淺論科學(xué)思維水平等級及教學(xué)運(yùn)用

安徽

科學(xué)思維是學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，本質(zhì)是利用科學(xué)思維方式認(rèn)識(shí)生物世界和解決生物學(xué)問題?？茖W(xué)思維不僅存在于科學(xué)家的頭腦中，普通學(xué)生也應(yīng)具有科學(xué)思維。高中生物課堂是適合開展科學(xué)思維教學(xué)的平臺(tái)，教師要將科學(xué)思維不同水平等級的培養(yǎng)融入實(shí)際教學(xué)中，并在學(xué)業(yè)質(zhì)量檢測中考查學(xué)生的科學(xué)思維水平，逐步培養(yǎng)具有理性思維、科學(xué)審視世界能力的社會(huì)人。

一、科學(xué)思維在核心素養(yǎng)和學(xué)業(yè)質(zhì)量水平中的比較

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）對生物學(xué)科學(xué)思維在學(xué)業(yè)質(zhì)量水平和核心素養(yǎng)中的水平等級做出了具體描述，這為教師培養(yǎng)與塑造學(xué)生科學(xué)思維提供了依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》中對科學(xué)思維的水平等級劃分是頂層設(shè)計(jì)，具有高度概括性和指導(dǎo)性?？茖W(xué)思維可通過學(xué)業(yè)質(zhì)量水平檢測和體現(xiàn)，學(xué)業(yè)質(zhì)量水平讓核心素養(yǎng)成為能夠衡量的抓手?？茖W(xué)思維在核心素養(yǎng)和學(xué)業(yè)質(zhì)量水平中均劃分為四個(gè)水平，兩者的不同層次體現(xiàn)一一對應(yīng)的關(guān)系。核心素養(yǎng)的四個(gè)水平重點(diǎn)是在培養(yǎng)學(xué)生品格與能力方面做了不同層次的要求和規(guī)范，學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的四個(gè)水平重點(diǎn)在教學(xué)評價(jià)和核心素養(yǎng)檢測中做了詳細(xì)說明，學(xué)業(yè)質(zhì)量水平中的二級水平是合格性考試的標(biāo)準(zhǔn)，而四級水平是等級性考試的標(biāo)準(zhǔn)。一線教師需認(rèn)真研究學(xué)業(yè)質(zhì)量水平與核心素養(yǎng)的關(guān)系，掌握科學(xué)思維不同水平的具體體現(xiàn)，讓科學(xué)思維在教學(xué)中得到充分訓(xùn)練，在考試評價(jià)中高質(zhì)量體現(xiàn)與落實(shí)。

二、科學(xué)思維水平等級的關(guān)系及教學(xué)運(yùn)用初探

科學(xué)合理地劃分科學(xué)思維可準(zhǔn)確反映生物學(xué)課程學(xué)習(xí)的深度和廣度?？茖W(xué)思維不同水平的差異主要表現(xiàn)為在不同復(fù)雜程度的情境中運(yùn)用各種重要概念思考和解決問題的程度，水平從低到高具有遞進(jìn)關(guān)系。一、二級水平涉及的大概念、方法僅限于必修課程內(nèi)容，解決問題的情境及思考問題的層次相對較低。三、四級水平涉及的大概念、方法包括必修課程和選擇性必修課程等內(nèi)容，同時(shí)解決問題的情境相對復(fù)雜，思考問題和解決問題層次要求較高。

1.一級水平：認(rèn)同概念形成過程、運(yùn)用概念解釋簡單生命現(xiàn)象

生物學(xué)中的核心概念如定律、定理和規(guī)律等是人類科學(xué)思維的產(chǎn)物，形成這些概念需要通過歸納、分析、比較、演繹、綜合和概括等科學(xué)思維過程與方法?？茖W(xué)思維不僅體現(xiàn)在關(guān)注概念形成結(jié)果，也體現(xiàn)在關(guān)注概念形成過程。在教學(xué)過程中教師需引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)生物學(xué)概念的形成過程，區(qū)分核心概念的內(nèi)涵和外延，并運(yùn)用這些核心概念在簡單情境中解釋生命現(xiàn)象。如在教學(xué)中完成“酶”概念教學(xué)后，筆者設(shè)計(jì)了如下簡單情境以訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維。

【例1】用蛋白酶處理大腸桿菌核糖體，處理后的核糖體仍可催化氨基酸的脫水縮合反應(yīng)。下列敘述正確的是 （ ）

A.蛋白酶處理后的大腸桿菌核糖體中缺乏合成蛋白質(zhì)的酶

B.大腸桿菌核糖體中催化氨基酸脫水縮合的酶是一種蛋白質(zhì)

C.核糖體中催化氨基酸脫水縮合的酶能為合成蛋白質(zhì)提供能量

D.大腸桿菌核糖體中催化氨基酸脫水縮合的酶由核糖核苷酸組成

【答案】D

【分析】通過提供的實(shí)驗(yàn)情境，學(xué)生運(yùn)用已知的核糖體的成分等知識(shí)，比較分析大腸桿菌核糖體在蛋白酶處理前后的功能變化，可歸納出核糖體中催化合成蛋白質(zhì)的酶不是蛋白質(zhì)，而是另一種成分——rRNA，并結(jié)合課堂上所學(xué)關(guān)于酶的化學(xué)本質(zhì)和作用等內(nèi)容，輕松完成此題。運(yùn)用簡單情境考查學(xué)生對生命現(xiàn)象的分析和解釋，滲透比較、分析、歸納和概括等科學(xué)思維的實(shí)際應(yīng)用，讓學(xué)生在解決問題的過程中形成生物學(xué)概念，在運(yùn)用生物學(xué)概念的過程中提升科學(xué)思維水平，兩者相得益彰。在實(shí)際教學(xué)中教師還可通過指導(dǎo)學(xué)生閱讀、分析、討論，使學(xué)生認(rèn)同生物學(xué)概念的形成需要運(yùn)用不同科學(xué)思維方法進(jìn)行論證，進(jìn)而逐步建立較為全面的科學(xué)思維模式。

2.二級水平：運(yùn)用適當(dāng)方法說明概念內(nèi)涵，面對爭議運(yùn)用邏輯推理闡明立場

生物學(xué)概念或原理均是科學(xué)思維的產(chǎn)物，其建立過程需要運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理等適當(dāng)方法，并可以用文字或圖示的形式進(jìn)行表達(dá)。在面對有爭議的社會(huì)議題時(shí)，可通過所學(xué)的生物學(xué)原理解釋相應(yīng)的生命現(xiàn)象，并通過邏輯推理闡明個(gè)人立場。二級科學(xué)思維水平是一級水平的延續(xù)與拓展，強(qiáng)調(diào)科學(xué)思維在學(xué)生個(gè)體中的具體運(yùn)用和表達(dá)，并能在科學(xué)思維指導(dǎo)下逐步理解和建立生物學(xué)概念，且能將科學(xué)思維轉(zhuǎn)化為個(gè)人在社會(huì)中的科學(xué)行動(dòng)指南。如在研究酶的活性及影響因素時(shí)，筆者在教學(xué)中設(shè)計(jì)了如下試題以鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維，并讓學(xué)生面對疑惑提出自己的見解。

【例2】如圖為研究某種酶在不同溫度（甲組20℃、乙組40℃、丙組60℃）、不同反應(yīng)時(shí)間內(nèi)對產(chǎn)物濃度（其他條件相同）的影響。下列敘述中正確的是 （ ）

A.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)需將此酶與底物混合后再設(shè)置所需溫度，而后測定產(chǎn)物濃度變化

B.乙組反應(yīng)體系在t1— t2時(shí)間內(nèi)反應(yīng)速率不斷下降表明此酶活性不斷下降

C.在t1前若將甲組溫度提高10℃，則甲組酶催化反應(yīng)的速率將降低

D.若在t2時(shí)向丙組反應(yīng)體系中增加2 倍量底物，則t3時(shí)丙組產(chǎn)物總量不變

【答案】D

【分析】曲線或圖表結(jié)合呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)常用來研究酶的活性及影響因素，學(xué)生在分析不同溫度下三條曲線的變化時(shí)，分析比較出溫度和時(shí)間對反應(yīng)體系中產(chǎn)物濃度的影響，總結(jié)歸納出酶的活性、酶的濃度與反應(yīng)速率的關(guān)系。學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)情境及模型分析，逐步形成了酶的空間結(jié)構(gòu)→酶的活性→活性測定這條關(guān)系鏈，并在分析、歸納中升華原理或概念，經(jīng)過科學(xué)思維的形成，對構(gòu)建的知識(shí)原理理解深刻且記憶持久。教學(xué)中教師還可引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維對一些生活或社會(huì)議題表達(dá)觀點(diǎn)和立場。如加酶洗衣粉應(yīng)在什么水溫下使用？儲(chǔ)存血液制品應(yīng)用低溫還是高溫？探究溫度對酶活性的影響宜用淀粉酶還是過氧化氫酶？面對這些問題時(shí)，學(xué)生便可利用已有的科學(xué)思維發(fā)表個(gè)人見解和觀點(diǎn)，同時(shí)在這個(gè)過程中強(qiáng)化生物學(xué)原理的構(gòu)建與科學(xué)思維的緊密聯(lián)系。

3.三級水平：探討、審視或論證生物學(xué)問題，通過邏輯推理對社會(huì)議題作出決策

科學(xué)思維是認(rèn)識(shí)一切事物的本質(zhì)及事物之間關(guān)系的方法，此種方法可運(yùn)用于生物學(xué)各個(gè)領(lǐng)域和范疇。科學(xué)思維三級水平除要求以文字、圖示或模型等方法研究生物學(xué)必修課程和選擇性必修課程外，還要求舉例說明生物工程與技術(shù)的原理及其與社會(huì)之間的關(guān)系，擴(kuò)大了科學(xué)思維的應(yīng)用范圍。此水平等級增加了運(yùn)用模型說明生物學(xué)概念內(nèi)涵的方法，彰顯概念模型、物理模型和數(shù)學(xué)模型在研究生物學(xué)問題中的運(yùn)用。模型運(yùn)用是一種思維水平較高的認(rèn)識(shí)問題方式，能將抽象、復(fù)雜的問題簡單化、形象化和具體化，對學(xué)生認(rèn)知水平和思維品質(zhì)要求很高。在學(xué)習(xí)人教版教材選修1 關(guān)于“酶的研究與應(yīng)用”時(shí)，筆者設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)情境。

【例3】某同學(xué)用不同種類的洗衣粉進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)，請分析回答相關(guān)問題。

實(shí)驗(yàn)一（如表1）：

表1

（1）該實(shí)驗(yàn)的目的是________________________。

（2）上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出的結(jié)論是________________________。

實(shí)驗(yàn)二：探究復(fù)合酶洗衣粉和普通洗衣粉的洗滌效果是否存在差異。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2：

表2

（3）該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中有一處明顯的錯(cuò)誤，請指出：_________________。

（4）修改后的實(shí)驗(yàn)最可能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是____________________。

（5）推廣使用加酶洗衣粉代替含磷洗衣粉，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，這是因?yàn)開_________________________。

【答案】（1）探究不同洗衣粉在不同溫度下去污力的變化 （2）相同溫度下加酶洗衣粉的去污力比普通洗衣粉高，使用加酶洗衣粉的適宜溫度為45℃左右 （3）對照組設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，應(yīng)設(shè)計(jì)復(fù)合酶洗衣粉和普通洗衣粉作為對照 （4）使用復(fù)合酶洗衣粉的去污程度大于普通洗衣粉的去污程度 （5）酶具高效性且可被分解，避免水體富營養(yǎng)化

【分析】通過提供兩組關(guān)于研究加酶洗衣粉的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生分析、比較數(shù)據(jù)后推出實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，歸納出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶σ延袑?shí)驗(yàn)進(jìn)行分析、評價(jià)并提出解決問題的科學(xué)建議。這就需要學(xué)生經(jīng)過深思熟慮后運(yùn)用科學(xué)思維方法進(jìn)行探討、審視和論證，并通過邏輯推理作出決策。運(yùn)用科學(xué)思維對事物進(jìn)行多因素、多角度的客觀分析，既要有邏輯推理，又要結(jié)合實(shí)際情況綜合理解，并作出主觀意志的判斷和決策，體現(xiàn)了科學(xué)思維在人類認(rèn)知方式和解決實(shí)際問題中的較高體現(xiàn)，在很大程度上激發(fā)了人的思考潛能，提出自己對問題的新見解。

4.四級水平：運(yùn)用科學(xué)思維揭示規(guī)律或機(jī)制，作出決策并解決問題

科學(xué)思維的四級水平是高級水平，強(qiáng)調(diào)模型與建模在認(rèn)識(shí)生物學(xué)概念和原理中的具體運(yùn)用。概念本身就是一種模型，而概念的形成過程就是建立模型的過程。此級水平要求學(xué)生能熟練運(yùn)用科學(xué)思維方法審視生物新情境，并能揭示生物學(xué)規(guī)律或機(jī)制。這里包含科學(xué)思維中的高級方法——批判性思維，要求學(xué)生能做出具有目的性和反思性的判斷，批判性思維具有求證、理性、開放、正確評價(jià)、審視作出判斷、愿意重新考慮并作出調(diào)整等特點(diǎn)。針對復(fù)雜的生物學(xué)問題，能利用多個(gè)相關(guān)的生物學(xué)大概念或原理形成證據(jù)鏈或關(guān)系網(wǎng)，通過邏輯推理闡明個(gè)人意愿并解決實(shí)際問題，這是對科學(xué)思維的最終目標(biāo)提出的最高要求。在教學(xué)中筆者通過原創(chuàng)一道有關(guān)種子萌發(fā)的試題，對學(xué)生在提出方案并解決問題方面進(jìn)行了科學(xué)思維訓(xùn)練。

【例4】某科技小組研究了油菜種子（富含脂肪）和大麥種子（富含淀粉）的萌發(fā)過程。請回答下列問題：

（1）科技小組將100 粒油菜種子置于溫度、水分、通氣等條件適宜的環(huán)境中培養(yǎng)到10 d（幼苗前），實(shí)驗(yàn)中定期檢測萌發(fā)油菜種子的干重變化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)油菜種子萌發(fā)中3— 7 d 間干重增加，這與油菜種子中脂肪水解成______________________有關(guān)；萌發(fā)至7— 10 d 間干重減少，其原因是________________________________。

（2）為研究大麥種子萌發(fā)過程中α-淀粉酶的產(chǎn)生機(jī)理，科技小組將多粒大小相似的大麥種子隨機(jī)平均分成4 等份（如表3）：

表3

①每組隨機(jī)加入多粒大麥種子目的是_________________________。

②綜合分析實(shí)驗(yàn)中1 組、2 組和4 組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可說明______________________________________。

③由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知大麥種子產(chǎn)生α-淀粉酶的部位是_________________________________。

（3）科技小組欲利用實(shí)驗(yàn)室中恒溫箱、淀粉、碘液等器具和材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以比較大麥種子在20℃和30℃萌發(fā)時(shí)α-淀粉酶的催化效果。則科技小組的實(shí)驗(yàn)思路為____________________________________。

【答案】（1）甘油和脂肪酸 油菜種子萌發(fā)過程中細(xì)胞呼吸消耗有機(jī)物導(dǎo)致干重減少 （2）①排除實(shí)驗(yàn)中因種子數(shù)量少引起的偶然誤差 ②大麥種子中α-淀粉酶活性與胚產(chǎn)生的赤霉素有關(guān) ③糊粉層 （3）將等量大麥種子分別置于20℃和30℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)若干天，而后取等量的萌發(fā)種子分別制成提取液Ⅰ和提取液Ⅱ。取2 支試管甲、乙，分別加入等量的淀粉液，然后再加入等量的提取液Ⅰ和提取液Ⅱ，45℃水浴保溫一段時(shí)間，然后立即在2 支試管中分別加入2 mL 碘液，振蕩后觀察顏色變化

【分析】學(xué)生在分析表格數(shù)據(jù)時(shí)，通過比較、分析、歸納并總結(jié)出影響大麥種子萌發(fā)的機(jī)理，經(jīng)過嚴(yán)密思考后提出比較大麥種子在不同溫度萌發(fā)時(shí)α-淀粉酶的催化效果的實(shí)驗(yàn)思路或方案，這是利用科學(xué)思維解決實(shí)際問題的具體表現(xiàn)。學(xué)生最初提出的方案可能是不合理甚至是錯(cuò)誤的，這時(shí)教師需引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步進(jìn)行論證或?qū)徱?，必要時(shí)需要查閱資料或?qū)嶋H驗(yàn)證得出結(jié)論，這就需要學(xué)生不斷修訂、不斷完善并得出科學(xué)的結(jié)論，最終解決實(shí)際問題并形成新的科學(xué)思維成果。

科學(xué)思維是學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，也是形成生命觀念的重要途徑和科學(xué)探究的重要組成部分。教師厘清科學(xué)思維的不同水平等級，并找出四個(gè)水平等級的區(qū)別、聯(lián)系、繼承與拓展，將此滲透到每一節(jié)課與每一次教學(xué)評價(jià)中，真正讓學(xué)生形成必備的科學(xué)思維品質(zhì)，從而更好地認(rèn)識(shí)事物和適應(yīng)復(fù)雜的社會(huì)生活。