以下文章來源於中國教育學刊 ，作者張樹峰
中國教育學刊
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傳統生物學課堂上師生關注的焦點通常是生物學的知識內容，對科學思維的訓練少之又少。實際上，生物學知識只是科學思維的基礎，學生科學思維的發展才是生物學教學的核心。那麼，什麼是科學思維？如何發展學生的科學思維？
科學思維的內涵
《普通高中生物學課程標準（2017年版）》中提道：科學思維是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度、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。學生應該在學習過程中逐步發展科學思維，如能夠基於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、創造性思維等方法，探討、闡釋生命現象及規律。該定義認為科學思維是一種態度、習慣和能力，同時是認知方式、過程和運用的統一。
從認知心理學角度剖析這個定義，可以從認知動機、認知行為、認知方式和認知品質四個方面進行認識。其中認知動機作統領，是科學思維的靈魂，失去了認知動機，也就談不上科學思維。尊重事實是科學思維的起點，基於事實，運用嚴謹的邏輯分析認識事物間的聯繫，在批判性地接受歷史觀點的基礎上，創造性地提出自己的觀點和方法，以解決實際問題。
基於以上分析，我們認為可以這樣解讀生物學科學思維：學生能基於大量具體生物學事實總結規律；能運用已知知識預測生命現象機制；能用模型等方式闡明生命活動原理；能在一定情境下，運用所學知識對某一生物學問題提出質疑或論證；能創造性提出觀點、方法以解決生物學問題。
科學思維的作用
科學思維是一種基於事實和嚴格邏輯得出更好結論的思維方法和思維習慣。
從學生發展的角度分析，科學思維可以幫助學生獲得新知識並學習如何使用知識。具有科學思維的學生可以成為獨立的學習者，並能主動找到所研究問題的答案。儘管我們不知道學生將來會面臨什麼樣的生活和挑戰，但是具有科學思維能力的學生能夠獲得知識並解決科學和社會問題。學生在生物學課上獲得的科學思維有助於提高他們在其他科學領域的認知能力，也可以應用於日常生活的許多方面，以改善學習和生活質量。
從學校教育的目標來分析，學校教育應培養最有用的人才，這些人才應具備發現問題並解決問題的能力，能使用合理的論證作出判斷，而具備科學思維的學生才能成為這種人才。科學思維作為智力發展的最終目標，這種能力一旦獲得就不會失去。學生對科學進行探索，假設、實驗、得出結論的過程都需要使用科學思維。在學生步入社會後，科學思維可指導學生運用邏輯推理面對生活中的問題並作出決策。
構建科學認知模型
發展學生科學思維
生物學是研究生命現象及生命活動規律的科學。生命存在的物質形式即為生命現象，如生命系統的結構及功能等；而生命存在的非物質形式即為生命現象中蘊含著的生命活動規律，如遺傳的基本規律、進化理論等。生命現象的研究多採用分析與綜合，生命活動規律的探索主要依賴歸納與演繹。在高中生物教學中，筆者採用兩種認知模型，進行了相關內容的教學實踐，學生在形成生物學基本概念及原理方面效果顯著，既深化了學生對生物學知識的理解，又培養了學生科學的思維模式，對學生生物學科核心素養的提升有重要的促進作用。
（一）分析與綜合
1.認知模型
分析是把事物的整體分解為各個要素，分別加以研究的思維方法和思維過程。綜合是把分解開來的各個要素結合起來，形成一個整體的思維方法和思維過程。只有首先對各要素作出周密分析，才可能從整體上進行正確的綜合，也只有對事物各種要素從內在聯繫上加以綜合，才能正確認識整個客觀對象。基於這個理解，我們構建了圖1所示的認知模型。
▲圖1 分析、綜合認知模型
分析與綜合不僅相互依存、相互滲透，而且二者的主次關係也是隨著人們認識的發展而相互轉化的。人們要完整深刻地認識客觀事物，就必須反覆運用分析與綜合的方法，它是在分析—綜合—再分析—再綜合的過程中不斷前進的。因此，科學思維要求分析和綜合協同運用。
2.實踐應用
美國細胞生物學家威爾遜說過：「每一個生物科學問題的答案都必須在細胞中尋找。」細胞是生物體結構和功能的基本單位，結構分為細胞膜、細胞質和細胞核三部分。其中，細胞膜是細胞這個生命系統的邊界，能夠控制物質進出細胞和進行細胞間的信息交流。細胞膜為什麼能完成這些生命活動？採用分析的方法可以理解細胞膜的組成及各部分功能關係，用綜合的方法可以深入理解結構和功能的適應關係（見圖2）。
▲圖2 細胞膜結構與功能關係的分析與綜合
科學家先獲取純淨細胞膜，然後分離各種成分，對各種成分的屬性和功能分別進行分析，再通過一系列結構研究實驗，明確了各種成分的空間分布狀況及相互關係——這是一個分析的過程。接下來，科學家通過物質穿過人工脂雙層實驗、加法原理測試和減法原理測試，明確了已知組分在細胞膜這個整體上的功能，之後與細胞膜的具體功能進行對照，繼續探究未知組分的屬性和功能，使人們對細胞膜結構和功能的認識逐步深入——這是一個綜合的過程。除了亞細胞水平外，細胞、組織、器官、個體，甚至種群、群落、生態系統和生物圈等，各個層次的生命系統都可以利用該模型來研究其結構與功能的關係。實踐過程中，先將各種生命系統分解為各個部分，分別研究各部分的屬性和功能，之後把各個部分按照時空順序和內在聯繫有機地統一為整體，從而掌握生命的本質。
（二）歸納與演繹
1.認知模型
歸納是從許多個別事例中獲得一個具有概括性的規則、規律或一般結論，是從特殊到一般的推理過程。演繹是從既有的普遍性結論，推導出個別性結論的方法，是從一般到特殊的推理過程。歸納是演繹的基礎，演繹是從歸納結束的地方開始的，演繹所依據的一般知識來源於經驗歸納。基於這個理解，我們構建了圖3所示的認知模型。
▲圖3 歸納、演繹認知模型
歸納只是對現存的有限的經驗材料進行概括，因而不能保證歸納結論的科學性；演繹從一般結論或原則出發思考問題，也無法保證出發的前提是否正確，因此歸納與演繹必須在相互轉化過程中，彌補各自的缺陷。所以，科學思維要求歸納和演繹相統一。
2.實踐應用
奧地利遺傳學家孟德爾在1865年發表了遺傳學的兩大基本規律——基因的分離規律和自由組合規律。以分離規律為例，孟德爾購買了34個品種的豌豆，他選擇其中具有可以相互區分的穩定性狀（如高莖或矮莖、圓粒或皺粒、灰色種皮或白色種皮等）的22個品種進行雜交實驗，對不同代的豌豆的性狀和數目進行細緻入微的觀察、計數和分析，提出了「生物體的性狀由遺傳因子控制,顯性遺傳因子控制顯性性狀,隱性遺傳因子控制隱性性狀」「遺傳因子在體細胞中成對存在」「形成配子時，成對的遺傳因子彼此分離,進入不同的配子中」「受精時，雌雄配子隨機結合」四條假說，來解釋觀察到的現象，並得到了相應的數學關係式，這些假說可以說是他得到的一般規則——這是一個歸納的過程。孟德爾利用四條假說內容很好地解釋了他所觀察到的豌豆遺傳現象，但這種解釋是建立在假說基礎上的，證據不足以支撐該規則，因此他將假說作為一種機理（規則），進行了演繹推理，讓F1與隱性類型雜交，預測將要出現的結果為子代顯性︰隱性=1︰1。而他實際進行豌豆種植雜交實驗的結果與預測結果相符，從而證明了自己的假說是正確的，由此將四條假說內容總結提升為基因的分離規律（見圖4）——這是一個演繹的過程。
▲圖4 孟德爾豌豆雜交實驗中的歸納與演繹
通過研究一對相對性狀的遺傳實驗，孟德爾發現了基因的分離規律，但當他將兩對或更多對相對性狀放在一起研究時，卻不能作出科學解釋。於是，他以一對相對性狀的遺傳研究為起點，繼續歸納和演繹，最終發現了基因的自由組合規律。孟德爾之後的遺傳學研究大多採用這種研究方法，如摩爾根通過歸納與演繹，將果蠅的白眼基因定位在X染色體上，同時發現了遺傳學第三規律——基因的連鎖和互換規律。像這樣，人們對生物體生命活動規律的認識過程總是從特殊到一般，又從一般到特殊，循環往復，不斷深入。歸納之後，再利用演繹將歸納所得的一般結論推廣到未知的事實上，通過這些事實來檢驗一般結論的科學性；演繹之後，再將演繹所得的個別結論與事實相比較，檢驗、修正並充實原有的演繹前提，遺傳規律及生物進化理論都是通過這種方式不斷豐富和完善的。歸納和演繹只有在如此周而復始的相互轉化過程中，才能彌補各自的缺陷，充分發揮其在探索生物體生命活動規律中的作用。
（來源：《中國教育學刊》2020年第十一期，作者：張樹峰，山東省青島第三十九中學高級教師）
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原標題：《生物學教學中構建認知模型對科學思維發展的作用》
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