科学思维及其在生物学学科中的独特性

1、科学思维及其在生物学学科中的独特性科学思维作为生物学核心素养的主要内容，是形成生命观念的重要途径，也 是科学探究的重要组成部分。生物学中的一些重要概念，如定律、原理、规律等 都是人类科学思维的产物，形成这些概念一般需要进行分析、比较、归纳、演绎、 综合、抽象和概括等科学思维的过程和方法。科学思维既重视概念形成的结果， 也关注概念的形成过程。因此，发展学生科学思维的能力和品质是生物学教学的 重要目标之一。1科学思维的定义及其特征科学思维有不同的定义。胡卫平等提出：科学思维就是具有意识的人脑对自 然界中事物（包括对象、过程、现象、事实等）的本质属性、内在规律及自然界 中事物间的联系和相互关系的间接

2、的、概括的和能动的反映。这个定义偏重于将 思维和概念合为一体，没有准确地界定科学思维的本质特征普通高中生物学课 程标准（2017年版）的表述是：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。该定义认为科学思维是一种态度、习惯和能力，缺乏对科学思维的过程和品 质的阐释普通高中物理学课程标准（2017年版）的表述是：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

3、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。这个定义认为科学思维是一 种认识方式、过程、运用、能力与品格的统一，从心理学层面上比较好地阐释了 科学思维的显性特征。需要指出的是，尽管物理课程标准是以物理学视角来界定科学思维，但所提 出的科学思维的这些特征在化学、生物学等自然科学中同样存在。科学思维是指人对自然界中客观事物的一种认识行为、认知方式和认知品质 的反映。中学科学教育层面的科学思维，还包含有激发学生“崇尚真知，追求科 学知识”的认知动机。科学思维具有以下一些显性特征：崇尚真知，认同科学知识、原理和方法在解决问题中的作用（认知动机）； 尊重事实和证据，以事实和证据作为科学思

4、维的起点（认知行为）； 正确的逻辑分析，运用科学的思维方法认识事物及事物之间的联系（认知 方式）；质疑和批判，创造性地提出观点、方法，以解决具体的问题（认知品质）。 这些特征可以用结构图（图1）表示它们之间的关系。质疑和批判正确的逻辑分析（J工 n认知品质尊重事实和证据u二 崇尚真知0认知方式U认知行为L 。认知动机16图1科学思维特征的结构认知动机是科学思维的起点，只有在“崇尚真知，追求科学知识、原理和方 法”的基础上，我们才会相信科学，进行科学分析，产生“尊重事实和证据”的 认知行为“尊重事实和证据”是科学思维的前提；认知行为如何具体落实为认 识方式呢？进行“正确的逻辑分析和推理”是认识事

5、物及事物之间联系的核心; 在认知的过程中，需要坚持质疑和批判的认知精神和品质。由此可见，认知动机、 认知行为、认知方式、认知品质是逐级提升的，体现出科学思维鲜明的逻辑层次。 而认知品质又会在科学思维的全部过程之中得以体现。2科学思维方法的分析科学思维的表现形式是科学思维方法，即认识事物的本质及事物之间的关系 需要一定的方法才能得出正确的结论。科学思维方法有多种分类，其中按思维的抽象程度可以分为：动作思维（直 觉）、形象思维（观察、想象）和逻辑思维（抽象）。逻辑思维是概念形成的重要方式，而科学课程的主要内容之一是形成各种概 念、原理和规律，因此，逻辑思维是科学思维的主要表现形式，是科学课程中需

6、要着重培养的思维。逻辑思维主要表现为：比较与分类、归纳与演绎、分析与综合、抽象与概括 等。批判性思维包括三个紧密联系、相互影响的阶段：分析思维方式阶段、评估 思维方式阶段、提高思维方式阶段批判性思维包含了逻辑思维的全部特点，是科学思维的高阶水平。科学思维方法的种类、基本内涵和在生物学中的应用举例（表1）。M 1科学思推方法的内涵相互关系科学这推方法将小内旃相应对举例叱校与分类it找是以确定步勃之M的共同点 和在修点的出推方法:分类则是根 据M望的火同点和力律性,把软分为不同种类的龙立思推方法定分类的地,只为比的对酸的 共同点和弟界性才能进行科学的分 拈分类分为“分.和君,“分的 依抠及对第的不

7、同也”美8的依报丸 时象的相时点,分类体现了客观功物 的共性与个性的淤井植物和动物共肝的划 分：原核细购川”核细 胞的分类鹏与清蜂人打处本初始认也在住从个聘开 然E折展列-彼.冉从般进一步认识个冽,纳於从个别中 发现殷的Hi理明式卬思雄方式： 泄纬是从房中发炭午别的推理 形式和驷维方式住进行11纳时不4俺驿尽所有的个 别内此FI纳出米的整治不一定肥正 端的.还需要湎”推理进行论i.囚 此JI炳制演”拈互为作用的动，出物的分类：各传动 物的特衽的确定；细鲍学说酌建立分析与嫁合分析是把研究对奴的尔体分杆为个个部分或脑部.分别进行砥究 的思维万法;保合与分析相反.处 从修体上去认阻和把握研究环象 的

8、思爆方法n然科学中的任何就动都寓不开分 折无母班比较11分类还是归与 清烽郡离不开分析.分析助他从小的 料学方怯上分析的小础上进一小 琮合址生维的卷位和发展偎念的形成一般说交经过分析与烁令加像与微标抽假是在现金惧杷巾物的北1，41混 件本旗特征触配出球、介弃其有 所不同的X，质特征的过行把 抽缺出的共同的、木成Q祝结合在起就是剧括加强程抽取与假拈坞两仲方向性不同的思 堆方法.抽象施承干分析和燃煤微 括的帝r八纳和右合.但二者乂仃 拧帝切的美布.副泉足慨括的娓断. 账抵足於皱的心展生物学欧意的形成殷 止恤金与歌拈的结果批为性思惟骷析的性和反思性的月断， 包牯好奇,敏长,求等思推特性. 也包括用料

9、、分析推理评侪、解修和自救网候等认何枝腌悔利性思雄八有求if、两性、开放、我 活、碗评价、中M作出“断、愿怠派 折号您Jf做址两弟等特点科学发现中经合川彩撒 内性思维上述科学思维方法都是形成概念的重要方法，而概念也是一种重要的模型， 概念的形成过程就是建立模型的过程，即建立模型也要用到上述科学思维方法。 例如，光合作用的概念就是一个概念模型，它是在一系列探索光合作用的原料、 条件、场所、产物和过程的基础上，进行分析与综合的产物。除概念模型外，数 学模型和物理模型的建立都要用到表1中的逻辑思维方法。逻辑思维在概念的形成中有着重要作用。某种概念的形成既有可能是比较与分类、归纳与演绎的结果，也可能是

10、分析与综合、抽象与概括的结果。例如，学生 学习有关鱼的特征就是一个鲜活的事例。教师让学生观察各种各样的鱼，分析这 些鱼的外部形态和生理特征，从中归纳和概括出鱼所具有的共同特征：生活在水 中，身体呈流线型，体表有鳞片，用鳍平衡和游泳，用鲤呼吸。在这个过程中就 使用了分析、归纳、抽象和概括。因此，概念的建构要用到多种逻辑思维方法， 其中分析和比较是基础的逻辑思维方法，其他方法都是建立在分析、比较的基础 上的。抽象程度越高的概念，用到的逻辑思维方法就越高级。图2呈现了常用的 几种逻辑思维方法之间的关系。图2常用的几种科学思维方法之间的关系3科学思维在生物学科中的独特性生物学研究的对象十分复杂而且多样

11、，因而决定了科学思维在生物学中的复 杂性、灵活性和整体性。从复杂性来看，人既是研究的主体，也是研究的对象, 所有的生物都是生物学研究的对象；除病毒外，这些生物的结构组成单位都是细 胞，其基本的物质组成大致相同，因为有共同特征；各种生物的形态结构差异极 大，这些生物所依赖的环境各不相同，而且在同一环境中的生物也差异极大，这 就决定了研究这些生物要有复杂性思维。从灵活性来看，尽管在研究生物及生命 现象的各个层面上有着许多的共性，但所形成的概念没有绝对的论述。例如，相 对于其他体细胞来说，红细胞既没有细胞核，也没有相应的细胞器，不能川共性 的特征来硬套所有的研究对象；乂如，对于“生物是不断进化的，是

12、从水生到陆 生、从简单到复杂，从低等到高等进化的”的认知，就要以灵活的思维来分析, 否则就无从解释现在的地球上为什么还有那么多的低等生物在生存，而且它们还 表现出对环境的适应；再如，同样的水体污染，不同的地理和人文环境决定了污 染的方式各不相同，农村的水体污染可能是农田施用化肥过多或者生活污水排入 所致,城市的水体污染有可能是化工厂排污所致,这就需要针对污染的周边环境、 所处地理位置的不同而进行不同的考虑。从整体性来看,看待生物及其生命现象, 既要进行局部分析，更要进行整体考量。例如，分泌蛋白的形成，不能仅从合成 蛋白质的最初场所核糖体来考虑，还要考虑内质网、高尔基体的作用，同时不能 忘了线粒

13、体提供的能量；研究一个生态系统的营养结构，不能过分夸大生产者的 作用，不能简单地认为消费者可有可无，这就是整体思维的作用。生命观念既是 一种认知结论，也是一种认知方式9：科学思维强调认知方式，是形成生命观念 的重要途径，因此，科学思维和生命观念有着共同的特征，即认知方式的统一（图 3） o例如“进化和适应”是一种生命观念，是科学思维的产物，但也可以用进 化和适应的思维来看待和分析一些生物现象。例如，人们经常用进化的思维来分 析一些生物的结构和功能的不同之处，用适应的思维来分析一些生物所具有的结 构与功能的必然联系。佟I 3科学思维和生命观念关系图正是因为生命观念与科学思维在认知方式上的共性关系，因而极大地丰富了 科学思维在生物学中的内涵。一些具有生命观念的科学思维就组成了生物学科学 思维的独特性，如生命系统思维、平衡思维、多因素思维、统一性和多样性思维 等。这些思维要求对事物进行多因素、多角度的客观分析，既要有逻辑推理，乂 要考虑到实际情况，进行综合理解.。例如，对概念、规律和原理不能作绝对的理 解，对问题的求解不过分追求非此即彼的标准答案。下面以多因素思维为例进行 分析。在分析生命及其活动规律时，既要分析影响生物的各种因素，也要从中找 出最主要的因素。例如，影响光合作用的因素有光照（光照时间、光照强度、光 质）、温度、湿度等；影响种子萌发的条件有温度、水分、氧气、