試論科學(xué)思維及其在生物學(xué)學(xué)科中的獨(dú)特性

悠雅書(shū)齋 2020-12-06

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摘要：科學(xué)思維是形成生命觀念的重要途徑，是生物學(xué)核心素養(yǎng)的重要組成部分；科學(xué)思維是認(rèn)知?jiǎng)訖C(jī)、認(rèn)知行為、認(rèn)知方式和認(rèn)知品質(zhì)的統(tǒng)一，中學(xué)科學(xué)課程中的科學(xué)思維方法主要指邏輯思維，是形成概念、建構(gòu)模型的重要途徑；由于研究對(duì)象的特殊性，因而生物學(xué)科的科學(xué)思維具有復(fù)雜性、靈活性和整體性的特點(diǎn)；基于生命觀念和科學(xué)思維在認(rèn)知方式上的統(tǒng)一，使生物學(xué)科的科學(xué)思維具有多因素思維等獨(dú)特性。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維、科學(xué)思維方法、獨(dú)特性、生物學(xué)科核心素養(yǎng)

科學(xué)思維作為生物學(xué)核心素養(yǎng)的主要內(nèi)容，是形成生命觀念的重要途徑，也是科學(xué)探究的重要組成部分。生物學(xué)中的一些重要概念，如定律、原理、規(guī)律等都是人類(lèi)科學(xué)思維的產(chǎn)物，形成這些概念一般需要進(jìn)行分析、比較、歸納、演繹、綜合、抽象和概括等科學(xué)思維的過(guò)程和方法?？茖W(xué)思維既重視概念形成的結(jié)果，也關(guān)注概念的形成過(guò)程。因此，發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的能力和品質(zhì)是生物學(xué)教學(xué)的重要目標(biāo)之一。

1 科學(xué)思維的定義及其特征

科學(xué)思維有不同的定義。胡衛(wèi)平等提出：科學(xué)思維就是具有意識(shí)的人腦對(duì)自然界中事物（包括對(duì)象、過(guò)程、現(xiàn)象、事實(shí)等）的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及自然界中事物間的聯(lián)系和相互關(guān)系的間接的、概括的和能動(dòng)的反映。這個(gè)定義偏重于將思維和概念合為一體，沒(méi)有準(zhǔn)確地界定科學(xué)思維的本質(zhì)特征《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的表述是：科學(xué)思維是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度、運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物，解決實(shí)際問(wèn)題的思維習(xí)慣和能力。該定義認(rèn)為科學(xué)思維是一種態(tài)度、習(xí)慣和能力，缺乏對(duì)科學(xué)思維的過(guò)程和品質(zhì)的闡釋《普通高中物理學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的表述是：科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式；是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過(guò)程；是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用；是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見(jiàn)解的能力與品格。這個(gè)定義認(rèn)為科學(xué)思維是一種認(rèn)識(shí)方式、過(guò)程、運(yùn)用、能力與品格的統(tǒng)一，從心理學(xué)層面上比較好地闡釋了科學(xué)思維的顯性特征。需要指出的是，盡管物理課程標(biāo)準(zhǔn)是以物理學(xué)視角來(lái)界定科學(xué)思維，但所提出的科學(xué)思維的這些特征在化學(xué)、生物學(xué)等自然科學(xué)中同樣存在。

基于科學(xué)思維的心理學(xué)特點(diǎn)，結(jié)合上述科學(xué)思維的闡述，筆者認(rèn)為：科學(xué)思維是指人對(duì)自然界中客觀事物的一種認(rèn)識(shí)行為、認(rèn)知方式和認(rèn)知品質(zhì)的反映。中學(xué)科學(xué)教育層面的科學(xué)思維，還包含有激發(fā)學(xué)生“崇尚真知，追求科學(xué)知識(shí)”的認(rèn)知?jiǎng)訖C(jī)?？茖W(xué)思維具有以下一些顯性特征：①崇尚真知，認(rèn)同科學(xué)知識(shí)、原理和方法在解決問(wèn)題中的作用（認(rèn)知?jiǎng)訖C(jī)）；②尊重事實(shí)和證據(jù)，以事實(shí)和證據(jù)作為科學(xué)思維的起點(diǎn)（認(rèn)知行為）；③正確的邏輯分析，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物及事物之間的聯(lián)系（認(rèn)知方式）；④質(zhì)疑和批判，創(chuàng)造性地提出觀點(diǎn)、方法，以解決具體的問(wèn)題（認(rèn)知品質(zhì)）。這些特征可以用結(jié)構(gòu)圖（圖1）表示它們之間的關(guān)系。

圖1 科學(xué)思維特征的結(jié)構(gòu)

認(rèn)知?jiǎng)訖C(jī)是科學(xué)思維的起點(diǎn)，只有在“崇尚真知，追求科學(xué)知識(shí)、原理和方法”的基礎(chǔ)上，我們才會(huì)相信科學(xué)，進(jìn)行科學(xué)分析，產(chǎn)生“尊重事實(shí)和證據(jù)”的認(rèn)知行為‘“尊重事實(shí)和證據(jù)”是科學(xué)思維的前提；認(rèn)知行為如何具體落實(shí)為認(rèn)識(shí)方式呢？進(jìn)行“正確的邏輯分析和推理”是認(rèn)識(shí)事物及事物之間聯(lián)系的核心；在認(rèn)知的過(guò)程中，需要堅(jiān)持質(zhì)疑和批判的認(rèn)知精神和品質(zhì)。由此可見(jiàn)，認(rèn)知?jiǎng)訖C(jī)、認(rèn)知行為、認(rèn)知方式、認(rèn)知品質(zhì)是逐級(jí)提升的，體現(xiàn)出科學(xué)思維鮮明的邏輯層次。而認(rèn)知品質(zhì)又會(huì)在科學(xué)思維的全部過(guò)程之中得以體現(xiàn)。

2 科學(xué)思維方法的分析

科學(xué)思維的表現(xiàn)形式是科學(xué)思維方法，即認(rèn)識(shí)事物的本質(zhì)及事物之間的關(guān)系需要一定的方法才能得出正確的結(jié)論。科學(xué)思維方法有多種分類(lèi)，其中按思維的抽象程度可以分為：動(dòng)作思維（直覺(jué)）、形象思維（觀察、想象）和邏輯思維（抽象）。邏輯思維是概念形成的重要方式，而科學(xué)課程的主要內(nèi)容之一是形成各種概念、原理和規(guī)律，因此，邏輯思維是科學(xué)思維的主要表現(xiàn)形式，是科學(xué)課程中需要著重培養(yǎng)的思維。邏輯思維主要表現(xiàn)為：比較與分類(lèi)、歸納與演繹、分析與綜合、抽象與概括等。批判性思維包括三個(gè)緊密聯(lián)系、相互影響的階段：分析思維方式階段、評(píng)估思維方式階段、提高思維方式階段5。批判性思維包含了邏輯思維的全部特點(diǎn)，是科學(xué)思維的高階水平。

科學(xué)思維方法的種類(lèi)、基本內(nèi)涵和在生物學(xué)中的應(yīng)用舉例（表1）。

上述科學(xué)思維方法都是形成概念的重要方法，而概念也是一種重要的模型，概念的形成過(guò)程就是建立模型的過(guò)程，即建立模型也要用到上述科學(xué)思維方法。例如，光合作用的概念就是一個(gè)概念模型，它是在一系列探索光合作用的原料、條件、場(chǎng)所、產(chǎn)物和過(guò)程的基礎(chǔ)上，進(jìn)行分析與綜合的產(chǎn)物。除概念模型外，數(shù)學(xué)模型和物理模型的建立都要用到表1中的邏輯思維方法。

邏輯思維在概念的形成中有著重要作用。某種概念的形成既有可能是比較與分類(lèi)、歸納與演繹的結(jié)果，也可能是分析與綜合、抽象與概括的結(jié)果。例如，學(xué)生學(xué)習(xí)有關(guān)魚(yú)的特征就是一個(gè)鮮活的事例。教師讓學(xué)生觀察各種各樣的魚(yú)，分析這些魚(yú)的外部形態(tài)和生理特征，從中歸納和概括出魚(yú)所具有的共同特征：生活在水中，身體呈流線型，體表有鱗片，用鰭平衡和游泳，用鰓呼吸。在這個(gè)過(guò)程中就使用了分析、歸納、抽象和概括。因此，概念的建構(gòu)要用到多種邏輯思維方法，其中分析和比較是基礎(chǔ)的邏輯思維方法，其他方法都是建立在分析、比較的基礎(chǔ)上的。抽象程度越高的概念，用到的邏輯思維方法就越高級(jí)。圖2呈現(xiàn)了常用的幾種邏輯思維方法之間的關(guān)系。

3 科學(xué)思維在生物學(xué)科中的獨(dú)特性

生物學(xué)研究的對(duì)象十分復(fù)雜而且多樣，因而決定了科學(xué)思維在生物學(xué)中的復(fù)雜性、靈活性和整體性。從復(fù)雜性來(lái)看，人既是研究的主體，也是研究的對(duì)象，所有的生物都是生物學(xué)研究的對(duì)象；除病毒外，這些生物的結(jié)構(gòu)組成單位都是細(xì)胞，其基本的物質(zhì)組成大致相同，因?yàn)橛泄餐卣?；各種生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)差異極大，這些生物所依賴(lài)的環(huán)境各不相同，而且在同一環(huán)境中的生物也差異極大，這就決定了研究這些生物要有復(fù)雜性思維。從靈活性來(lái)看，盡管在研究生物及生命現(xiàn)象的各個(gè)層面上有著許多的共性，但所形成的概念沒(méi)有絕對(duì)的論述。例如，相對(duì)于其他體細(xì)胞來(lái)說(shuō)，紅細(xì)胞既沒(méi)有細(xì)胞核，也沒(méi)有相應(yīng)的細(xì)胞器，不能用共性的特征來(lái)硬套所有的研究對(duì)象；又如，對(duì)于“生物是不斷進(jìn)化的，是從水生到陸生、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從低等到高等進(jìn)化的”的認(rèn)知，就要以靈活的思維來(lái)分析，否則就無(wú)從解釋現(xiàn)在的地球上為什么還有那么多的低等生物在生存，而且它們還表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境的適應(yīng)；再如，同樣的水體污染，不同的地理和人文環(huán)境決定了污染的方式各不相同，農(nóng)村的水體污染可能是農(nóng)田施用化肥過(guò)多或者生活污水排入所致，城市的水體污染有可能是化工廠排污所致，這就需要針對(duì)污染的周邊環(huán)境、所處地理位置的不同而進(jìn)行不同的考慮。從整體性來(lái)看，看待生物及其生命現(xiàn)象，既要進(jìn)行局部分析，更要進(jìn)行整體考量。例如，分泌蛋白的形成，不能僅從合成蛋白質(zhì)的最初場(chǎng)所核糖體來(lái)考慮，還要考慮內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體的作用，同時(shí)不能忘了線粒體提供的能量；研究一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，不能過(guò)分夸大生產(chǎn)者的作用，不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為消費(fèi)者可有可無(wú)，這就是整體思維的作用。生命觀念既是一種認(rèn)知結(jié)論，也是一種認(rèn)知方式9：科學(xué)思維強(qiáng)調(diào)認(rèn)知方式，是形成生命觀念的重要途徑，因此，科學(xué)思維和生命觀念有著共同的特征，即認(rèn)知方式的統(tǒng)一（圖3）。例如“進(jìn)化和適應(yīng)”是一種生命觀念，是科學(xué)思維的產(chǎn)物，但也可以用進(jìn)化和適應(yīng)的思維來(lái)看待和分析一些生物現(xiàn)象。例如，人們經(jīng)常用進(jìn)化的思維來(lái)分析一些生物的結(jié)構(gòu)和功能的不同之處，用適應(yīng)的思維來(lái)分析一些生物所具有的結(jié)構(gòu)與功能的必然聯(lián)系。

正是因?yàn)樯^念與科學(xué)思維在認(rèn)知方式上的共性關(guān)系，因而極大地豐富了科學(xué)思維在生物學(xué)中的內(nèi)涵。一些具有生命觀念的科學(xué)思維就組成了生物學(xué)科學(xué)思維的獨(dú)特性，如生命系統(tǒng)思維、平衡思維、多因素思維、統(tǒng)一性和多樣性思維等。這些思維要求對(duì)事物進(jìn)行多因素、多角度的客觀分析，既要有邏輯推理，又要考慮到實(shí)際情況，進(jìn)行綜合理解。例如，對(duì)概念、規(guī)律和原理不能作絕對(duì)的理解，對(duì)問(wèn)題的求解不過(guò)分追求非此即彼的標(biāo)準(zhǔn)答案。下面以多因素思維為例進(jìn)行分析。在分析生命及其活動(dòng)規(guī)律時(shí)，既要分析影響生物的各種因素，也要從中找出最主要的因素。例如，影響光合作用的因素有光照（光照時(shí)間、光照強(qiáng)度、光質(zhì)）、溫度、濕度等；影響種子萌發(fā)的條件有溫度、水分、氧氣、光照等。在一個(gè)特定的情境下，有時(shí)為了弄清楚各種因素的影響程度，還需要人為地控制變量，形成單一變量以設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)進(jìn)行處理。多因素思維還需要學(xué)生理解生物科學(xué)中復(fù)雜的因果關(guān)系。除經(jīng)典的一因一果（如一個(gè)基因產(chǎn)生一種酶，決定一種性狀）之外，還需要學(xué)會(huì)理解和分析一因多果、多因一果、多因多果的邏輯關(guān)系。多因素分析有利于學(xué)生認(rèn)識(shí)事物的復(fù)雜性，形成透過(guò)問(wèn)題看本質(zhì)、分清主要因素和次要因素的哲學(xué)觀念，有利于學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)事物，適應(yīng)復(fù)雜的社會(huì)生活。

作者單位：人民教育出版社/課程教材研究所

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