基于數(shù)字技術(shù)的高中生物學(xué)科學(xué)思維培養(yǎng)研究

0 引言

科學(xué)思維是促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建生命觀(guān)念的重要方式之一，也是高中生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分。根據(jù)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》的描述，“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(shí)事物、解決實(shí)際問(wèn)題的思維習(xí)慣和能力”[。科學(xué)思維作為一種思維習(xí)慣，其突出特點(diǎn)是著重對(duì)事實(shí)和證據(jù)的求知。課程目標(biāo)指出，讓學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)，樹(shù)立生命觀(guān)念，能夠運(yùn)用這些觀(guān)念認(rèn)識(shí)生命現(xiàn)象，探索生命規(guī)律；形成科學(xué)思維的習(xí)慣，能夠運(yùn)用已有的生物學(xué)知識(shí)、證據(jù)和邏輯對(duì)生物學(xué)議題進(jìn)行思考或展開(kāi)論證[]。

在高中生物學(xué)教學(xué)過(guò)程中，要注意加強(qiáng)對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)，如能夠基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用各種科學(xué)思維方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會(huì)議題[1]；能夠結(jié)合生物學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建完整、連貫、多角度、多層次的生物學(xué)思維框架。這就要求學(xué)生掌握和積累大量的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上不斷完善認(rèn)知，逐步形成完整、全面的認(rèn)識(shí)。

1科學(xué)思維與科學(xué)思維方法

1.1 科學(xué)思維

科學(xué)思維是運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問(wèn)題的思維習(xí)慣和能力，它不僅是常規(guī)的科學(xué)邏輯在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，而且是一種強(qiáng)調(diào)實(shí)證與觀(guān)察的能力。這些共同構(gòu)成學(xué)生未來(lái)進(jìn)行科學(xué)探索的得力工具，為他們?nèi)蘸笤谏飳W(xué)領(lǐng)域的研究奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，在面對(duì)自然現(xiàn)象或科學(xué)問(wèn)題時(shí)，擁有較強(qiáng)科學(xué)思維能力的學(xué)生不但能夠運(yùn)用理性的邏輯分析，還能利用敏銳的觀(guān)察和思考能力對(duì)既有理論深入分析，不斷尋求新解釋。

此外，科學(xué)思維還需借助想象、聯(lián)想、直覺(jué)和靈感等非邏輯思維方法來(lái)提出創(chuàng)新性的觀(guān)點(diǎn)：想象幫助學(xué)生構(gòu)建超越理論的模型；聯(lián)想促進(jìn)知識(shí)間的融合交融；直覺(jué)和靈感往往能在不經(jīng)意間開(kāi)啟科學(xué)發(fā)現(xiàn)的新篇章。就邏輯思維層面而言，科學(xué)思維涵蓋從基本概念的形成到復(fù)雜判斷的作出，再到嚴(yán)謹(jǐn)推理的展開(kāi)和最終論證的構(gòu)建等一系列過(guò)程，涉及概念、判斷、推理和論證等多種形式。

1.2科學(xué)思維方法

科學(xué)思維的外在表現(xiàn)形式是科學(xué)思維方法，掌握科學(xué)思維方法是形成科學(xué)思維的前提條件之一。作為一種集邏輯性、創(chuàng)新性、批判性于一體的綜合思維方法，科學(xué)思維方法鼓勵(lì)人們?cè)谧裱茖W(xué)探究邏輯的同時(shí)，不拘泥于傳統(tǒng)框架，勇于探索未知，以多元化的思考模式推動(dòng)科學(xué)思維的形成?？茖W(xué)思維方法是揭示事物本質(zhì)和事物間關(guān)系的關(guān)鍵手段。

科學(xué)思維方法有多種分類(lèi)方式，從思維的形式來(lái)看，可以分為基礎(chǔ)的動(dòng)作思維（基于直覺(jué)）、形象思維（基于觀(guān)察和想象）和邏輯思維（基于抽象），其中邏輯思維在概念形成中扮演著重要角色。作為一門(mén)自然科學(xué)，高中生物學(xué)課程要求學(xué)生能夠構(gòu)建完整連貫的生物學(xué)概念體系。因此，邏輯思維成為生物學(xué)課程重點(diǎn)培養(yǎng)的思維類(lèi)型之一。邏輯思維主要體現(xiàn)在：比較與分類(lèi)、歸納與演繹、分析與綜合、抽象與概括等[2]。而批判性思維、創(chuàng)造性思維包含邏輯思維的大部分特點(diǎn)，是科學(xué)思維的高階水平體現(xiàn)，包括分析、評(píng)估和提高三個(gè)緊密聯(lián)系、相互影響的階段[3]。

2數(shù)字技術(shù)輔助的高中生物學(xué)科學(xué)思維培養(yǎng)

數(shù)字技術(shù)輔助的高中生物學(xué)科學(xué)思維培養(yǎng)是指利用當(dāng)前的數(shù)字技術(shù)手段，如人工智能、大數(shù)據(jù)分析等，輔助學(xué)生在高中生物學(xué)學(xué)習(xí)中培養(yǎng)科學(xué)思維的過(guò)程。通過(guò)分析各種數(shù)字技術(shù)的特點(diǎn)，可以充分發(fā)揮其在科學(xué)思維能力培養(yǎng)方面的優(yōu)勢(shì)，讓學(xué)生更加深入地理解生物學(xué)知識(shí)，提高問(wèn)題解決能力，同時(shí)鍛煉批判性思維和創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)良好的科學(xué)態(tài)度，為未來(lái)的科學(xué)探索和創(chuàng)新打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

以人教版高中生物學(xué)教材必修2《遺傳與進(jìn)化》的部分章節(jié)為例，分析數(shù)字技術(shù)在生物學(xué)學(xué)科中對(duì)學(xué)生科學(xué)思維培養(yǎng)的作用。

2.1借助智慧課堂培養(yǎng)比較與分類(lèi)能力

智慧課堂為高中生物學(xué)教學(xué)提供了一種全新的教學(xué)模式。此前，隨著互聯(lián)網(wǎng)被引入教育領(lǐng)域，傳統(tǒng)的單一學(xué)習(xí)方式被打破，多種媒體素材充分融入教學(xué)環(huán)境，營(yíng)造了充滿(mǎn)活力的課堂氛圍。高中生物學(xué)研究?jī)?nèi)容廣泛、涵蓋概念豐富、補(bǔ)充材料多元，傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)僅能在一定程度上實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容拓展和能力培養(yǎng)。但隨著大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)向教育領(lǐng)域滲透，智慧課堂將真實(shí)教學(xué)情境與數(shù)字技術(shù)深度融合，不僅改善了傳統(tǒng)教學(xué)模式中知識(shí)單向輸出、教學(xué)內(nèi)容與資源匹配度較低等問(wèn)題，還通過(guò)大數(shù)據(jù)分析顯著提升了教學(xué)效果。教師可以借助智慧課堂為學(xué)生提供不同的學(xué)習(xí)素材、模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程、設(shè)置多種學(xué)習(xí)任務(wù)等；學(xué)生可以通過(guò)智慧課堂了解更多的課外拓展內(nèi)容，模擬操作更多的生物學(xué)課程內(nèi)容，并根據(jù)自身需求選擇學(xué)習(xí)任務(wù)。

以第1章“遺傳因子的發(fā)展”為例。1）在進(jìn)行孟德?tīng)栠z傳規(guī)律的推理時(shí)，學(xué)生可以利用模擬配子合成的程序直觀(guān)地觀(guān)察不同親本產(chǎn)生的子代的性狀、比例，等等。整個(gè)過(guò)程以互動(dòng)的形式展現(xiàn)，便于學(xué)生比較不同對(duì)遺傳因子的遺傳異同點(diǎn)，改變了傳統(tǒng)以教師講述為主的教學(xué)方式。2）在講解遺傳概率計(jì)算方法時(shí)，教師可以借助智慧課堂的題庫(kù)幫助學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)和題型進(jìn)行分類(lèi)，總結(jié)解題規(guī)律。3）在學(xué)習(xí)遺傳規(guī)律的實(shí)際應(yīng)用時(shí)，教師可以將資源平臺(tái)上的素材作為教學(xué)材料，展現(xiàn)整個(gè)基因傳遞的動(dòng)態(tài)過(guò)程，直觀(guān)地比較親子代之間遺傳規(guī)律，讓學(xué)生在對(duì)比中理解生活中部分基因病的遺傳原理。學(xué)習(xí)結(jié)束，教師可以根據(jù)學(xué)生的反饋情況設(shè)置不同任務(wù)，鍛煉他們各方面的能力，學(xué)生可以選取適合自己的內(nèi)容進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練。

有了多媒體程序的輔助，教師能夠以更簡(jiǎn)單、直觀(guān)的方式展現(xiàn)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，從而幫助學(xué)生理解復(fù)雜抽象的內(nèi)容，系統(tǒng)整合知識(shí)，加深對(duì)生物學(xué)抽象概念的把握，在比較與分類(lèi)中實(shí)現(xiàn)對(duì)生物學(xué)知識(shí)更深層次的理解。同時(shí)，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，智慧課堂大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和成績(jī)，識(shí)別出他們學(xué)習(xí)中的薄弱環(huán)節(jié)?；诖耍處熆梢栽O(shè)計(jì)針對(duì)性的練習(xí)題和案例分析，引導(dǎo)學(xué)生深入分析難點(diǎn)問(wèn)題，提升分析能力。此外，智慧課堂還能夠提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)路徑，根據(jù)學(xué)生的興趣和能力調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)一步激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和探索精神。

2.2借助思維導(dǎo)圖軟件鍛煉歸納與演繹能力

思維導(dǎo)圖是一種極其有效的數(shù)字化學(xué)習(xí)工具，能夠顯著提升學(xué)生的歸納與演繹能力。思維導(dǎo)圖通過(guò)將復(fù)雜的生物學(xué)知識(shí)以圖形化的方式展現(xiàn)，形成一個(gè)個(gè)相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)，幫助學(xué)生將零散的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)成清晰的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。學(xué)生可以利用思維導(dǎo)圖對(duì)比與分析生物學(xué)概念、理論和規(guī)律的實(shí)質(zhì)，逐步擴(kuò)展和細(xì)化相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，加工、整理其內(nèi)在聯(lián)系，形成層次分明、邏輯清晰的大單元概念體系。思維導(dǎo)圖的一大特點(diǎn)是層級(jí)關(guān)系清晰，強(qiáng)調(diào)將零散信息按主題歸類(lèi)成分支，同時(shí)又可以從中心主題出發(fā)，逐層推導(dǎo)具體細(xì)節(jié)。因此，在繪制思維導(dǎo)圖時(shí)，學(xué)生需用簡(jiǎn)潔明了的語(yǔ)言或符號(hào)表達(dá)復(fù)雜的思想，鍛煉系統(tǒng)性視角。在此過(guò)程中，學(xué)生還能自由聯(lián)想相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，將學(xué)科知識(shí)點(diǎn)按“總一分”結(jié)構(gòu)重組，合并同類(lèi)提取關(guān)鍵詞，這需要他們對(duì)學(xué)科知識(shí)有充分的了解并明確重點(diǎn)。

現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為學(xué)生提供了多種思維導(dǎo)圖的制作軟件和工具以及多元化的呈現(xiàn)方式。例如：MindMaster、Xmind等軟件提供了多種形式的模板，支持插入關(guān)系線(xiàn)、剪貼畫(huà)、超鏈接等多種標(biāo)注元素，并且擁有各自的導(dǎo)圖社區(qū)，可以隨時(shí)云端儲(chǔ)存文件。學(xué)生在使用時(shí)，可以隨時(shí)插入圖文結(jié)合的內(nèi)容、擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)資源信息、即刻增添刪減節(jié)點(diǎn)、瀏覽相關(guān)優(yōu)質(zhì)思維導(dǎo)圖等。使用思維導(dǎo)圖軟件有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)中持續(xù)完善大單元知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，鍛煉歸納能力，形成科學(xué)的思維習(xí)慣。

學(xué)生在繪制思維導(dǎo)圖的過(guò)程中，需要對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行篩選、提煉和分類(lèi)，提取所需內(nèi)容制作思維導(dǎo)圖，這一過(guò)程也加深了他們對(duì)知識(shí)的理解。例如：在學(xué)習(xí)遺傳學(xué)時(shí)，學(xué)生可以梳理這一大單元的所有相關(guān)內(nèi)容，提取基因、DNA、遺傳密碼等核心概念作為中心節(jié)點(diǎn)，然后圍繞這些節(jié)點(diǎn)添加相關(guān)子節(jié)點(diǎn)，包括基因突變、基因表達(dá)、遺傳病等，再依次總結(jié)各子節(jié)點(diǎn)下的相關(guān)概念。通過(guò)這種方式，學(xué)生可以更加系統(tǒng)地理解遺傳的基本原理和核心概念。同時(shí)，這種系統(tǒng)化的知識(shí)體系為學(xué)生進(jìn)行演繹推理奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.3借助個(gè)性化作業(yè)系統(tǒng)培養(yǎng)批判性思維

布置作業(yè)是教學(xué)設(shè)計(jì)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，也是考查學(xué)生是否將所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為自身能力的過(guò)程?；跀?shù)字技術(shù)的個(gè)性化作業(yè)系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的全過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，為其量身定制學(xué)習(xí)任務(wù)和反饋機(jī)制，還可以參考高考試題命題角度，設(shè)計(jì)出高自由度的個(gè)性化作業(yè)。在高中生物學(xué)的學(xué)習(xí)過(guò)程中，教師借助個(gè)性化作業(yè)系統(tǒng)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)復(fù)雜的生物學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行深度探究，鼓勵(lì)他們不僅學(xué)習(xí)書(shū)本上的知識(shí)，更要學(xué)會(huì)獨(dú)立思考、深入分析和綜合評(píng)價(jià)。

以第5章“基因突變及其他變異”為例。個(gè)性化作業(yè)系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)一系列基于真實(shí)社會(huì)生物學(xué)案例的問(wèn)題，要求學(xué)生根據(jù)不同的情境分析所給數(shù)據(jù)，并應(yīng)用遺傳與變異的相關(guān)知識(shí)對(duì)理論與實(shí)際結(jié)果的不同之處進(jìn)行思考，從而得到課堂中的理論并不完全符合生活實(shí)際的結(jié)論，在質(zhì)疑和思考中形成批判性思維。學(xué)生思考后，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)際情境討論不同變異的形成原因，并得出最終結(jié)果。這種基于實(shí)際情境設(shè)計(jì)的習(xí)題要求學(xué)生不僅要綜合運(yùn)用教材內(nèi)容，還要充分考慮其他因素的影響，根據(jù)證據(jù)得出結(jié)論，形成完整的判斷邏輯。

2.4借助虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)造性思考

實(shí)驗(yàn)作為高中生物學(xué)教學(xué)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，不僅是理論知識(shí)與實(shí)踐操作相結(jié)合的橋梁，更是深化理解、培養(yǎng)科學(xué)思維能力的重要途徑。實(shí)驗(yàn)通過(guò)直觀(guān)、具體的方式將書(shū)本上抽象的概念和原理有效轉(zhuǎn)化為可觀(guān)察與可測(cè)量的現(xiàn)象，極大地增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性和有效性。由于部分高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)備、儀器有一定要求，因此，在實(shí)際教學(xué)中難以達(dá)到預(yù)期效果。虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中扮演著重要角色，在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ倪^(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過(guò)模擬真實(shí)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，提供相關(guān)材料和用具，虛擬實(shí)驗(yàn)室提供了一個(gè)安全、互動(dòng)、可自由操作的平臺(tái)，學(xué)生可以利用先進(jìn)的軟件工具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，擺脫時(shí)間、空間與儀器的限制。在教學(xué)中，教師可以充分利用虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)，鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)課本之外的實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證或探究某個(gè)生物學(xué)問(wèn)題，從而鍛煉其創(chuàng)造性思維。

整個(gè)探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生首先需要根據(jù)已有的生物學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程，梳理實(shí)驗(yàn)步驟，并預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，學(xué)生還需明確“設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是否能完成和教材中實(shí)驗(yàn)相同的目的”“是對(duì)教材實(shí)驗(yàn)的延伸還是改良”“其優(yōu)缺點(diǎn)都有哪些”等。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生需主動(dòng)思考相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容，不斷鍛煉創(chuàng)造性思維。

以第5章第2節(jié)“低溫誘導(dǎo)植物細(xì)胞染色體數(shù)目的變化實(shí)驗(yàn)”為例。除了教材中提到的低溫因素外，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，從誘導(dǎo)加倍的原因入手，即如何抑制紡錘體的形成，從而創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，是否其他能抑制紡錘體形成的因素都能夠達(dá)到該實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。由于受?jīng)費(fèi)限制，部分中學(xué)實(shí)驗(yàn)室難以配備所有可能的試劑，往往不能真正開(kāi)展此類(lèi)實(shí)驗(yàn)。而在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，通過(guò)調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)、改變環(huán)境條件等，學(xué)生能夠真正觀(guān)測(cè)到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而激發(fā)自主創(chuàng)新的積極性。通過(guò)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、親自動(dòng)手模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中自由探索，不斷嘗試和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停@一過(guò)程不僅加深了學(xué)生對(duì)生物學(xué)知識(shí)的理解，還激發(fā)了他們的科學(xué)探究精神，鍛煉了創(chuàng)造性思維。

3 結(jié)束語(yǔ)

在數(shù)字技術(shù)的輔助下，學(xué)生不僅能夠更系統(tǒng)地掌握高中生物學(xué)知識(shí)，還能夠鍛煉科學(xué)思維能力。數(shù)字化教學(xué)資源提供了更多比較與分類(lèi)的學(xué)習(xí)空間，利用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)有利于學(xué)生從歸納和演繹的角度形成知識(shí)體系。同時(shí)，個(gè)性化定制的學(xué)習(xí)任務(wù)可以培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維能力，模擬實(shí)驗(yàn)操作可以拓寬科學(xué)思維的視野，鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)造性思考[4]?？茖W(xué)思維能力的培養(yǎng)為高中生物學(xué)教學(xué)注入了新的活力，也為學(xué)生未來(lái)的科學(xué)探索、實(shí)際問(wèn)題的解決和終身學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)，對(duì)學(xué)生的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

4參考文獻(xiàn)

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