這個教學(xué)目標(biāo)。

從科學(xué)思維方法的具體手段及其科學(xué)求解功能看，科學(xué)思維方法可分為發(fā)散求解思維方法、邏輯解析思維方法、哲理思辨思維方法、理論建構(gòu)與評價思維方法等類型。將其劃分得更細(xì)致些，可分為解題思維、求異思維、形象思維、直覺思維、比較思維、類比思維、隱喻思維、溯因思維（也叫因果思維）、歸納思維、演繹思維、數(shù)理思維、次協(xié)調(diào)思維、系統(tǒng)思維、辯證思維、理論構(gòu)建思維、理論檢驗思維、理論評價思維等?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》所說的“歸納與概括”屬于歸納思維；“演繹與推理”屬于演繹思維；“模型與建?！睂儆谛蜗笏季S；“批判性思維”屬于發(fā)散思維；“創(chuàng)造性思維”屬于直覺思維。

培養(yǎng)任何一種科學(xué)思維都需要適合的教學(xué)素材，因材施教才能事半功倍。人民教育出版社出版的2019 年版高中教科書生物學(xué)（以下簡稱新教材）中的素材內(nèi)容，根據(jù)知識類型可分為概念素材、規(guī)律素材、機(jī)理素材、結(jié)構(gòu)素材、實驗素材共五類。每一類素材在培養(yǎng)科學(xué)思維方面，側(cè)重點是不同的。筆者以“新教材素材——科學(xué)思維——教學(xué)策略”為線索，探討教師如何利用新教材中的各類素材培養(yǎng)科學(xué)思維。

1.概念素材

概念是反映事物本質(zhì)屬性或特有屬性的思維形式，是邏輯思維的最基本單位。沒有概念，人類就無法清楚地思維?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》的基本理念之一就是內(nèi)容聚焦大概念。所以落實好概念教學(xué)是培養(yǎng)科學(xué)思維的關(guān)鍵。

概念素材主要培養(yǎng)歸納思維。歸納思維是指從若干個別性經(jīng)驗知識上升到一般性認(rèn)識的思維過程或者信息處理方式。就是人們常說的“根據(jù)具體事實概括出一般理論”的信息加工過程。

歸納思維的過程是從豐富的事實中歸納出一般理論。所以在教學(xué)策略上教師應(yīng)先讓學(xué)生列舉豐富的事實，再歸納出低層概念，通過逐步概括，最后凝練成最恰當(dāng)?shù)母拍睢?/p>

以“細(xì)胞的分化”一節(jié)為例，新教材建構(gòu)的概念是“在個體發(fā)育中，由一個或一種細(xì)胞增殖產(chǎn)生的后代，在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理功能上發(fā)生穩(wěn)定性差異的過程，叫作細(xì)胞分化”。根據(jù)歸納思維的過程，筆者建議教師采用以下教學(xué)策略：①讓學(xué)生列舉其所認(rèn)識的人體細(xì)胞名稱，教師板書記錄；②讓學(xué)生畫出上述細(xì)胞的形態(tài)、結(jié)構(gòu)，并注明該細(xì)胞的功能；③讓學(xué)生比較不同細(xì)胞在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能上的異同；④讓學(xué)生對“細(xì)胞的分化”下定義；⑤通過生生互評修改完善學(xué)生最初的定義；⑥對照教材中的定義，引導(dǎo)學(xué)生反思有哪些部分是大家沒想到的；⑦背誦教材中的定義。

教師在利用概念素材進(jìn)行概念教學(xué)時，要特別突出三個關(guān)鍵詞——列舉、歸納、修正。列舉的目的是建立豐富的感性認(rèn)識（如上述教學(xué)策略中“學(xué)生列舉人體細(xì)胞名稱，再畫出細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)，并注明細(xì)胞功能”）；歸納的目的是訓(xùn)練分析、比較、綜合、歸納、概括的科學(xué)思維（如上述教學(xué)策略中“學(xué)生比較不同細(xì)胞在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能上的異同”）；修正的目的是克服個體思維的局限性，完善思維成果（如上述教學(xué)策略中生生互評，修改完善對細(xì)胞的分化的定義，再對照教材中的定義，引導(dǎo)學(xué)生反思有哪些部分是大家沒想到的）。這三個環(huán)節(jié)缺一不可。通過列舉、歸納、修正，學(xué)生在概念形成過程中，有效訓(xùn)練了歸納與概括等科學(xué)思維。

2.規(guī)律素材

規(guī)律素材指的是與科學(xué)規(guī)律的形成、應(yīng)用和完善相關(guān)的教學(xué)素材?？茖W(xué)史表明，自然科學(xué)的經(jīng)驗定律和經(jīng)驗公式大部分都是應(yīng)用歸納法總結(jié)出來的。而總結(jié)出的一般性規(guī)律或公式是為了將其推演到特殊的情境中并解決問題。所以，規(guī)律素材主要訓(xùn)練的是歸納思維和演繹思維。

據(jù)不完全統(tǒng)計，新教材中包含的生物學(xué)規(guī)律有遺傳規(guī)律、中心法則、生態(tài)系統(tǒng)中能量流動規(guī)律、物質(zhì)循環(huán)規(guī)律、信息傳遞規(guī)律等。

以中心法則為例，新教材必修2 第4 章第1 節(jié)先介紹基因如何指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，第2 節(jié)再提出中心法則，并通過資料分析，完善中心法則，最后舉例說明基因、蛋白質(zhì)與性狀的關(guān)系。以訓(xùn)練科學(xué)思維為目標(biāo)，設(shè)計“中心法則”的教學(xué)，筆者建議采用以下教學(xué)策略：①教師列舉真核生物、原核生物以及噬菌體等DNA 病毒的增殖過程中普遍存在的兩個事實：DNA 的自我復(fù)制、基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯；②教師歸納中心法則，并展示圖解，讓學(xué)生明確中心法則的普適性；③讓學(xué)生用中心法則解釋生物學(xué)問題（可以把新教材中“基因、蛋白質(zhì)與性狀的關(guān)系”這一部分提前講），訓(xùn)練演繹思維；④學(xué)生進(jìn)行資料分析，發(fā)展并完善中心法則，訓(xùn)練歸納思維。

教師在利用規(guī)律素材進(jìn)行教學(xué)時，應(yīng)特別關(guān)注科學(xué)規(guī)律是怎么形成的（歸納思維）、其可以應(yīng)用于哪些方面（演繹思維）、科學(xué)規(guī)律有什么局限性（發(fā)散思維）及科學(xué)規(guī)律的發(fā)展（歸納思維）。這樣才符合人們的認(rèn)知規(guī)律，也符合科學(xué)思維的發(fā)展過程。

3.機(jī)理素材

生物學(xué)是研究生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律的科學(xué)。機(jī)理就是對生命活動的科學(xué)解釋，它反映了生命觀念。所以，機(jī)理素材是學(xué)習(xí)生物學(xué)必不可少的素材。

據(jù)不完全統(tǒng)計，新教材介紹的生命機(jī)理有光合作用、細(xì)胞呼吸、物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的方式、細(xì)胞分裂、受精作用、DNA 半保留復(fù)制、神經(jīng)調(diào)節(jié)、體液調(diào)節(jié)、免疫調(diào)節(jié)等。

機(jī)理素材主要訓(xùn)練的是溯因思維和系統(tǒng)思維。溯因思維是一種根據(jù)某現(xiàn)象的特征推測該現(xiàn)象產(chǎn)生原因的信息加工方式。系統(tǒng)思維是在系統(tǒng)科學(xué)理論的指導(dǎo)下，用系統(tǒng)的觀點來觀察對象系統(tǒng)信息的一種信息加工活動，它是根據(jù)事物本身的特征把對象放在系統(tǒng)的形式中加以研究的思維方式。

以細(xì)胞呼吸為例，作為最重要的生命活動之一，教材在編排上，先通過探討呼吸作用與燃燒的異同點，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注呼吸作用的物質(zhì)變化、能量變化和發(fā)生條件；再通過實驗探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式；然后詳細(xì)說明有氧呼吸和無氧呼吸的過程；最后介紹細(xì)胞呼吸原理的應(yīng)用。教材呈現(xiàn)素材的順序是生活素材→實驗素材→機(jī)理素材→生活素材。因此，在處理機(jī)理素材時，既要保持機(jī)理素材的完整性和相對獨立性，又要聯(lián)系前面所鋪墊的素材。

從訓(xùn)練科學(xué)思維的角度設(shè)計機(jī)理素材的教學(xué)，筆者建議采用以下教學(xué)策略：

①引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建思維導(dǎo)圖，如有氧呼吸的思維導(dǎo)圖，以有氧呼吸為核心，讓學(xué)生說出可以從哪些角度認(rèn)識它，并在黑板上寫出來，以此訓(xùn)練系統(tǒng)思維。②根據(jù)思維導(dǎo)圖中的每一個關(guān)鍵詞，分別進(jìn)行專題講解或討論。如教師先以“過程”為關(guān)鍵詞，以總—分—總的思路進(jìn)行講解。先總說有氧呼吸分為三個階段，再分說每個階段的具體過程，再總說有氧呼吸的反應(yīng)式。教師再以“場所”為關(guān)鍵詞，結(jié)合細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖，梳理有氧呼吸三個階段所發(fā)生的場所。然后，讓學(xué)生畫出有氧呼吸過程的圖解或觀察新教材中的圖解。最后，引導(dǎo)學(xué)生從思維導(dǎo)圖中的其他關(guān)鍵詞（如“物質(zhì)變化”“能量變化”“條件”等）思考有氧呼吸。③回顧前面“生活素材”“實驗素材”中相關(guān)現(xiàn)象并分析其中的原因。

生命機(jī)理是生物學(xué)的核心內(nèi)容之一。教師在處理機(jī)理素材時往往千頭萬緒。從培養(yǎng)科學(xué)思維的角度看，要先培養(yǎng)系統(tǒng)思維（如建立思維導(dǎo)圖），突出重點知識和主干知識；再培養(yǎng)溯因思維，從某個角度切入，將生命機(jī)理解釋清楚（如以某一線索講解知識），這樣才能帶領(lǐng)學(xué)生建立完整且正確的認(rèn)知體系，形成科學(xué)思維。

4.結(jié)構(gòu)素材

結(jié)構(gòu)素材指的是描述生命系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的素材。新教材介紹的結(jié)構(gòu)包括分子結(jié)構(gòu)（如DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)）、細(xì)胞結(jié)構(gòu)（如真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)）、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（如免疫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）、種群結(jié)構(gòu)（如種群的空間特征）、群落結(jié)構(gòu)（如垂直結(jié)構(gòu)）、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（如食物網(wǎng)）。具體呈現(xiàn)方式有模式圖（如細(xì)胞結(jié)構(gòu)模式圖）、流程圖（如有氧呼吸過程圖解、生態(tài)系統(tǒng)能量流動圖解）、關(guān)系圖（如食物網(wǎng)）、概念圖等，且通常配有相應(yīng)的文字說明。

結(jié)構(gòu)素材主要訓(xùn)練的是形象思維和系統(tǒng)思維。形象思維是一種加工處理形象信息的思維方式，以生動、直觀為主要特征，以想象、聯(lián)想、整合為基本思維方法。它作為一種最基本的思維形態(tài)，與抽象思維等思維方式相輔相成、密不可分，共同作用并服務(wù)于人類科學(xué)研究與科學(xué)思維活動。形象思維與系統(tǒng)思維、溯因思維相結(jié)合可以厘清生命系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中整體與部分的關(guān)系，更好地理解“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀”，甚至為科學(xué)發(fā)現(xiàn)提供克服邏輯局限性的思維輔助。

以訓(xùn)練科學(xué)思維為教學(xué)目標(biāo)，筆者建議教師處理結(jié)構(gòu)素材時采用“看”“畫”“問”三步教學(xué)法?！翱础本褪怯^察，先觀察實物或資料，再觀察抽象的模式圖等模型；“畫”就是建模的過程；“問”就是追問模型構(gòu)建得對不對，追問如此構(gòu)建的原因，探討其中的機(jī)理?！翱础薄爱嫛敝攸c訓(xùn)練形象思維和系統(tǒng)思維，即《課程標(biāo)準(zhǔn)》中的“模型與建?！??！皢枴敝攸c訓(xùn)練溯因思維。這三個步驟缺一不可，層層推進(jìn)，讓學(xué)生的科學(xué)思維不斷升華。

5.實驗素材

實驗素材，從廣義上說包括課內(nèi)實驗和課外實驗。本文僅指狹義上的課內(nèi)實驗，即教材中的學(xué)生動手實驗、科學(xué)史的經(jīng)典實驗。根據(jù)內(nèi)容劃分，課內(nèi)實驗可分為觀察類（如觀察DNA、RNA 在細(xì)胞中的分布）、鑒定類（如檢測生物組織中的還原糖）、調(diào)查類（如調(diào)查人群中的遺傳?。⑻骄款悾ㄈ缣骄坑绊懨富钚缘臈l件）、發(fā)現(xiàn)類（如光合作用的探究歷程）等。不同類型的實驗，運用的科學(xué)思維方法不盡相同。如觀察類實驗和鑒定類實驗主要訓(xùn)練比較思維、歸納思維和溯因思維；調(diào)查類、探究類實驗和發(fā)現(xiàn)類實驗主要訓(xùn)練解題思維、系統(tǒng)思維、溯因思維和歸納思維。

觀察類和鑒定類實驗，其實驗原理和實驗步驟明確，關(guān)鍵在于實驗結(jié)果的觀察和分析。所以在教學(xué)策略上筆者建議采用討論法。學(xué)生獨立完成實驗，如實記錄實驗結(jié)果。教師匯總學(xué)生的實驗結(jié)果，分析同學(xué)們的實驗結(jié)果的相同點和不同點。教師要敏銳地發(fā)現(xiàn)與眾不同的結(jié)果，引導(dǎo)大家討論其中的原因，將思維引向深處，達(dá)到訓(xùn)練比較思維、歸納思維和溯因思維的目的。

調(diào)查類和探究類實驗的一般步驟是確定課題、制訂計劃（或?qū)嶒灧桨福?、實施計劃（或?qū)嶒灧桨福?、收集結(jié)果并分析、得出結(jié)論。在整個過程中，“確定課題、制訂計劃”環(huán)節(jié)訓(xùn)練的是解題思維和系統(tǒng)思維，“收集結(jié)果并分析”環(huán)節(jié)訓(xùn)練的是歸納思維和溯因思維，“得出結(jié)論”環(huán)節(jié)訓(xùn)練的是歸納思維。因為學(xué)生獨立完成整個調(diào)查實驗或探究實驗的難度較大，所以筆者建議采用“小組合作探究”策略。教師組織學(xué)生開展小組合作探究時有三個關(guān)鍵點——分組、指導(dǎo)、交流。首先，分組應(yīng)合理，強(qiáng)弱聯(lián)合、男女搭配、分工明確、各盡其職，這樣才能讓全體學(xué)生均操作起來，才能讓各小組都有能力順利完成實驗。其次，教師要做好指導(dǎo)和跟進(jìn)的工作，指導(dǎo)時應(yīng)明確指出制訂計劃的原則方法，并對各小組方案的可行性做出客觀判斷，提出改進(jìn)意見，還要在方案實施過程中及時有效地跟進(jìn)實驗實施情況。最后，充分開展交流活動，及時解決實驗過程中出現(xiàn)的問題，并對實驗結(jié)果進(jìn)行廣泛的討論。通過師生互動、生生互動，訓(xùn)練學(xué)生的解題思維、系統(tǒng)思維、溯因思維和歸納思維。

發(fā)現(xiàn)類實驗主要指科學(xué)史上的經(jīng)典實驗。教材以提出問題、解決問題的思路呈現(xiàn)素材。帶領(lǐng)學(xué)生體驗科學(xué)發(fā)現(xiàn)的整個過程是編者的意圖，也是訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)思維的良好途徑。因此，教師在處理這類素材時要抓住2 條主線——問題、對策。以光合作用的探究歷程為例，整個探究歷程的問題主線是植物生長需要什么→植物更新空氣的實驗為什么會出現(xiàn)完全相反的結(jié)論→空氣的成分是什么→根據(jù)能量守恒定律，還有什么物質(zhì)沒被發(fā)現(xiàn)→光合作用的場所在哪里→不同物質(zhì)是怎么轉(zhuǎn)化的。圍繞這個問題主線，教師先提出問題，再展示教材素材（科學(xué)家的實驗），師生共同探討，得出階段性結(jié)論，再進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)問題，得出更豐富的結(jié)論。通過發(fā)現(xiàn)——解決——再發(fā)現(xiàn)——再解決的循環(huán)過程，層層推進(jìn)，不斷豐富結(jié)論，最終達(dá)成較為科學(xué)全面的認(rèn)知體系，學(xué)生的科學(xué)思維也在這個發(fā)現(xiàn)過程中不斷提升。

綜上所述，每一類教學(xué)素材重點培養(yǎng)對應(yīng)的科學(xué)思維的某些類型，需要與之相匹配的教學(xué)策略才能更好地發(fā)揮教材的育人價值。這些難點考驗著教師的智慧。教師對“科學(xué)思維”的研究依舊任重道遠(yuǎn)。