对生物科学发现史的教学与学生科学探究思维能力的培养

摘 要：本文主要探讨如何利用生物科学发现史作为优良教学资源来培养学生科学探究思维能力。

关键词：科学探究；思维；内化

新课标重点要求提高学生的生物科学素养和倡导探究性学习。而生物科学发现史作为特别优良的课程教学资源，可应用在学生科学素质的培养、学生学习兴趣的激发和学生情感、价值观等非智力因素方面的培养等。尤其在科学素质的培养方面，对于学生的生物科学基础知识的学习、科学态度和科学精神的培养、科学思维和方法训练三方面都具重要作用。

实验探究能力是体现生物科学素养的重要方面。实验探究教学中，学生在具备相关生物学知识的前提下，实验的基本技能、实验设计的基本方法以及能力的培养、优化与提升，就成为素质教育理念下高中生物探究式教学的重中之重。教材中的实验是培养学生科学素养的重要载体，包含了中学生物实验的基本方法与技能。作为新世纪高中生物教师，我们应在教与学新理念的引领下，利用好教材中的经典实验，促成学生掌握新教材基础实验的探究方法与技能，并学会迁移与运用。

本文主要探讨在学生科学探究思维能力的培养方面，如何发挥生物发现史作为优良教学资源的重要角色。

一、科学探究思维能力

《普通高中生物课程（实验）》（以下简称《标准》）指出：“科学探究既是学生的学习目标，又是重要的教学方式之一，将科学探究列入内容标准，旨在将学生学习重心从过分强调知识的传承和积累向知识的探究过程转化，从学生被动接受知识向主动获取知识转化，从而培养学生的科学探究能力，实事求是的科学态度和敢于创新的探索精神。”

科学探究过程包括以下要素：提出问题、猜想与假设、制定计划和设计实验、进行实验与收集证据、分析、写论证、评估、交流与合作。所有探究活动都要历经整个过程，它是科学探究的方法所在。而在探究过程的各个环节中，贯穿始终的是科学思维，它扮演着指挥所有科学方法顺利进行的角色。因此，科学探究思维的培养既是科学探究能力培养的重要内容，也是科学探究能力培养目标达成的最直接途径。

科学思维是运用科学抽象的成果（概念、符号和思想模型）所进行的深入的认知活动。它包含逻辑思维和非逻辑思维两类。所谓逻辑思维，即抽象思维，是指运用比较、分类、分析、综合等逻辑方法，借助概念、判断、推理等思维形式，去揭示和把握认识对象的本质或规律的思维过程。逻辑思维的表现形式主要有：归纳和演绎、分析和综合、比较和分类、类比。非逻辑思维形式主要包括形象思维、直觉思维、灵感、联想和想象、顿悟、猜测等。

分析是指用思维把事物分解为各个部分分别加以考察从而便于形成各个概念或便于确定概念间的关系的方法。综合是指思维把事物的各个部分用形成的各个概念分别代表，形成原来的整体事物的概念或确定这些各个部分的概念的关系的思维过程。

归纳是指思维找出多个特殊性的具体事物的共同性的方法。演绎是指思维从事物的一般性返回到事物的具体的个别性的方法。

比较是确定对象之间的共同点和差异点的一种逻辑方法，是科学思维对由观察与实验获得的感性材料进行逻辑加工的初步方法。

类比是将未知事物与已知事物进行比较，根据对象属性之间的关系在某些方面的相似或相同，而推断未知事物也可能具有已知事物其他的某种属性的方法。

想象是建立新的概念、形象，发现新的联系、规律的有效且重要的思维途径。

形象思维是对形象信息传递的客观形象体系进行感受、储存的基础上，结合主观的认识和情感进行识别，并用一定的形式、手段和工具创造和描述形象的一种基本的思维形式。

直觉思维是指对一个问题未经逐步分析，仅依据内因的感知迅速地对问题答案做出判断、猜想、设想，或者在对疑难百思不得其解之中，突然对问题有“灵感”和“顿悟”。

二、利用生物科学发展史培养学生科学探究思维能力

科学思维能力的提高不是通过简单的灌输，而是个体在自主学习和实践过程中不断内化和升华的过程。教学实践中，通过利用高中生物课程资源中的生物科学发现史中的经典实验，以学生的认知过程为主线，通过分析、研究科学家的实验设计思路，引领学生经历与体验科学工作者进行科学探究时的整个实际过程，让学生学习和领悟科学家科学研究的思维方式和研究方法，从而帮助学生学习其中具体的科学方法和思维。下面就如何利用生物科学发展史，对学生在科学探究的每个环节中常涉及的科学思维加以训练、提升和培养。

1.提出问题

提出问题是科学探究的逻辑起点。爱因斯坦指出：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅仅是一个数学上或实验上的技能而已，而提出新的问题，新的可能，从新的角度去看旧的问题，却需要创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”

如孟德尔在进行豌杂交育种时，注意到分别对具有高矮相对性状的豌豆植株进行杂交，F1代只显示亲本一方的性状。于是提出疑问，为什么子一代没有出现矮茎植株呢？同时大胆联想，如果用这个子一代的高茎豌豆自交又会出现什么结果呢？当得出自交后代出现高矮性状并存的结果时，又大胆演绎，是否所有相对性状杂交实验结果也遵循这样规律？并做了相应归纳后，才确定提出一个科学问题：为什么子一代只出现显性性状，而子二代却出现了性状分离现象呢？如在对肺炎双球菌试验中，通过归纳、分析和综合得出DNA是遗传物质的结论的基础上，赫尔希和蔡斯又发出疑问，艾弗里实验中DNA提取物纯度最高时，仍然含有0.2%的蛋白质，那么最终使R型细菌产生稳定遗传变化的物质，到底是DNA还是0.2%的蛋白质？赫尔希等人的噬菌体侵染细菌的实验将DNA和蛋白质分开进行独立研究，才最终得出了让科学界信服的结论。

通过让学生经历孟德尔整个提出问题的过程，使学生认识到，一个有价值的科学问题的提出不但需要永不止步的精神，更需要在发现问题的基础上，依靠演绎、联想思维，进行再发问，再肯定，并对所有疑问进行归纳，分析和综合，通过由浅入深、由表及里、由现象到本质的层层思维，最终从一般的非科学问题中挖掘出更有生命力和有科学价值的科学问题。通过这一过程再现和体会，学生的发散、逆向、直觉思维都可得到激发、锻炼、培养和提升。

2.猜想和假设

对问题的科学假设，是为下一步的活动指明方向，以加速对问题答案也即现象背后隐藏的规律的发现。假设必须是有科学依据，并可通过实验验证的。因此假设的确立除需要联想、想像、直觉等非逻辑思维的参与，更需要严密的逻辑思维。如孟德尔的最终问题的提出，其实就是在一系列小问题的提出上，假设，验证，再提出新问题，再假设，再验证的过程。学生通过对科学家做出假设的思维历程加以揣摩、研读，进而使之科学思维得以磨练。

3.实验设计

实验设计的目的是对前面做出的假设进行验证，比较、归纳和演绎思维在此环节的参与尤其重要。实验设计的原则主要有：控制性原则、对照性原则、重复性原则、单一变量原则。

高中生物教材中涉及许多对照实验，设置对照是科学研究中常用的手段，也是科学探究实验设计这一环节中必不可少的科学思维。如达尔文胚芽鞘实验中，就曾设置了三组对照，即分别对正常、去掉尖端、被锡箔小帽罩住三种条件下的胚芽鞘进行单侧光照射，生长状况结果分别为弯曲生长、直立生长、直立生长。学生可以通过比较、分析和综合推断出尖端在单侧光照射下产生某种物质，对胚芽鞘下面的部分产生某种影响。可见对照实验即是比较科学思维的发挥；同样在温特实验中也有三组对照实验，将与切下的胚芽鞘尖端接触过和未接触过的琼脂块分别放在被切去尖端的胚芽鞘的一侧，学生通过对结果的比较、分析和综合，便可得出结论：在单侧光的刺激下，胚芽鞘尖端确实产生了某种物质，并从尖端运至下部促使下部的生长，最终导致胚芽鞘的向光弯曲生长。在发现史中的经典实验里，对照实验随处可见。如光合作用发现中的萨克斯实验，对一个叶片分别进行一半遮光和一半曝光的对照处理；在噬菌体侵染细菌实验，它的设计目的是为了验证DNA是遗传物质，而不是蛋白质。因此设计前提是必须将DNA和蛋白质分开，直接地、单独地去观察DNA和蛋白质各自的作用。又如酶的发现中物理性消化和化学性消化的对比试验等。对照设置都以便于科学的比较思维的参与为目标。

除此之外，控制原则、单一变量原则都是为了便于同等条件下的比较分析而设立。如孟德尔选择闭花自花授粉的豌豆作为杂交试验的材料，并选择豌豆中外观对比明显的七对相对性状作为研究内容，均是便于同等条件下单一变量的比较。通过让学生学习实验设计要求几大原则和设计思路，以及对对照结果的分析，可锻炼学生的演绎、归纳、比较和综合思维。

4.实验方案实施和证据收集

实验结果数据是假设得以验证的最有力证据。但在实验过程中，由于误差和偶然因素的影响，有可能出现与假设，甚至是与当时科学理论相违背的结果，对这些结果处理方式也是培养学生科学思维的重要环节。如由于偶然因素产生的意外现象引起弗莱明的思索，从而造就了青霉素的发现。同时，对结果的收集，不应仅仅局限于本学科特定的思维层面和角度，孟德尔在豌豆杂交实验中，就不仅局限于对通常采用的定性结果的记录，还大胆引入统计学方法对实验结果出现的不同性状豌豆的数目进行定量统计分析。创新的证据收集思维造就的便是伟大的基因分离定律的提出。因此，科学家们对待不利证据的处理方式以及收集数据的角度、范围和方式的创新，最终导致科学进步产生的经典范例，都可使学生对想像、直觉等非逻辑思维加深印象和深层内化。

5.分析、论证和评估

同样的实验数据，不同的人分析、归纳、综合的思维不同，结果便不同。因此，实验数据分析与实验设计两个环节均是考查探究者科学思维能力的重要之处。

如艾弗里在对自己的转化试验结果进行分析和综合时，遗漏了DNA纯度这一因素的影响，得出了让科学界无法接受和信服的结论，直至赫尔希等弥补缺憾。因此分析得出的结论还需要不断的论证方可最终定论。孟德尔提出对分离现象的假设后，通过归纳和演绎思维得出，一个正确的理论即科学理论，不仅能说明已得出的自交和杂交实验的结果，还应该能准确预测另一些试验的结果。他设计了测交试验，验证结果证实这一理论是正确的，是具有应用广泛性的。对这一环节的研习，使学生体会科学逻辑思维的严密性对科学成就的取得的重要作用，如严密的试验设计思维才是能得出正确结论的必要前提，并逐渐对之加深理解、接受，直至内化。

三、小结

生物科学发现史中，凝聚着科学家们造就科学成就结晶的心血和科学探究的整个历程。其中不乏科学家打破前人经验理论框架的创新思维，如灵感、顿悟、直觉等非逻辑思维的存在，更有严密的归纳、演绎、分析、综合、比较、类比等逻辑思维的参与。因此，教师应将其作为培养学生科学探究思维的经典案例，引领学生经历与体验科学工作者进行科学探究时的整个实际过程，让学生学习和领悟科学家科学研究的思维方式和研究方法。同时，辅以适量的生物实验探究活动的实践，使学生在形成科学探究的基本实验技能同时，更对科学家的科学思维熟习和内化，最终形成能够利用科学思维自己进行简单的探究活动的探究能力。从而使学生树立主动探究，利用科学探究方法解决实际问题的探究意识和习惯。

参考文献：

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4.李建珊.科学方法概览.科学出版社，2002.1.

（作者单位：贵州省毕节市民族中学）