高中生物科学思维及教学

高中生物科学思维及教学高中生物科学思维及教学1/41/4对生物学学科核心素养的理解——科学思维及其教学赵占良摘要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、对事物客观发展变化作出预测的认识方式。科学思维的核心是理性思维，理性思维具有批判质疑、重实证、重逻辑等特点。直觉、想象、灵感和顿悟等非理性因素是理性思维的有效补充。科学思维与技术思维、工程思维、伦理思维和审美思维等既有区别又有联系。教师要根据科学思维的内涵和特点加强科学思维教学。关键词科学思维；理性思维；证据；逻辑高中生物学课程是自然科学课程，将科学思维列入生物学学科核心素养，凸显了本课程的科学属性和育人价值，也昭示了科学思维的培养是本课程的核心任务之一。为了培养学生的科学思维，首先要弄清楚什么是科学思维。1科学思维的内涵《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称“新课标”）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。”从这个定义可以看出，科学思维首先是指一种思维习惯。这种思维习惯具有什么特点呢？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。尊重事实和证据概括地说就是重实证，这是科学思维的显著特点。这里所说的事实，是指运用科学手段搜集、用科学话语表达出的科学事实。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。有人质疑将“事实和证据”并列的说法，理由是事实就是证据，“事实和证据”是同义重复。其实，新课标将事实和证据并列是有道理的。所谓证据，是指可以用来作出判断的事实依据，它建立在事实的基础上，但与事实之间不能完全画等号。事实林林总总，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发育的说法，就是在证据的认定上出了偏差。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。但在自然科学领域，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。怎样才能做到严谨和务实呢？新课标提出要“运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题”，这就涉及什么是科学的思维方法问题。而关于这一问题，新课标在定义科学思维之后，紧接着似乎就给出了答案：“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、阐释现象及规律，审视或论证生物学社会议题。”从上下文来看，这里所说的“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”，应该就是前文所说的“科学的思维方法”。我们知道，归纳和演绎都是常规的逻辑思维，不仅科学研究离不开它，其他方面的研究和日常生活也离不开它。批判性思高中生物科学思维及教学高中生物科学思维及教学2/42/4维和创造性思维同样有着广阔的应用范围，它们与归纳、演绎等常规逻辑思维显然也不在一个层面。那么，究竟该怎样理解科学思维的方法呢？我们不妨将《普通高中物理课程标准（2017年版）》关于科学思维的表述作为参照：“科学思维是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及其相互关系的认识方式；是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品格。”这段话强调了科学思维内涵的几个要点：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；为了达到这样的认识目标，要在经验事实（证据）的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（与生物学新课标所说的“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。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”［1］，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。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，可是说是心智的自由构建活动，虽然也能总结出若干具体方法［2］，但没有哪位科学家和发明家是按照书本上总结出的创造性思维方法去思考和创造的，因此似可不必将其列入科学思维的方法之中。综合上述两个学科的课程标准，结合逻辑学、思维科学、科学方法论等文献，可以对科学思维的内涵作如下概括：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。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。在它所运用的逻辑思维中，概念、判断、推理和论证都是思维的形式［3］。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作出，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）［3］；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［3］。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”［1］。而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。高中生物科学思维及教学高中生物科学思维及教学3/43/42科学思维与理性思维的关系在《中国学生发展核心素养》中，作为6大核心素养之一的“科学精神”有3个基本要点：理性思维、批判质疑和勇于探究。其中关于理性思维的解释是“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”［4］。可以看出，同前文分析的科学思维的要义一样，理性思维也是重视实证和逻辑的思维。那么，二者完全同义吗？它们到底是什么关系呢？其实，关于科学思维和理性思维的关系，刘大椿教授20多年前主编的《科学哲学通论》就作出了明确的回答：“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）。”［5］合客观就是要尽量排除人的主观因素的影响（尽管完全排除是不可能的，观察过程也是渗透着理论的），使人的认识合乎客观事物的真实情况，而这是要通过“对证据的承诺”来实现的。观察、实验、调查都是获得证据的途径。合逻辑是指人们在认识过程中使用的思维方法在逻辑上是合理的和有效的，科学理论的辩护乃至发现都离不开合乎逻辑的思维。合客观、合逻辑是科学的理性追求，这就意味着在科学研究中面对既有观点或结论时，追问它是否合客观、合逻辑成为思维的必然取向或态度倾向。因此，批判质疑就成为理性思维主体的心理品质，这或许是英文的“Criticalthinking”既可译为“批判性思维”“审辨式思维”，又可译为“理性思维”的原因。美国国家科学教育标准的表述可谓与此不谋而合：科学的“基本特点是以实证为判别尺度，以逻辑作论辩的武器，以怀疑作审视的出发点”［6］。由此可见，理性思维可以说是科学思维的核心，二者都是人类理性精神的体现。实证加逻辑就构成科学思维的所有方法论特征吗？如果按照逻辑实证主义的理论，答案无疑是肯定的。但是，正如刘大椿教授主编的《科学哲学通论》所言，“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”［5］。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。一言以蔽之，科学思维等于理性思维加直觉、想象、灵感、顿悟等非理性因素。厘清科学思维与理性思维的关系有什么意义呢？既然科学思维的核心是理性思维，那么，科学思维教学的重点就应该放在理性思维的培养上，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，那么教师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，在教学中难以刻意培养，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！3科学思维与其他思维的关系真、善、美是人类的共同追求。人类社会在追求真、善、美的过程中不断进步。人类追求真、善、美都离不开思维。求真的思维是科学思维；求善，就是怎么做才符合人类的利益，涉及技术思维、工程思维和伦理思维等；求美，就是创造美的作品、追求审美的愉悦，主要依靠审美思维［2］。科学思维主要用高中生物科学思维及教学高中生物科学思维及教学4/44/4来分析和解决科学问题，或者与科学有关的社会性议题，比如如何对待转基因作物、基因编辑婴儿、抗生素的使用等。科学思维素养的高低，关乎个人和社会的理性程度，关乎社会的和谐稳定，因此怎么强调也不过分。但是科学不是万能的，科学思维并不能解决人类面临的所有问题，许多问题的解决还要靠综合运用科学思维、工程思维、技术思维、伦理思维乃至审美思维。本文限于论题，对其他思维的内涵不作阐述。应当指出的是，科学思维与其他思维虽然在思维模式和方法上有很大区别，但是有着不同程度的内在联系，特别是随着社会科技化的不断加速，科技对社会各个领域的渗透越来越广泛和深入，科学思维在工程、技术、伦理等领域的作用也越来越显著。4加强科学思维教学的基本思路从学生学的角度看，加强科学思维的教学要有3个基本点：一是培养学生批判质疑的精神和态度；二是培养学生的证据意识、获取证据的能力、评价证据的能力；三是培养学生逻辑思维的严谨性、全面性、深刻性和流畅性。在此基础上，重视培养学生的创造性思维，并且结合生物学科的特点，培养学生的整体性思维、辩证思维和复杂性思维。从教师教的角度看，加强科学思维的教学首先要加强概念的教学，因为概念是思维的基本形式，也是思维的工具；概念教学本质上也是思维教学，要将二者统一起来而不是进行割裂，注重引导学生在事实基础上通过抽象和概括等思维建构概念。其次，要将思维教学与科学史的教学、探究活动的设计和实施有机结合起来，通过科学家不迷信权威、敢于质疑的事例，让学生感受批判质疑精神的启迪；通过分析科学家的实验和亲身参与探究活动，在获取证据、逻辑推理等方面提升能力。最后，通过难度较大的思维训练活动，训练学生的逻辑思维，教材中的“思考与讨论”“思维训练”“练习与应用”“复习与提高