科学思维与生物学概念教学赵占良

•
—— 高中生物教材《遗传与进化》P128
•
引自美国《国家科学教育标准）
•以怀疑作审视的出发点 •以实证为判别尺度 •以逻辑作论辩的武器
合客观
理性
合逻辑
逻辑思维
• 逻辑思维的基本形式：概念、判断、推理、论证
• 逻辑思维的基本方法：归纳和演绎、分析和综合 、抽象和概括、比较和分类等
•理性思维的正例 达尔文 摩尔根
• 生物学科在思维训练上的优势： ——辩证思维、整体性思维、复杂性思维
体现生物学因果关 系的复杂性
训练辩证思维
科学思维之外
• 感性思维（如审美）对于人的发展，特别是人工 智能越来越发达的将来，也是核心素养的重要组 成部分
• 以生物学教学为载体，强化科学（理性）思维的 训练和思维习惯的养成，同时重视科学与人文的 结合，全面提升学生的核心素养，是培养全面发 展的人的题中应有之义。
• 物理：科学思维 • 化学：证据推理与模型认知 • 生物：科学思维（送审稿中是“理性思维”）
小结：科学（理性）思维与核心素养的关系
• 从学生必备品格和关键能力角度看，科学（理性 ）思维是科学态度、科学世界观和科学价值观的 基础；学生要具有分析和解决问题能力，关键要 靠科学（理性）思维。
• 从学生发展核心素养的框架体系看，理性思维是 作为六大素养之一的科学精神的基本要点。
——《高中生物课程标准（征求意见稿）》
七、如何加强重要概念的教学
•认真钻研课标，理清重要概念、次位概念和具体概 念的关系，以重要概念为统领 •认真钻研教材，特别是章引言、本节聚焦和本章小 结，使教学聚焦重要概念 •认真了解学情，注重探查学生的前概念（包括错误 概念） •概念教学要重在理解概念的实质 •概念的理解不能过于机械或绝对，要有灵活性和包 容性
复杂性思维
•生物学中因果关系的复杂性 •一因多果
某种药物的服用效果： 最常见的副作用是：头痛、面部潮红、胃部不适、视力异常，如 视觉色彩改变（如有蓝色色晕）和视力模糊、鼻塞或流鼻涕、背痛、 肌肉痛、恶心、头晕、皮疹
•一果多因
初中生物：影响种子萌发的外界条件…… 高中生物：影响身高 的多个基因及后天因素影响，影响光合作用强度的环境因素……
围绕提出 问题进行 思维训练
五、 如何培养学生的科学思维
• 2. 通过各种学习探究活动培养学生的实证意识、 寻求证据的能力，注重证据的客观性 如测定人的反应速率 测定种子发芽率减少误差 两条钢轨之间距离（视错觉）
追求证据 的客观性
首先应重视模 拟探究的教育 价值。活动中 应要求学生尽 量避免主观因 素影响。
新中国教育出版事业从这里开始……
科学思维与生物学概念教学
赵占良 2018.08.25，沈阳
引言
•科学思维与核心素养的关系 •科学思维的内涵 •科学思维与理性思维的关系 •生物学科科学思维的特点 •生物学教学中如何培养学生的科学思维 •为什么要重视概念教学 •如何加强重要概念的教学
一、科学思维与核心素养的关系
的，教育教学中训练和提升科学思维，主要是指 理性思维
• 余自强 《生物课程论》：科学思维内容
直觉思维
•张大松《科学思维的艺术 科学思维方法导论》
“直觉思维是人们思维活动中那种超越感性经验和 逻辑推理的一种直接洞察与整体判断，它跨越了一 系列研发积累和理性分析，往往说不出判断或选择 的理由，似乎在当时也不需要说明理由。”
• 注重将生态系统作为各种组分相异相依、相克相 生、共存共荣的有机整体，主张摈弃传统的极端 功利型思维，倡导互利型的思维方式。
•
——赵占良《中学生物教育引入生态文化内涵的思考 》
这是受线性因果决 定论影响形成的简 单的线性思维
引导学生在 认识非线性 因果关系基 础上进行整 体性思维
整体性思维训练
• 从学科核心素养来看，科学思维是理化生等理科 课程标准所凝炼的学科核心素养的重要组成。
•加里.R.卡比 杰弗里.R.古德帕斯特《思维》：
“科学与其说是一种知识体系，不如说是一种 思维方式。”
“我们不是要成为科学家，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。”
二、科学思维的内涵
•理性思维：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。
• (5)若将雌雄成鼠各若干只，放在大小一定的笼内 饲养，让它们交配繁殖，且供给足够的饲料和水 ，则笼内鼠数变化和饲养时间之间的关系应为下 图中的曲线 。
缺乏复杂性思维的表现
五、如何培养学生的科学思维
1. 注重怀疑态度、质疑精神
介绍科学史有关实例 在教学活动中鼓励质疑，培养问题意识 “不唯上，不唯书，只唯实”
高中教材辩证 思维训练
进化的结果 是占领更多 的生态位， 不一定适应 能力更强。
整体性思维的范例——生态学思维
• 它不同于传统科学的分析式思维。
• 分析式思维以过分的理性化和机械化为特征，注 重事物和过程的单因果的硬性决定论，以及线性 的和非循环因素的作用。
• 生态学思维是一种整体性思维，它注重事物和过 程多因果的网络结构及概率统计方法的运用，重 视非线性的和循环因素的分析；
概念教学的教学设计思路
•1.依据课标，分析教材，确定章节重要概念。 2. 弄清概念的内涵，了解并分析学生的已有知识和前概念
，设置问题情境，引发认知冲突。确定本节中心问题。 3.将中心问题依次分解成具体问题，设计问题串。 4. 每个问题的解决需要学生获得什么事实性材料，如何获
得，从而设计相应教学活动。 5.获取事实性材料基础上引导学生抽象概括，形成概念内
• 与学生发展核心素养 • 与学科核心素养
学生发展核心素养-六大素养（定稿）
自
主
学会学习
发
健康生活
展
社
会
责任担当 实Biblioteka Baidu创新
参 与
全面发 展的人
人文底蕴 科学精神
文化基础
学生发展核心素养举例
•科学精神： 主要是学生在学习、理解、运用科学知识和技能
等方面所形成的价值标准、思维方式和行为表现。 具体包括理性思维、批判质疑、勇于探究等基本要 点。
证据和推论之间是严密的逻辑
• 理性思维的反例 “一见钟情”：感性思维，无证据无逻辑 看风水：有逻辑无证据 用进废退：有大量反证 高压线附近患白血病几率高：有证据无逻辑 63、73、83、93、103：有证据无逻辑
•理性思维的反例 反转斗士 砸日系车 抢购食盐
四、生物学科科学思维的特点
•与其他自然科学的共同点： 都致力于合客观和合逻辑 都倡导理性质疑 都是基于实证的逻辑思维， 都强调形式逻辑思维的严密性。
经、体液、免疫调节网络，从基因到性状的调节网络，生物 与环境的共同进化、生态系统的稳定性等
复杂性思维的反例
•20、右图为一个生态系统中某些生物的相对数量关 系，这些生物构成了一条食物链。甲、乙、丙三者 在食物链中正确的顺序是 A甲→乙→丙 B乙→丙→甲 数量 C丙→乙→甲 D甲→丙→乙
•
甲乙 丙
复杂性思维的反例
学生发展核心素养中的理性思维
•学生发展核心素养的六大素养之一——科学精神 科学精神的三个要点之一——理性思维
学科核心素养的内涵
• 学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学 生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必 备品格和关键能力。
•
——普通高中生物学课程标准
物理学科核心素养
物理观念 科学思维
• 概念教学本身是透过现象看本质，通过个别看一般，借助特殊探 普遍的过程，概念作为思维的材料和基本形式，学习概念的过程
就是培养思维能力的过程，分析成因、预测未来的过程。
概念教学为什么重要？
•概念是形成思想观念的基础。学习科学概念有助于 形成科学的世界观。 •学生应该在较好地理解了生物学概念性知识的基础 上形成生命观念，如结构与功能观、进化与适应观 、稳态与平衡观、物质与能量观等，并能够用生命 观念认识生命世界、解释生命现象。
六 为什么要重视概念教学
• 个人理解：从科学知识论来看，科学本身不是事 实的堆积，而是概念体系。
• 概念都不是孤立存在的，而是处于许多相关概念 构成的网络中的。概念教学帮助学生所学知识结 构化，形成良好的知识结构。只有结构化的知识 才是良好的知识。
• 事实是不能迁移的，概念是能够迁移的，可以迁 移到新情境中，用来分析和解决问题。
•与其他学科的比较优势
•生物学科在思维训练上的优势（高阶思维）： ——辩证思维、整体性思维、复杂性思维
这代表了现代科学思维方式
辩证思维
• 一分为二、对立统一、发展变化、普遍联系地思 考问题，都是辩证思维。
• 摈弃非此即彼、二元对立的思维方式，引导学生 全面、辩证地看问题，是培养辩证思维的重要方 面之一。
•马林著《思维科学知识读本》： “科学思维是人们在科学认识和科学实验的活动中 所进行的一种思维活动，是以探索真理为目的的思 维活动，是反映客观事物本质与规律，以‘理论’ 掌握世界的方式进行的思维活动。”
对“科学思维”的理解
• 从认知角度，是求真的思维。 • 从做事角度，是合规律的思维。 • 科学思维在科学探究中形成，用来解决自然科学
高中生物的例子
甲状腺激素的浓 度是TSH作用的 “果”，反过来 又成为作用于垂 体和下丘脑的“ 因”，构成一个 封闭的反馈环。
生物学中的因果关系
•线性因果关系
线状或树状（“一个基因一个酶”，反射，等等）
•非线性因果关系（环状或网状） 循环因果关系：如生命系统各层次的反馈调节
网络因果关系：诸多反馈环路之间的相互影响，如神
——《普通高中生物学课程标准（2017年版）》
科学思维（物理课标）
科学思维（专著解释）
•张大松《科学思维的艺术 科学思维方法导论》 “科学思维方法是指形成并运用于科学认识活动
的、人脑借助信息符号对感性材料进行加工处理的 方式与途径。一般来说，科学思维方法比日常思维 方法更具有严谨性与科学性。”
科学思维（专著解释）
物理学科 核心素养
科学探究
科学态度 与责任
化学学科核心素养
宏观辨识与 微观探析
变化观念与 平衡思想
证据推理与 模型认知
化学学科 核心素养
实验探究 与创新意
识
科学态度与 社会责任
生物学学科核心素养
——《普通高中生物学课程标准（2017年版）》
生命观念 科学探究
生物学科 核心素养
科学思维 社会责任
学科核心素养中的科学思维
——《学生发展核心素养体系构建》课题组
科学思维
• 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。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生命 现象及规律，审视或论证生物学议题
•多因多果
初高中生物：生态因素，环境污染对生物的影响，生物多样性锐 减的原因和后果……
•
生物学中因果关系的复杂性
•线性因果关系
线状或树状（“一个基因一个酶”，反射，等等）
•非线性因果关系（环状或网状） 循环因果关系：如生命系统各层次的反馈调节，生产者
、消费者、分解者之间的关系
似乎分不清 起点和终点 的因果环路
问题，也可用来解决自然科学以外的某些问题。 • 科学思维不能解决人类面临的所有问题。 • 科学思维是人类理性精神在思维中的体现。 • 科学思维的核心是理性思维。
三、科学思维与理性思维的关系
科学思维与理性思维的关系
• 科学思维的核心是理性思维，都是人类理性精神 在思维中的体现。
• 科学思维=理性思维+直觉、灵感、顿悟等 • 直觉是与生俱来的，灵感和顿悟是可遇而不可求
让学生意识到利用 工具进行测量是排 除主观、力求客观 的有效手段。
证据
高中新教材中的例子
五、如何培养学生的科学思维
• 3. 引导学生从证据推导出结论，训练逻辑思维 的流畅性、严密性
训练理性思维
教材举例：八年 级下册P54
五、如何培养学生的科学思维
•4. 在训练学生形式逻辑思维基础上，训练学生的 高阶思维
“直觉思维是创造性活动中普遍存在的思维方式”
理性思维的概念解析
• 理性：合客观+合逻辑 合客观：区别于宗教信仰等 尽量排除主观因素的影响 合逻辑：区别于感性、情感
如何做到合客观、合逻辑
• 合客观：靠证据——观察、实验、调查等 • 合逻辑：靠推理——归纳、演绎
科学的基本特点
•科学的基本特点是以怀疑作审视的出发点，以实证 为判别尺度，以逻辑作论辩的武器。