科学思维与中学生物学教材设计

科学思维与中学生物学教材设计引言：高中新教材（2019版）的一道讨论题：施莱登和施旺只是观察了部分动植物的组织，却归纳出“所有的动植物都是由细胞构成的”。这一结论可信吗？为什么？奥德姆和林德曼等生态学家只是研究了少数几个生态系统的能量流动情况，就归纳总结出生态系统的能量流动规律：单向流动，逐级递减。这一结论可信吗？为什么？科学归纳法和简单枚举法都属于不完全归纳法。科学归纳法由于还揭示了各事物间的内在规律性关系和逻辑联系而更加可信。科学归纳法是科学思维的方法之一。科学思维就是自然科学课程最应给予学生的东西科学思维就属于核心素养。许多人看到个头很大的草莓等水果，就说是用激素催熟的，孩子不能吃，否则会提早发育，甚至性早熟。这一说法是否符合科学思维？部分公众对转基因食品的恐惧，说明在科学思维方面有哪些不足？提纲科学思维与核心素养的关系科学思维的内涵科学思维与理性思维的关系生物学科科学思维的特点培养学生科学思维的教材设计科学思维与核心素养的关系与学生发展核心素养与学科核心素养学生发展核心素养的内涵学生发展核心素养：学生在接受相应学段的教育过程中，逐步形成的适应个人终生发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。学生发展核心素养举例科学精神：主要是学生在学习、理解、运用科学知识和技能等方面所形成的价值标准、思维方式和行为表现。具体包括理性思维、批判质疑、勇于探究等基本要点。学生发展核心素养中的理性思维学生发展核心素养的六大素养之一——科学精神科学精神的三个要点之一——理性思维学科核心素养的内涵学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。——普通高中生物学课程标准学科核心素养中的科学思维物理：科学思维化学：证据推理与模型认知生物：科学思维（送审稿中是“理性思维”）小结：科学（理性）思维与核心素养的关系从学生必备品格和关键能力角度看，科学（理性）思维是科学态度、科学世界观和科学价值观的基础；学生要具有分析和解决问题能力，关键要靠科学（理性）思维。从学生发展核心素养的框架体系看，理性思维是作为六大素养之一的科学精神的基本要点。从学科核心素养来看，科学思维是理化生等理科课程标准所凝炼的学科核心素养的重要组成。加里.R.卡比杰弗里.R.古德帕斯特《思维》：“科学与其说是一种知识体系，不如说是一种思维方式。”“我们不是要成为科学家，而是去了解科学研究的基础，从而成为科学信息的明智消费者。科学思维的内涵科学思维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生命现象及规律，审视或论证生物学议题——《普通高中生物学课程标准（2017年版）》关于事实和证据尊重事实和证据——重实证。事实——运用科学手段搜集、用科学话语表达出来的科学事实。我们看到太阳东升西落，这只是我们主观上的感觉，并不是科学事实。证据——可以用来做出判断的事实依据，它建立在事实基础上，但只有与论题直接相关的事实才能作为证据。例如，某种激素能促进植物果实发育的实验，其结果只能作为这种激素能促进植物发育的证据，不能作为它促进人体发育的证据，因此，所谓吃了激素催熟的水果就会影响儿童的发育的说法，就是在证据的认定上出了偏差。关于严谨和务实严谨和务实的求知态度，不仅自然科学需要，人文和社会科学也需要。在自然科学领域，严谨和务实有特定的含义：严谨主要是指获取证据的方法和从证据到结论的思维是严密的、周全的、无漏洞的；务实主要是指使人的认知符合客观事物的真实情况。科学思维习惯包括思维取向和思维方式科学思维首先是一种思维习惯1.从思维的取向即态度和意识层面说，要尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度。2.从思维方式上说，要运用科学的思维方法。科学的思维方法：课标：“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”归纳和演绎、抽象和概括都是常规的逻辑思维方法，在日常生活中也普遍运用。批判性思维和创造性思维是否应列入学生应该掌握的科学思维方法呢？科学思维（物理课标）对物理课标中科学思维的解读科学思维是一种认识方式，其目标是认识客观事物的本质属性、内在规律及其相互关系；为了达到认识目标，要在经验事实（证据）基础上运用抽象概括、分析综合、推理论证等方法；科学思维既是一种能力，也是一种品格（与生物新课标所说“思维习惯”很接近），这种能力和品格具有质疑、批判和创新的取向和特质。关于批判性思维与生物学课程标准不同的是，物理课程标准未将批判性思维和创造性思维列为科学思维的方法，对此笔者是赞同的。“合乎逻辑地思维、辨别自己和他人思维中的谬误是批判性思维的核心”（《思维——批判性和创造性思维的跨学科研究》，加里•R•卡比，杰弗里•R•古德帕斯特著，韩广忠译，中国人民大学出版社，2010年10月第1版，P168）。可见批判性思维主要是指运用逻辑思维去辨别自己和他人思维中的谬误，主要强调的是对既有思维过程进行的批判性、审辨性思考，其具体方法仍然主要是逻辑思维。关于创造性思维创造性思维是指在逻辑思维的基础上，通过想象、联想、直觉思维、灵感思维等，创造出新观点、新理论、新方法等。创造性思维是心智的自由构建活动，也能总结出若干具体方法（思维科学知识读本，马林，中共中央党校出版社，2009年5月第1版，P186）。科学思维（专著解释）张大松《科学思维的艺术科学思维方法导论》“科学思维方法是指形成并运用于科学认识活动的、人脑借助信息符号对感性材料进行加工处理的方式与途径。一般来说，科学思维方法比日常思维方法更具有严谨性与科学性。”马林著《思维科学知识读本》：“科学思维是人们在科学认识和科学实验的活动中所进行的一种思维活动，是以探索真理为目的的思维活动，是反映客观事物本质与规律，以‘理论’掌握世界的方式进行的思维活动。”科学思维是基于事实证据、运用科学概念、通过科学推理和论证对客观事物的本质、规律及其相互关系作出判断和解释、对客观事物的发展变化作出预测的认识方式。赵占良“对生物学学科核心素养的理解（二）——科学思维及其教学”，中学生物教学，2019年第10期。科学思维是一种重视实证和逻辑的求真务实的思维习惯和能力；既是常规逻辑思维在科学领域的具体运用，又需要批判审视、质疑包容的思维取向和心理品格，还要靠想象、联想、直觉和灵感等非逻辑思维提出创造性见解。在逻辑思维中，概念、判断、推理和论证都是思维的形式——金岳霖，《形式逻辑》P19。不同形式的思维都有一定的思维方法概念（包括模型）的形成主要靠抽象和概括的方法；判断有时靠感觉和知觉就可直接做出，有时要在概念基础上进行推理才能完成；推理的方法主要是归纳和演绎（在逻辑学上也将类比、比较、分类、分析和综合纳入归纳的范畴）（金岳霖，形式逻辑，P287-288）。仅靠推理只能使得出的判断合逻辑，不能保证它符合客观实际，验证判断的真实性靠论证，论证由论题、论据和论证方式组成，论证方式同样离不开归纳和演绎的推理方法科学思维习惯科学思维作为一种思维习惯，对科学专业工作者来说，主要是指在面对科学问题时，首先运用已有的知识和经验，通过创造性思维提出猜想或假说，再寻找证据检验猜想或假说是否成立，而设计寻找证据的方案、对证据的分析和解释都要靠逻辑思维；还包括在面对一种科学的观点或结论时，运用批判性思维进行思考和追问：这种观点或结论是否有证据的支持？证据是否可靠和充分？从给出的证据到得出的结论之间逻辑是否严谨？对证据是否可能有其他解释？而对公众包括绝大多数高中学生来说，他们的目标“不是要成为科学家，而是去了解科学研究的基础，从而成为科学信息的明智消费者。”要成为科学信息的明智消费者，就需要培养批判质疑、重视实证和逻辑的科学思维习惯。对“科学思维”的理解从认知角度，是求真的思维。从做事角度，是合规律的思维。科学思维在科学探究中形成，用来解决自然科学问题，也可用来解决自然科学以外的某些问题。科学思维不能解决人类面临的所有问题。科学思维是人类理性精神在思维中的体现。科学思维的核心是理性思维。科学思维与理性思维的关系理性思维：崇尚真知，能理解和掌握基本的科学原理和方法；尊重事实和证据，有实证意识和严谨的求知态度；逻辑清晰，能运用科学的思维方式认识事物、解决问题、指导行为等。——《学生发展核心素养体系构建》课题组什么是理性“理性指的是合客观性（区别于信仰）加上合逻辑性（区别于感性、情感等非理性）”理性思维的概念解析理性：合客观+合逻辑合客观：区别于宗教信仰合逻辑：区别于感性、情感如何做到合客观、合逻辑合客观：靠证据——观察、实验、调查等合逻辑：靠推理——归纳、演绎科学的基本特点科学的基本特点是以怀疑作审视的出发点，以实证为判别尺度，以逻辑作论辩的武器。——高中生物教材《遗传与进化》P128引自美国《国家科学教育标准）以怀疑作审视的出发点以实证为判别尺度以逻辑作论辩的武器科学思维与理性思维的关系“尽管科学在本质上是理性的，但是应当承认，科学并不只是包含客观性和逻辑性两种因素，除了理性因素之外，还有大量的非理性因素存在着……它同艺术等创造性活动一样，同样需要有激情、意志、直觉和灵感，没有这些非逻辑、非理性因素作为理性的必要的补充，科学的创造与发展几乎是不可能的。”——刘大椿，科学哲学通论，中国人民大学出版社，1998年8月第1版）科学史上许多成功的实例说明，科学发现过程中提出猜想或假说环节往往要靠直觉、想象、灵感和顿悟，而假说的检验、结论的确证和辩护主要靠基于证据的逻辑思维。科学思维的核心是理性思维，都是人类理性精神在思维中的体现。科学思维=理性思维+直觉、灵感、顿悟等直觉是与生俱来的，灵感和顿悟是可遇而不可求的，教育教学中训练和提升科学思维，主要是指理性思维直觉思维张大松《科学思维的艺术科学思维方法导论》“直觉思维是人们思维活动中那种超越感性经验和逻辑推理的一种直接洞察与整体判断，它跨越了一系列研发积累和理性分析，往往说不出判断或选择的理由，似乎在当时也不需要说明理由。”“直觉思维是创造性活动中普遍存在的思维方式”厘清科学思维与理性思维关系的意义科学思维教学的重点是理性思维的培养，即培养学生批判质疑、重证据、重逻辑的思维习惯和能力既然科学思维还包括直觉、想象、灵感、顿悟等非理性因素，那么我们在教学中也要重视通过大量的实操性的探究实践活动，潜移默化地提升学生的直觉思维能力，还要在训练逻辑思维的同时，重视培养学生的想象力。至于灵感和顿悟，那是可遇而不可求的，在教学中无法刻意培养，只能寄希望于学生将来的创造过程，在付出百分之九十九的汗水之后去收获那百分之一的灵光一现了!教材中理性思维的正例达尔文摩尔根现实生活中理性思维的反例反转斗士砸日系车抢购食盐生物学科科学思维的特点与其他自然科学的共同点：都致力于合客观和合逻辑都倡导理性质疑都是基于实证的逻辑思维，都强调形式逻辑思维的严密性与其他学科的比较优势生物学科在思维训练上的优势（高阶思维）辩证思维一分为二、对立统一、发展变化、普遍联系地思考问题，都是辩证思维。摈弃非此即彼、二元对立的思维方式，引导学生全面、辩证地看问题，是培养辩证思维的重要方面之一。整体性思维它不同于传统科学的分析式思维。分析式思维以过分的理性化和机械化为特征，注重事物和过程的单因果的硬性决定论，以及线性的和非循环因素的作用。生态学思维是一种整体性思维，它注重事物和过程多因果的网络结构及概率统计方法的运用，重视非线性的和循环因素的分析；注重将生态系统作为各种组分相异相依、相克相生、共存共荣的有机整体，主张摈弃传统的极端功利型思维，倡导互利型的思维方式。——赵占良《中学生物教育引入生态文化内涵的思考》复杂性思维生物学中因果关系的复杂性一因多果某种药物的服用效果最常见的副作用是：头痛、面部潮红、胃部不适、视力异常，如视觉色彩改变（如有蓝色色晕）和视力模糊、鼻塞或流鼻涕、背痛、肌肉痛、恶心、头晕、皮疹一果多因初中生物：影响种子萌发的外界条件……高中生物：影响身高的多个基因及后天因素影响，影响光合作用强度的环境因素……多因多果初高中生物：生态因素，环境污染对生物的影响，生物多样性锐减的原因和后果……生物学中因果关系的复杂性线性因果关系线状或树状（“一个基因一个酶”，反射，等等）非线性因果关系（环状或网状）循环因果关系：如生命系统各层次的反馈调节，生产者、消费者、分解者之间的关系网络因果关系：诸多反馈环路之间的相互影响，如神经、体液、免疫调节网络，从基因到性状的调节网络，生物与环境的共同进化、生态系统的稳定性等复杂性思维的反例培养学生科学思维的教材设计1.注重怀疑态度、质疑精神介绍科学史有关实例在教学活动中鼓励质疑，培养问题意识“不唯上，不唯书，只唯实”2.通过各种学习探究活动培养学生