例析科学思维的两条重要原则

操明权

(江苏省邗江中学 扬州 225009)

科学思维是高中生物学“核心素养”培养的重要任务之一。高中生物学教学中科学思维主要是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。科学思维能力不是与生俱来的，而是需要后天刻苦地学习和训练。科学思维是有一些原则的，遵守这些原则才能有效地培养科学思维，其中最重要的两条原则就是休谟公理和奥卡姆剃刀原理。

1 科学思维的总原则——休谟公理

18世纪英国哲学家大卫·休谟(David Hume， 1711—1776)在《人类理解研究》一书中提出了科学思维的一条总原则，称为“休谟公理”。其内容为：“没有任何证言足以确定一个神迹，除非该证言属于这样的情形，其虚假比它力图确立的事实更为神奇”。也就是“非同寻常的声明，需要非常确凿的证据”[1]。

例如，中学生物学科技小组的师生利用小青菜绿叶提取出光合色素，然后在30℃的温室条件下进行了如下的实验，以此来探究pH对叶绿素稳定性的影响。下列对实验的叙述错误的是：

实验组号操作步骤 ①②③④色素溶液(mL)3.03.03.03.0pH8.07.06.05.0处理时间10101010溶液颜色绿色绿色黄绿色黄褐色

A. 酸性环境下的叶绿素可能因稳定性较差而被分解

B. 提取色素时加入碳酸钙可防止研磨中色素被破坏

C. 该实验结果表明叶绿素在碱性环境中不会被破坏

D. 纸层析法分离色素后可得出②④两组出现颜色差异的原因

解析：根据休谟公理，要想探究pH对叶绿素稳定性的影响，就要设计科学、严谨，具有说服力的实验来证明之。本实验设计中，自变量是pH，因变量是溶液颜色。根据表中数据可知，酸性环境下色素溶液的颜色由绿色变成黄绿色或黄褐色，说明酸性环境下的叶绿素可能因稳定性较差而被分解，A正确。提取色素时加入碳酸钙，其原理是可防止研磨中叶绿素被破坏，B正确。在pH为7或8的环境中，色素溶液的颜色均为绿色，但这不能说明叶绿素在碱性环境中不会被破坏，提取的粗品可能含有其他的物质，没有做对照实验，碱性增强时色素可能会被破坏，违背了休谟公理所说的“非同寻常的声明，需要非常确凿的证据”，C错误。可用纸层析法分离各种色素来分析色素的种类，因此可用纸层析法分析②④两组出现颜色差异的原因，D正确。故本题参考答案为C。

上述事例说明，科学思维要以事实为依据，不能根据主观臆测来下结论。对于离奇的说法，理性的做法应该是根据该说法的离奇度来确定相信度，该说法越离奇，则越不应该相信。相信度与离奇度成反比，除非有足够的令人置信的证据来证明。在高中生物学教材内容中，探究兴奋在神经纤维上传导是双向的、在神经元之间传递是单向的，探究胰岛素具有降血糖的作用，探究生长素具有极性运输的特点，光合作用探索历程中恩格尔曼和萨克斯的实验，探究DNA分子半保留复制方式等内容，均是训练学生科学思维的极好材料。

2 科学思维与奥卡姆剃刀原理

奥卡姆剃刀原理(Occam’s Razor)是由14世纪逻辑学家、圣方济各会的修士奥卡姆提出的。他所主张的“思维经济原则”，概括起来就是“如无必要，勿增实体”。因为他叫奥卡姆，人们为了纪念他就把这句话称为“奥卡姆剃刀”[2]。对于科学家，奥卡姆剃刀原理表述形式为：如果你有两个或多个原理，它们都能解释观测到的事实，那么你应该使用简单或可证伪的那个，直到发现更多的证据。

奥卡姆剃刀原理是以结果为导向，始终追寻高效简洁的方法。600多年来，这一原理在科学上得到了广泛的应用。从牛顿的万有引力到爱因斯坦的相对论，奥卡姆剃刀已经成为重要的科学思维理念。在高三生物学教学综合训练内容中，也有很多这样的事例出现，如科学家通过研究种间捕食关系，构建了捕食者—猎物模型，如图1所示(箭头所指方向代表曲线变化趋势)；图2为相应的种群数量变化曲线，下列叙述错误的是：

图1 捕食—猎物模型

图2 种群数量变化曲线

A. 图1所示模型能解释捕食者和猎物的种群数量均能维持相对稳定

B. 图1曲线变化趋势反映了生态系统中普遍存在的负反馈调节

C. 图1中①②③④种群数量变化与图2中abcd依次对应

D. 图2中P为猎物的种群数量，H为捕食者的种群数量

解析：捕食者—猎物数学模型将复杂的生物种间捕食关系简洁明了地体现出来。在甲图中若以捕食者密度为纵坐标、猎物密度为横坐标、按时间顺序作出相位图，就可以得到一个封闭环。相位图表示两个种群的密度将按封闭环的轨道逆时针方向无限循环，其中心点即为平衡点，通过平衡点作互相垂直的线，将相位图分为4块，在垂直线右侧捕食者种群增加(P1→P2→P3)，在左侧减少(P3→P2→P1)；在水平线下面，猎物种群增加(N1→N2→N3)，在上面减少(N3→N2→N1)。因此，洛特卡-沃尔泰拉模型表明猎物——捕食者种群动态中分为以下4个时期：①猎物增加(N2→N3)，捕食者也增加(P1→P2)；②猎物减少(N3→N2)，捕食者继续增加(P2→P3)；③猎物(N2→N1)和捕食者(P3→P2)都减少；④捕食者继续减少(P2→P1)，而猎物增加(N1→N2)。

在本题中，据图1分析，由于负反馈调节，捕食者和猎物的种群数量均能维持相对稳定，A正确。图1曲线变化趋势反映了生态系统中普遍存在的负反馈，即猎物的种群数量增加，捕食者的种群数量也增加，由于捕食者的种群数量增加，导致猎物的种群增长受到抑制，B正确。图1中①区域表示猎物种群数量增加引起捕食者的种群数量增加，对应图2中a；②区域猎物种群数量减少，捕食者种群数量继续增加，对应图2中b；③区域表示随着猎物种群数量的减少，捕食者种群数量减少，对应图2中的c；④区域表示捕食者种群数量继续减少，而猎物种群数量开始增加，对应图2中的d，C正确。图2数量上呈现出“先增加者先减少，后增加者后减少”的变化，属于捕食关系，因此图2中P为捕食者的种群数量，H为猎物的种群数量，D错误。故本题参考答案为D。

在高中生物学教材内容中，细胞周期的四种常用表示方法、光合作用模型、人体细胞和外界环境进行物质交换的模型、中心法则表达式、种群增长数学模型、生物种间关系的4种曲线模型和生态系统能量流动模型等内容，均体现了科学思维表述时简洁的特点。

总之，科学思维强调的不是该信什么，而是不该信什么和该怎样去信。科学思维是一种具有很强的怀疑和批判能力的思维，是一种应用概念特别明确的思维，是一种严格遵守形式逻辑规律的思维。在高中生物学教学中，教师应充分挖掘科学思维培养的素材和内容，创设问题情境，让学生能够基于生物学事实和证据运用比较与分析、归纳与概括、演绎与推理、模型与建模和批判性思维等方法，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题，从而提升科学思维的能力。

(基金项目：江苏省教科院“十二五”立项课题“新课程背景下高中有效作业与教学质量相关性的研究”，No.D/2011/02/160；江苏省扬州市教科院“十三五”重点课题“高中教师专业化发展的途径与方法的研究”，No.G/16/Z/010)