胡愛民

(海南師范大學附屬中學 ?？?570208)

科學思維是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態(tài)度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。例如，能夠基于生物學事實和證據，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，審視或論證生物學社會議題。

科學思維是發(fā)展學科核心素養(yǎng)的重要組成部分。近兩年高考試題的一個明顯變化就是十分注重考查學生的科學思維能力。試題通過設置相應的問題情境，讓學生充分表達自己的思維狀況和邏輯推理水平，同時檢測學生的語言組織和表達能力。因此，教師要轉變教育觀念，探索有效的教學模式來培養(yǎng)和發(fā)展學生科學思維的能力，從而真正提高學生的學科核心素養(yǎng)。

1 基于科學思維能力考查的試題分析

例1(2017海南卷26題節(jié)選)： (1)植物生長素對枝條生根有影響，生長素用量為0時，有些枝條也生根。其首次出根需要天數(shù)較多的原因是。

分析： 本題沒有按常規(guī)考查“處理枝條的生長素用量為0時，枝條生根的原因”，而是從另一角度立意，考查學生分析、綜合的能力及邏輯思維能力。在“外源生長素為0”這一條件下，基于“植物枝條產生的內源生長素少”這一生物學事實，推理出“枝條含有生長素少”，再基于“枝條生根需要生長素積累到一定濃度”這一特點，綜合推理出“首次出根需要時間較長”。該題考查學生透過現(xiàn)象認識本質的思維方法，即在給定的情境中，運用生物學規(guī)律和原理，對結果或發(fā)展趨勢作出預測或解釋，并且用恰當?shù)恼Z言進行闡述、表達。由于對思維的縝密性和邏輯性有較高要求，試題難度較大。

例2(2017海南卷29題節(jié)選)： 果蠅有4對染色體(Ⅰ—Ⅳ號，其中Ⅰ號為性染色體)。純合體野生型果蠅表現(xiàn)為灰體、長翅、直剛毛，從該野生型群體中分別得到了甲、乙、丙三種單基因隱性突變的純合體果蠅，其特點如表1所示。

表1 三種果蠅的表現(xiàn)型和基因型及特征

(3)該小組又從乙果蠅種群中得到一只表現(xiàn)型為焦剛毛、黑體的雄蠅，與一只直剛毛灰體雌蠅雜交后，子一代雌雄交配得到的子二代的表現(xiàn)型及其比例為： 直剛毛灰體♀∶直剛毛黑體♀∶直剛毛灰體♂∶直剛毛黑體♂∶焦剛毛灰體♂∶焦剛毛黑體♂=6∶2∶3∶1∶3∶1，則雌雄親本的基因型分別為(控制剛毛性狀的基因用A/a表示)。

分析： 本題要求學生從題干中提煉出有效信息，綜合運用遺傳學原理進行分析推理，考查學生能夠在新的問題情境中，基于事實和證據，采用科學思維的方法揭示生物學規(guī)律和機制，并用恰當?shù)姆绞奖磉_。由于問題情境復雜，本題對學生的推理判斷、分析綜合能力的要求很高，很好地考查了學生的推理思維。其分析推理過程如圖1所示。

圖1 分析推理過程

例3(2018全國Ⅱ卷31題節(jié)選)： 大型肉食性動物對低營養(yǎng)級肉食性動物與植食性動物有捕食和驅趕作用。這一建立在“威懾”與“恐懼”基礎上的種間關系會對群落或生態(tài)系統(tǒng)產生影響，此方面的研究屬于“恐懼生態(tài)學”范疇。

(1) 略。

(2) 如果將頂級肉食性動物引入食物網只有三個營養(yǎng)級的某生態(tài)系統(tǒng)中，使得甲、乙兩種植食性動物間的競爭結果發(fā)生了反轉，即該生態(tài)系統(tǒng)中甲的數(shù)量優(yōu)勢地位喪失，假定該反轉不是由于頂級肉食性動物的直接捕食造成的，那么根據上述“恐懼生態(tài)學”知識推測，甲的數(shù)量優(yōu)勢地位喪失的可能原因是。

分析： 本題以生態(tài)學家詹妮特的研究成果立意，強化了對生命現(xiàn)象思考深度的考查。需要學生基于事實和證據，邏輯清晰，運用生態(tài)學整體思維的方式認識事物、解決問題。解題的關鍵是準確把握題干中“恐懼生態(tài)學”知識的內涵，抓住“捕食和驅趕”這一關鍵信息，在基于“甲的數(shù)量由優(yōu)勢變?yōu)榱觿荨薄凹讛?shù)量減少不是肉食動物捕食引起”這兩個事實的基礎上，建立起“恐懼→逃離→數(shù)量減少”及“恐懼程度越大→逃離數(shù)量越多→競爭結果反轉→影響生態(tài)系統(tǒng)”兩個邏輯關系，從而推理出甲動物逃離該生態(tài)系統(tǒng)的比乙多，說明甲對捕食者的恐懼程度比乙更大。本題同時還考查了“穩(wěn)態(tài)平衡觀”這一生命觀念，并能引發(fā)學生思維的延伸，深度思考人類活動對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

2 基于科學思維發(fā)展的教學策略

高考試題越來越重視從多個角度考查學生的科學思維，試題命制反映出當前教育改革的方向。因此，教師在教學中應高度重視培養(yǎng)學生科學思維的習慣，采用多種教學手段發(fā)展學生科學思維的品質。

2.1 利用問題驅動發(fā)展學生的創(chuàng)新思維 問題意識是學生創(chuàng)造力的一個重要組成部分，是學生創(chuàng)新思維形成的驅動力。教師應根據教學內容創(chuàng)設有層次性、邏輯性的問題情境，讓學生圍繞問題尋求解決方案，激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維。

例如，“細胞膜——系統(tǒng)的邊界”是高中學生首次接觸到的有關細胞結構的知識，學生對細胞膜的認識還很膚淺。教學時，圍繞“制備細胞膜的方法”這一教學目標，可以將教材中的實驗改成環(huán)環(huán)相扣、邏輯縝密的問題，引導學生圍繞目標從多個側面思考，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維(表2)。

表2 “制備細胞膜的方法”的教學過程

科學思維的過程需要推理、想象、聯(lián)想、直覺等思維活動。因此，教師在教學中設計問題時既要緊扣教材，又要有創(chuàng)新意識，能引發(fā)學生從多角度、多層次去思考，步步推進，達到發(fā)展思維的目的。

2.2 生物科學史是發(fā)展科學思維的重要手段 生物科學史是科學家通過科學實驗探尋生命本質的歷史，它揭示了人們思考和解決生物學問題的一些特有的思維方式和探究歷程。高中生物學教材中的科學史蘊含著豐富的科學思想和科學方法，對學生科學思維的發(fā)展有很大幫助。

2.2.1 利用科學史培養(yǎng)學生的邏輯推理能力和歸納概括能力 科學思維是一種建立在證據和邏輯推理上的思維。“光合作用的發(fā)現(xiàn)”就是一部豐富的科學史，其中光反應與暗反應的過程，教材直接以圖解形式呈現(xiàn)出來，實質上這兩個階段的發(fā)現(xiàn)，科學家也經歷了艱辛的探究歷程。教學中，通過查閱資料，有效整合，在基于事實、證據的基礎上，經過推理、概括，使學生從化學反應的變化去認識水和二氧化碳是如何轉變成糖類等有機物的。其設計思路如下：

表3 “光合作用的過程”教學設計

2.2.2 利用科學史培養(yǎng)學生的批判性思維 批判性思維是一種反思性思維，其本質是尋找知識要抱著真誠和客觀的態(tài)度。生物科學史體現(xiàn)著科學家尊重事實、服從真理的科學態(tài)度。在教學中，教師應注意引導學生從科學史中感悟科學家敢于質疑、嚴謹求實的優(yōu)秀品質。

例如，在建立生物膜模型的過程中，羅伯特森通過電鏡觀察提出了“蛋白質—脂質—蛋白質”的模型，組織學生討論： 該模型有哪些優(yōu)缺點？利用該模型能解釋物質的跨膜運輸、變形蟲的變形運動嗎？再列出實證，科學家運用冰凍蝕刻與電鏡相結合的技術否定了該模型，最終提出了更合理的流動鑲嵌模型，從而使學生感受到科學是在不斷質疑、不斷修正中發(fā)展的。在“促胰液素的發(fā)現(xiàn)”教學時，對比分析沃泰默的失敗與斯他林和貝利斯的成功，讓學生領悟到科學發(fā)現(xiàn)需要大膽的質疑和豐富的想象?？傊谶\用科學史組織教學的過程中，應注意啟發(fā)學生對證據、推理、結論等產生質疑，反思認識的不足，切實發(fā)展學生的批判性思維。

2.3 在模型建構中生成概念，發(fā)展科學思維 模型是人們?yōu)榱四撤N目的而對認識對象所作的一種簡化的概括性的描述。模型方法作為一種認識手段和科學思維方式，其主要價值是讓學生通過嘗試建立模型，體驗其中的思維過程，領悟建模方法，逐步建立起科學概念。以光反應與暗反應過程的模型建構為例，按上述表3的設計思路，在分析實驗、形成推論的過程中逐步建立起光合作用過程的概念模型。

2.3.1 構建過程 在弄清物質(H2O)和能量(光能)變化的基礎上經過不斷修正構建起光反應過程的模型，在分析卡爾文實驗的基礎上構建起暗反應過程的模型。

最后通過分析阿爾農的實驗建立起光反應與暗反應相互聯(lián)系的完整模型(圖2)[1]：

2.3.2 模型運用 學生利用自己構建的模型分析討論，如果CO2充足，突然增大或減小光照，短時間內C3、C5、(CH2O)的含量變化趨勢是怎樣的？通過師生交流，進一步加深對所建模型的認識，培養(yǎng)學生的發(fā)散性思維。

發(fā)展學生的科學思維不可能一蹴而就，需要教師將科學思維的培養(yǎng)切實融入自己的課堂教學中，站在全面發(fā)展學生生物學核心素養(yǎng)的高度，達成生物學課程的教育目標。

圖2 光合作用過程模型