探讨高中生物新教材培养科学思维的素材

福建

《普通高中课程方案（2017 年版）》指出普通高中课程培养目标之一是具有科学文化素养和终身学习能力。高中各学科的《课程标准》一致把“思维素养”作为本学科的学科核心素养之一。如高中生物和高中物理的“科学思维”、高中数学的“逻辑推理”、高中化学的“证据推理与模型认知”、地理学科的“综合思维”、信息技术学科的“计算思维”、通用技术学科的“工程思维”、语文学科的“思维发展与提升”、英语学科的“思维品质”、思想政治学科的“科学精神”、历史学科的“史料实证”。可见，思维素养对人的终身发展有着至关重要的作用。

《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020 年修订）》（以下简称《课程标准》）指出，“科学思维”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。学生应该在学习过程中逐步发展科学思维，如能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题。从《课程标准》的表述看，在生物课堂上发展“科学思维”的素材有“生物学事实、证据、生物学社会议题”等。重点要培养的“科学思维”是“归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维”。《课程标准》既明确了教学目标（培养科学思维，重点指科学思维方法），又明确了教学素材。所以，广大教师有必要思考教材中的素材如何服务于“培养科学思维”这个教学目标。

从科学思维方法的具体手段及其科学求解功能看，科学思维方法可分为发散求解思维方法、逻辑解析思维方法、哲理思辨思维方法、理论建构与评价思维方法等类型。将其划分得更细致些，可分为解题思维、求异思维、形象思维、直觉思维、比较思维、类比思维、隐喻思维、溯因思维（也叫因果思维）、归纳思维、演绎思维、数理思维、次协调思维、系统思维、辩证思维、理论构建思维、理论检验思维、理论评价思维等。《课程标准》所说的“归纳与概括”属于归纳思维；“演绎与推理”属于演绎思维；“模型与建模”属于形象思维；“批判性思维”属于发散思维；“创造性思维”属于直觉思维。

培养任何一种科学思维都需要适合的教学素材，因材施教才能事半功倍。人民教育出版社出版的2019 年版高中教科书生物学（以下简称新教材）中的素材内容，根据知识类型可分为概念素材、规律素材、机理素材、结构素材、实验素材共五类。每一类素材在培养科学思维方面，侧重点是不同的。笔者以“新教材素材——科学思维——教学策略”为线索，探讨教师如何利用新教材中的各类素材培养科学思维。

1.概念素材

概念是反映事物本质属性或特有属性的思维形式，是逻辑思维的最基本单位。没有概念，人类就无法清楚地思维。《课程标准》的基本理念之一就是内容聚焦大概念。所以落实好概念教学是培养科学思维的关键。

概念素材主要培养归纳思维。归纳思维是指从若干个别性经验知识上升到一般性认识的思维过程或者信息处理方式。就是人们常说的“根据具体事实概括出一般理论”的信息加工过程。

归纳思维的过程是从丰富的事实中归纳出一般理论。所以在教学策略上教师应先让学生列举丰富的事实，再归纳出低层概念，通过逐步概括，最后凝练成最恰当的概念。

以“细胞的分化”一节为例，新教材建构的概念是“在个体发育中，由一个或一种细胞增殖产生的后代，在形态、结构和生理功能上发生稳定性差异的过程，叫作细胞分化”。根据归纳思维的过程，笔者建议教师采用以下教学策略：①让学生列举其所认识的人体细胞名称，教师板书记录；②让学生画出上述细胞的形态、结构，并注明该细胞的功能；③让学生比较不同细胞在形态、结构、功能上的异同；④让学生对“细胞的分化”下定义；⑤通过生生互评修改完善学生最初的定义；⑥对照教材中的定义，引导学生反思有哪些部分是大家没想到的；⑦背诵教材中的定义。

教师在利用概念素材进行概念教学时，要特别突出三个关键词——列举、归纳、修正。列举的目的是建立丰富的感性认识（如上述教学策略中“学生列举人体细胞名称，再画出细胞形态结构，并注明细胞功能”）；归纳的目的是训练分析、比较、综合、归纳、概括的科学思维（如上述教学策略中“学生比较不同细胞在形态、结构、功能上的异同”）；修正的目的是克服个体思维的局限性，完善思维成果（如上述教学策略中生生互评，修改完善对细胞的分化的定义，再对照教材中的定义，引导学生反思有哪些部分是大家没想到的）。这三个环节缺一不可。通过列举、归纳、修正，学生在概念形成过程中，有效训练了归纳与概括等科学思维。

2.规律素材

规律素材指的是与科学规律的形成、应用和完善相关的教学素材。科学史表明，自然科学的经验定律和经验公式大部分都是应用归纳法总结出来的。而总结出的一般性规律或公式是为了将其推演到特殊的情境中并解决问题。所以，规律素材主要训练的是归纳思维和演绎思维。

据不完全统计，新教材中包含的生物学规律有遗传规律、中心法则、生态系统中能量流动规律、物质循环规律、信息传递规律等。

以中心法则为例，新教材必修2 第4 章第1 节先介绍基因如何指导蛋白质的合成，第2 节再提出中心法则，并通过资料分析，完善中心法则，最后举例说明基因、蛋白质与性状的关系。以训练科学思维为目标，设计“中心法则”的教学，笔者建议采用以下教学策略：①教师列举真核生物、原核生物以及噬菌体等DNA 病毒的增殖过程中普遍存在的两个事实：DNA 的自我复制、基因的转录和翻译；②教师归纳中心法则，并展示图解，让学生明确中心法则的普适性；③让学生用中心法则解释生物学问题（可以把新教材中“基因、蛋白质与性状的关系”这一部分提前讲），训练演绎思维；④学生进行资料分析，发展并完善中心法则，训练归纳思维。

教师在利用规律素材进行教学时，应特别关注科学规律是怎么形成的（归纳思维）、其可以应用于哪些方面（演绎思维）、科学规律有什么局限性（发散思维）及科学规律的发展（归纳思维）。这样才符合人们的认知规律，也符合科学思维的发展过程。

3.机理素材

生物学是研究生命现象和生命活动规律的科学。机理就是对生命活动的科学解释，它反映了生命观念。所以，机理素材是学习生物学必不可少的素材。

据不完全统计，新教材介绍的生命机理有光合作用、细胞呼吸、物质进出细胞的方式、细胞分裂、受精作用、DNA 半保留复制、神经调节、体液调节、免疫调节等。

机理素材主要训练的是溯因思维和系统思维。溯因思维是一种根据某现象的特征推测该现象产生原因的信息加工方式。系统思维是在系统科学理论的指导下，用系统的观点来观察对象系统信息的一种信息加工活动，它是根据事物本身的特征把对象放在系统的形式中加以研究的思维方式。

以细胞呼吸为例，作为最重要的生命活动之一，教材在编排上，先通过探讨呼吸作用与燃烧的异同点，引导学生关注呼吸作用的物质变化、能量变化和发生条件；再通过实验探究酵母菌细胞呼吸的方式；然后详细说明有氧呼吸和无氧呼吸的过程；最后介绍细胞呼吸原理的应用。教材呈现素材的顺序是生活素材→实验素材→机理素材→生活素材。因此，在处理机理素材时，既要保持机理素材的完整性和相对独立性，又要联系前面所铺垫的素材。

从训练科学思维的角度设计机理素材的教学，笔者建议采用以下教学策略：

①引导学生构建思维导图，如有氧呼吸的思维导图，以有氧呼吸为核心，让学生说出可以从哪些角度认识它，并在黑板上写出来，以此训练系统思维。②根据思维导图中的每一个关键词，分别进行专题讲解或讨论。如教师先以“过程”为关键词，以总—分—总的思路进行讲解。先总说有氧呼吸分为三个阶段，再分说每个阶段的具体过程，再总说有氧呼吸的反应式。教师再以“场所”为关键词，结合细胞结构图，梳理有氧呼吸三个阶段所发生的场所。然后，让学生画出有氧呼吸过程的图解或观察新教材中的图解。最后，引导学生从思维导图中的其他关键词（如“物质变化”“能量变化”“条件”等）思考有氧呼吸。③回顾前面“生活素材”“实验素材”中相关现象并分析其中的原因。

生命机理是生物学的核心内容之一。教师在处理机理素材时往往千头万绪。从培养科学思维的角度看，要先培养系统思维（如建立思维导图），突出重点知识和主干知识；再培养溯因思维，从某个角度切入，将生命机理解释清楚（如以某一线索讲解知识），这样才能带领学生建立完整且正确的认知体系，形成科学思维。

4.结构素材

结构素材指的是描述生命系统结构的素材。新教材介绍的结构包括分子结构（如DNA 双螺旋结构）、细胞结构（如真核细胞结构）、系统结构（如免疫系统结构）、种群结构（如种群的空间特征）、群落结构（如垂直结构）、生态系统结构（如食物网）。具体呈现方式有模式图（如细胞结构模式图）、流程图（如有氧呼吸过程图解、生态系统能量流动图解）、关系图（如食物网）、概念图等，且通常配有相应的文字说明。

结构素材主要训练的是形象思维和系统思维。形象思维是一种加工处理形象信息的思维方式，以生动、直观为主要特征，以想象、联想、整合为基本思维方法。它作为一种最基本的思维形态，与抽象思维等思维方式相辅相成、密不可分，共同作用并服务于人类科学研究与科学思维活动。形象思维与系统思维、溯因思维相结合可以厘清生命系统结构中整体与部分的关系，更好地理解“结构与功能相适应的生命观”，甚至为科学发现提供克服逻辑局限性的思维辅助。

以训练科学思维为教学目标，笔者建议教师处理结构素材时采用“看”“画”“问”三步教学法。“看”就是观察，先观察实物或资料，再观察抽象的模式图等模型；“画”就是建模的过程；“问”就是追问模型构建得对不对，追问如此构建的原因，探讨其中的机理。“看”“画”重点训练形象思维和系统思维，即《课程标准》中的“模型与建模”。“问”重点训练溯因思维。这三个步骤缺一不可，层层推进，让学生的科学思维不断升华。

5.实验素材

实验素材，从广义上说包括课内实验和课外实验。本文仅指狭义上的课内实验，即教材中的学生动手实验、科学史的经典实验。根据内容划分，课内实验可分为观察类（如观察DNA、RNA 在细胞中的分布）、鉴定类（如检测生物组织中的还原糖）、调查类（如调查人群中的遗传病）、探究类（如探究影响酶活性的条件）、发现类（如光合作用的探究历程）等。不同类型的实验，运用的科学思维方法不尽相同。如观察类实验和鉴定类实验主要训练比较思维、归纳思维和溯因思维；调查类、探究类实验和发现类实验主要训练解题思维、系统思维、溯因思维和归纳思维。

观察类和鉴定类实验，其实验原理和实验步骤明确，关键在于实验结果的观察和分析。所以在教学策略上笔者建议采用讨论法。学生独立完成实验，如实记录实验结果。教师汇总学生的实验结果，分析同学们的实验结果的相同点和不同点。教师要敏锐地发现与众不同的结果，引导大家讨论其中的原因，将思维引向深处，达到训练比较思维、归纳思维和溯因思维的目的。

调查类和探究类实验的一般步骤是确定课题、制订计划（或实验方案）、实施计划（或实验方案）、收集结果并分析、得出结论。在整个过程中，“确定课题、制订计划”环节训练的是解题思维和系统思维，“收集结果并分析”环节训练的是归纳思维和溯因思维，“得出结论”环节训练的是归纳思维。因为学生独立完成整个调查实验或探究实验的难度较大，所以笔者建议采用“小组合作探究”策略。教师组织学生开展小组合作探究时有三个关键点——分组、指导、交流。首先，分组应合理，强弱联合、男女搭配、分工明确、各尽其职，这样才能让全体学生均操作起来，才能让各小组都有能力顺利完成实验。其次，教师要做好指导和跟进的工作，指导时应明确指出制订计划的原则方法，并对各小组方案的可行性做出客观判断，提出改进意见，还要在方案实施过程中及时有效地跟进实验实施情况。最后，充分开展交流活动，及时解决实验过程中出现的问题，并对实验结果进行广泛的讨论。通过师生互动、生生互动，训练学生的解题思维、系统思维、溯因思维和归纳思维。

发现类实验主要指科学史上的经典实验。教材以提出问题、解决问题的思路呈现素材。带领学生体验科学发现的整个过程是编者的意图，也是训练学生科学思维的良好途径。因此，教师在处理这类素材时要抓住2 条主线——问题、对策。以光合作用的探究历程为例，整个探究历程的问题主线是植物生长需要什么→植物更新空气的实验为什么会出现完全相反的结论→空气的成分是什么→根据能量守恒定律，还有什么物质没被发现→光合作用的场所在哪里→不同物质是怎么转化的。围绕这个问题主线，教师先提出问题，再展示教材素材（科学家的实验），师生共同探讨，得出阶段性结论，再进一步发现问题，得出更丰富的结论。通过发现——解决——再发现——再解决的循环过程，层层推进，不断丰富结论，最终达成较为科学全面的认知体系，学生的科学思维也在这个发现过程中不断提升。

综上所述，每一类教学素材重点培养对应的科学思维的某些类型，需要与之相匹配的教学策略才能更好地发挥教材的育人价值。这些难点考验着教师的智慧。教师对“科学思维”的研究依旧任重道远。