浅论科学思维水平等级及教学运用

安徽

科学思维是学科核心素养的重要内容，本质是利用科学思维方式认识生物世界和解决生物学问题。科学思维不仅存在于科学家的头脑中，普通学生也应具有科学思维。高中生物课堂是适合开展科学思维教学的平台，教师要将科学思维不同水平等级的培养融入实际教学中，并在学业质量检测中考查学生的科学思维水平，逐步培养具有理性思维、科学审视世界能力的社会人。

一、科学思维在核心素养和学业质量水平中的比较

《普通高中生物学课程标准（2017 年版）》（以下简称《课程标准》）对生物学科学思维在学业质量水平和核心素养中的水平等级做出了具体描述，这为教师培养与塑造学生科学思维提供了依据和标准。《课程标准》中对科学思维的水平等级划分是顶层设计，具有高度概括性和指导性。科学思维可通过学业质量水平检测和体现，学业质量水平让核心素养成为能够衡量的抓手。科学思维在核心素养和学业质量水平中均划分为四个水平，两者的不同层次体现一一对应的关系。核心素养的四个水平重点是在培养学生品格与能力方面做了不同层次的要求和规范，学业质量水平的四个水平重点在教学评价和核心素养检测中做了详细说明，学业质量水平中的二级水平是合格性考试的标准，而四级水平是等级性考试的标准。一线教师需认真研究学业质量水平与核心素养的关系，掌握科学思维不同水平的具体体现，让科学思维在教学中得到充分训练，在考试评价中高质量体现与落实。

二、科学思维水平等级的关系及教学运用初探

科学合理地划分科学思维可准确反映生物学课程学习的深度和广度。科学思维不同水平的差异主要表现为在不同复杂程度的情境中运用各种重要概念思考和解决问题的程度，水平从低到高具有递进关系。一、二级水平涉及的大概念、方法仅限于必修课程内容，解决问题的情境及思考问题的层次相对较低。三、四级水平涉及的大概念、方法包括必修课程和选择性必修课程等内容，同时解决问题的情境相对复杂，思考问题和解决问题层次要求较高。

1.一级水平：认同概念形成过程、运用概念解释简单生命现象

生物学中的核心概念如定律、定理和规律等是人类科学思维的产物，形成这些概念需要通过归纳、分析、比较、演绎、综合和概括等科学思维过程与方法。科学思维不仅体现在关注概念形成结果，也体现在关注概念形成过程。在教学过程中教师需引导学生认识生物学概念的形成过程，区分核心概念的内涵和外延，并运用这些核心概念在简单情境中解释生命现象。如在教学中完成“酶”概念教学后，笔者设计了如下简单情境以训练学生的科学思维。

【例1】用蛋白酶处理大肠杆菌核糖体，处理后的核糖体仍可催化氨基酸的脱水缩合反应。下列叙述正确的是 （ ）

A.蛋白酶处理后的大肠杆菌核糖体中缺乏合成蛋白质的酶

B.大肠杆菌核糖体中催化氨基酸脱水缩合的酶是一种蛋白质

C.核糖体中催化氨基酸脱水缩合的酶能为合成蛋白质提供能量

D.大肠杆菌核糖体中催化氨基酸脱水缩合的酶由核糖核苷酸组成

【答案】D

【分析】通过提供的实验情境，学生运用已知的核糖体的成分等知识，比较分析大肠杆菌核糖体在蛋白酶处理前后的功能变化，可归纳出核糖体中催化合成蛋白质的酶不是蛋白质，而是另一种成分——rRNA，并结合课堂上所学关于酶的化学本质和作用等内容，轻松完成此题。运用简单情境考查学生对生命现象的分析和解释，渗透比较、分析、归纳和概括等科学思维的实际应用，让学生在解决问题的过程中形成生物学概念，在运用生物学概念的过程中提升科学思维水平，两者相得益彰。在实际教学中教师还可通过指导学生阅读、分析、讨论，使学生认同生物学概念的形成需要运用不同科学思维方法进行论证，进而逐步建立较为全面的科学思维模式。

2.二级水平：运用适当方法说明概念内涵，面对争议运用逻辑推理阐明立场

生物学概念或原理均是科学思维的产物，其建立过程需要运用归纳与概括、演绎与推理等适当方法，并可以用文字或图示的形式进行表达。在面对有争议的社会议题时，可通过所学的生物学原理解释相应的生命现象，并通过逻辑推理阐明个人立场。二级科学思维水平是一级水平的延续与拓展，强调科学思维在学生个体中的具体运用和表达，并能在科学思维指导下逐步理解和建立生物学概念，且能将科学思维转化为个人在社会中的科学行动指南。如在研究酶的活性及影响因素时，笔者在教学中设计了如下试题以锻炼学生的科学思维，并让学生面对疑惑提出自己的见解。

【例2】如图为研究某种酶在不同温度（甲组20℃、乙组40℃、丙组60℃）、不同反应时间内对产物浓度（其他条件相同）的影响。下列叙述中正确的是 （ ）

A.设计实验时需将此酶与底物混合后再设置所需温度，而后测定产物浓度变化

B.乙组反应体系在t1— t2时间内反应速率不断下降表明此酶活性不断下降

C.在t1前若将甲组温度提高10℃，则甲组酶催化反应的速率将降低

D.若在t2时向丙组反应体系中增加2 倍量底物，则t3时丙组产物总量不变

【答案】D

【分析】曲线或图表结合呈现的实验常用来研究酶的活性及影响因素，学生在分析不同温度下三条曲线的变化时，分析比较出温度和时间对反应体系中产物浓度的影响，总结归纳出酶的活性、酶的浓度与反应速率的关系。学生基于实验情境及模型分析，逐步形成了酶的空间结构→酶的活性→活性测定这条关系链，并在分析、归纳中升华原理或概念，经过科学思维的形成，对构建的知识原理理解深刻且记忆持久。教学中教师还可引导学生运用科学思维对一些生活或社会议题表达观点和立场。如加酶洗衣粉应在什么水温下使用？储存血液制品应用低温还是高温？探究温度对酶活性的影响宜用淀粉酶还是过氧化氢酶？面对这些问题时，学生便可利用已有的科学思维发表个人见解和观点，同时在这个过程中强化生物学原理的构建与科学思维的紧密联系。

3.三级水平：探讨、审视或论证生物学问题，通过逻辑推理对社会议题作出决策

科学思维是认识一切事物的本质及事物之间关系的方法，此种方法可运用于生物学各个领域和范畴。科学思维三级水平除要求以文字、图示或模型等方法研究生物学必修课程和选择性必修课程外，还要求举例说明生物工程与技术的原理及其与社会之间的关系，扩大了科学思维的应用范围。此水平等级增加了运用模型说明生物学概念内涵的方法，彰显概念模型、物理模型和数学模型在研究生物学问题中的运用。模型运用是一种思维水平较高的认识问题方式，能将抽象、复杂的问题简单化、形象化和具体化，对学生认知水平和思维品质要求很高。在学习人教版教材选修1 关于“酶的研究与应用”时，笔者设计了如下实验情境。

【例3】某同学用不同种类的洗衣粉进行了如下实验，请分析回答相关问题。

实验一（如表1）：

表1

（1）该实验的目的是________________________。

（2）上述实验结果可以得出的结论是________________________。

实验二：探究复合酶洗衣粉和普通洗衣粉的洗涤效果是否存在差异。实验设计如表2：

表2

（3）该实验设计中有一处明显的错误，请指出：_________________。

（4）修改后的实验最可能的实验结果是____________________。

（5）推广使用加酶洗衣粉代替含磷洗衣粉，有利于保护生态环境，这是因为__________________________。

【答案】（1）探究不同洗衣粉在不同温度下去污力的变化 （2）相同温度下加酶洗衣粉的去污力比普通洗衣粉高，使用加酶洗衣粉的适宜温度为45℃左右 （3）对照组设计错误，应设计复合酶洗衣粉和普通洗衣粉作为对照 （4）使用复合酶洗衣粉的去污程度大于普通洗衣粉的去污程度 （5）酶具高效性且可被分解，避免水体富营养化

【分析】通过提供两组关于研究加酶洗衣粉的实验，让学生分析、比较数据后推出实验目的，归纳出实验结论，再根据实验目的对已有实验进行分析、评价并提出解决问题的科学建议。这就需要学生经过深思熟虑后运用科学思维方法进行探讨、审视和论证，并通过逻辑推理作出决策。运用科学思维对事物进行多因素、多角度的客观分析，既要有逻辑推理，又要结合实际情况综合理解，并作出主观意志的判断和决策，体现了科学思维在人类认知方式和解决实际问题中的较高体现，在很大程度上激发了人的思考潜能，提出自己对问题的新见解。

4.四级水平：运用科学思维揭示规律或机制，作出决策并解决问题

科学思维的四级水平是高级水平，强调模型与建模在认识生物学概念和原理中的具体运用。概念本身就是一种模型，而概念的形成过程就是建立模型的过程。此级水平要求学生能熟练运用科学思维方法审视生物新情境，并能揭示生物学规律或机制。这里包含科学思维中的高级方法——批判性思维，要求学生能做出具有目的性和反思性的判断，批判性思维具有求证、理性、开放、正确评价、审视作出判断、愿意重新考虑并作出调整等特点。针对复杂的生物学问题，能利用多个相关的生物学大概念或原理形成证据链或关系网，通过逻辑推理阐明个人意愿并解决实际问题，这是对科学思维的最终目标提出的最高要求。在教学中笔者通过原创一道有关种子萌发的试题，对学生在提出方案并解决问题方面进行了科学思维训练。

【例4】某科技小组研究了油菜种子（富含脂肪）和大麦种子（富含淀粉）的萌发过程。请回答下列问题：

（1）科技小组将100 粒油菜种子置于温度、水分、通气等条件适宜的环境中培养到10 d（幼苗前），实验中定期检测萌发油菜种子的干重变化。实验发现油菜种子萌发中3— 7 d 间干重增加，这与油菜种子中脂肪水解成______________________有关；萌发至7— 10 d 间干重减少，其原因是________________________________。

（2）为研究大麦种子萌发过程中α-淀粉酶的产生机理，科技小组将多粒大小相似的大麦种子随机平均分成4 等份（如表3）：

表3

①每组随机加入多粒大麦种子目的是_________________________。

②综合分析实验中1 组、2 组和4 组的实验结果，可说明______________________________________。

③由实验结果可知大麦种子产生α-淀粉酶的部位是_________________________________。

（3）科技小组欲利用实验室中恒温箱、淀粉、碘液等器具和材料进行实验，以比较大麦种子在20℃和30℃萌发时α-淀粉酶的催化效果。则科技小组的实验思路为____________________________________。

【答案】（1）甘油和脂肪酸 油菜种子萌发过程中细胞呼吸消耗有机物导致干重减少 （2）①排除实验中因种子数量少引起的偶然误差 ②大麦种子中α-淀粉酶活性与胚产生的赤霉素有关 ③糊粉层 （3）将等量大麦种子分别置于20℃和30℃培养箱中培养若干天，而后取等量的萌发种子分别制成提取液Ⅰ和提取液Ⅱ。取2 支试管甲、乙，分别加入等量的淀粉液，然后再加入等量的提取液Ⅰ和提取液Ⅱ，45℃水浴保温一段时间，然后立即在2 支试管中分别加入2 mL 碘液，振荡后观察颜色变化

【分析】学生在分析表格数据时，通过比较、分析、归纳并总结出影响大麦种子萌发的机理，经过严密思考后提出比较大麦种子在不同温度萌发时α-淀粉酶的催化效果的实验思路或方案，这是利用科学思维解决实际问题的具体表现。学生最初提出的方案可能是不合理甚至是错误的，这时教师需引导学生进一步进行论证或审视，必要时需要查阅资料或实际验证得出结论，这就需要学生不断修订、不断完善并得出科学的结论，最终解决实际问题并形成新的科学思维成果。

科学思维是学科核心素养的重要内容，也是形成生命观念的重要途径和科学探究的重要组成部分。教师厘清科学思维的不同水平等级，并找出四个水平等级的区别、联系、继承与拓展，将此渗透到每一节课与每一次教学评价中，真正让学生形成必备的科学思维品质，从而更好地认识事物和适应复杂的社会生活。